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1 000 MW超超臨界鍋爐機組冷態啟動時

時間:2017-07-27  來源:本網  瀏覽次數:13458

  玉環電廠超超臨界機組冷態啟動時,在低負荷階段,4臺鍋爐的水冷壁都有不同程度的超溫現象,報警頻繁。超超臨界壓力下,水冷壁的材質、管路布置、管路特性和傳熱特點都比較特殊,超溫容易造成水冷壁材質石墨化,產生蠕變,降低金屬的持久強度⑴,嚴重威脅機組的安全運行。結合玉環電廠1000MW超超臨界機組投產3a多的運行經驗,全面分析了超超臨界直流鍋爐冷態啟動時水冷壁超溫的原因和特點,提出控制策略,可為具有相似問題的超超臨界壓力鍋爐控制水冷壁金屬溫度提供良好的借鑒作用。

  1超溫情況玉環電廠1000MW超超臨界鍋爐機組水冷壁結構為垂直管屏膜式水冷壁,采用改進型的內螺紋管。水冷壁管入口段設計有節流孔圈,通過2次三叉管過渡的方法與水冷壁管相連接,水冷壁材質為SA213-T12.在上下爐膛之間設計了水冷壁中間集箱,工質經2級混合后進入上爐膛。通過查詢SIS(生產信息系統)的數據記錄情況,統計了玉環電廠2008-10-28/2009-10-11,4臺機組6次冷態啟動過程中,水冷壁的超溫情況,如表1所示。

  表1玉環電廠1000MW超超臨界鍋爐機組冷態啟動時水冷壁超溫情況統計機組/號曰期超溫“點數量/個超溫時負荷段/MW注:1)玉環電廠水冷壁金屬溫度測點超溫報警值設定為505.由表1可知,玉環電廠超超臨界壓力鍋爐水冷壁超溫有如下特點:水冷壁超溫情況基本上都發生在冷態啟動過程中鍋爐由濕態轉為干態運行以后,負荷一般在300~400MW的變壓運行初期,即亞臨界直流運行初期,機組投入CCS(協調控制方式)之前。

  水冷壁超溫測點位置都在前墻水冷壁中間集箱入口(爐膛標高45.5m處)。

  水冷壁超溫測點在壁溫超限前,一般都在340QC左右,5min內即可迅速上升100QC以上,甚至200QC并竄至505QC以上,突然性強,可預測性和可調節性相對較困難。

  2超溫原因2.1煤水比失調全爐熱負荷值過大或水冷壁質量流速不足,造成煤水比失調,此時汽水分離器入口過熱度將迅速上升,容易造成水冷壁的大面積超溫。

  2.1.1全爐熱負荷值過大轉千態時負荷增加較快。超超臨界直流爐一般在25%BMCR(鍋爐最大連續出力)負荷前為濕態運行,當轉為千態運行以后,隨即進入亞臨界直流運行初期,三菱重工建議要快速通過濕態轉千態區域。

  所以在轉千態過程中以及剛剛轉完千態初期,負荷增加較快,必須加大燃料量以維持主蒸汽壓力和當前負荷。鍋爐蒸發量的快速增加,往往導致加煤過快,全爐熱負荷值過大。

  給水溫度過低。啟動初期,除氧器加熱不充分、高壓加熱器投入過晚或未投入、汽水分離器通過水位控制閥向鍋爐大氣擴容箱排水較多導致熱量回收不充分和工質流失,造成省煤器入口給水溫度過低,導致水冷壁熱水段的延長;此時需增加燃料量才能保證工質加熱所需的焓增,造成了燃料量的過量投入。

  燃料本身的影響。玉環電廠鍋爐冷態啟動時,經常燃燒揮發性高的低熱值印尼煤。一方面這種燃料對低負荷著火比較方便;另一方面由于低熱值印尼煤收到基水分很高,容易引起爐溫下降,使爐內輻射傳熱量下降。為了維持汽水分離器入口的過熱度以保證轉千態后汽水分離器水位較低,往往導致加煤過多。

  BTU(熱值修正系數)的影響。機組正常運行所用的燃料一般都不是設計煤種,存在熱值修正的問題,BTU投入自動以后,根據入爐煤質的發熱量變化進行修正,這種修正一般比較慢,滯后性較大,再加上啟動初期,爐內燃料少,爐膛溫度低,往往修正不準確,導致加煤過多。

  油槍影響。啟動初期,由于點火需要或穩燃需要,油槍會經常投入運行,油燃料的熱值計算和油流量計算往往會有偏差,導致總燃料量計算不準,造成全爐熱負荷值過大。

  鍋爐蓄熱影響。啟動初期,爐內燃料少,爐膛溫度低,鍋爐有建立蓄熱的過程。升溫升壓時,由于金屬管壁的蓄熱影響,燃料量增加不能馬上起作用,鍋爐存在熱慣性,這種時滯的存在可能導致投入爐膛的燃料量過多。

  升壓速度過快。冷態啟動時,汽輪機熱應力的限制和溫度準則的滿足,要求主、再熱蒸汽溫度不能太高,而主蒸汽壓力必須滿足沖轉要求,維持8.5MPa以上。鍋爐必須按照汽輪機的要求提供相應參數的蒸汽。冷態啟動時鍋爐的升溫速度較快,升壓速度較慢,為了縮短冷態啟動的時間,可能會因為加快升壓速度而導致燃料的過量投入。

  高壓旁路調節閥度影響。玉環電廠鍋爐設計有40%BMCR容量的高低壓串聯旁路,啟動階段由于高壓旁路調節閥度過大,或高壓旁路調節閥關得太晚,造成啟動流量過大,導致入爐煤量過多。

  2.1.2水冷壁質量流速不足過熱器減溫水的影響。玉環電廠水冷壁質量流速的監視,主要通過省煤器入口給水流量0進行控制。冷態啟動時,汽輪機熱應力的限制和溫度準則要求主再熱蒸汽溫度不能太高,必須小于380T,所以經常需要使用過熱器減溫水。由于過熱器減溫水取自省煤器出口集箱,省煤器入口給水流量二水冷壁入口給水流量+過熱器減溫水流量。因此在省煤器入口給水流量不變的情況下,過熱器減溫水過量投入必然造成水冷壁入口給水流量降低,引起水冷壁質量流速不足。

  啟動階段進行熱量回收和工質回收,而BCP再循環水量的出口就是省煤器入口。因此省煤器入口給水流量給水泵提供的流量+BCP提供的再循環水量。當鍋爐轉為千態運行以后,BCP隨即停運,且直流爐蒸發量給水泵提供的流量,若蒸發量不變,BCP停運會造成省煤器入口給水流量降低,導致水冷壁質量流速不足。

  給水溫度過低。省煤器入口給水溫度過低,導致水冷壁進口水的欠焓增加,水冷壁熱水段增長,蒸發段縮短,水冷壁管路的總流動阻力發生變化,可能隨給水流量的增加而增大,也可能在一定流量范圍內下降,這就容易產生流動的多值性,導致給水流量控制穩定性變差氣造成水冷壁質量流速不足。

  汽水分離器水位過高。濕態時,汽水分離器水位過高,可以減少給水泵提供的流量,增大BCP提供的再循環流量,總的省煤器入口給水流量仍可保持不變;但是當鍋爐轉為千態運行以后,汽水分離器水位過高,為了避免水位控制閥頻繁啟導致系統泄壓力和避免過熱器進水,只能減少省煤器入口給水流量,從而造成水冷壁質量流速不足。

  2.2水冷壁產生壁溫偏差煤水比只能在宏觀上判斷水冷壁整體吸熱狀態,而不能具體反映某些管子中工質溫度變化情況。

  水冷壁吸熱偏差將導致流量偏差擴大,致使偏差管內工質熱物理特性劇烈變化,進而產生流量偏差和傳熱特性惡化,使水冷壁壁溫偏差增大。玉環電廠鍋爐冷態啟動時,水冷壁容易產生壁溫偏差,如所示,圖中2根曲線所代表的壁溫測點都是位于45.5m處水冷壁中間集箱入口,一個為前墻242點,另一個為后墻242點,標高一樣,按鍋爐前后方向對稱,由壁溫曲線變化情況可知,前墻242點壁溫產生較大偏差,短時間內急劇上升至超溫,而后墻242點壁溫變化比較平緩,前、后墻242點壁溫偏差最高達250C.影響超超臨界鍋爐水冷壁壁溫偏差的因素比較復雜,局部熱負荷值過大引起水冷壁的吸熱偏差,再加上水冷壁本身存在的流量偏差和吸熱偏差引起的流量偏差,最終產生水冷壁的壁溫偏差,造成某些水冷壁管金屬溫度急劇增大。

  玉環電廠冷態啟動時水冷壁金屬溫度變化趨勢Fig.1Trendofmetaltemperature 2.2.1局部熱負荷值過大切圓偏移。玉環電廠鍋爐燃燒器布置為八角反向雙切圓,冷態啟動過程中,低負荷時爐內燃料少,爐膛熱負荷容易分配不均勻,再加上前后墻的二次風壓不平衡,容易造成切圓偏移,偏離鍋爐中心線,如所示,使靠近火焰中心的一側局部熱負荷值過大。

  玉環電廠鍋爐火焰切圓偏移示意配風影響。玉環電廠鍋爐一次風攜帶煤粉、二次風提供輔助風。某個角的一次風動量低,會使本角的一次風剛性降低,發生一次風偏轉,導致火焰貼壁燃燒;某個角的二次風配風不合理,輔助風門開度過大導致二次風動量增加,會使對側的一次風剛性降低,發生一次風偏轉,導致火焰貼壁燃燒。火焰貼壁處局部熱負荷值過大。

  水冷壁結焦。某一區域水冷壁發生結焦,會使本區域的水冷壁管內工質吸熱能力下降,導致相鄰不結焦區域的局部熱負荷值過大。

  油煤混燃。冷態啟動初期,由于點火需要或穩燃需要,油槍經常會投入運行,造成油煤混燃。油槍功率較大,容易造成鄰近區域的局部熱負荷值過大。

  火焰中心高度。玉環電廠鍋爐燃燒器共6層,從上至下分別為F、E、D、C、B、A,對應6臺磨煤機,三菱重工建議自上而下投用磨煤機組,最先投用最上層F磨,火焰中心位置較高。然而玉環電廠冷態啟動時,汽輪機側所需的主再熱蒸汽溫度較低(小于380C),倘若用上層磨,往往會造成主再熱蒸汽溫度上升很快,蒸汽參數不能滿足汽輪機要求,影響冷態啟動。故而冷態啟動時都是用下層磨,這樣就造成火焰中心下移,燃燒區水冷壁管吸熱高度增加,容易造成局部熱負荷值過大。

  2.2.2流量偏差主蒸汽壓力偏低。冷態啟動時,低負荷階段主蒸汽壓力較低,一般低于13MPa,水冷壁內汽水比容差較大。根據水動力特性,汽水比容差越大,水動力多值性越嚴重,管內工質流動越不穩定,容易造成水冷壁管內流量偏差。通過SIS數據統計得知,玉環電廠鍋爐冷態啟動時水冷壁產生壁溫偏差時段的主蒸汽壓力一般集中在8.5~13.0MPa.主蒸汽壓力變化速度過快。玉環電廠超超臨界機組轉干態過程中或轉干態后亞臨界直流運行初期,負荷變動時,若主蒸汽壓力變化速度過快,有可能使原來飽和狀態的水發生汽化,使汽段流動阻力增加,蒸發開始點壓力瞬時升高,進水流量小于出口流量,產生管間流量的脈動,容易造成水冷壁管內流量偏差。

  給水溫度偏低。省煤器入口給水溫度過低,導致水冷壁進口水的欠焓增加,水冷壁熱水段增長,蒸發段縮短,水冷壁管路的總流動阻力發生變化,這就容易產生流動的多值性,管內工質流動不穩定,容易造成水冷壁管內流量偏差。

  吸熱偏差影響。臨界壓力以下,水一旦達到飽和溫度,蒸發時工質的比容急劇上升,如所示。超超臨界機組冷態啟動初期、轉干態過程中或轉干態運行以后的低負荷階段為亞臨界壓力運行,水工質比容、壓力、溫度關系曲線冷壁管在蒸發時,工質比體積將因為吸熱偏差的影響而急劇增大,偏差管中流動阻力相應變大,工質流量明顯低于平均值;而且隨著壓力的降低,汽水密度差增大,重位壓頭的作用削減,吸熱偏差導致流量偏差的程度更大些。總之,由于爐內局部熱負荷值過大,造成水冷壁管吸熱偏差,熱強度越大的管子流量越小,容易造成水冷壁管內流量偏差。

  3控制策略通過煤水比控制過熱度。煤水比失調嚴重,汽水分離器入口過熱度必將快速上升,造成水冷壁大面積超溫。玉環電廠鍋爐冷態啟動時,煤水比如果在67時,過熱度就會較快上升,按照SIS數據的統計結果來看,冷態啟動初期一旦過熱度大于5.(:,水冷壁即有超溫的危險。所以冷態啟動初期,主蒸汽壓力達到13.0MPa之前,必須將煤水比控制在8左右,過熱度控制在5 C以下。煤水比控制的理想手段是:先穩定給水流量,然后手動調節燃料量,因為在燃煤時,煤量熱值不易準確控制,需要微調;最后再通過蒸發量需求和汽水分離器水位狀況閉環修正給水流量。

  合理分配一次風流量和二次風流量。加強一次風流量,提高一次風粉的剛度,根據控制總風量的原則,減少相應的二次風流量,避免沖擊對面的一次風粉,減少貼壁燃燒的可能。根據玉環電廠鍋爐冷態啟動時前墻水冷壁容易產生壁溫偏差,造成前墻水冷壁管超溫的特點,大前墻燃燒器區域的輔助風擋板,關小后墻燃燒器區域的輔助風擋板,將火焰切圓的中心向后墻方向移動,改善前墻局部熱負荷值過大的現象,減少吸熱偏差和壁溫偏差。

  抬高火焰中心。玉環電廠燃燒器擺角可以上、下方向進行調節,改變火焰中心高度,將燃燒器擺角向上進行擺動,以改變輻射熱量和對流熱量的相對比值,減少水冷壁區域的輻射熱負荷強度。根據冷態啟動的進行程度,倘若汽輪機暖機充分,可以提高主、再熱蒸汽溫度時,將下層磨煤機組切換為上層磨煤機組運行,以抬高火焰中心,減少水冷壁區域的輻射熱負荷強度。

  轉千態前盡量提高主蒸汽壓力。主蒸汽壓力越低,汽水比容差越大,水冷壁不同管內越易產生流量偏差。在轉千態前的低負荷階段,即200MW負荷以前,盡早把主蒸汽壓力提高至13.0MPa以上,這樣有利于控制流量偏差,從而減輕水冷壁的壁溫偏差。建議在機組并網后,100MW負荷以前,即可將高低壓旁路全關,以利于提高主蒸汽壓力。

  提高給水溫度。加強除氧器加熱,及時投入低壓加熱器,保證除氧器水溫大于1051;盡早投入高壓加熱器,提高給水溫度。

  減少汽水分離器的排水。控制好省煤器入口給水流量和汽水分離器水位,找到給水泵提供的給水量和鍋爐蒸發量的平衡點,盡量減少汽水分離器的排水,這樣可減少熱量損失和工質損失,對提高省煤器入口給水溫度也大有好處。

  控制冷態啟動的速度。冷態啟動初期,爐內熱負荷呈不均勻分布,必須控制好升溫升壓速度,緩慢增加燃料量,避免燃燒工況和水力工況產生較大的擾動。最好能在轉千態前的低負荷階段停留較長時間進行暖機,這樣有利于穩定燃燒,提高主蒸汽壓力。低負荷階段控制好過熱汽溫,盡量少用過熱器減溫水;負荷變動和燃燒調整要緩慢,避免主蒸汽壓力變化速度過快引起給水擾動。

  負荷階段能夠有效地減少水冷壁的流量偏差和吸熱偏差,從而消除水冷壁的壁溫偏差,避免水冷壁金屬溫度超限。

  4結語000MW超超臨界鍋爐冷態啟動時水冷壁金屬溫度超限的因素較多,從超溫情況來看,煤水比失調容易造成水冷壁的大面積超溫,影響范圍比較大。而由玉環電廠鍋爐多次冷態啟動的曲線記錄和超溫部位分析得知,其水冷壁的超溫大多是由于局部熱負荷值過大、流量偏差和吸熱偏差所導致的壁溫偏差,壁溫偏差的擴大造成了某些水冷壁管金屬溫度急劇增大,引起超溫甚至爆管。文中根據玉環電廠3a多的運行經驗,具體探討了1000MW超超臨界鍋爐冷態啟動時水冷壁超溫的原因和應對的措施,為國內1000MW級的超超臨界機組提供借鑒。

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