超临界压力锅炉的过热器_再热器热偏差问题探讨

锅 炉 技 术

BOILER TECHNOLOGY

Vol.37,No.5

Sep.,2006

文章编号: CN311508(2006)05004804

超临界压力锅炉的过热器、再热器热偏差问题探讨

孙 建

(国电常州电厂,江苏常州213033)

关键词: 热偏差;超临界压力锅炉;过热器;再热器;在线监测

摘 要: 指出了超临界锅炉控制过热器、再热器热偏差的重要性。列出了造成热偏差的5个原因。针对超临界压力锅炉过热器的热偏差的特点,提出了在设计和运行中应特别注意的问题。中图分类号: TK229.2 文献标识码: B

1 前 言

随着我国电力工业的高速发展及能耗和环保的要求,目前即将成批量地投入超临界和超超临界火力发电机组。这些机组锅炉的压力高达24MPa~28MPa;主蒸汽和再热蒸汽出口温度高达570e~605e。其高温过热器和高温再热器受热面大量采用含铬量为18%~25%的奥氏体钢管。即使采用了如此高级的耐高温材料,根据计算,如果在运行中热偏差太大或发生突发性扰动,仍会发生管子超温爆管事故。在运行中因热偏差太大而发生超温情况,影响的不是一根管子,往往是一片区域。这样就有连续发生事故的隐患而使电厂蒙受巨大的经济损失。事实上,有不少引进型的和进口的大容量电站锅炉都发生过这类事故。例如,北仑电厂从美国CE公司进口的600MW切向燃烧控制循环锅炉的高温过热器和高温再热器,扬州第二电厂从美国B&W公司进口的600MW有后墙燃烧的自然循环锅炉的高温过热器,以及邹县电厂从美国FW公司进口的600MW前后墙燃烧自然循环锅炉的分隔屏过热器等。因此,在发展超临界和超超临界压力锅炉时,必须非常重视过热器和再热器设计及运行中的热偏差问题。

(1)一个管组沿烟道宽度各片屏的吸热量偏差,这是由烟气温度和流速场的不均匀所引起的;

(2)一个管组沿烟道宽度各片屏的蒸汽流量的偏差,这是由进出口集箱中蒸汽静压的变化所造成的;

(3)一片屏中各根管子的蒸汽流量的偏差,这是由于各根管子的阻力系数以及蒸汽温度不同所引起的;例如一片管屏的外圈管长度最长,同时外圈管子口径又与其它管子相同,则流量最小;如果出口温度高,反过来又会进一步减小蒸汽流量;

(4)一片屏中各根管子的吸热量的偏差,这是由每根管子各个管段吸收屏前、屏后及屏间烟气的辐射热量以及对流热量的偏差所引起;例如,一片管屏的外圈管所吸收的屏前烟气的辐射热量就要比平均管大好几倍。如果屏前烟气的烟温高、黑度大,外圈管的总吸热量就会增大很多;

(5)由前一级管组出口的温度偏差携带到本级管组进口的温度偏差。

以上5个因素中,只有第1个因素与燃烧系统的设计及运行2方面都有关。其它4个因素与运行的关系不大,基本上决定于热力性能和结构设计。

就沿宽度的吸热偏差来说,根据统计,切向燃烧方式的偏差要比前后墙燃烧方式为大,这是由炉膛出口的烟气残余旋转所引起的。我国许

2 造成热偏差的诸因素

电站锅炉在运行中的热偏差由下列5个方面的因素造成:

收稿日期:20060420

作者简介:孙建(1972),男,高级工程师,主要从事电站锅炉技术、工程管理工作,国电集团公司首届/1680人才(优秀技术人才),现任国电常州电厂工程部主任。第5期孙建:超临界压力锅炉的过热器、再热器热偏差问题探讨

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多300MW和600MW切向燃烧锅炉的宽度吸热偏差系数Kr都在1.3以上(见图1)。但如果燃烧系统设计合理,运行精心调整,切向燃烧方式也可以将这种偏差减小到与前后墙燃烧方式

相接近的程度(例如国电谏壁电厂2台新的300MW锅炉高温再热器的Kr[1.2,见图2)。而前后墙燃烧方式由于缺少炉膛中的后期混合,当各个燃烧器一次风的煤粉量或风量分配不均匀性增大时,也会发生较大的宽度吸热偏差。

K=Kr@Ktp/Kl=1.15@1.325/0.97=1.57假定该管组在BMCR工况下的压力为26.3MPa,进口温度为455e,温升为85e,那么1.57的偏差系数就会造成62e的温度偏差。也就是说,该管屏外圈管的出口汽温将达到455e+85e+62e=602e。

如果按1.15、1.325和0.973个偏差系数单独计算,这3个因素分别所造成的温度偏差分别为15e、34e和3e。总计只有52e。或者简单地按温升85e来作线性推算,1.57的偏差系数只会造成0.57@85e=48.5e的温度偏差。62e比上述两者大,这就是3个系数相乘以及蒸汽温焓非线性2个因素所造成的。

由此可见,在设计和运行中努力使每一项偏差系数减小,对减小偏差管温度偏差,避免超温和延长高温管屏的使用寿命是非常重要的。如果说沿烟道宽度的吸热偏差与燃烧系统的设计和运行调整2方面都有关的话,那么沿宽度各片屏的蒸汽流量偏差和同屏各管的热偏差(流量偏

图1 300MW锅炉典型宽度吸热偏差系数实测值

差及吸热偏差)就主要与设计有关了。特别是屏式过热器的外圈管,由于受到强烈的屏前烟气和屏下烟气的辐射热量,在设计中应该有专门的措施减小其热偏差。

一台大容量超临界锅炉因热偏差太大而发生超温爆管事故的经济损失是巨大的。而且往往是1根管子爆破,同时会有一大片区域的管子因超温而使管子材料受损。在分析故障时有时很难分清是设计的问题还是运行的问题。因此,应该在锅炉设计时就把各项热偏差因素控制在最小程度,以留出足够的裕量给运行中可能发生的工况波动和变化。

图2 国电谏壁电厂12号炉末级再热

宽度吸热偏差系数Kr实测值

3 超临界压力锅炉热偏差的特点

超临界压力锅炉由于下列一些因素而使其热偏差的问题更为突出:

(1)超临界压力锅炉由于出口汽温高,某些过热器管组的设计温升大,从而增大了温度偏差。例如某锅炉后屏过热器的设计温升从60e增大到80e时,单单因宽度吸热偏差一个因素(假定Kr=1.2)就会使偏差屏的温度偏差(偏差屏与平均屏的出口平均温度之差)从15e增加到20e。

(2)超临界压力锅炉由于出口汽温高,过热器和再热器管子关键部位(管组中偏差管的出口汽温 由于各种热偏差因素是互相叠加的(偏差系数相乘),因此当上述几种偏差都朝温度偏差增大的方向时,最终的偏差系数会变得很大。而且超临界压力蒸汽在大比热区热焓与温度的关系曲线是非线性增大,同样的偏差系数会造成更大的温度偏差。举例来说,某超临界压力锅炉的后屏过热器,偏差屏的宽度吸热偏差系数Kr=1.15;该屏的蒸汽流量偏差系数Kl=0.97;外圈管的同屏热偏差系数Ktp=1.325(包括同屏各管吸热量的偏差和蒸汽流量的偏差);如果不计进口温度的偏差,那么它的总偏差系数为:50

锅 炉 技 术 第37卷

最高处,及前下部热负荷最高处的炉内壁温差不多已经接近所用钢材的耐温极限。由于许多钢材在接近使用限值的高温下,其10h的许用应力随温度升高而降低的速度加快(见图3),在这种情况下如果超温10e,将大大减少管子的使用寿命。例如,根据计算,TP347H钢材在温度625e,所受应力为69.8MPa时,其设计寿命为1.00@10h。如果温度提高到635e,同样应力下寿命只有0.52@105h。寿命将降低48%。相反,如果应力不变而温度降低10e,则计算寿命将增加到1.80@10h。可见在设计和运行中控制热偏差,降低关键部位管子的炉内壁温对超临界锅炉的运行安全性和经济性是至关重要的。

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就是:从不同的锅炉蒸发量开始,应该以怎样的幅度和速度增加热负荷(煤量和风量)才可使过热器的瞬态壁温升高控制在可接受的范围以内。而在设计时,也应使这些管屏的质量流速适当增大,以减小对这种瞬态工况的敏感性。

4 超临界压力锅炉在运行中的突发性扰动和采用在线监测的必要性

超临界直流锅炉在运行中还可能发生突发性的扰动,国外称之为/unpredictableoperatingupset0。这是指:(1)给水系统的故障;(2)电负荷的大幅度变动;(3)煤水比失调。国内某进口的300MW超临界直流锅炉就发生过多次煤水比失调的故障。这是在某些工况下,自动控制未能投入,人工操纵不当时,煤水比失调使锅炉出口汽温急速飞升。一直到出口汽温大大高出额定温度时运行人员方才发现,从而使好几级的过热器管子短时间大幅度超温受损。特别是奥氏体钢管及其焊缝,受损后会在以后的运行中发生频频爆管。

对于过热器、再热器偏差管的炉内壁温是否超温,以前都是用装在各级管屏管子出口的炉外壁温测点(实际上所测的是管内的汽温)所显示的温度,凭经验加一个增量来判断的。然而这种方法是非常不可靠的。特别是对于超临界锅炉,钢材的设计裕量本来就较小,更为不可取。因为过热器、再热器各部位的热负荷不同(管屏前下部的热负荷一般要比出口处大好几倍);各管组的管内放热系数不同(再热器的放热系数要比过热器小得多);锅炉高负荷时与低负荷时的壁温与汽温的差值更为不同。因此从1根管子的出口汽温来推算其最高的炉内壁温是极为不可靠的。

因此,超临界锅炉在运行中有必要装设过热器、再热器管子炉内壁温在线监测系统,这种系统可以连续监测炉内管子各点的管壁温度,有超温报警、优化运行以及故障工况记录和历史查询等功能,可以优化运行,减小偏差,防止超温爆管,延长高温管屏的寿命,真正实现/状态检修0和/寿命监测0。

图3 各种钢材的许用应力

(3)瞬态壁温升高。在锅炉启动及快速升负荷的瞬态过程中会发生短时间的过热器吸热

量与蒸汽流量的不平衡,因为当锅炉快速增加出力时,过热器开始状态是管内蒸汽流量和放热系数都比较小,这时投入燃料,其热负荷几乎是立即增大的。对于直流锅炉,虽然协调自动控制系统可以使给水流量与燃煤量同步增加,但过热器中的蒸汽流量还是要水冷壁的管壁金属先吸热后再能产生出来,所以有一些时间上的延迟。在这过渡的瞬态时间内,由于管内蒸汽流量和放热系数与热负荷的不匹配,过热器的管壁温度会比稳定工况时高。高出的温度值决定于热负荷增加的幅度和速度。我国一台进口加拿大巴威公司的350MW/W0型锅炉的大屏过热器和另一台进口美国FW公司的600MW锅炉的前屏过热器都发生过类似的故障。特别是布置在炉膛火焰中心上方的前屏和后屏过热器,对热负荷增加的响应最快,所接触的烟温也最高,这种瞬态的壁温升高也最为显著。因此操作人员应在运行中积累这种瞬态过程的操作经验和数据。这5 炉外壁温测点的测量准确性

超临界锅炉应该特别注意过热器再热器管子出口炉外壁温测点的测量准确性。这种测点第5期孙建:超临界压力锅炉的过热器、再热器热偏差问题探讨

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装在炉顶大罩壳内。以前认为大罩壳内的温度有450e~500e左右,相当于集体保温,可以不用对测点部位加以保温。但是统计资料表明,如果不保温,测量温度会偏低10e以上。这是因

为所测的偏差管出口温度(550e~580e)比大罩壳内的温度高出很多。有温差就有热流,沿着测点径向和沿热电偶轴向的2种热流会造成测量温度的偏低。而超临界锅炉的汽温水平更高,这种温度偏低也会更大。如上所述,10e的测量偏差对超临界锅炉的钢材寿命是至关重要的。国电谏壁电厂曾在一台亚临界300MW锅炉上做过试验,对测点加以保温后,测量误差就从10e~13e减小到1e~3e。测量误差减小

到这样的程度,就可以作为在线计算炉内壁温的依据,而先进的在线监测系统的软件还能够自动修正这种较小的测量误差。因此,对测点保温和改进测点结构,是减小测量误差,有利于采用在线监测,保障锅炉安全运行的一项有效措施。参考文献:

[1]王孟浩,罗永浩,张谦,等.北仑电厂600MW锅炉高温再热

器超温问题原因分析及改造[J].中国电力,1999(9):14-16.

[2]朱伟明,胡兴胜,方晓东,等.平圩发电厂2号锅炉再热器的

超温原因及改进措施[J].动力工程,2005,(1):32-39.[3]王家新,陈雪春,边乐永,等.600MW自然循环锅炉屏式过

热器爆管分析[J].锅炉技术,2005,(4):61-.

InvestigationonSuperheaterandReheaterThermalDeviationof

SupercriticalPressureBoilers

SUNJian

(GuodianChangzhouPowerPlant,Changzhou213033,China)

Keywords:thermaldeviation;supercriticalpressureboiler;superheater;reheater;on-line

monitor

Abstract:Theimportanceofcontrollingthermaldeviationofsuperdriticalpressureboiler.ssuperheaterandreheaterispointedout.Fivecauseswhichaccountforthethermaldeviationandkeypointsinfluencingthermaldeviationofsupercriticalpressureboiler.ssuperheaterandreheaterarealsodescribedinthispaper.

(上接第34页)参考文献:

[1]岑可法,倪明江,骆仲泱,等.循环流化床锅炉理论设计与运

行[M].北京:中国电力出版社,1998.

[2]锅炉机组热力计算标准方法[M].北京:机械工业出版

社,1975.

TheThermalPerformanceAnalysisof220t/h

CirculatingFluidizedBedBoiler

BAOShao-lin1, LUQing-gang1, NAYong-jie1, SUNYun-kai1,

MAOJun-hua, WANGZheng

2

2

(1.InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China;

2.WuxiHuaguangBoilerCo.Ltd.,Wuxi214028,China)

Keywords:CirculatingFluidizedBed;boiler;thermalperformance

Abstract:220t/hCirculatingFluidizedBedboilerhasbeenstartedcommercialoperation.

Thethermalperformanceofthisboilerisgivenaccordingtotheoperationdata,someusefulconclusionaregivenhere.