超临界锅炉吹管过程中超温问题分析

马宪斌，秦杰，严潍，高嫣璐，吴晓武

（1.山西鲁晋王曲发电有限责任公司，山西王曲047500；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

超临界锅炉吹管过程中超温问题分析

马宪斌1，秦杰1，严潍1，高嫣璐1，吴晓武2

（1.山西鲁晋王曲发电有限责任公司，山西王曲047500；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

配置大气扩容式启动系统的超临界锅炉机组在调试吹管过程中出现了再热器进汽温度超标的问题，分析其主要原因是给水流量偏高所致。根据实际运行状况提出了降低给水流量等运行措施，有效地解决了再热器进汽的超温问题。

超临界锅炉；给水流量；再热器；水冷壁

0　引言

超临界锅炉机组为了保护水冷壁的运行安全，在设计上大都采用了光管或内螺纹螺旋管圈、内螺纹垂直管或多种管型相结合的结构型式，以防止或抑制临界压力下运行时的水冷壁膜态沸腾和超临界压力下的类膜态沸腾问题。锅炉制造商提供的运行说明书中给定了最小给水流量，以防止水动力的多值性，减少水冷壁的吸热偏差。但是不同锅炉制造商所要求的最小给水流量略有不同。表1［1-2］给出了几家发电企业的超临界锅炉所采用的水冷壁结构型式及最小给水流量。文献［1］同时也指出了超临界锅炉在低负荷运行时可能出现的蒸汽超温问题。某电厂350 MW超临界机组在调试过程中就遇到了这样的问题。

表1　水冷壁结构及主要参数

1　设备简介

锅炉为超临界一次中间再热超临界直流锅炉，设计本生负荷为30%最大连续出力，主要设计参数如表2示。锅炉采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统。

锅炉中、下部水冷壁采用螺旋管圈，上部水冷壁采用一次上升垂直管屏，二者之间用过渡集箱连接。锅炉灰斗部分的水冷壁由前、后水冷壁下集箱引出的光管组成的管带围绕成。

过热蒸汽主要采用煤水比调温，并设两级喷水减温器。再热蒸汽采用尾部烟气挡板调温，并在再热器入口管道备有事故喷水减温器。

在运行过程中为监控水冷壁的壁温，在螺旋水冷壁管出口、前墙和侧墙垂直管屏和后水吊挂管出口装设了多个壁温测点。

机组配置有一级和二级旁路系统。再热蒸汽冷段管道材质为A672B70CL32，最高的允许使用温度是427℃。

表2　锅炉主要设计参数

2　吹管过程锅炉运行情况

机组启动前锅炉采用一阶段降压吹管方式，在主蒸汽管道的末端通过临时管道与再热蒸汽冷段管道相连。点火后，蒸汽系统压力达到一定值后，继续升压时升压速度变得异常缓慢。增加燃料投入量后压力才得以继续提高。升压曲线见图1。达到吹管参数后，炉膛烟温探针自动退出，烟温超过了540℃，此时的过热器末端蒸汽温度达到490℃，各受热面管壁温度正常，但是再热器进汽温度达到470℃，超过了再热蒸汽冷段管道材料要求的极限值，吹管过程被迫中止。

吹管的升温升压过程中水冷壁温度分布如图2、图3所示，吹管过程锅炉主要运行参数如图4所示。

图1　12 h内锅炉升温升压情况

图2　螺旋水冷壁出口壁温分布

图3　垂直水冷壁出口壁温分布

图4　再热器进汽超温时主要运行数据

3　原因分析

机组启动阶段，超临界锅炉工质在炉膛中的吸热份额与自然循环锅炉相比是一样的［3-4］。但超临界锅炉启动过程中在达到直流状态前需要保持一定的给水流量，一般是30%最大连续出力。对于无循环泵的大气扩容式启动系统的超临界锅炉，给水在除氧器、省煤器和水冷壁中吸收的本应该产生蒸汽的热量大部分随着工质排入扩容器而流失了。对于自然循环或带有循环泵的直流炉，这部分热量除小部分随排污或疏水损失外（这种损失一般是可控的，且排污量仅为2～5%BMCR），大部分都积聚在了启动系统内（表现为工质的焓增和金属温度的提高）。因此启动阶段无循环泵的大气扩容式启动系统的超临界锅炉低负荷运行时的产汽率大大小于其他型式的锅炉。较低的蒸汽流量使得后面过热受热面得不到有效冷却，造成了过热蒸汽温度过高。采用一阶段吹管时导致了再热蒸汽进汽的超温，从而造成了再热器冷段管道的超温。

为保证汽水系统的安全，启动阶段不可避免地要对系统进行必要的疏水，加上吹管时临时系统的疏水、旁路暖管、临时电动门的密封性较差等原因，会导致了大量的蒸汽外泄，压力越高泄露量越大，系统的升压速度较慢，甚至压力升高到一定值后再进一步升压非常困难。较小的产汽率和较慢的升压速度，造成了较高的过热蒸汽温度。为了达到吹管或冲转参数，不得不加大燃料投入量，这就造成了炉膛出口温度过高，对流换热加强，进一步加剧了过热蒸汽温度的提升。

4　应对方案

基于上面的分析，降低启动时的循环流量是控制过热蒸汽和再热蒸汽温度过高的最有效的途径。

4.1最小安全给水流量的问题

启动阶段该炉水冷壁工质的质量流速在内螺纹管圈是593.44 kg/（m2·s），在光管垂直管屏是327.17 kg/（m2·s），均小于文献［1］提供的数据。对最小给水流量的限定，不同的设计或研究单位所提供的数据并不相同，甚至相差较远。这不仅取决于水冷壁的结构型式和几何尺寸，还取决于设计、制造等因素。对于投入商业运行的机组，制造商所提供的最小安全流量与实际的临界点流量相比具有一定的裕度，但不同厂商给出的裕度会有所区别。实际运行中这一裕度的大小可以根据机组的具体运行状况在一定程度上予以调整。即，运行最小安全给水流量可以根据锅炉实际运行状况来确定［5］。

4.2水冷壁的流量分配问题

超临界锅炉的工质流动特征是强制循环流动，水冷壁工质的压降受流动阻力控制。一般认为，超临界锅炉水冷壁的流量分配呈现出“负流量”补偿特性，即受热强度大的管子流量自动减少。但是在启动的低负荷阶段，由于炉水温度较低，且流量较小，水冷壁工质的压降中因液位高度产生的压降占到了很大比例，水冷壁管流量分配表现出自然循环锅炉中的“正流量”补偿特性。给水流量维持在某一较低的范围内时，在一定负荷一下，受热较强的管子流量不会比其他管子低，不会造成各水冷壁管之间壁温出现较为显著的差异。因此，只要流量控制在一个较为合理的较低的范围时，水冷壁的安全是可以得到保证的。

基于以上认识，采取了以下措施：降低炉膛出口烟气温度；强化炉内燃烧，加大水冷壁吸热量，提高产汽率；降低给水流量，减少热量损失，提高产汽率；提高汽水系统的严密性。

5　运行效果

通过实施以上措施，成功将炉膛出口烟温控制在540℃以下，烟温探针一直处于自动投入状态，高温过热器出口汽温控制在450℃以下，再热器进汽温度小于427℃，如图5所示。顺利完成了吹管程序。

在减小给水流量时，实时监控水冷壁温度，没有发生超温或温度异常现象，如图6、图7所示。

比较图2～7可以发现，通过实施上述措施，达到吹管条件时，燃料投入量比先前减少了约2 t/h油和4 t/h煤，水冷壁温度上升约20℃左右。在减小燃料投入量的条件下，蒸发系统的蓄热量有了明显上升，热利用率得以提高，这与3.1的分析是一致的。

图5　正常吹管时主要运行数据

图6　螺旋水冷壁出口壁温分布

图7　垂直水冷壁出口壁温分布

6　结语

在保障设备安全的前提下，通过降低给水流量有效解决了调试吹管阶段再热器进汽的超温问题。超临界锅炉低负荷运行时与亚临界直流锅炉没有原则区别，因此，对采用同样启动系统的亚临界锅炉，这种方法同样适用。虽然如此，应当看到这一做法与设备商对最小流量的要求并不相符，实践中需根据具体情况区别对待。

［1］樊贵泉.超超临界及亚临界参数锅炉［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］车东光，吴少华.超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差［J］.锅炉制造，2006（2）：3-4.

［3］陈听宽，孙丹，罗毓珊，等.超临界锅炉内螺纹管传热特性的研究［J］.工程热物理学报，2003，24（3）：430.

［4］王富文.低质量流速在直流锅炉上的应用［J］.华中电力，2004，17（1）：38-41.

［5］吴继高.本生锅炉炉膛垂直管圈水冷壁新型设计方案［J］.东方电气评论，1996，10（2）：82-93.

Analysis On the Over Temperature Problem of Supercritical Boiler During Steam Purging

MA Xianbing1，QIN Jie1，YAN Wei1，GAO Yanlu1，WU Xiaowu2
（1.Shanxi Lujin Wangqu Power Plant Co.Ltd，Wangqu 047500，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

During steam purging，over-temperature problem of reheater steam temperature existed in the supercritical boiler which has a startup system of the atmospheric flash-off-type.The main cause of the problem is the larger feed water flow.The problem has been solved by various measures such as lowering the feed water.

supercritical boiler；feed water flow；reheater；water-cooled wall

TM621

B

1007-9904（2015）12-0055-03

2015-09-10

马宪斌（1982），男，高工，从事电力生产和管理工作。