張濟(jì)顯
(大唐淮南洛河發(fā)電廠,安徽 淮南 232008)
洛河電廠三期2臺(tái)機(jī)組采用的是上海鍋爐廠600MW超臨界壓力變壓運(yùn)行螺旋管圈式燃煤直流鍋爐,單爐膛四角切圓燃燒方式,LNCFS-III型(低NOx同軸燃燒系統(tǒng))可上下擺動(dòng)的燃燒器布置,主風(fēng)箱和SOFA風(fēng)箱相對(duì)獨(dú)立。鍋爐采用容量為30%BMCR的簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容式啟動(dòng)系統(tǒng)。
綜合鍋爐金屬超溫的原因,無(wú)非是某種因素引起受熱面管內(nèi)工質(zhì)對(duì)受熱面金屬的冷卻能力不夠所致。洛河電廠三期2臺(tái)直流鍋爐最易發(fā)生金屬超溫的部位是螺旋管圈水冷壁和分隔屏過(guò)熱器。
直流鍋爐啟動(dòng)初期,為保證水冷壁和省煤器金屬得到良好冷卻,防止水動(dòng)力特性不穩(wěn)定,必須建立最低啟動(dòng)流量,該流量一般為25%~30%BMCR。洛河電廠三期鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)是簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容式,這種啟動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有爐水循環(huán)泵,無(wú)法建立爐水循環(huán),鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中大量的熱爐水被排放,即使是熱態(tài)清洗結(jié)束后熱爐水可部分回收,但受到除氧器壓力、水位等條件的限制,熱爐水的排放量仍然較大。因此為滿足汽機(jī)對(duì)蒸汽參數(shù)的要求,就必須加大燃料投入,爐內(nèi)熱量上升使分隔屏過(guò)熱器受到的輻射熱大幅增加而使金屬超溫,尤其是分隔屏過(guò)熱器為輻射式,其超溫的嚴(yán)重性大大超過(guò)半輻射半對(duì)流式的后屏過(guò)熱器。由此可知,分隔屏過(guò)熱器金屬超溫,是由于鍋爐啟動(dòng)流量遠(yuǎn)大于啟動(dòng)初期熱力系統(tǒng)所需要的流量,導(dǎo)致熱排放量大,爐內(nèi)熱量被迫提升,但產(chǎn)汽量小使分隔屏得不到足夠冷卻所造成的。
分離器干態(tài)運(yùn)行時(shí),通過(guò)控制水/煤比來(lái)確保鍋爐給水量和燃料量的平衡,以期達(dá)到鍋爐出口蒸汽參數(shù)正常和穩(wěn)定的目的。若燃料量與給水量的平衡被打破,熱量大于水量時(shí),工質(zhì)及受熱面金屬溫度就會(huì)上升。爐內(nèi)燃燒是個(gè)頻繁擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,給水量和燃料量的平衡始終處在平衡—打破—再平衡—再打破的循環(huán)往復(fù)之中。變工況時(shí)擾動(dòng)量大,而同樣大小的擾動(dòng)造成的參數(shù)變化量,低負(fù)荷時(shí)要比高負(fù)荷時(shí)嚴(yán)重,因此在變工況和低負(fù)荷時(shí)更易出現(xiàn)受熱面金屬超溫的現(xiàn)象,尤其是鍋爐啟動(dòng)期間。
燃料量的計(jì)算是個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程,目前尚難以找到一個(gè)能真正精確地根據(jù)爐內(nèi)熱值計(jì)算出燃料量的邏輯回路。洛河電廠三期2臺(tái)機(jī)組熱值校正回路(BT U)校正系數(shù)的變化范圍為0.8~1.2,該回路因計(jì)算不可靠一直采用手動(dòng)方式,其輸出的校正系數(shù)固定為0.8,使得CCS系統(tǒng)內(nèi)校正后的鍋爐燃料量不是真正意義上的校正后的鍋爐燃料量,僅僅是個(gè)參考值。實(shí)際運(yùn)行中真正合適的水/煤比,必須由運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)常性地人為修正,也就避免不了會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)滯后或過(guò)調(diào)。不論是穩(wěn)定工況還是變工況,實(shí)際水/煤比小于應(yīng)保持的合適水/煤比時(shí),就出現(xiàn)爐內(nèi)熱量過(guò)剩,鍋爐各段工質(zhì)及金屬溫度就上升。過(guò)熱器各段工質(zhì)溫度上升使減溫水的使用量增大,而減溫水量是計(jì)入鍋爐總給水量的,因此減溫水使用量的上升就意味著減溫器前的各段受熱面內(nèi)工質(zhì)流量的下降,進(jìn)一步加劇受熱面金屬溫升的程度。
給水溫度的變化對(duì)鍋爐參數(shù)的影響,直流爐與汽包爐有很大差異。直流爐沒(méi)有固定的汽水分界點(diǎn),爐水一次性蒸發(fā)為蒸汽,當(dāng)給水溫度降低時(shí),在同樣的給水流量和燃料量的情況下,直流鍋爐的加熱段延長(zhǎng),過(guò)熱段縮短,必然使過(guò)熱汽溫降低,再熱器汽溫則由于汽輪機(jī)高壓缸排汽溫度的下降也會(huì)降低。因此,當(dāng)給水溫度降低時(shí),直流鍋爐必須改變?cè)瓉?lái)的水/煤比設(shè)定值,適當(dāng)增大燃料量,減小水/煤比,才能保持住額定汽溫。反之亦然。機(jī)組升降負(fù)荷時(shí),由于加熱器抽汽量變化,給水溫度就會(huì)變化,但變化量小。只有當(dāng)高加投或停時(shí),給水溫度才會(huì)大幅變化。給水溫度大幅降低會(huì)使直流鍋爐各段工質(zhì)及金屬溫度也下降,運(yùn)行人員為穩(wěn)定鍋爐出口蒸汽參數(shù)及機(jī)組負(fù)荷,須增加燃料量投入,這需要一定的運(yùn)行調(diào)整經(jīng)驗(yàn),否則燃料增加量超過(guò)了需要,同樣會(huì)使受熱面金屬溫度較快上升。投高加過(guò)程中,隨著給水溫度的逐步上升,水/煤比的保持值是逐漸增大的,應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的機(jī)組負(fù)荷要求,加水或者減煤。
鍋爐啟動(dòng)初期,由于除氧器采用輔汽加熱,高加未投,給水溫度較低,而且采用等離子點(diǎn)火的鍋爐,冷爐制粉需大量輔汽來(lái)加熱空氣,外加采用簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容式啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐,為滿足鍋爐對(duì)水質(zhì)的要求,爐水大量排放,使輔汽對(duì)除氧器的加熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了鍋爐對(duì)給水溫度的要求,爐水溫度在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)提升緩慢,若鍋爐熱水排放量過(guò)大,省煤器水溫甚至有下降趨勢(shì)。此時(shí)爐內(nèi)熱量被迫提升,蒸發(fā)部件產(chǎn)汽量又小,易出現(xiàn)過(guò)熱器金屬超溫。
水動(dòng)力特性是指在一定的熱負(fù)荷條件下,強(qiáng)制流動(dòng)的鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)流量與流動(dòng)阻力之間的關(guān)系,也就是管圈進(jìn)出口兩端壓差ΔP與流經(jīng)該管子的工質(zhì)流量G之間的關(guān)系。如果對(duì)應(yīng)于1個(gè)壓差只有1個(gè)流量,呈現(xiàn)單質(zhì)性,則這樣的水動(dòng)力特性是穩(wěn)定的,如圖1中曲線1;如果對(duì)應(yīng)于1個(gè)壓差有2個(gè)或者3個(gè)流量,即水動(dòng)力特性呈現(xiàn)多值性,這樣的水動(dòng)力特性就是不穩(wěn)定的,如圖1中曲線2。
當(dāng)管圈中的工質(zhì)為雙相流體時(shí),就可能出現(xiàn)水動(dòng)力特性不穩(wěn)定,因此水動(dòng)力特性不穩(wěn)一般都出現(xiàn)在蒸發(fā)受熱面。鍋爐運(yùn)行中,當(dāng)出現(xiàn)水動(dòng)力特性不穩(wěn)定時(shí),水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)流量就會(huì)出現(xiàn)偏差(水力不均),流量小的管子內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)小,管壁超溫。另外由于管組總的流量不變,某根管子中的流量將出現(xiàn)非周期性的時(shí)大時(shí)小,引起蒸發(fā)點(diǎn)波動(dòng),造成金屬疲勞損壞。
水動(dòng)力特性不穩(wěn)定的根本原因是汽水存在密度差,即熱水段和蒸發(fā)段共同存在且蒸發(fā)段工質(zhì)比容變化。理論上,超臨界壓力后汽水密度差消失,但由于大比容變化區(qū)域的存在,超臨界壓力并不能絕對(duì)保證不發(fā)生工質(zhì)流動(dòng)的不穩(wěn)定性。另外超臨界鍋爐在70%~75%額定負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)都為亞臨界狀態(tài),因此不能忽視水動(dòng)力特性的穩(wěn)定性問(wèn)題。
若爐膛內(nèi)火焰中心偏斜,或過(guò)高,或過(guò)低,都會(huì)造成局部受熱面熱負(fù)荷過(guò)大而導(dǎo)致金屬超溫,此處不做過(guò)多分析。
四角切圓燃燒的鍋爐,需通過(guò)煙氣消旋的方式防止煙道內(nèi)煙氣偏流,減小熱偏差,避免某一側(cè)煙氣流量過(guò)大造成過(guò)熱器或再熱器金屬超溫。LNCFS-III型燃燒器組的主風(fēng)箱和SOFA風(fēng)箱是相對(duì)獨(dú)立的,主風(fēng)箱的一、二次風(fēng)同向旋轉(zhuǎn),SOFA風(fēng)箱二次風(fēng)反向旋轉(zhuǎn),SOFA風(fēng)箱提供的二次風(fēng)既是燃燼風(fēng),又是消旋風(fēng)。但LNCFS-III型燃燒器組的二次風(fēng)總層數(shù)太多,導(dǎo)致風(fēng)箱與爐膛壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值,加上其他的一些原因,使洛河電廠三期鍋爐二次風(fēng)擋板至今一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),煙氣消旋變得非常麻煩,全部依靠運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)。每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的變化、各燃料層燃料量的變化以及二次風(fēng)配風(fēng)方式的變化等,都必須對(duì)消旋風(fēng)量跟蹤調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)耗時(shí)長(zhǎng)且頻繁,使運(yùn)行人員調(diào)節(jié)力不從心。
2.1.1 提高點(diǎn)火初期的給水溫度
提高鍋爐點(diǎn)火初期的給水溫度,是防止鍋爐啟動(dòng)初期分隔屏過(guò)熱器超溫及提高水冷壁水動(dòng)力穩(wěn)定性的有效方法。鍋爐冷態(tài)清洗結(jié)束后即停止?fàn)t水排放,將爐水全部回收到除氧器,采用閉式循環(huán)加熱的方式,鍋爐各風(fēng)煙擋板保持關(guān)閉,使給水溫度得以較快上升,直至省煤器出口溫度100℃甚至120℃以上,此時(shí)螺旋管圈水冷壁金屬溫度也能達(dá)到100℃以上,然后開通道啟動(dòng)風(fēng)機(jī),進(jìn)行鍋爐點(diǎn)火。在此過(guò)程中,要盡量縮短鍋爐點(diǎn)火前爐膛的通風(fēng)時(shí)間,減少爐溫散失。這樣做有幾個(gè)好處:
(1) 冷爐受熱面金屬得到良好的預(yù)熱,尤其在冬季,能減小金屬熱應(yīng)力,延長(zhǎng)金屬的使用壽命;
(2) 鍋爐點(diǎn)火后,溫度最低的尾部煙道,煙溫一直保持在煙氣露點(diǎn)溫度之上,能有效防止煙氣結(jié)露對(duì)金屬造成腐蝕及省煤器灰斗積灰潮濕而堵灰;
(3) 鍋爐點(diǎn)火后,爐水升溫穩(wěn)定,產(chǎn)汽快且產(chǎn)汽量相對(duì)較大,過(guò)熱器和再熱器干燒時(shí)間及鍋爐啟動(dòng)排氣時(shí)間短;
(4) 使?fàn)t膛內(nèi)煤粉燃燒的初始環(huán)境溫度得以提升,提高了鍋爐點(diǎn)火初期煤粉著火及燃燒的穩(wěn)定性。
不僅鍋爐點(diǎn)火初期要盡量提高給水溫度,在整個(gè)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中,都應(yīng)盡量保持加熱蒸汽量充足,并及時(shí)回收熱水。
2.1.2 降低鍋爐啟動(dòng)流量
鍋爐點(diǎn)火初期,啟動(dòng)分離器起壓之前的初期給水流量保持不少于300t/h即可。較小的初期啟動(dòng)流量減小了排放熱損失,減輕了除氧器加熱蒸汽的負(fù)擔(dān),因而使鍋爐進(jìn)口給水溫度得以一定程度的提高。這既有利于提升爐水溫度,縮短爐水加熱時(shí)間,又增加了蒸發(fā)設(shè)備的產(chǎn)汽量,而且熱排放量的降低和爐水溫度的提高使燃料的投入量隨之降低,分隔屏過(guò)熱器受到的輻射熱降低,進(jìn)一步減小了分隔屏過(guò)熱器金屬超溫的可能性。
但較低的給水量降低了爐水對(duì)水冷壁的冷卻能力,使水冷壁金屬易于超溫,并對(duì)水冷壁內(nèi)水動(dòng)力特性的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。由于每一臺(tái)鍋爐的特性都不完全相同,因此必須根據(jù)各臺(tái)鍋爐的自身特性來(lái)選擇啟動(dòng)初期的給水流量。選擇啟動(dòng)初期的給水流量應(yīng)遵循這樣的原則:保證水冷壁各壁溫測(cè)點(diǎn)顯示的數(shù)值正常、均勻、溫升率一致。若水冷壁出現(xiàn)大面積的壁溫?cái)?shù)值偏高或溫升較快,即使這些數(shù)值都在正常范圍內(nèi),也可能是給水流量不足;若出現(xiàn)局部或個(gè)別壁溫值高或壁溫值有上下波動(dòng)現(xiàn)象,就可能是水動(dòng)力特性不穩(wěn)定。這時(shí)需要增加給水流量,加強(qiáng)對(duì)水冷壁金屬的冷卻,而且,提高水冷壁進(jìn)口的質(zhì)量流速,是防止水冷壁內(nèi)水動(dòng)力特性穩(wěn)定性破壞的有效手段。
采用較小的啟動(dòng)流量,須加強(qiáng)監(jiān)視給水流量的變化,防止其他參數(shù)變化造成給水流量的波動(dòng),并且在啟動(dòng)分離器起壓后,根據(jù)壓力的上升情況及時(shí)增加給水量。洛河電廠三期鍋爐啟動(dòng),在鍋爐給水流量達(dá)到《運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定的最小直流流量前,鍋爐給水流量的增加按啟動(dòng)分離器壓力每上升2MPa增加50t/h給水量的比例進(jìn)行,以確保有足夠的水量冷卻水冷壁和防止水動(dòng)力穩(wěn)定性破壞。另外,鍋爐采用較小的啟動(dòng)流量,要特別注意燃料量的增加應(yīng)平緩,否則易造成水冷壁金屬溫度較快上升。
2.1.3 分離器轉(zhuǎn)態(tài)控制
要防止分離器過(guò)早地由濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行。因?yàn)檗D(zhuǎn)態(tài)早說(shuō)明燃料量偏大,如果再發(fā)生其它一些擾動(dòng),受熱面金屬超溫的危險(xiǎn)性就大大增加,尤其是處在爐內(nèi)燃燒中心附近的螺旋管圈水冷壁。原則上機(jī)組負(fù)荷180MW前要保持啟動(dòng)分離器濕態(tài)運(yùn)行。洛河電廠啟動(dòng)分離器轉(zhuǎn)態(tài),一般放在機(jī)組負(fù)荷200 MW~210MW時(shí)進(jìn)行。
2.1.4 引起給水量或燃料量變化的操作
給水由旁路切主路、采用汽泵啟動(dòng)的汽泵換汽源、給水泵并泵等操作,都可能引起給水流量的波動(dòng),是分離器濕態(tài)運(yùn)行期間易引起水冷壁金屬超溫的幾項(xiàng)操作。此時(shí)應(yīng)盡量減少其它操作,尤其是燃料量必須保持穩(wěn)定。操作過(guò)程中應(yīng)始終堅(jiān)持保持給水流量穩(wěn)定的原則,防止給水流量波動(dòng)。特別要注意防止給水流量多次短時(shí)間降低造成的水冷壁金屬因累積熱量而超溫的現(xiàn)象發(fā)生。
增投制粉系統(tǒng)或油槍時(shí),應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)降低其它運(yùn)行制粉系統(tǒng)的出力,保持總?cè)剂狭可仙骄彛⒓皶r(shí)監(jiān)視金屬溫度,尤其是螺旋管圈水冷壁金屬溫度的上升情況,防止?fàn)t內(nèi)熱量上升過(guò)快造成水冷壁超溫。
啟動(dòng)分離器轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行之后,要及時(shí)調(diào)節(jié)水/煤比,監(jiān)控中間點(diǎn)溫度,并采用較低的中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度,但必須防止中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度過(guò)低使分離器重新轉(zhuǎn)濕態(tài)。此時(shí)可根據(jù)負(fù)荷-溫度曲線確定主蒸汽溫度的合理范圍,盡量少用或不用減溫水,這樣就可以保持稍大的水/煤比,使鍋爐各段受熱面都能得到較好的冷卻。
對(duì)異常最好的防范是事故預(yù)想,然后是及時(shí)發(fā)現(xiàn),最后才是準(zhǔn)確的處理。所以,變工況時(shí)經(jīng)常檢查受熱面金屬溫度,掌握各點(diǎn)壁溫值的變化趨勢(shì)及變化速度很重要。
升降負(fù)荷、并退給水泵、增減磨煤機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)等過(guò)程中,水煤比變化較大,應(yīng)盡量平穩(wěn)操作,防止水冷壁蒸發(fā)點(diǎn)的大幅度上下移動(dòng)使水冷壁產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。即使是在超臨界壓力下運(yùn)行,由于大比容特性的存在,這種交變熱應(yīng)力仍不容忽視。無(wú)論何種擾動(dòng),凡是給水量或燃料量發(fā)生變化的過(guò)程,都應(yīng)及時(shí)檢查受熱面壁溫。操作過(guò)程中控制好水/煤比,穩(wěn)定中間點(diǎn)溫度,并且要掌握中間點(diǎn)溫度變化的速度和幅度,不可片面地只看數(shù)值調(diào)節(jié)。
高加的投、停將會(huì)引起給水溫度的變化,使中間點(diǎn)溫度不能維持在原來(lái)的數(shù)值運(yùn)行。應(yīng)根據(jù)給水溫度的變化情況,分階段地改變中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度設(shè)定值,而不可盲目地一步到位。
鍋爐運(yùn)行中,應(yīng)盡量減少減溫水的使用量,以及采用合理的燃料分配及配風(fēng)方式,防止火焰偏斜或沖刷水冷壁、爐內(nèi)熱量過(guò)于集中等,都能有效防止鍋爐金屬超溫。
如果鍋爐過(guò)熱汽溫已經(jīng)很高,可短時(shí)開啟過(guò)熱器出口電磁釋放閥。這樣一方面可減輕高溫蒸汽對(duì)汽輪機(jī)的影響,另一方面可增加鍋爐各段受熱面內(nèi)單位時(shí)間的通流量,加強(qiáng)對(duì)過(guò)熱器金屬的冷卻。
運(yùn)行方面提高水動(dòng)力穩(wěn)定性的方法有以下幾種:
(1) 提高質(zhì)量流速。主要是通過(guò)增加給水量來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行中減少減溫水的使用量,也能在一定程度上提高鍋爐加熱段和蒸發(fā)段的工質(zhì)質(zhì)量流速。
(2) 提高啟動(dòng)壓力。采用變壓運(yùn)行的螺旋管圈水冷壁的直流鍋爐,在工質(zhì)比容變化最大的階段避免了工質(zhì)再分配,減小了水冷壁的熱偏差和流量偏差,本身就有利于提高水動(dòng)力穩(wěn)定性,但應(yīng)避免低負(fù)荷時(shí)的工作壓力過(guò)低使汽水密度差過(guò)大。
(3) 減小水冷壁進(jìn)口工質(zhì)欠焓??赏ㄟ^(guò)提高給水溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。水冷壁加熱段縮短有利于穩(wěn)定蒸發(fā)點(diǎn)位置,使一定熱負(fù)荷下水冷壁管內(nèi)蒸汽產(chǎn)量變化小甚至不變化,即汽水的密度比變化小或不變化。因?yàn)榱鲃?dòng)阻力總是隨著給水流量的增加而增加,所以水動(dòng)力特性是穩(wěn)定的。但應(yīng)防止水冷壁進(jìn)口工質(zhì)欠焓過(guò)小,因?yàn)檫@會(huì)使工質(zhì)流量稍有變化時(shí)水冷壁進(jìn)口聯(lián)箱就可能產(chǎn)生蒸汽,引起工質(zhì)分配不均。
(4) 減小熱偏差。熱偏差是促使水動(dòng)力特性不穩(wěn)定的主要因素,因此鍋爐運(yùn)行中應(yīng)及時(shí)吹灰;防止火焰偏斜;避免燃料層投入層少量大的過(guò)于集中的方式,造成爐內(nèi)熱量集中使尖峰熱值過(guò)高。
(5) 控制螺旋管圈水冷壁出口溫度。下輻射區(qū)水冷壁處于熱負(fù)荷最高的區(qū)域,吸熱最強(qiáng)。為避免工質(zhì)比容劇烈變化,應(yīng)將工質(zhì)的大比容變化區(qū)避開熱負(fù)荷較高的燃燒器區(qū),這就要求控制螺旋管圈水冷壁出口溫度,使其低于擬臨界溫度。
采用LNCFS-III型燃燒器布置方式的鍋爐煙氣消旋難以徹底,易造成煙氣偏流。主風(fēng)箱和SOFA風(fēng)箱的二次風(fēng)擋板,必須依據(jù)分隔屏過(guò)熱器出口兩側(cè)工質(zhì)溫差的變化情況,進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。分隔屏過(guò)熱器出口兩側(cè)工質(zhì)溫差增大就說(shuō)明煙氣消旋能力相對(duì)減弱,煙氣偏流加劇。反之亦然。