控制超超临界锅炉水冷壁壁温偏差对策

黄素华，吕晓东，魏 伟，庄 劼

（1.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090；2.江苏阚山发电有限公司，江苏 阚山 221134）

现代超临界、超超临界锅炉的水冷壁布置主要有两种，即下部螺旋管圈+上部垂直管圈水冷壁以及采用内螺纹管的垂直管圈水冷壁。这两种水冷壁结构、形式各有其优缺点［1］。螺旋管圈水冷壁管间热偏差小，但制造和安装工艺要求高；垂直管圈水冷壁运行中容易出现壁温偏差大，但制造和安装工艺要求低。目前，我国大部分已投运的垂直管圈水冷壁超超临界锅炉在调试和运行中，都不同程度出现了水冷壁壁温偏差大［2-4］，燃烧器区域水冷壁出现大量横向裂纹和高温腐蚀的问题，严重影响了机组的安全稳定运行。

本文通过分析垂直管圈水冷壁的结构特点，提出了在平时的运行维护中如何应对水冷壁壁温偏差大的控制措施。

1 某厂超超临界锅炉水冷壁特点

某厂超超临界600MW锅炉，炉膛水冷壁采用焊接膜式壁、内螺纹管垂直上升式，炉膛断面尺寸为17 666mm×17 628mm，水冷壁管共有1584根，前后墙各396根，两侧墙各396根，均为φ28.6mm×6.4mm四头螺纹管，管材均为15CrMoG，节距为44.5mm，管子间加焊的扁钢宽为15.9mm，厚度为6mm，材质为15CrMo，在上、下炉膛之间装设了一圈中间混合集箱以消除下炉膛工质吸热与温度的偏差。

入口节流圈装于水冷壁下集箱外面的水冷壁入口管段上，由于小直径水冷壁管直接装设节流圈调节流量的能力有限，因此通过三叉管过渡的方式，将水冷壁入口管段直径加大、根数减少的方法，使装设节流圈的管段直径达到φ42mm。因此可以通过采用不同的孔圈内径，大大提高孔圈的节流调节能力，按照水平方向各墙的热负荷分配和结构特点，调节各回路水冷壁管中的流量，以保证水冷壁出口工质温度的均匀性。这种装于集箱外的节流圈布置方式便于调试和检修，而且可以采用较细的水冷壁下集箱，简化了结构。水冷壁管与下集箱连接方式如图1所示。

图1 水冷壁管与下集箱连接方式

2 实际运行中水冷壁壁温分布特点

由于结构设计方面，在上、下炉膛间设置了中间混合集箱，并且上辐射区热负荷相对下辐射区要低一些，所以炉膛上辐射区水冷壁的壁温偏差基本在30℃左右，处于可接受的范围内。而下辐射区水冷壁壁温偏差完全依靠节流圈来进行调节，所以节流圈设置合理与否将直接影响下辐射区水冷壁的安全与稳定运行。

某超超临界600MW锅炉实际运行中前墙下辐射区水冷壁壁温分布情况如图2所示，其形状呈马鞍形，四面墙的壁温分布是类似的。下辐射区水冷壁这种壁温分布情况是由炉内热负荷与节流圈布置共同决定的。

在设置节流圈时，虽然考虑了水冷壁沿水平方向的热负荷分布特点，但是由于炉内实际运行工况复杂，节流圈的设置与热负荷分布不一定正好吻合；加之，下辐射区水冷壁正好处于炉内热负荷最高的区域［5］，稍有偏差就可能造成下辐射区水冷壁壁温偏差大。

图2 下辐射区水冷壁壁温分布

由于采用节流圈调节水冷壁内的水流量分配，对于采用小孔径节流圈的水冷壁管，其水流量相对较小，管壁的冷却能力较差，热敏感性较强，在实际运行中如果处在热负荷较高区域就表现为壁温变化幅度大，如图3所示，同一面水冷壁墙，一段时间内壁温变化幅度大的管子达到70～80℃，而壁温变化幅度小的不超过5℃。壁温变化幅度大的区域是节流圈孔径较小且热负荷较高的区域。水冷壁长期工作在这种壁温大幅波动的情况下，会造成金属的热疲劳损伤，增加水冷壁泄漏故障的机率。因此，这种采用内螺纹节流圈的垂直水冷壁锅炉，适合带稳定负荷运行，而不适合长期调峰运行。

图3 水冷壁壁温的变化特点

由于该超超临界锅炉采用墙式切圆燃烧方式，其水平方向热负荷最高的区域在靠近上游燃烧器喷口处［6］，对应的管子编号为50～150。根据该电厂在停炉检修期间的检查情况，在水冷壁1／4位置靠近上游燃烧器喷口区域发现有横向裂纹和高温腐蚀。这与目前锅炉实际运行中水冷壁的壁温分布是一致的，即在水冷壁壁温较高并且壁温变化幅度较大区域出现横向裂纹和高温腐蚀。

根据文献［7］的研究，直流锅炉水冷壁发生横向裂纹和高温腐蚀的原因是由于受热面经常处于高温过热状态，同时在交变应力的作用下而产生疲劳裂纹；又由于分级燃烧水冷壁壁面附近处于严重的还原性气氛。因此，控制水冷壁横向裂纹和高温腐蚀，就必须减小水冷壁的壁温偏差，避免水冷壁在高温过热状态下工作，同时运行中尽量保持水煤比稳定，避免壁温的大幅波动，减轻交变应力的影响，还要合理控制分级风的比例，改善水冷壁壁面附近的气氛。

由图2和图3可知，从实际运行中的水冷壁壁温分布与节流圈布置来看，两者并不完全吻合。在锅炉水冷壁热负荷最高区域对应的节流圈孔径不是最大的，也就是该区域水冷壁管的冷却能力不是最强的。这是造成该区域壁温偏高且壁温变化幅度大的主要原因，因此要根本改善水冷壁的运行状况，必须要重新调整水冷壁的节流圈布置，使之适应实际的炉膛水平方向热负荷分布。

3 运行控制对水冷壁壁温偏差的影响

虽然节流圈的布置不合理是造成水冷壁壁温偏差的主要原因，但是通过合理的运行调整还是在一定程度上，可以减小壁温偏差、改善水冷壁的运行状况。

在运行调整中发现，磨煤机运行方式和分离器的过热度对水冷壁壁温有非常大影响。410 MW负荷不同磨煤机运行方式和分离器过热度时前墙的水冷壁壁温分布如图4所示。试验结果显示，当采用ABDE磨运行、过热度为39.14℃时，水冷壁的壁温偏差较大；当采用BCDE磨运行、过热度为39.36℃时，水冷壁的壁温偏差明显改善；而当采用BCDE磨运行、过热度为24.6℃时，水冷壁的壁温分布更趋均匀。三个工况负荷不变，主汽温、再热汽温均能达到额定值600℃。

磨煤机运行方式对下辐射区水冷壁壁温的影响是由锅炉的设计特点决定的。该锅炉通过在炉膛中部设置中间混合集箱将炉膛分为上、下两部分。因此，为了减小炉膛下辐射区水冷壁出口壁温偏差，可以通过减少下辐射区水冷壁的吸热量来得到一定程度的控制，而减少下部磨煤机的投用，可以减少下辐射区水冷壁的吸热量。同时为了保证煤粉在炉内的停留时间，兼顾飞灰的燃尽，在当前状况下，为保持水冷壁的壁温偏差控制在合理的范围内，四磨运行时，应以BCDE磨为主要运行方式；而五磨运行时，以BCDEF磨为主要运行方式。

图4 运行方式水冷壁壁温的影响

通过运行观察发现，当分离器过热度超过40℃时，容易有多点水冷壁壁温超过480℃的报警值；而当分离器过热度低于30℃时，在高负荷时则主汽温难以达到额定值600℃。总体来看，在450MW到600MW负荷区间，将分离器过热度控制在37～38℃；而负荷在300～450MW时，将分离器过热度控制在30～37℃，对水冷壁壁温和主汽温的控制都是比较合适的。在实际运行控制中，为了控制水冷壁的壁温偏差，分离器过热度的选取原则是在主汽温能够达到额定值的情况下，尽量维持较小的分离器过热度，尽量少用过热减温水。这是因为，在负荷一定、主汽流量一定的情况下，减少过热减温水量可以相对增加通过水冷壁的水流量，增强对水冷壁的冷却能力，从而可以在一定程度上抑制水冷壁出口处的壁温，改善水冷壁的运行状况。

另外，在实际运行中发现启、停磨煤机时，水冷壁的壁温会发生大幅度的波动，壁温偏高区域很容易出现超温现象。这是因为启、停磨煤机时会造成水煤比的短暂失调。以启动磨煤机为例，在暖磨过程中，磨煤机内的存煤会随着暖磨风一起进入炉膛，而这部分入炉煤是不计入给煤机煤量的，会造成实际入炉煤量大于给煤机显示总煤量，这样实际水煤比就小于显示控制的水煤比，从而造成水冷壁的壁温升高，同时由于节流圈垂直内螺纹水冷壁的壁温特点，容易造成偏差管的管壁温度超过报警值。而当控制系统通过减煤适应新的水煤比后，给煤机投入，这部分不计入总煤量的暖磨煤没有了，水煤比再次偏离，控制系统又要通过加煤来适应。

实际上，启、停磨煤机时，这种扰动是无法避免的，关键是要减小其影响。可以通过延长冷、热风门的开、关时间，减缓相应磨煤机风量的变化，从而减缓这部分不计入总煤量的入炉煤量的变化，减轻其对水煤比的扰动，减小水冷壁管壁温度的波动。

4 结语

马鞍形壁温分布是这种内螺纹节流孔圈垂直水冷壁的显著特点。由于这种壁温分布特点造成了部分水冷壁经常处于高温过热状态，同时受交变应力的作用，容易形成横向裂纹和高温腐蚀，严重影响水冷壁的安全稳定运行。因此，采用这种形式水冷壁的锅炉，适合带稳定负荷运行，而不适合长期调峰运行。

为了控制水冷壁的壁温偏差和波动幅度，从运行的角度，就是要控制好实际煤水比，保持分离器过热度在合理的范围内，这就要求协调控制系统进行优化；另外要规范磨煤机的运行方式，在飞灰含碳量可以接受的前提下，尽量投用上层磨煤机；特别在启、停磨煤机时，冷热风门的开关时间要长一些，避免给煤机投切时入炉实际煤量的过快变化，避免实际煤水比的偏离。但是要根本改善水冷壁的运行状况，必须对水冷壁节流孔圈进行一些调整改造，使之与锅炉水平方向的热负荷分布相适应，改善热敏感特别明显的偏差管的运行状况。

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