超臨界直流鍋爐主汽溫控制策略研究

超臨界直流鍋爐主汽溫控制策略研究

0鍋爐結(jié)構(gòu)及蒸汽溫度dg1900。25.4-1號(hào)采用東鍋爐（集團(tuán)）生產(chǎn)的dg1900。25.4-1號(hào)臨界參數(shù)，采用真空鍋爐，一次加熱，單管道，雙軒列，形狀臺(tái)氣板，再熱蒸汽加熱，固體排渣，全鋼框架，懸臂結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)和配置，前、地下墻對(duì)面的燃燒。每臺(tái)爐共配有24個(gè)日立-巴布科克公司(BHK)生產(chǎn)的HT-NR3型旋流煤粉燃燒器,與之配套的是6臺(tái)上海重型機(jī)器廠有限公司生產(chǎn)的BBD4060雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)。設(shè)計(jì)燃用山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限公司貧煤。采用帶疏水?dāng)U容器的啟動(dòng)系統(tǒng),由于沒有循環(huán)泵,汽水分離器分離出來的飽和水?dāng)y帶的熱量沒有在鍋爐內(nèi)部循環(huán),而是進(jìn)入了凝汽器,致水冷壁的吸熱量部分損失。為了提高蒸發(fā)量,只有增加燃料量,故該爐型的蒸汽溫度容易超溫,特別是在初期啟動(dòng)過程中。因此必須了解清楚機(jī)組各個(gè)運(yùn)行階段影響主汽溫度的因素,防止因主汽溫度的波動(dòng)而影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。1影響主汽溫度的主要因素是主汽溫度的主要因素1.1輻射為主的水煤比變化超臨界鍋爐以水煤比作為過熱蒸汽溫度的主要調(diào)節(jié)手段,在超臨界壓力下運(yùn)行時(shí),貯水箱將垂直水冷壁與過熱器系統(tǒng)連為一體,垂直水冷壁實(shí)際上相當(dāng)于過熱器,給水吸收的熱量首先就反應(yīng)在過熱汽溫的變化,而不象汽包爐首先反應(yīng)在汽壓的變化,且爐膛內(nèi)的傳熱主要以輻射為主,這就決定了過熱器系統(tǒng)的吸熱是以輻射為主,水煤比的變化直接影響著過熱器系統(tǒng)的吸熱。圖1是該電廠在燃料量穩(wěn)定的情況下鍋爐給水量和主汽溫度的變化趨勢(shì),從圖中可以明顯看出給水量的變化趨勢(shì)與主汽溫度的變化趨勢(shì)是相反的且響應(yīng)非?？?二者的變化趨勢(shì)幾乎是同步的。1.2中間點(diǎn)溫度的影響超臨界直流鍋爐正常運(yùn)行時(shí),垂直水冷壁出口蒸汽溫度處于微過熱狀態(tài),該點(diǎn)是反映燃料和給水關(guān)系變化最靈敏的地方,一般稱之為中間點(diǎn)溫度。該電廠運(yùn)行情況表明(圖2),高負(fù)荷600MW時(shí),在給水總量和減溫水量保持穩(wěn)定的情況下,中間點(diǎn)溫度每升高1℃,過熱汽溫就升高3～6℃。低負(fù)荷時(shí)變化更明顯,據(jù)相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明低負(fù)荷時(shí)中間點(diǎn)溫度每升高1℃,過熱汽溫就升高10℃。因此對(duì)中間點(diǎn)溫度的控制就顯得非常重要。影響中間點(diǎn)溫度最主要的是水煤比,水煤比的變化會(huì)直接影響水冷壁中汽水兩相分離的界面,從而導(dǎo)致中間點(diǎn)溫度的升高和降低。除此以外,影響中間點(diǎn)溫度的還有給水溫度、煤質(zhì)變化、燃燒調(diào)節(jié)運(yùn)行壓力,受熱面積灰積渣程度,減溫水量等。1.3水冷壁、屏過超溫?zé)o論是在亞臨界鍋爐還是超臨界鍋爐,減溫水調(diào)節(jié)汽溫都有快速響應(yīng)的特點(diǎn),但與亞臨界鍋爐不同的是減溫水只是作為超臨界鍋爐汽溫的微調(diào),因?yàn)楫?dāng)減溫水量增大時(shí),超臨界鍋爐減溫水噴水點(diǎn)前的受熱面,特別是水冷壁中的工質(zhì)流量必然減少,使其水冷壁中的工質(zhì)溫度升高,其結(jié)果不僅加大了汽溫調(diào)節(jié)幅度,而且可能導(dǎo)致水冷壁或屏過超溫。圖3是該電廠600MW超臨界鍋爐在穩(wěn)定負(fù)荷和給水工況下,減溫水量與過熱度的關(guān)系圖:從圖3可看出,在給水總量不變的情況下,當(dāng)減溫水量逐漸增加時(shí),過熱度提高,表明進(jìn)入水冷壁中的水量減少,這也反應(yīng)了中間點(diǎn)溫度的設(shè)置是調(diào)節(jié)進(jìn)入水冷壁給水量和減溫水量的分配。1.4調(diào)節(jié)煙氣主體開度及減水溫目前超臨界鍋爐主要有四角切圓和對(duì)沖燃燒2種燃燒方式,前者的再熱汽溫調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)燃燒器擺角配合減溫水,而后者主要通過調(diào)節(jié)煙氣擋板開度及減溫水。煙氣擋板主要通過調(diào)節(jié)尾部豎井低溫再熱器和低溫過熱器的煙氣量來調(diào)節(jié)再熱汽溫和過熱汽溫,但在超臨界鍋爐中,由于過熱蒸汽溫度主要受輻射傳熱的影響比較大,而煙氣主要是對(duì)流傳熱,所以通過調(diào)整煙氣擋板對(duì)再熱汽溫的影響要大于過熱汽溫,同時(shí)通過煙氣擋板調(diào)節(jié)過熱汽溫響應(yīng)速度慢,通常需配合減溫水同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.5發(fā)熱量對(duì)爐稈維護(hù)煤質(zhì)的變化主要表現(xiàn)為煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、水分、灰分和含硫量等的變化,會(huì)影響爐膛內(nèi)輻射傳熱的變化,進(jìn)而影響水煤比、中間點(diǎn)溫度等的變化,從而導(dǎo)致整個(gè)鍋爐系統(tǒng)熱量分布的改變。發(fā)熱量的增加會(huì)使?fàn)t膛溫度水平提高,爐內(nèi)輻射換熱量增加,進(jìn)而使水冷壁內(nèi)工質(zhì)吸熱量增加,反之亦然;揮發(fā)分的提高會(huì)使煤粉著火提前,火焰中心下移,在發(fā)熱量不變的前提下增加爐膛輻射換熱量;水分的變化會(huì)影響爐膛溫度水平,進(jìn)而影響水冷壁內(nèi)工質(zhì)的吸熱量;灰分的提高一方面會(huì)提高爐內(nèi)固體顆粒的份額,增強(qiáng)輻射能力,另一方面灰分的提高意味著發(fā)熱量的降低,又會(huì)影響輻射換熱量,同時(shí)使得爐內(nèi)積灰增多,爐膛出口煙溫升高,主汽溫度升高,同時(shí)導(dǎo)致燃燒效率下降。2不同運(yùn)營(yíng)階段的溫度調(diào)整2.1低負(fù)荷時(shí)爐稈的熱性能超臨界鍋爐從啟動(dòng)至額定負(fù)荷運(yùn)行,鍋爐運(yùn)行壓力從高壓、超高壓、亞臨界壓力逐漸增加到超臨界壓力,水冷壁的工質(zhì)由雙相流體轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗔黧w,工質(zhì)溫度也發(fā)生很大變化。在啟動(dòng)過程中和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),由于壓力較小,導(dǎo)致汽、水密度差較大,易產(chǎn)生過大的熱偏差和流動(dòng)不穩(wěn)定,同時(shí)由于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐膛溫度偏低,容易導(dǎo)致燃燒不完全,致使燃燒放熱量相對(duì)減少,爐膛輻射傳熱降低,水冷壁吸熱量相對(duì)減少,產(chǎn)生的蒸汽量減少,而此時(shí)燃燒不完全又導(dǎo)致了爐膛出口煙溫升高,在過熱蒸汽壓力偏低的情況下,定壓比熱容較小,非常容易發(fā)生屏過和高過超溫的現(xiàn)象。此時(shí)有2個(gè)過程需特別注意:2.1.1降低汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的水冷壁內(nèi)蒸汽量的措施汽機(jī)沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)的過程中,對(duì)蒸汽量需求的突然增大,導(dǎo)致汽壓的下降和汽溫的升高,為保證沖轉(zhuǎn)過程中汽溫汽壓的穩(wěn)定,需要及時(shí)調(diào)整風(fēng)量、燃料量和給水量,如果調(diào)節(jié)不當(dāng),很容易造成汽溫的快速升高,此時(shí)汽溫升高的根本原因是由于產(chǎn)生的蒸汽量低,使受熱面得不到有效冷卻,一般情況下投退油槍是最有效的方法,但如果燃料量不夠會(huì)使產(chǎn)生的蒸汽量滿足不了汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的要求,因此需在以下幾個(gè)方面綜合考慮:a.根據(jù)沖轉(zhuǎn)所需蒸汽流量,保證適當(dāng)?shù)慕o水量,過高或過低都會(huì)導(dǎo)致水冷壁內(nèi)蒸汽量的降低。b.根據(jù)給水量,投入適當(dāng)?shù)娜剂?并使?fàn)t膛內(nèi)燃料分布均勻,使水冷壁吸熱均勻,降低火焰中心;c.減小啟動(dòng)系統(tǒng)疏水量(疏水量的增大會(huì)使給水增加過快,從而降低蒸發(fā)量),可以降低水冷壁內(nèi)工質(zhì)熱損失,防止蒸發(fā)量進(jìn)一步降低;d.通過除氧器加熱盡量提高給水溫度,增強(qiáng)水冷壁內(nèi)產(chǎn)汽能力;e.保持合理的風(fēng)燃比,提高燃盡風(fēng)量,降低火焰中心;f.沖轉(zhuǎn)前適當(dāng)逐步開啟高壓路旁,在穩(wěn)定汽壓的前提下提高給水和過熱蒸汽的差壓,以便于減溫水的調(diào)節(jié)。2.1.2煤水比逐步提高,及時(shí)控制好煤投入煤粉后負(fù)荷會(huì)升得很快,貯水罐水位波動(dòng)很大,汽溫汽壓會(huì)快速上升,很難控制。此時(shí)最重要的是要控制好給煤量和一次風(fēng)量,緩慢開大容量風(fēng),避免進(jìn)入爐膛的煤粉過多,隨著爐膛溫度的升高而逐漸加大給煤量。同時(shí)與汽機(jī)側(cè)協(xié)調(diào)控制好升負(fù)荷速度,及時(shí)控制給水,保證水煤比的穩(wěn)定,必要時(shí)退掉油槍(尤其是上層油槍),根據(jù)溫升趨勢(shì)及時(shí)投入減溫水控制汽溫,防止超溫。這個(gè)過程中可以適當(dāng)保持稍大的過?？諝庀禂?shù),因?yàn)楫?dāng)過?？諝庀禂?shù)增大時(shí),除排煙損失增加、鍋爐效率降低外,爐膛水冷壁吸熱減少,造成過熱器進(jìn)口溫度降低、屏式過熱器出口溫度降低;雖然對(duì)流過熱器吸熱量有所增加,但在煤水比不變的情況下,末級(jí)過熱器出口汽溫會(huì)有所下降。過?？諝庀禂?shù)減小時(shí)的結(jié)果與增加時(shí)的相反。若要保持過熱汽溫不變,則需重新調(diào)整煤水比。2.2干態(tài)—直流運(yùn)行轉(zhuǎn)化階段在啟動(dòng)過程中,燃料量逐漸增大,分離器由濕態(tài)轉(zhuǎn)向干態(tài)運(yùn)行。初始階段,分離器出口為飽和蒸汽,當(dāng)爐內(nèi)燃料量增加時(shí),蒸汽逐漸達(dá)到微過熱狀態(tài),此時(shí)由于水冷壁出口仍處于濕蒸汽區(qū),熱量的吸收主要被用于將濕蒸汽轉(zhuǎn)化為飽和及過熱蒸汽,中間點(diǎn)溫度變化不大,對(duì)水煤比調(diào)節(jié)的參考作用消失,隨著鍋爐轉(zhuǎn)為純直流運(yùn)行狀態(tài),由于過熱蒸汽的比熱小于汽水混合物,蒸汽溫度將快速升高。同時(shí),在燃料量增加的初始階段,由于燃燒不完全,爐膛出口煙溫會(huì)增加,導(dǎo)致的爐膛溫度降低使得輻射傳熱能力下降,這意味著屏過單位重量的蒸汽相對(duì)吸熱量減少了,而此時(shí)通過屏過的蒸汽量是增加的。隨著燃燒的加強(qiáng),當(dāng)分離器干態(tài)運(yùn)行后,其汽溫變化隨負(fù)荷(燃料量)的增加而增加。因此在濕態(tài)—干態(tài)轉(zhuǎn)換的短時(shí)間內(nèi),也會(huì)造成過熱汽溫的快速上升。因此,此過程中應(yīng)降低過熱度設(shè)定值,緩慢增加燃料量,及時(shí)增加減溫水,避免過熱汽溫出現(xiàn)快速的嚴(yán)重超溫現(xiàn)象。2.3蒸汽壓力隨工質(zhì)、比熱容變化情況,主要有蒸發(fā)超臨界鍋爐在跨越臨界點(diǎn)壓力過程中,工質(zhì)狀態(tài)和工質(zhì)物性會(huì)發(fā)生劇烈的變化。計(jì)算結(jié)果表明(圖4),在臨界點(diǎn)溫度值下,蒸汽壓力從21MPa到23MPa過程中,過熱蒸汽的定壓比熱容從非常小變化到非常大,又從非常大變化到非常小,變化幅度在幾百倍,甚至上千倍。蒸汽壓力為21MPa時(shí),過熱蒸汽的定壓比熱容為21.8323kJ/kgK,而到了臨界點(diǎn)壓力22.15MPa時(shí),驟升到1217.08kJ/kgK,蒸汽壓力達(dá)到23MPa時(shí),為3.4163kJ/kgK。跨越臨界點(diǎn)時(shí)由于工質(zhì)的比熱容非常大,即使燃料量大幅變化,分離器出口溫度也不會(huì)發(fā)生較大變化。理論上,跨越臨界點(diǎn)后由于比熱容突然變小,過熱汽溫會(huì)快速上升,但實(shí)際運(yùn)行中,由于鍋爐蓄熱能力強(qiáng),汽溫上升并不是很大,只要將過熱度設(shè)定值比正常運(yùn)行稍低一些,提前調(diào)節(jié)減溫水,實(shí)現(xiàn)汽溫的提前控制,就可平穩(wěn)度過臨界點(diǎn)。2.4機(jī)組的操作對(duì)象在超臨界壓力和高負(fù)荷下,單相介質(zhì)的傳熱系數(shù)比亞臨界兩相流體的傳熱系數(shù)低,流體和水冷壁的溫度高,可能產(chǎn)生超溫現(xiàn)象。此時(shí)機(jī)組的操作只能進(jìn)行小幅的微調(diào),不能進(jìn)行大幅的操作,以避免產(chǎn)生參數(shù)的劇烈波動(dòng)。同時(shí)根據(jù)煤質(zhì)的變化及時(shí)調(diào)整給水及燃燒配風(fēng)。2.5異常情況下的低溫調(diào)整2.5.1減水溫減水處理給水泵突然跳閘,會(huì)使鍋爐各受熱面工質(zhì)溫度迅速上升;減溫水流量自動(dòng)增大;此時(shí)應(yīng)立即減負(fù)荷至對(duì)應(yīng)給水流量下的負(fù)荷(一般30t水對(duì)應(yīng)10MW負(fù)荷),減少燃料量,保持合理的水煤比,使給水量大于蒸汽量100t左右,維持汽溫正常,同時(shí)將減溫水切為手動(dòng)調(diào)節(jié)。2.5.2水煤比的影響磨煤機(jī)跳閘會(huì)導(dǎo)致燃料量的突然減少,各受熱面溫度下降,應(yīng)立即根據(jù)蒸汽量的減少來減小給水量,同時(shí)提高其它磨煤機(jī)出力,維持穩(wěn)定的水煤比。一般情況下優(yōu)先調(diào)節(jié)下層磨煤機(jī)出力,防止火焰中心的提高,引起過熱蒸汽超溫。2.5.3熱段縮短,再熱汽溫下降高加投退會(huì)使鍋爐給水溫度升高或降低,特別是高加退出時(shí)若保持煤水比不變,鍋爐的加熱會(huì)延長(zhǎng),過熱段會(huì)縮短,過熱汽溫會(huì)降低。再熱汽溫由于進(jìn)口溫度的下降而下降。若要保持過熱汽溫不變,則必須增加煤量。而此時(shí)的中間