大型電站鍋爐機組低負荷運行的危害及對策

馬建剛

摘要：本文首先提出了現代大型直流電站鍋爐的正常低負荷區間范圍，然后就鍋爐機組低負荷運行時在水冷壁安全、燃燒穩定性、尾部受熱面問題等三個方面所產生的危害進行了簡要分析，并針對危害分別提出了應對措施，對機組運行可做一定參考。

關鍵詞：大型電站;鍋爐機組;低負荷;運行狀態

某600MW級機組工程鍋爐機組為東方鍋爐（集團）股份有限公司引進日立公司技術生產的超臨界參數變壓本生直流爐、一次再熱、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。采用中速磨煤機正壓冷一次風直吹式制粉系統，前后墻對沖旋流燃燒，前后墻各三層燃燒器。

現代大型鍋爐都具有很強的調峰能力，超臨界鍋爐最低負荷主要取決于水冷壁的安全負荷。一般超臨界鍋爐的最低負荷為25～35%BMCR，（本工程為28%BMCR），鍋爐在此負荷以上運行時，水冷壁可以說是安全的。調峰幅度還應考慮鍋爐最低不投油穩燃負荷，設計煤種本工程的最低不投油穩燃負荷為30%BMCR。所以本文的低負荷區間認為是30～50%BMCR的區間。

一.鍋爐水冷壁的安全問題

直流鍋爐是靠鍋爐給水泵的壓頭一次性強制流動通過各級受熱面，水的加熱、蒸發、過熱之間沒有固定的分界，這樣就是直流爐的水冷壁安全方面存在比較突出得兩個問題：水動力不穩定和傳熱惡化。

直流鍋爐水動力不穩定主要表現為在蒸發管屏中發生的周期性的流量波動，即脈動。脈動現象有三種表現形式：管間脈動、管屏脈動和整爐脈動，現在大型直流爐主要是管間脈動。啟動和低負荷階段工作壓力和質量流量大幅度下降，所以啟動和低負荷時容易發生脈動現象。

消除脈動的方法有以下幾種：

⑴提高工質的質量流速;

⑵在蒸發受熱面熱水段進口加裝節流圈;

⑶在蒸發段含汽率為0.15～0.20處加裝呼吸箱;

⑷蒸發段采用小管徑管（目的增加質量流速）;

⑸蒸發受熱面下部采用內螺紋螺旋管結構（目的增加質量流速）。

在鍋爐蒸發受熱面中，有時水或汽水混合物與管壁間被一層汽膜隔開，導致傳熱系數急劇下降，管壁溫度急劇升高，遠遠超過工質的飽和溫度，甚至出現過燒的現象，膜態沸騰又稱傳熱惡化，按機理分為第一類傳熱惡化和第二類傳熱惡化兩種。第二類傳熱惡化發生在比較高的熱負荷下霧狀流動的結構區域，發生第二類傳熱惡化是對直流爐而言其放熱方式為強迫流動，蒸汽流速快，工質的放熱系數比第一類大，水冷壁溫上升也比第一類小。但當有一定熱負荷時，水冷壁溫可能會超過允許值而使管子損壞。發生此類傳熱惡化時經常伴有壁溫波動（幅度為60～125℃），導致管壁發生熱疲勞破壞。直流爐水冷壁的形式必然存在所謂“蒸干”的傳熱惡化過程，電站鍋爐常見的傳熱惡化多屬此類。

防止傳熱惡化的主要措施主要有：

⑴采用內螺紋管和加裝擾流子;

⑵提高工質質量流速;

⑶降低水冷壁的熱負荷。

現代大型直流鍋爐在設計和制造方面對水冷壁安全方面已采取了比較有效的措施，采用帶內螺紋的螺旋管圈，采用小管徑管和采用中間聯箱等。水冷壁管應進行水動力不穩定性和水壁管內沸騰傳熱計算，確定不發生脈動的界限質量流速和管子最大壁溫及管子上下壁溫差。

二.鍋爐燃燒調整和制粉系統的運行

本工程采用中速磨煤機正壓冷一次風直吹式制粉系統，前后墻對沖旋流燃燒，前后墻各三層燃燒器。對直吹式制粉系統磨煤機的運行影響和制約著燃燒器的運行和對燃燒的調整。對設計煤種本工程的最低不投油穩燃負荷為30%BMCR。本工程煤質屬易燃易結焦煤種，爐膛容積熱負荷和斷面熱負荷設計都較小，分別為82KW/m3和4.72MW/m2，這對低負荷時的穩燃是不利的，在低負荷下熱負荷更低，所以鍋爐的低負荷穩燃對該鍋爐來說非常重要。低負荷下的穩燃問題應引起高度重視。

負荷過低時對燃燒的危害：

⑴因為熱負荷低，爐膛溫度低，在各種擾動下隨時可能引起爐膛滅火。

⑵因熱負荷低，爐膛火焰充滿度差，引起鍋爐熱偏差增大。

⑶對直吹式制粉系統，磨煤機可能煤量太小而引起較大振動引起設備故障。

低負荷時燃燒調整應采取的措施：

⑴加強燃料管理，避免煤質較大波動，低負荷時盡量燃用設計煤種或揮發份較高的易燃煤種。

⑵密切注意爐膛負壓的變化，爐膛負壓不要太大，一般30-50kpa就行了，加強燃燒調整和就地看火。

⑶注意磨煤機的運行情況，防止因磨煤機跳閘引起鍋爐滅火，磨煤機一次風量要和煤量相匹配，不能太大，煤粉細度要調細一些，分離器出口溫度要靠上線運行。

⑷負荷較低時爐膛區盡量不要吹灰，防止掉焦引起滅火。

⑸采取各種措施減小爐膛漏風，避免冷空氣對燃燒影響。

⑹各種相關保護嚴格投入。

⑺下層磨煤機盡量不要投自動，保證穩燃的最低給煤量，保持較小的一次風量。

⑻助燃系統可靠備用。

⑼鍋爐調整一定要緩慢，避免參數大幅度波動，重要操作要有事故預想。

三.尾部受熱面的若干問題

1.尾部受熱面的積灰

隨著鍋爐負荷不斷降低，煙氣量相應較少，煙氣流速降低也比較快，根據鍋爐廠的熱力計算匯總表，當鍋爐負荷降到50%時，爐內的最快煙氣流速也已低于7米/秒，水平煙道及尾部煙道平均煙速低于5米/秒。一般當煙速低于6米/秒時受熱面積灰就比較嚴重，本工程燃用高硫份（1.52%）的煤種，加之尾部煙道的煙溫亦非常低，所以必須重視低負荷時尾部受熱面的積灰。

積灰的危害：

a.使傳熱熱阻增大，吸熱量減少，煙氣損失增大，造成蒸汽溫低，影響鍋爐效率;

b.減小了煙氣通流面積，增大煙風阻力，增大風機出力。

c.加快受熱面的腐蝕，尤其是燃用高硫份煤時。

受熱面積灰只要維護好吹灰器，根據需要及時吹灰就可解決問題。

2.空預器的低溫腐蝕

低負荷時由于燃料量較少，煙溫比較低，在空預器冷端煙溫就可能低于煙氣露點造成低溫腐蝕，鍋爐廠的熱力計算匯總表：當負荷50%時，排煙溫度為115℃，本工程設計煤種的排煙溫度為113℃，當負荷降低時排煙溫度就低于煙氣露點造成腐蝕。本工程由于同步上脫銷裝置，空預器低溫受熱面采用搪瓷材料，腐蝕問題基本避免，但煙溫低于露點時凝結的硫酸氣溶膠會堵塞空預器受熱面造成空預器堵塞，降低空預器傳熱效果，需要加強空預器吹灰，目前在脫銷空預器冷端都配置有雙介質吹灰器，高壓水系統可以在線沖洗，但一定慎用，并且做好措施。

3.尾部煙道二次燃燒

鍋爐處在低負荷下長期運行時，爐膛溫度低機械不完全燃燒顆粒多，煙氣中的未燃燒顆粒容易離析沉積在煙道中;低負荷時（直吹式制粉系統）一般一次風速度比較偏高，所以煤粉也就粗，也造成不完全燃燒顆粒增多，煙道再燃燒就積存的煙道內的燃料，經氧化升溫而發生的。發生煙道再燃燒時將可能對發生部位的受熱面等設備造成嚴重的損壞，損失大，修復時間長，一般多發生在空預器。當確認發生再燃燒時應立即停爐，停止引、送、一次風機運行，鍋爐密閉，通過向煙道內通入蒸汽滅火。

由于煙道再燃燒事故損失大，修復時間長，所以要采取防范措施：

⑴加強燃燒調整，防止燃燒工況失調;

⑵避免鍋爐長期低負荷運行，尤其是低負荷時油煤混燒;

⑶注意觀察鍋爐運行參數變化，加強尾部煙道吹灰，尤其是啟動時或油煤混燒時。

結語

綜上，本文對鍋爐機組在低負荷運行的危害進行了分析，并針對各項危害提出了具體的預防措施，但一般來說采取措施只能減小危害的程度，并不能避免危害的發生。所以在實際生產中多臺機組運行時要避免一臺或某幾臺機組負荷太低的情況，避免低負荷運行才是預防低負荷危害的根本措施。

參考文獻

[1]周建玉，樂凌志，吳科.一種火電機組變負荷仿真研究方法[J].自動化儀表，2017，07.