超超臨界二次再熱機組省煤器汽化特性分析

楊 振，陳有福，陶 謙，王 朋

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

超超臨界二次再熱技術是當前世界上最先進的高效燃煤發電技術，也是提高火電機組熱效率的有效途徑[1-3]，在“十三五”規劃中，更是將二次再熱發電機組作為重點研究開發項目[4]。由于增加了一級再熱器，二次再熱機組在設計參數、受熱面布置、吸熱量分配以及再熱汽溫調節等方面具有不同的特點[5-6]。

省煤器作為二次再熱鍋爐的輔助受熱面，可以有效降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節約燃料耗量。目前，針對省煤器汽化的原因以及如何避免省煤器發生汽化現象，郭海軍、劉勇、盧友等人[7-11]進行了很多研究，但是上述對省煤器汽化問題的研究，大多圍繞亞臨界汽包鍋爐進行，而關于超超臨界二次再熱機組省煤器汽化問題的研究還鮮有報道。王林[12]等人對二次再熱塔式爐啟動初期省煤器出口汽化問題進行了綜合分析，并提出了相關調控措施，取得了較好的效果，但是該研究仍以定性分析為主。本文結合超超臨界二次再熱機組降壓沖管過程，通過試驗定量分析省煤器出口汽化特性，相關結論對后續二次再熱機組省煤器汽化問題的研究具有一定的參考價值。

1 汽化原因分析

相比于超超臨界一次再熱鍋爐，二次再熱鍋爐的設計不是簡單地增加了二次再熱器受熱面，而是整體考慮各受熱面吸熱比例、熱偏差的控制、受熱面出口汽溫保證措施等一系列問題[13]。表1所示為典型二次再熱與一次再熱機組BMCR工況的設計參數對比。可以看出，由于增加了一級再熱器，超超臨界二次再熱鍋爐的額定給水流量相對偏低。另一方面，為了降低汽機熱耗，二次再熱機組給水溫度普遍有所提高。這兩方面原因導致二次再熱鍋爐省煤器出口工質溫度升高，欠焓急劇減少。機組正常運行時，各負荷下二次再熱鍋爐省煤器出口工質可維持少量欠焓，但是當鍋爐啟停、快速變負荷或者甩負荷時，省煤器內工質流量、壓力迅速變化，而鍋爐受熱面存在一定的熱慣性，因此極易導致二次再熱鍋爐省煤器出口工質汽化，嚴重威脅水冷壁的動力安全。

表1 二次再熱與一次再熱機組設計參數比較(BMCR)

2 試驗方法

超超臨界機組普遍采用非沸騰式省煤器，在機組正常運行時，省煤器內工質在受熱過程中不發生相變，因此，研究省煤器汽化前出口工質溫度變化特性，可以把省煤器簡化成單相受熱管。根據王澤寧等人[14-16]提出的單相受熱管集中參數簡化模型可知，省煤器出口工質溫度受爐膛熱量、工質流量和省煤器出口壓力影響。本文結合某超超臨界二次再熱機組降壓沖管過程研究了省煤器出口的汽化特性，降壓沖管系統如圖1所示。

圖1 試驗系統圖

試驗過程中，爐膛熱量隨鍋爐給煤量變化，工質流量隨高加出口流量變化，由于試驗期間機組維持濕態運行，故省煤器出口壓力隨啟動貯水箱壓力同步變化，兩者相差水冷壁內工質的靜壓，下文中不做特別說明，啟動貯水箱的壓力變化等同于省煤器出口壓力的變化，而啟動貯水箱壓力可通過臨沖門開度進行調節。因此，試驗方法可類比降壓沖管的過程，通過改變給煤量、高加出口給水流量和啟動貯水箱壓力三個參數，研究省煤器出口工質過冷度的變化特性。

試驗期間，維持一臺磨煤機運行，通過給煤量控制爐膛總熱量。當分離器壓力升至7.0 MPa左右時，開啟臨沖門，控制啟動貯水箱壓力，同時提高汽泵轉速提高給水流量。當啟動貯水箱壓力降至5.7 MPa左右時，關閉臨沖門。待臨沖門全關，貯水箱水位回升后，再降低給水流量。試驗期間，利用機組配套的DCS數據采集系統記錄相關參數，其中，省煤器出口工質過冷度為省煤器出口工質壓力所對應的飽和溫度與省煤器出口工質溫度之間的差值，過冷度越大，省煤器出口越不易汽化。因此，可以通過省煤器出口過冷度的變化規律研究省煤器出口汽化特性。

3 試驗結果及分析

3.1 摸底試驗結果

在二次再熱機組降壓沖管過程中，機組各運行參數擾動較大，這極大提高了研究過程的控制難度。為此，本文先保持給煤量47 t/h不變，通過摸底試驗，尋找相關參數的控制節奏，同時初探省煤器出口工質過冷度的變化規律。如圖2所示，過程1中給煤量不變，臨沖門關閉，停止鍋爐補水，過程2中給煤量不變，開啟臨沖門，同時進行鍋爐補水，如此循環重復。可以看出，當給煤量維持不變時，控制好高加出口給水流量和臨沖門開啟時間，可以很好地控制省煤器出口過冷度的變化節奏。

進一步分析試驗結果，在過程1中，由于爐膛持續釋放蓄熱，省煤器出口溫度和啟動貯水箱壓力同時上升。一方面，省煤器出口溫度由209 ℃上升251 ℃，導致過冷度下降了42 ℃，另一方面，啟動貯水箱壓力5.7 MPa上升到6.9 MPa，對應的飽和溫度隨之提高，這又導致過冷度上升，兩方面共同作用，導致省煤器出口過冷度下降了35 ℃左右。由定量計算可知，過程1中省煤器出口溫度對過冷度的影響更大。

過程2中開啟臨沖門，啟動貯水箱壓力迅速由6.9 MPa下降到5.6 MPa，這將導致省煤器過冷度下降，同時，之前一波鍋爐補水到達省煤器出口，使得省煤器出口工質溫度迅速下降41 ℃，這又導致省煤器過冷度上升。兩方面共同作用導致省煤器出口過冷度上升了33 ℃左右，由定量計算結果可知，過程2也是省煤器出口工質溫度對過冷度的影響更大。

摸底試驗結果表明，省煤器出口過冷度受爐膛熱量、省煤器進水量以及省煤器出口壓力三個參數影響，這與單相受熱管集中參數簡化模型預測結果一致。當爐膛持續釋放熱量時，如果不及時進行鍋爐補水，省煤器出口過冷度會逐漸下降，極易發生汽化現象，這也是二次再熱鍋爐熱態啟動或者甩負荷期間，由于不能及時補水極易導致省煤器汽化的原因。當給煤量不變時，相比于省煤器出口壓力，省煤器過冷度受出口工質溫度的影響更大。此外，由圖1還可以看出，當上一波鍋爐補水結束后，約7.5 min后省煤器出口溫度才開始下降，滯后性相對較大。

圖2 摸底工況試驗結果

3.2 汽化特性試驗結果

在摸底試驗的基礎上，進一步增加給煤量擾動，試驗結果如圖3所示。

過程3中先維持給煤量40 t/h不變，省煤器出口溫度變化不大，但是隨著出口壓力的上升，省煤器過冷度緩慢上升。當上一波鍋爐補水到達省煤器出口時，出口工質溫度迅速由264 ℃下降到224 ℃，導致省煤器出口過冷度也迅速由22 ℃增加至63 ℃。過程4微開臨沖門，維持啟動貯水箱壓力7.0 MPa不變，增加給煤量至55 t/h，發現省煤器出口溫度很快開始上升，省煤器出口過冷度也隨之快速下降。過程5降低給煤量至初始值，省煤器出口工質溫度上升趨勢得以控制。此時關閉臨沖門，啟動貯水箱壓力迅速上升至8.1 MPa，但是由于爐膛蓄熱的影響，省煤器出口工質溫度仍然緩慢上升，兩方面共同作用導致省煤器出口過冷度變化不大。過程6中給煤量幾乎不變，省煤器出口溫度略有上升，在此期間，省煤器出口過冷度隨著貯水箱壓力的變化而改變。過程7中，由于長時間未進行鍋爐補水，而爐膛蓄熱達到一定程度，省煤器出口工質溫度開始快速上升，此時打開臨沖門，啟動貯水箱壓力下降，可以看到，雖然此時以1 000 t/h左右的給水流量進行補水，但是由于鍋爐補水存在較大的延遲性，直至2 min后省煤器汽化，省煤器出口溫度仍沒有下降趨勢。該過程也解釋了鍋爐MFT后，如果不及時上水，僅開啟省煤器排氣閥，反而會加速省煤器汽化的原因。

圖3 省煤器汽化特性試驗結果

由過冷度的定義可知，省煤器出口過冷度取決于出口工質的溫度和壓力。本文省煤器出口汽化特性研究結果表明，鍋爐補水可有效降低省煤器的出口溫度，但是鍋爐補水具有一定的延遲性。給煤量的增加可明顯提高省煤器出口溫度，且延遲性相對較小，不利于降低省煤器出口過冷度。當省煤器出口溫度變化不大時，省煤器出口壓力對過冷度有直接的影響。但是當爐膛積累一定的蓄熱導致省煤器出口溫度上升，此時一旦對省煤器出口進行泄壓，極易造成省煤器汽化。

4 防止省煤器汽化的有效措施

通過試驗發現，省煤器出口汽化特性主要受鍋爐補水、爐膛熱量和省煤器出口壓力三個因素影響，因此可以從這三個角度，采取相應的措施防止超超臨界二次再熱機組省煤器出口發生汽化。

4.1 控制鍋爐補水

鍋爐補水對省煤器出口汽化特性的影響主要體現在給水流量、給水溫度和補水時間三個方面。二次再熱機組包含高中低壓三級旁路，在啟動初期，鍋爐蒸發容量較小，省煤器內工質流速較慢，為了增加給水流量，宜將中壓旁路和低壓旁路盡量全開，高壓旁路也隨機組負荷增加逐漸開大至30%～50%左右；此外，還應適當緩投甚至停用部分高壓加熱器，降低給水溫度；機組熱態啟動時，應把握好鍋爐上水時間，在壁溫下降速率可控的前提下，盡早建立爐水循環，防止省煤器長時間未補水而又持續吸收爐膛蓄熱，造成省煤器出口汽化。

4.2 控制爐膛熱量

控制省煤器吸收的爐膛熱量，主要有減小給煤量、降低火焰中心、調整流經省煤器的煙氣流量等方法。在機組啟動初期，應通過磨煤機的調整降低其最小出力，在升溫升壓階段密切監視省煤器出口過冷度，控制給煤量的增加速率；在不影響燃燒穩定性的情況下，可適當下擺燃燒器，降低爐膛火焰中心；對于設有煤器旁路煙道的機組[17]，還可通過調節旁路煙氣量控制省煤器的吸熱量。

4.3 控制省煤器出口壓力

對于超超臨界二次再熱鍋爐，WDC閥開度和省煤器排汽閥對省煤器出口壓力有直接的影響。在鍋爐上水初期，必須通過省煤器排汽閥排盡管束內積存的空氣，如果省煤器發生汽化后，也應通過排汽閥及時排盡產生的蒸汽，防止管路形成“氣塞”，補水阻力增大，進一步惡化省煤器汽化現象。在升溫升壓過程中，需維持啟動貯水箱水位穩定，防止水位波動造成WDC閥動作頻繁，造成省煤器出口壓力的大幅波動。此外，在省煤器出口過冷度較低時，應盡量避免開大WDC閥和省煤器排汽閥，否則極易加速省煤器汽化。

5 結論

在已投產的火力發電機組中，二次再熱機組所占比重正逐年增加，但是關于超超臨界二次再熱機組的設計和運行經驗還相對較少。由于設計參數及運行特點的變化，二次再熱機組更易出現省煤器出口汽化現象，而對此問題的試驗研究還鮮有報道。本文結合某二次再熱機組降壓沖管過程，定量研究了省煤器出口汽化特性，以期對二次再熱機組的設計與運行提供一定的參考。本文結論如下：

(1)省煤器出口汽化特性主要受鍋爐補水、爐膛放熱和省煤器出口壓力三個因素影響。鍋爐補水量及補水溫度直接影響省煤器出口工質溫度，但是具有較大的延遲性；給煤量對爐膛放熱有所影響，其滯后性相對較小；省煤器出口壓力直接影響對應的飽和溫度，沒有滯后性，但是相對鍋爐補水，其影響作用較小。

(2)當爐膛持續釋放蓄熱又不能及時進行鍋爐補水時，極易造成省煤器出口汽化；當省煤器出口過冷度持續下降至欠焓較低時，一旦開大WDC閥或者省煤器排汽閥，將加速省煤器出口汽化趨勢。

(3)防止超超臨界二次再熱機組省煤器出口汽化，應從控制鍋爐補水、控制爐膛熱量和控制省煤器出口壓力三個方面采取措施。其中控制鍋爐補水包括給水量、給水溫度和上水時間，控制爐膛熱量包括給煤量、火焰中心和流經省煤器的煙氣量，控制省煤器出口壓力包括WDC閥開度、省煤器排汽閥以及維持省煤器出口壓力穩定。