超超临界二次再热机组省煤器汽化特性分析

杨 振，陈有福，陶 谦，王 朋

(江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

超超临界二次再热技术是当前世界上最先进的高效燃煤发电技术，也是提高火电机组热效率的有效途径[1-3]，在“十三五”规划中，更是将二次再热发电机组作为重点研究开发项目[4]。由于增加了一级再热器，二次再热机组在设计参数、受热面布置、吸热量分配以及再热汽温调节等方面具有不同的特点[5-6]。

省煤器作为二次再热锅炉的辅助受热面，可以有效降低排烟温度，提高锅炉效率，节约燃料耗量。目前，针对省煤器汽化的原因以及如何避免省煤器发生汽化现象，郭海军、刘勇、卢友等人[7-11]进行了很多研究，但是上述对省煤器汽化问题的研究，大多围绕亚临界汽包锅炉进行，而关于超超临界二次再热机组省煤器汽化问题的研究还鲜有报道。王林[12]等人对二次再热塔式炉启动初期省煤器出口汽化问题进行了综合分析，并提出了相关调控措施，取得了较好的效果，但是该研究仍以定性分析为主。本文结合超超临界二次再热机组降压冲管过程，通过试验定量分析省煤器出口汽化特性，相关结论对后续二次再热机组省煤器汽化问题的研究具有一定的参考价值。

1 汽化原因分析

相比于超超临界一次再热锅炉，二次再热锅炉的设计不是简单地增加了二次再热器受热面，而是整体考虑各受热面吸热比例、热偏差的控制、受热面出口汽温保证措施等一系列问题[13]。表1所示为典型二次再热与一次再热机组BMCR工况的设计参数对比。可以看出，由于增加了一级再热器，超超临界二次再热锅炉的额定给水流量相对偏低。另一方面，为了降低汽机热耗，二次再热机组给水温度普遍有所提高。这两方面原因导致二次再热锅炉省煤器出口工质温度升高，欠焓急剧减少。机组正常运行时，各负荷下二次再热锅炉省煤器出口工质可维持少量欠焓，但是当锅炉启停、快速变负荷或者甩负荷时，省煤器内工质流量、压力迅速变化，而锅炉受热面存在一定的热惯性，因此极易导致二次再热锅炉省煤器出口工质汽化，严重威胁水冷壁的动力安全。

表1 二次再热与一次再热机组设计参数比较(BMCR)

2 试验方法

超超临界机组普遍采用非沸腾式省煤器，在机组正常运行时，省煤器内工质在受热过程中不发生相变，因此，研究省煤器汽化前出口工质温度变化特性，可以把省煤器简化成单相受热管。根据王泽宁等人[14-16]提出的单相受热管集中参数简化模型可知，省煤器出口工质温度受炉膛热量、工质流量和省煤器出口压力影响。本文结合某超超临界二次再热机组降压冲管过程研究了省煤器出口的汽化特性，降压冲管系统如图1所示。

图1 试验系统图

试验过程中，炉膛热量随锅炉给煤量变化，工质流量随高加出口流量变化，由于试验期间机组维持湿态运行，故省煤器出口压力随启动贮水箱压力同步变化，两者相差水冷壁内工质的静压，下文中不做特别说明，启动贮水箱的压力变化等同于省煤器出口压力的变化，而启动贮水箱压力可通过临冲门开度进行调节。因此，试验方法可类比降压冲管的过程，通过改变给煤量、高加出口给水流量和启动贮水箱压力三个参数，研究省煤器出口工质过冷度的变化特性。

试验期间，维持一台磨煤机运行，通过给煤量控制炉膛总热量。当分离器压力升至7.0 MPa左右时，开启临冲门，控制启动贮水箱压力，同时提高汽泵转速提高给水流量。当启动贮水箱压力降至5.7 MPa左右时，关闭临冲门。待临冲门全关，贮水箱水位回升后，再降低给水流量。试验期间，利用机组配套的DCS数据采集系统记录相关参数，其中，省煤器出口工质过冷度为省煤器出口工质压力所对应的饱和温度与省煤器出口工质温度之间的差值，过冷度越大，省煤器出口越不易汽化。因此，可以通过省煤器出口过冷度的变化规律研究省煤器出口汽化特性。

3 试验结果及分析

3.1 摸底试验结果

在二次再热机组降压冲管过程中，机组各运行参数扰动较大，这极大提高了研究过程的控制难度。为此，本文先保持给煤量47 t/h不变，通过摸底试验，寻找相关参数的控制节奏，同时初探省煤器出口工质过冷度的变化规律。如图2所示，过程1中给煤量不变，临冲门关闭，停止锅炉补水，过程2中给煤量不变，开启临冲门，同时进行锅炉补水，如此循环重复。可以看出，当给煤量维持不变时，控制好高加出口给水流量和临冲门开启时间，可以很好地控制省煤器出口过冷度的变化节奏。

进一步分析试验结果，在过程1中，由于炉膛持续释放蓄热，省煤器出口温度和启动贮水箱压力同时上升。一方面，省煤器出口温度由209 ℃上升251 ℃，导致过冷度下降了42 ℃，另一方面，启动贮水箱压力5.7 MPa上升到6.9 MPa，对应的饱和温度随之提高，这又导致过冷度上升，两方面共同作用，导致省煤器出口过冷度下降了35 ℃左右。由定量计算可知，过程1中省煤器出口温度对过冷度的影响更大。

过程2中开启临冲门，启动贮水箱压力迅速由6.9 MPa下降到5.6 MPa，这将导致省煤器过冷度下降，同时，之前一波锅炉补水到达省煤器出口，使得省煤器出口工质温度迅速下降41 ℃，这又导致省煤器过冷度上升。两方面共同作用导致省煤器出口过冷度上升了33 ℃左右，由定量计算结果可知，过程2也是省煤器出口工质温度对过冷度的影响更大。

摸底试验结果表明，省煤器出口过冷度受炉膛热量、省煤器进水量以及省煤器出口压力三个参数影响，这与单相受热管集中参数简化模型预测结果一致。当炉膛持续释放热量时，如果不及时进行锅炉补水，省煤器出口过冷度会逐渐下降，极易发生汽化现象，这也是二次再热锅炉热态启动或者甩负荷期间，由于不能及时补水极易导致省煤器汽化的原因。当给煤量不变时，相比于省煤器出口压力，省煤器过冷度受出口工质温度的影响更大。此外，由图1还可以看出，当上一波锅炉补水结束后，约7.5 min后省煤器出口温度才开始下降，滞后性相对较大。

图2 摸底工况试验结果

3.2 汽化特性试验结果

在摸底试验的基础上，进一步增加给煤量扰动，试验结果如图3所示。

过程3中先维持给煤量40 t/h不变，省煤器出口温度变化不大，但是随着出口压力的上升，省煤器过冷度缓慢上升。当上一波锅炉补水到达省煤器出口时，出口工质温度迅速由264 ℃下降到224 ℃，导致省煤器出口过冷度也迅速由22 ℃增加至63 ℃。过程4微开临冲门，维持启动贮水箱压力7.0 MPa不变，增加给煤量至55 t/h，发现省煤器出口温度很快开始上升，省煤器出口过冷度也随之快速下降。过程5降低给煤量至初始值，省煤器出口工质温度上升趋势得以控制。此时关闭临冲门，启动贮水箱压力迅速上升至8.1 MPa，但是由于炉膛蓄热的影响，省煤器出口工质温度仍然缓慢上升，两方面共同作用导致省煤器出口过冷度变化不大。过程6中给煤量几乎不变，省煤器出口温度略有上升，在此期间，省煤器出口过冷度随着贮水箱压力的变化而改变。过程7中，由于长时间未进行锅炉补水，而炉膛蓄热达到一定程度，省煤器出口工质温度开始快速上升，此时打开临冲门，启动贮水箱压力下降，可以看到，虽然此时以1 000 t/h左右的给水流量进行补水，但是由于锅炉补水存在较大的延迟性，直至2 min后省煤器汽化，省煤器出口温度仍没有下降趋势。该过程也解释了锅炉MFT后，如果不及时上水，仅开启省煤器排气阀，反而会加速省煤器汽化的原因。

图3 省煤器汽化特性试验结果

由过冷度的定义可知，省煤器出口过冷度取决于出口工质的温度和压力。本文省煤器出口汽化特性研究结果表明，锅炉补水可有效降低省煤器的出口温度，但是锅炉补水具有一定的延迟性。给煤量的增加可明显提高省煤器出口温度，且延迟性相对较小，不利于降低省煤器出口过冷度。当省煤器出口温度变化不大时，省煤器出口压力对过冷度有直接的影响。但是当炉膛积累一定的蓄热导致省煤器出口温度上升，此时一旦对省煤器出口进行泄压，极易造成省煤器汽化。

4 防止省煤器汽化的有效措施

通过试验发现，省煤器出口汽化特性主要受锅炉补水、炉膛热量和省煤器出口压力三个因素影响，因此可以从这三个角度，采取相应的措施防止超超临界二次再热机组省煤器出口发生汽化。

4.1 控制锅炉补水

锅炉补水对省煤器出口汽化特性的影响主要体现在给水流量、给水温度和补水时间三个方面。二次再热机组包含高中低压三级旁路，在启动初期，锅炉蒸发容量较小，省煤器内工质流速较慢，为了增加给水流量，宜将中压旁路和低压旁路尽量全开，高压旁路也随机组负荷增加逐渐开大至30%～50%左右；此外，还应适当缓投甚至停用部分高压加热器，降低给水温度；机组热态启动时，应把握好锅炉上水时间，在壁温下降速率可控的前提下，尽早建立炉水循环，防止省煤器长时间未补水而又持续吸收炉膛蓄热，造成省煤器出口汽化。

4.2 控制炉膛热量

控制省煤器吸收的炉膛热量，主要有减小给煤量、降低火焰中心、调整流经省煤器的烟气流量等方法。在机组启动初期，应通过磨煤机的调整降低其最小出力，在升温升压阶段密切监视省煤器出口过冷度，控制给煤量的增加速率；在不影响燃烧稳定性的情况下，可适当下摆燃烧器，降低炉膛火焰中心；对于设有煤器旁路烟道的机组[17]，还可通过调节旁路烟气量控制省煤器的吸热量。

4.3 控制省煤器出口压力

对于超超临界二次再热锅炉，WDC阀开度和省煤器排汽阀对省煤器出口压力有直接的影响。在锅炉上水初期，必须通过省煤器排汽阀排尽管束内积存的空气，如果省煤器发生汽化后，也应通过排汽阀及时排尽产生的蒸汽，防止管路形成“气塞”，补水阻力增大，进一步恶化省煤器汽化现象。在升温升压过程中，需维持启动贮水箱水位稳定，防止水位波动造成WDC阀动作频繁，造成省煤器出口压力的大幅波动。此外，在省煤器出口过冷度较低时，应尽量避免开大WDC阀和省煤器排汽阀，否则极易加速省煤器汽化。

5 结论

在已投产的火力发电机组中，二次再热机组所占比重正逐年增加，但是关于超超临界二次再热机组的设计和运行经验还相对较少。由于设计参数及运行特点的变化，二次再热机组更易出现省煤器出口汽化现象，而对此问题的试验研究还鲜有报道。本文结合某二次再热机组降压冲管过程，定量研究了省煤器出口汽化特性，以期对二次再热机组的设计与运行提供一定的参考。本文结论如下：

(1)省煤器出口汽化特性主要受锅炉补水、炉膛放热和省煤器出口压力三个因素影响。锅炉补水量及补水温度直接影响省煤器出口工质温度，但是具有较大的延迟性；给煤量对炉膛放热有所影响，其滞后性相对较小；省煤器出口压力直接影响对应的饱和温度，没有滞后性，但是相对锅炉补水，其影响作用较小。

(2)当炉膛持续释放蓄热又不能及时进行锅炉补水时，极易造成省煤器出口汽化；当省煤器出口过冷度持续下降至欠焓较低时，一旦开大WDC阀或者省煤器排汽阀，将加速省煤器出口汽化趋势。

(3)防止超超临界二次再热机组省煤器出口汽化，应从控制锅炉补水、控制炉膛热量和控制省煤器出口压力三个方面采取措施。其中控制锅炉补水包括给水量、给水温度和上水时间，控制炉膛热量包括给煤量、火焰中心和流经省煤器的烟气量，控制省煤器出口压力包括WDC阀开度、省煤器排汽阀以及维持省煤器出口压力稳定。