超臨界鍋爐汽溫變化的實(shí)驗(yàn)研究

超臨界鍋爐汽溫變化的實(shí)驗(yàn)研究

聯(lián)邦鍋爐的特點(diǎn)是，聯(lián)邦鍋爐比較復(fù)雜，更容易改變和控制聯(lián)邦鍋爐。關(guān)于超臨界鍋爐汽溫特性的專門研究資料尚未見到。本文探索了幾種采用最新引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)的600MW超臨界鍋爐的汽溫變化規(guī)律。因?yàn)樵O(shè)計(jì)技術(shù)不同,這些鍋爐采用不同的爐型結(jié)構(gòu)、受熱面布置以及調(diào)溫方式。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)定量分析了它們的汽溫特性的共性,提出了幾點(diǎn)重要的結(jié)論,并論證了結(jié)論的合理性。根據(jù)理論分析和邏輯推理,對玉環(huán)電廠1000MW超超臨界鍋爐獨(dú)特的汽溫調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了研究,得到了具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。1超標(biāo)準(zhǔn)鍋爐的蒸汽特性1.1汽溫調(diào)節(jié)方式確定超臨界鍋爐過熱器系統(tǒng)采用輻射+對流型式,以輻射為主。主汽溫調(diào)節(jié)以煤水比為主,減溫水為細(xì)調(diào)。再熱器系統(tǒng)以對流為主,當(dāng)采用煙氣擋板調(diào)溫時(shí),為純對流特性;當(dāng)采用擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫時(shí),為輻射+對流特性,但以對流為主。而玉環(huán)電廠1000MW超超臨界鍋爐的汽溫調(diào)節(jié)除了煤水比之外,也采用煙氣擋板調(diào)溫,聯(lián)合采用擺動(dòng)式燃燒器和減溫水的多種調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方式利用了擺動(dòng)式燃燒器和煙氣擋板調(diào)節(jié)特性的“互補(bǔ)”作用,可以大幅度減少過熱器系統(tǒng)的減溫水量。沿?zé)煔饬鞒痰氖軣崦鏋?分隔屏過熱器→后屏過熱器→高溫過熱器→高溫再熱器→尾部雙煙道前部為低溫再熱器和省煤器,后部為低溫過熱器和省煤器。1.2對再熱汽溫特性的探討對4種不同設(shè)計(jì)的600MW超臨界鍋爐的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:①超臨界鍋爐的過熱汽溫特性與亞臨界參數(shù)鍋爐不同。主要區(qū)別為:超臨界鍋爐過熱汽溫特性為輻射特性,且屏式過熱器和位于爐膛出口的高溫過熱器的吸熱起主導(dǎo)作用。例如,Q電廠600MW超臨界鍋爐過熱器系統(tǒng)在100%ECR時(shí)的主蒸汽溫升為123℃,其中屏式過熱器的蒸汽溫升為64℃,折焰角上部的高溫過熱器蒸汽溫升為43℃。②再熱器系統(tǒng)的汽溫特性主要表現(xiàn)為對流特性,即主要取決于調(diào)溫方式和受熱面系統(tǒng)布置,與亞臨界鍋爐類似。圖1、圖2分別給出4個(gè)電廠不同型式600MW超臨界鍋爐的主蒸汽和再熱蒸汽的每kg蒸汽吸熱量與負(fù)荷的關(guān)系。由圖1可直觀看到:采用煙氣擋板調(diào)溫的鍋爐(X、Q、B電廠)和采用擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫的鍋爐(C電廠)的過熱器系統(tǒng)具有相同的吸熱特性,即都是輻射特性,而且數(shù)值亦十分相近。假定隨負(fù)荷增加,呈對流特性的過熱器系統(tǒng)的吸熱量不減反增,則需要降低水煤比,意味著需要增加燃煤量。這顯然會導(dǎo)致系統(tǒng)吸熱的增加,致使主汽溫過度升高,從而被迫大幅度增加減溫水量,導(dǎo)致省煤器和水冷壁中工質(zhì)流量減少,中間點(diǎn)溫度升高,進(jìn)一步被迫增加減溫水量,致使鍋爐進(jìn)入惡性循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)。因此可以得出結(jié)論:超臨界鍋爐主汽溫變化主要呈輻射特性既是必然的,也是合理的。由圖2可見:不同型式的超臨界鍋爐再熱器系統(tǒng)吸熱特性基本相似,即以對流為主。但理想的汽溫特性是在較大的負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)再熱汽溫的穩(wěn)定。再熱汽溫的變化特性主要取決于調(diào)溫方式和受熱面系統(tǒng)布置。對于采用煙氣擋板調(diào)溫的鍋爐,再熱汽溫的變化特性也與煤質(zhì)有著極大的關(guān)系。2影響初始環(huán)境鍋爐的加熱性能的主要因素2.1鍋爐水煤比對主導(dǎo)地位的影響超臨界鍋爐以水煤比作為主汽溫的主要調(diào)節(jié)手段,首先是以爐膛換熱的能量平衡為基礎(chǔ),為了提高水煤比的調(diào)節(jié)效果,過熱器系統(tǒng)的吸熱特性必須是以輻射為主,即根據(jù)水煤比變化特性決定系統(tǒng)的吸熱特性。圖3是各種鍋爐水煤比的變化。圖3顯示:在低負(fù)荷時(shí),水煤比降低。這主要是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí),給水溫度較低,單位質(zhì)量工質(zhì)所需的吸熱量增加,按能量平衡關(guān)系需要增加燃料量,而高負(fù)荷時(shí)正好相反。2.2調(diào)溫電導(dǎo)劑為水調(diào)溫采用煙氣擋板調(diào)溫的鍋爐,當(dāng)負(fù)荷下降時(shí),再熱器側(cè)擋板開度增大,而過熱器側(cè)擋板開度減小,即過熱汽溫與再熱汽溫為反向調(diào)節(jié)。而采用擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫,隨燃燒器擺角向上變化,過熱汽溫與再熱汽溫為同向變化,即為同向調(diào)節(jié)?？梢?兩種調(diào)節(jié)方式聯(lián)合使用對過熱汽溫的調(diào)節(jié)可以起“互補(bǔ)”效果。雖然,這種調(diào)溫方式比較復(fù)雜,但具有獨(dú)到優(yōu)勢。圖4給出了這一調(diào)溫方式的技術(shù)優(yōu)勢分析圖解。結(jié)論:這種調(diào)溫方式可使超臨界鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)特性以及高級合金材料的利用都達(dá)到優(yōu)化狀態(tài)。600MW鍋爐的運(yùn)行表明:煙氣擋板對再熱汽溫的調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到40℃,但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢,調(diào)節(jié)動(dòng)作后一般需要10min左右才能達(dá)到目標(biāo)值。因此,必須配合噴水減溫控制汽溫,尤其是嚴(yán)格控制屏式過熱器的汽溫,避免超溫和汽溫波動(dòng)。即便是采用煙氣擋板與擺動(dòng)式燃燒器配合調(diào)溫,也必須采用少量噴水減溫作為快速響應(yīng)調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)。2.3過熱器汽溫特性變壓運(yùn)行的超臨界鍋爐一般在63%MCR負(fù)荷以下處于亞臨界壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)壓力由20MPa降低至10MPa時(shí),汽化潛熱由585kJ/kg增加到1315.8kJ/kg,飽和溫度由365.7℃降低至311.0℃。此時(shí)水冷壁中工質(zhì)溫度隨的吸熱量增加基本不變,汽溫變化特性主要取決于過熱器系統(tǒng)吸熱特性和運(yùn)行壓力。在63%MCR負(fù)荷以上進(jìn)入超臨界壓力范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),主汽溫度除了隨運(yùn)行壓力變化外,還要隨工質(zhì)熱物性和中間點(diǎn)溫度變化,而后兩者對主汽溫的影響更大。即隨壓力提高,工質(zhì)的定壓比熱降低,例如:壓力為22.5MPa的擬臨界溫度為375℃,最大定壓比熱為88.64kJ/(kg℃);壓力為30MPa的擬臨界溫度為402℃,最大定壓比熱為26.53kJ/(kg℃)。即隨運(yùn)行壓力提高,中間點(diǎn)溫度升高,定壓比熱大幅度減小;同時(shí),過熱器中蒸汽溫度已遠(yuǎn)高于比熱最大的擬臨界溫度,定壓比熱進(jìn)一步減小。圖5給出Q電廠600MW鍋爐屏式過熱器蒸汽溫度及比熱與下輻射區(qū)出口工質(zhì)溫度(接近擬臨界溫度)及比熱的比較?？梢?屏式過熱器吸熱量的少量增加都會引起蒸汽溫升的大幅度提高。2.4中間點(diǎn)溫度的控制影響中間點(diǎn)溫度的因素很多,除了水煤比以外,省煤器進(jìn)口水溫、煤質(zhì)成分和燃燒特性變化、燃燒調(diào)節(jié)、運(yùn)行壓力、省煤器和水冷壁的積灰和結(jié)渣程度、擺動(dòng)式燃燒器的調(diào)節(jié)特性、減溫水量的變化、制粉系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合特性等因素都會影響中間點(diǎn)溫度。中間點(diǎn)溫度的控制原則是保持15℃的微過熱度,以避免過熱器帶水和超前信號失效。中間點(diǎn)溫度過高,水冷壁出口管段成為過熱器,危及水冷壁的安全運(yùn)行。根據(jù)南京熱電廠超臨界鍋爐的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),中間點(diǎn)溫度每變化1℃,低負(fù)荷時(shí)對過熱汽溫的影響達(dá)10℃,高負(fù)荷時(shí)的影響大約為5℃。不同的超臨界鍋爐,這些數(shù)據(jù)的變化未必相同,但變化趨勢應(yīng)該一致。2.5u3000氣激勵(lì)鍋爐減溫水圖6給出2個(gè)電廠不同爐型的一、二級減溫水量的變化。由圖可見:2臺鍋爐雖然采用不同的調(diào)溫方式,但減溫水量的變化趨勢卻完全一致。其中采用煙氣擋板調(diào)溫的鍋爐(Q),減溫水量的變化趨勢與亞臨界鍋爐相同。但對于擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫的鍋爐(C),減溫水量的變化趨勢與亞臨界鍋爐相反,即擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫的亞臨界鍋爐在100%負(fù)荷時(shí)的減溫水量理想值應(yīng)該為0。這也說明以水煤比為主的調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定了超臨界直流鍋爐的汽溫調(diào)節(jié)特性,雖然過熱汽溫的變化也受燃燒器擺動(dòng)的影響。不過,當(dāng)減溫水量過大時(shí),中間點(diǎn)溫度和各級過熱器的汽溫均會受到不同程度的影響,從而影響汽溫特性。2.6汽水系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置煤質(zhì)變化會導(dǎo)致水煤比變化,并改變?nèi)紵r以及汽水系統(tǒng)受熱面的輻射、對流傳熱比例。這會既影響中間點(diǎn)溫度,又直接影響過熱器吸熱特性,從而影響汽溫特性。3超出鍋爐的蒸汽溫度控制3.1穩(wěn)定負(fù)荷下的汽溫控制超臨界鍋爐運(yùn)行中的汽溫控制應(yīng)首先根據(jù)煤質(zhì)特性調(diào)整水煤比,控制中間點(diǎn)溫度。3.2汽溫控制分析超臨界鍋爐啟動(dòng)過程中容易發(fā)生超溫現(xiàn)象,因?yàn)閱?dòng)過程中容易發(fā)生燃燒不完全現(xiàn)象,導(dǎo)致燃燒放熱量減少,水冷壁的輻射傳熱量減少,爐膛出口煙溫不正常升高。且此時(shí)蒸汽壓力低(一般在10MPa左右),定壓比熱小,導(dǎo)致屏式過熱器和對流受熱面中每kg工質(zhì)的吸熱量增加,出現(xiàn)主汽溫度上升過快的現(xiàn)象,從而使主汽溫度難以控制。沁北電廠600MW超臨界鍋爐啟動(dòng)初期出現(xiàn)過多次屏式過熱器和高溫過熱器超溫現(xiàn)象,尤其是在機(jī)組并網(wǎng)期間,主蒸汽壓力為7MPa左右時(shí),屏式過熱器及高溫過熱器溫度都達(dá)到560℃,影響了汽機(jī)的沖轉(zhuǎn)及鍋爐的升溫升壓。超臨界鍋爐啟動(dòng)過程中的汽溫控制比正常運(yùn)行時(shí)更為復(fù)雜,最關(guān)鍵的是要控制屏式過熱器和折焰角上部的高溫過熱器的汽溫。因?yàn)閱?dòng)期間蒸汽參數(shù)變化大而流量比較低,必須嚴(yán)格控制燃料投入速度和及時(shí)調(diào)整燃燒工況,同時(shí)需要控制啟動(dòng)系統(tǒng)的疏水量,因疏水量過大會導(dǎo)致給水量增加過快,蒸發(fā)量快速降低;同時(shí)疏水量過大會導(dǎo)致工質(zhì)熱量損失過大,促使蒸發(fā)量進(jìn)一步降低;為了維持蒸發(fā)量,被迫提高燃料投入速度,由此引起過熱器超溫。3.3分離器的溫度調(diào)整此階段為鍋爐由啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)入純直流運(yùn)行的過渡階段,處于定壓運(yùn)行。初始,分離器出口為飽和蒸汽,并未達(dá)到微過熱狀態(tài)。應(yīng)增加燃料量,提高蒸汽的過熱度。當(dāng)分離器出口的蒸汽溫度達(dá)到具有15℃的微過熱度時(shí),分離器轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓱B(tài)運(yùn)行,分離器出口工質(zhì)溫度作為調(diào)節(jié)汽溫的導(dǎo)前溫度。如果水冷壁出口工質(zhì)處于濕蒸汽區(qū)時(shí),中間點(diǎn)溫度變化不大,對水煤比調(diào)節(jié)的參考作用消失,需要控制燃料量,并注意控制屏式過熱器的蒸汽溫度,及時(shí)調(diào)節(jié)減溫水量。3.4工質(zhì)溫度對于燃燒的影響變壓運(yùn)行的超臨界鍋爐在跨越臨界壓力或在臨界壓力附近,工質(zhì)狀態(tài)和工質(zhì)物性變化最大。此時(shí)由于工質(zhì)的大比熱特性,會出現(xiàn)即使燃燒量變化較大,但水冷壁出口工質(zhì)溫度變化不大的現(xiàn)象,從而出現(xiàn)本文2.3和2.4章節(jié)的情況。因?yàn)榇藭r(shí)水冷壁下輻射區(qū)出口工質(zhì)溫度接近374.15℃,可以設(shè)定為水煤比調(diào)節(jié)的導(dǎo)前信號,并及時(shí)調(diào)節(jié)減溫水,實(shí)現(xiàn)汽溫的提前控制和精確控制。4再熱汽溫調(diào)節(jié)方式對于不同調(diào)溫方式的超臨界鍋爐,過熱器系統(tǒng)的傳熱特性主要表