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1 000 MW超超临界锅炉机组冷态启动时

2017年07月27日 11:44  本网  admin  人气:283

  玉环电厂超超临界机组冷态启动时,在低负荷阶段,4台锅炉的水冷壁都有不同程度的超温现象,报警频繁。超超临界压力下,水冷壁的材质、管路布置、管路特性和传热特点都比较特殊,超温容易造成水冷壁材质石墨化,产生蠕变,降低金属的持久强度⑴,严重威胁机组的安全运行。结合玉环电厂1000MW超超临界机组投产3a多的运行经验,全面分析了超超临界直流锅炉冷态启动时水冷壁超温的原因和特点,提出控制策略,可为具有相似问题的超超临界压力锅炉控制水冷壁金属温度提供良好的借鉴作用。

  1超温情况玉环电厂1000MW超超临界锅炉机组水冷壁结构为垂直管屏膜式水冷壁,采用改进型的内螺纹管。水冷壁管入口段设计有节流孔圈,通过2次三叉管过渡的方法与水冷壁管相连接,水冷壁材质为SA213-T12.在上下炉膛之间设计了水冷壁中间集箱,工质经2级混合后进入上炉膛。通过查询SIS(生产信息系统)的数据记录情况,统计了玉环电厂2008-10-28/2009-10-11,4台机组6次冷态启动过程中,水冷壁的超温情况,如表1所示。

  表1玉环电厂1000MW超超临界锅炉机组冷态启动时水冷壁超温情况统计机组/号曰期超温“点数量/个超温时负荷段/MW注:1)玉环电厂水冷壁金属温度测点超温报警值设定为505.由表1可知,玉环电厂超超临界压力锅炉水冷壁超温有如下特点:水冷壁超温情况基本上都发生在冷态启动过程中锅炉由湿态转为干态运行以后,负荷一般在300~400MW的变压运行初期,即亚临界直流运行初期,机组投入CCS(协调控制方式)之前。

  水冷壁超温测点位置都在前墙水冷壁中间集箱入口(炉膛标高45.5m处)。

  水冷壁超温测点在壁温超限前,一般都在340QC左右,5min内即可迅速上升100QC以上,甚至200QC并窜至505QC以上,突然性强,可预测性和可调节性相对较困难。

  2超温原因2.1煤水比失调全炉热负荷值过大或水冷壁质量流速不足,造成煤水比失调,此时汽水分离器入口过热度将迅速上升,容易造成水冷壁的大面积超温。

  2.1.1全炉热负荷值过大转千态时负荷增加较快。超超临界直流炉一般在25%BMCR(锅炉最大连续出力)负荷前为湿态运行,当转为千态运行以后,随即进入亚临界直流运行初期,三菱重工建议要快速通过湿态转千态区域。

  所以在转千态过程中以及刚刚转完千态初期,负荷增加较快,必须加大燃料量以维持主蒸汽压力和当前负荷。锅炉蒸发量的快速增加,往往导致加煤过快,全炉热负荷值过大。

  给水温度过低。启动初期,除氧器加热不充分、高压加热器投入过晚或未投入、汽水分离器通过水位控制阀向锅炉大气扩容箱排水较多导致热量回收不充分和工质流失,造成省煤器入口给水温度过低,导致水冷壁热水段的延长;此时需增加燃料量才能保证工质加热所需的焓增,造成了燃料量的过量投入。

  燃料本身的影响。玉环电厂锅炉冷态启动时,经常燃烧挥发性高的低热值印尼煤。一方面这种燃料对低负荷着火比较方便;另一方面由于低热值印尼煤收到基水分很高,容易引起炉温下降,使炉内辐射传热量下降。为了维持汽水分离器入口的过热度以保证转千态后汽水分离器水位较低,往往导致加煤过多。

  BTU(热值修正系数)的影响。机组正常运行所用的燃料一般都不是设计煤种,存在热值修正的问题,BTU投入自动以后,根据入炉煤质的发热量变化进行修正,这种修正一般比较慢,滞后性较大,再加上启动初期,炉内燃料少,炉膛温度低,往往修正不准确,导致加煤过多。

  油枪影响。启动初期,由于点火需要或稳燃需要,油枪会经常投入运行,油燃料的热值计算和油流量计算往往会有偏差,导致总燃料量计算不准,造成全炉热负荷值过大。

  锅炉蓄热影响。启动初期,炉内燃料少,炉膛温度低,锅炉有建立蓄热的过程。升温升压时,由于金属管壁的蓄热影响,燃料量增加不能马上起作用,锅炉存在热惯性,这种时滞的存在可能导致投入炉膛的燃料量过多。

  升压速度过快。冷态启动时,汽轮机热应力的限制和温度准则的满足,要求主、再热蒸汽温度不能太高,而主蒸汽压力必须满足冲转要求,维持8.5MPa以上。锅炉必须按照汽轮机的要求提供相应参数的蒸汽。冷态启动时锅炉的升温速度较快,升压速度较慢,为了缩短冷态启动的时间,可能会因为加快升压速度而导致燃料的过量投入。

  高压旁路调节阀度影响。玉环电厂锅炉设计有40%BMCR容量的高低压串联旁路,启动阶段由于高压旁路调节阀度过大,或高压旁路调节阀关得太晚,造成启动流量过大,导致入炉煤量过多。

  2.1.2水冷壁质量流速不足过热器减温水的影响。玉环电厂水冷壁质量流速的监视,主要通过省煤器入口给水流量0进行控制。冷态启动时,汽轮机热应力的限制和温度准则要求主再热蒸汽温度不能太高,必须小于380T,所以经常需要使用过热器减温水。由于过热器减温水取自省煤器出口集箱,省煤器入口给水流量二水冷壁入口给水流量+过热器减温水流量。因此在省煤器入口给水流量不变的情况下,过热器减温水过量投入必然造成水冷壁入口给水流量降低,引起水冷壁质量流速不足。

  启动阶段进行热量回收和工质回收,而BCP再循环水量的出口就是省煤器入口。因此省煤器入口给水流量给水泵提供的流量+BCP提供的再循环水量。当锅炉转为千态运行以后,BCP随即停运,且直流炉蒸发量给水泵提供的流量,若蒸发量不变,BCP停运会造成省煤器入口给水流量降低,导致水冷壁质量流速不足。

  给水温度过低。省煤器入口给水温度过低,导致水冷壁进口水的欠焓增加,水冷壁热水段增长,蒸发段缩短,水冷壁管路的总流动阻力发生变化,可能随给水流量的增加而增大,也可能在一定流量范围内下降,这就容易产生流动的多值性,导致给水流量控制稳定性变差气造成水冷壁质量流速不足。

  汽水分离器水位过高。湿态时,汽水分离器水位过高,可以减少给水泵提供的流量,增大BCP提供的再循环流量,总的省煤器入口给水流量仍可保持不变;但是当锅炉转为千态运行以后,汽水分离器水位过高,为了避免水位控制阀频繁启导致系统泄压力和避免过热器进水,只能减少省煤器入口给水流量,从而造成水冷壁质量流速不足。

  2.2水冷壁产生壁温偏差煤水比只能在宏观上判断水冷壁整体吸热状态,而不能具体反映某些管子中工质温度变化情况。

  水冷壁吸热偏差将导致流量偏差扩大,致使偏差管内工质热物理特性剧烈变化,进而产生流量偏差和传热特性恶化,使水冷壁壁温偏差增大。玉环电厂锅炉冷态启动时,水冷壁容易产生壁温偏差,如所示,图中2根曲线所代表的壁温测点都是位于45.5m处水冷壁中间集箱入口,一个为前墙242点,另一个为后墙242点,标高一样,按锅炉前后方向对称,由壁温曲线变化情况可知,前墙242点壁温产生较大偏差,短时间内急剧上升至超温,而后墙242点壁温变化比较平缓,前、后墙242点壁温偏差最高达250C.影响超超临界锅炉水冷壁壁温偏差的因素比较复杂,局部热负荷值过大引起水冷壁的吸热偏差,再加上水冷壁本身存在的流量偏差和吸热偏差引起的流量偏差,最终产生水冷壁的壁温偏差,造成某些水冷壁管金属温度急剧增大。

  玉环电厂冷态启动时水冷壁金属温度变化趋势Fig.1Trendofmetaltemperature 2.2.1局部热负荷值过大切圆偏移。玉环电厂锅炉燃烧器布置为八角反向双切圆,冷态启动过程中,低负荷时炉内燃料少,炉膛热负荷容易分配不均匀,再加上前后墙的二次风压不平衡,容易造成切圆偏移,偏离锅炉中心线,如所示,使靠近火焰中心的一侧局部热负荷值过大。

  玉环电厂锅炉火焰切圆偏移示意配风影响。玉环电厂锅炉一次风携带煤粉、二次风提供辅助风。某个角的一次风动量低,会使本角的一次风刚性降低,发生一次风偏转,导致火焰贴壁燃烧;某个角的二次风配风不合理,辅助风门开度过大导致二次风动量增加,会使对侧的一次风刚性降低,发生一次风偏转,导致火焰贴壁燃烧。火焰贴壁处局部热负荷值过大。

  水冷壁结焦。某一区域水冷壁发生结焦,会使本区域的水冷壁管内工质吸热能力下降,导致相邻不结焦区域的局部热负荷值过大。

  油煤混燃。冷态启动初期,由于点火需要或稳燃需要,油枪经常会投入运行,造成油煤混燃。油枪功率较大,容易造成邻近区域的局部热负荷值过大。

  火焰中心高度。玉环电厂锅炉燃烧器共6层,从上至下分别为F、E、D、C、B、A,对应6台磨煤机,三菱重工建议自上而下投用磨煤机组,最先投用最上层F磨,火焰中心位置较高。然而玉环电厂冷态启动时,汽轮机侧所需的主再热蒸汽温度较低(小于380C),倘若用上层磨,往往会造成主再热蒸汽温度上升很快,蒸汽参数不能满足汽轮机要求,影响冷态启动。故而冷态启动时都是用下层磨,这样就造成火焰中心下移,燃烧区水冷壁管吸热高度增加,容易造成局部热负荷值过大。

  2.2.2流量偏差主蒸汽压力偏低。冷态启动时,低负荷阶段主蒸汽压力较低,一般低于13MPa,水冷壁内汽水比容差较大。根据水动力特性,汽水比容差越大,水动力多值性越严重,管内工质流动越不稳定,容易造成水冷壁管内流量偏差。通过SIS数据统计得知,玉环电厂锅炉冷态启动时水冷壁产生壁温偏差时段的主蒸汽压力一般集中在8.5~13.0MPa.主蒸汽压力变化速度过快。玉环电厂超超临界机组转干态过程中或转干态后亚临界直流运行初期,负荷变动时,若主蒸汽压力变化速度过快,有可能使原来饱和状态的水发生汽化,使汽段流动阻力增加,蒸发开始点压力瞬时升高,进水流量小于出口流量,产生管间流量的脉动,容易造成水冷壁管内流量偏差。

  给水温度偏低。省煤器入口给水温度过低,导致水冷壁进口水的欠焓增加,水冷壁热水段增长,蒸发段缩短,水冷壁管路的总流动阻力发生变化,这就容易产生流动的多值性,管内工质流动不稳定,容易造成水冷壁管内流量偏差。

  吸热偏差影响。临界压力以下,水一旦达到饱和温度,蒸发时工质的比容急剧上升,如所示。超超临界机组冷态启动初期、转干态过程中或转干态运行以后的低负荷阶段为亚临界压力运行,水工质比容、压力、温度关系曲线冷壁管在蒸发时,工质比体积将因为吸热偏差的影响而急剧增大,偏差管中流动阻力相应变大,工质流量明显低于平均值;而且随着压力的降低,汽水密度差增大,重位压头的作用削减,吸热偏差导致流量偏差的程度更大些。总之,由于炉内局部热负荷值过大,造成水冷壁管吸热偏差,热强度越大的管子流量越小,容易造成水冷壁管内流量偏差。

  3控制策略通过煤水比控制过热度。煤水比失调严重,汽水分离器入口过热度必将快速上升,造成水冷壁大面积超温。玉环电厂锅炉冷态启动时,煤水比如果在67时,过热度就会较快上升,按照SIS数据的统计结果来看,冷态启动初期一旦过热度大于5.(:,水冷壁即有超温的危险。所以冷态启动初期,主蒸汽压力达到13.0MPa之前,必须将煤水比控制在8左右,过热度控制在5 C以下。煤水比控制的理想手段是:先稳定给水流量,然后手动调节燃料量,因为在燃煤时,煤量热值不易准确控制,需要微调;最后再通过蒸发量需求和汽水分离器水位状况闭环修正给水流量。

  合理分配一次风流量和二次风流量。加强一次风流量,提高一次风粉的刚度,根据控制总风量的原则,减少相应的二次风流量,避免冲击对面的一次风粉,减少贴壁燃烧的可能。根据玉环电厂锅炉冷态启动时前墙水冷壁容易产生壁温偏差,造成前墙水冷壁管超温的特点,大前墙燃烧器区域的辅助风挡板,关小后墙燃烧器区域的辅助风挡板,将火焰切圆的中心向后墙方向移动,改善前墙局部热负荷值过大的现象,减少吸热偏差和壁温偏差。

  抬高火焰中心。玉环电厂燃烧器摆角可以上、下方向进行调节,改变火焰中心高度,将燃烧器摆角向上进行摆动,以改变辐射热量和对流热量的相对比值,减少水冷壁区域的辐射热负荷强度。根据冷态启动的进行程度,倘若汽轮机暖机充分,可以提高主、再热蒸汽温度时,将下层磨煤机组切换为上层磨煤机组运行,以抬高火焰中心,减少水冷壁区域的辐射热负荷强度。

  转千态前尽量提高主蒸汽压力。主蒸汽压力越低,汽水比容差越大,水冷壁不同管内越易产生流量偏差。在转千态前的低负荷阶段,即200MW负荷以前,尽早把主蒸汽压力提高至13.0MPa以上,这样有利于控制流量偏差,从而减轻水冷壁的壁温偏差。建议在机组并网后,100MW负荷以前,即可将高低压旁路全关,以利于提高主蒸汽压力。

  提高给水温度。加强除氧器加热,及时投入低压加热器,保证除氧器水温大于1051;尽早投入高压加热器,提高给水温度。

  减少汽水分离器的排水。控制好省煤器入口给水流量和汽水分离器水位,找到给水泵提供的给水量和锅炉蒸发量的平衡点,尽量减少汽水分离器的排水,这样可减少热量损失和工质损失,对提高省煤器入口给水温度也大有好处。

  控制冷态启动的速度。冷态启动初期,炉内热负荷呈不均匀分布,必须控制好升温升压速度,缓慢增加燃料量,避免燃烧工况和水力工况产生较大的扰动。最好能在转千态前的低负荷阶段停留较长时间进行暖机,这样有利于稳定燃烧,提高主蒸汽压力。低负荷阶段控制好过热汽温,尽量少用过热器减温水;负荷变动和燃烧调整要缓慢,避免主蒸汽压力变化速度过快引起给水扰动。

  负荷阶段能够有效地减少水冷壁的流量偏差和吸热偏差,从而消除水冷壁的壁温偏差,避免水冷壁金属温度超限。

  4结语000MW超超临界锅炉冷态启动时水冷壁金属温度超限的因素较多,从超温情况来看,煤水比失调容易造成水冷壁的大面积超温,影响范围比较大。而由玉环电厂锅炉多次冷态启动的曲线记录和超温部位分析得知,其水冷壁的超温大多是由于局部热负荷值过大、流量偏差和吸热偏差所导致的壁温偏差,壁温偏差的扩大造成了某些水冷壁管金属温度急剧增大,引起超温甚至爆管。文中根据玉环电厂3a多的运行经验,具体探讨了1000MW超超临界锅炉冷态启动时水冷壁超温的原因和应对的措施,为国内1000MW级的超超临界机组提供借鉴。

(完)

 
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