（动力工程及工程热物理专业论文）600mw机组锅炉热偏差的分析研究和对策.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 题名：6 0 0 1 v l w 机组锅炉热偏差的分析研究和对策 姓名：方晓东 学号：0 5 8 0 4 7 导师：傅行军、张伟康 正文： 随着电力工业的发展，火力发电机组的装机容量日益增大，6 0 0 m w 机组已成为电网中的主力机 组，这部分机组运行质量的优劣对整个电网运行的可靠性、经济性有着非常重要的影响。过热器和 再热器作为锅炉机组重要的承压部件，其可靠运行无疑对整个机组的安全运行有着非常重要的意义。 随着机组容量的增大，锅炉过热器、再热器因热偏差引起的超温爆管事故频频发生，严重影响了发 电厂的安全、经济运行。 鉴于上述原因，关于热偏差的成因及热偏差、壁温计算方法的研究就具有非常重要的实际意义。 但多数人员对热偏差成因的研究多侧重于某一方面，很少对热偏差的成因进行全面、系统的理论分 析；因此，论文对锅炉热偏差的形成原因从蒸汽侧和烟气侧两方面进行了系统而全面的的综合分析， 并提出了适合于大容量机组热偏差计算模型和壁温计算模型，采取适于工程应用的计算方法，以实 现准确地反映管子壁温分布情况。同时，依据热偏差的成因提出相应的减小措施或预防对策。 论文以平圩电厂群l 、拌2 炉为例，在对锅炉的布置及系统详细研究基础上，对引起热偏差的主要 因素进行了分析。最后在热偏差试验的基础上，对试验结果进行了深入研究，并进行了更进一步的 针对性热偏差原因分析，提出改造措施并对改造后的效果进行分析。其对于过热系统受热面的优化 设计、事故分析提供了一定的参考价值和实际指导意义。 关键词：锅炉；过热器；再热器：热偏差；壁温；超温爆管 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：t h ea n a l y s i sa n dc o u n t e r m e a s u r ef o rt h eh e a td e v i a t i o no f6 0 0 m ws u b - c r i t i c a lc o n t r o l l e dc i r c u l a t i n g b o i l e r n a m e ：f a n g x i a o d o n g s t u d e n tn u m b e r ：0 5 8 0 4 7 s u p e r v i s o r ：f ux i n g - j u n ；z h a n gw 色i - k a n g t e x t ： w t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a l i n d u s t r y , t h e i n s t a l l e dc a p a c i t yo ft h et h e r m a lp o w e r g e n e r a t i n gu n i ti sa u g m e n t i n gi n c r e a s i n g l y 1 1 1 eg e n e r a t i n gu n i t so f6 0 0 m wh a v eb e e nt h em a i no n e si nt h e p o w e rn e t w o r k w h e t h e rt h e s eg e n e r a t i n gu n i t s 7 o p e r a t i o ni ss u p e r i o ro rn o tw i l lh a v eag r e a ti n f l u e n c eo n t h ed e p e n d a b i l i t ya n de f f i c i e n tp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rn e t w o r ko p e r a t i o n 1 h er e l i a b l eo p e r a t i o no ft h e s u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rt h a ta r et h ek e yc o m p o n e n t so ft h el a r g e c a p a c i t yp o w e rs t a t i o nb o i l e ri sv e r y s i g n i f i c a n tf o rt h ew h o l eu n i t sw i t h o u td o u b t w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h e i n s t a l l e dc a p a c i t y , t h e o v e r h e a t i n ga n dt u b er u p t u r eo f t b eb o i l e rs u p e r h e a ts y s t e mf r e q u e n t l yh a p p e nb e c a u s eo f t h e r m a ld e v i a t i o n , w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h es a f ea n de c o n o m yo p e r a t i o no f g e n e r a t i n gp l a n t o na c c o u n to ft h er e l a t e df a c ta b o v e ，r e s e a r c hi n t ot h ec a u s e so ft h et h e r m a ld e v i a t i o n , t h e c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h et h e r m a ld e v i a t i o na n dt h ew a l lt e m p e r a t u r ea r eg r e a t l yi m p o r t a n t b u tm o s t r e s e a r c h e si n t ot h ec a u s e so ft h et h e r m a ld e v i a t i o no f t e na r et h r o w ni n t os o m eas i d e ，f e wc a l t yo u ta n a l l - r o u n da n ds y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s i s s ot h i sd i s s e r t a t i o nc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ec a u s e so f t h e t h e r m a ld e v i a t i o nf r o mb o t ht h es i d eo fs t e a ma n dg a sa n de s t a b l i s h e sr e a s o n a b l et h e r m a lc a l c u l a t i o n p a t t e ma n dw a l lt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o np a t t e r ns u i t a b l ef o rl a r g ec a p a c i t yu n i t s ，t a k et h ep r o g r e s s i v e c a l c u l a t i o nm e t h o da p p r o p r i a t et ot h et e c h n i c a l a p p l i c a t i o n i no r d e rt or e f l e c ta c c u r a t e l yt h ew a l l t e m p e r a t u r eo ft h eh e a t - e x c h a n g e rs u r f a c e a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h ec a u s e so ft h et h e r m a l d e v i a t i o n , t h em e a s u r e so rs c h e m e st od e c r e a s et h et h e r m a ld e v i a t i o nh a v eb e e np u tf o r w a r d 1 1 h ep a p e rt a k e st h eb o i l e ro f t h ep i n gw e ip o w e rp l a n ta sa ne x a m p l ea n dg i v e sap r o f o u n da n a l y s i s o nt h em a i nc a u s e so ft h et h e r m a ld e v i a t i o nb a s e do nad e t a i l e ds t u d yo nt h ea r r a n g e m e n ta n ds y s t e mo f b o i l e r f i n a l l yb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n df u r t h e ra n a l y s i so ft h ec a u s e so fh e a td e v i a t i o na r e s t u d i e d ，t h e nt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r da n dt h ee f f e c ta f t e ri m p r o v e m e n ti sa n a l y z e d s o t h i sd i s s e r t a t i o nc a np r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ea n dp r a c t i c a ld i r e c t i o nf o rt h eo p t i m u md e s i g no ft h e h e a t e x c h a n g e rs u r f a c ea n dt h ea c c i d e n ta n a l y s i s k e yw o r d s ：b o i l e r ；s u p e r h e a t e r ；r e h e a t e r ；t h e r m a ld e v i a t i o n ；w a l lt e m p e r a t u r e ；o v e r h e a t i n ga n dt u b e r u p t u r e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 东南大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 锅炉可靠性对电厂的安全经济运行、电网的安全运行有着重要的影响。锅炉运行过程由燃料燃 烧、高温烟气通过受热面与工质热交换以及锅炉内部过程等工作过程组成。锅炉受热面的运行安全， 对锅炉的安全运行至关重要。 锅炉的重要受热面包括省煤器、水冷壁、过热器、再热器( 简称“四管”) ，一直工作在恶劣的 环境中。运行中一侧是燃料燃烧所产生的炉膛高温烟气，一侧是高温高压的饱和水和蒸汽，材料使 用环境恶劣，因而由材料失效所引起的四管泄漏时有发生。特别是当锅炉燃煤多变、煤质差的时候， 锅炉受热面产生超温、磨损、积灰、结渣、腐蚀等一系列问题的可能性更大，造成锅炉受热面使用 寿命降低，甚至发生爆破泄漏事故。此外，随着锅炉向大容量、高参数方向发展，炉内结渣、受热 面高温腐蚀现象更加突出。四管泄漏和爆破损坏事故，约占锅炉事故总数的6 0 7 0 左右。事故一 旦发生，均需停炉后才能处理，不但会造成较大的经济损失，而且检修时间较长，影响供电可靠性， 直接影响人民生活和工农业生产。因此，研究锅炉主要受热面失效机理以及防治措施，对锅炉的安 全经济运行具有十分重要的意义。 6 0 0 m w 亚临界控制循环锅炉是我国在8 0 年代引进美国c e 技术生产的，是我国亚临界锅炉的主流 炉型，由于采用了“低压头循环泵+ 内螺纹管”的c c + 循环系统、带内罩壳结构的汽包和全炉膛水动力 计算等技术，锅炉运行的可靠性、灵活性、启停速度及变负荷性能都得到较大提高。但在一段时间 里，陆续发现一批采用切向燃烧方式的大容量电站锅炉，存在着较明显的烟气侧热偏差和过热器、 再热器汽温偏差，甚至发生超温爆管的事故。这包括国内主要锅炉厂按引进技术制造的6 0 0 m w 锅炉， 也包括直接从美、日等国进口的采用此种燃烧方式的大型锅炉。由于这个问题的普遍性和对锅炉运 行安全性、可靠性的不利影响，引起了国内电站锅炉用户的关注。 作为国产首台6 0 0 m w 机组，平圩电厂 1 机组于1 9 8 8 年投入商业运行，运行初期即出现过热器出 口汽温偏差大、屏式再热器和末级再热器部分管子超温爆管等问题。1 9 9 1 年，平圩首次采用燃烧器 项部二次风反切改造来减弱炉膛出口烟气热偏差。历经十多年，蒸汽侧、烟气侧热偏差问题未得到 很好的解决。在吸取平电经验的基础上，国内部分电厂对锅炉结构和燃烧方式作了较大的改进，并 取得了一定成效。这些年，通过对平圩二台国产6 0 0 1 唧锅炉摸索认识、细致准确的锅炉检验、检查和 正确的受热面换管，锅炉的安全性有了较大的提高，基本没有发生重复性爆管事故。但由于采用c e 技术锅炉的原始结构设计问题，导致燃烧偏差和系统结构偏差叠加，这种偏差已对局部高温过热器 和再热器造成严重损伤，且发展速度较快、范围较大。 本论文将分别就锅炉烟气侧、蒸汽侧热偏差的成因机理进行全面分析，并给出改造措施。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外研究成果与发展动态 国际上对切向燃烧锅炉温度偏差的研究较少。c e 公司主要采用锅炉切向燃烧技术，但是在该公 司提交给国内的引进资料和计算方法中，没有充分反映出对偏差问题的考虑。美国在自己的电站锅 炉设计中，过热器和再热器管子大量采用奥氏体不锈钢，耐高温裕度相当大，所以温度偏差问题 直被掩盖着。对于引进型锅炉在中国所暴露出来的温度偏差和再热器超温爆管问题，c e 公司未能提 出完善的解决办法。后来该公司实施了一项g s e i ( g a s s i d ee n e r g yi m b a l a n c e ) 计划，试图来解决烟气 侧的热偏差，但研究的内容和深度都有限。其它外国公司和研究机构在这方面所做的工作就更少见 报导。 多年来，国内锅炉技术界对上述偏差问题，已开展过一些研究工作，一致认为切向燃烧残余旋 转造成的沿烟道宽度的烟速烟温偏差，以及因结构等原因造成的工质在并联管屏间的流量偏差和同 屏各管间的吸热偏差，是造成上述事故的烟气侧和蒸汽侧的两方面原因。其中同屏各管的热偏差， 国内已做过不少研究工作；对带等径三通的集箱中蒸汽涡流问题，也进行过初步的试验研究。但对 烟气侧的残余旋转问题，当时尚未开展过科技攻关：对大量采用的异径三通所引起的涡流问题和过 热器、再热器的优化设计问题，也未进行过全面的科研工作。 为了从根本上解决烟气侧和蒸汽侧两方面原因造成的温度偏差和超温爆管问题，进而对锅炉进 行优化设计，进一步改善切向燃烧锅炉的性能，哈锅、上锅联合西安交通大学、上海发电设备成套 研究所和上海交通大学等高校和研究单位，发挥各自的技术优势，合作攻关。研究内容分6 个课题： ( 1 ) 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 引进型切向燃烧锅炉残余旋转影响及其防治的研究； ( 2 ) 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 引进型切向燃烧锅炉烟气偏差的试验研究与数值模拟； ( 3 ) 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 引进型切向燃烧锅炉汽温偏差的研究； ( 4 ) 1 2 c r 2 m o w v t i b ( 钢研1 0 2 ) 钢管运行可靠性的试验研究； ( 5 ) 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 引进型切向燃烧锅炉温度偏差的研究成果在在役锅炉改造和新锅炉设计中 的应用； ( 6 ) 大容量锅炉烟气侧热力偏差和再热蒸汽温度偏差的试验研究及改进。 上述研究工作，包括了炉内和锅内两大方面。通过大量的冷、热态试验、数模计算、理论分析、 现场调试和试验，搞清了锅炉烟侧和汽侧温度偏差产生的机理，查明了各有关结构数据和运行参数 对温度偏差的影响，给出了较准确的炉内、锅内偏差的计算方法和应用软件，提出了把温度偏差控 制到可接受程度在设计中和运行中应遵循的一些准则数据，并对原型锅炉和今后新设计的锅炉提出 了一系列改进建议和具体推荐数据。 2 东南大学硕士学位论文 1 3 课题研究的内容与方法 1 3 1 课题研究内容 平圩电厂# 1 、# 2 机组自投产以来，锅炉炉膛出口烟气热偏差过大问题一直未很好解决，因偏差 导致再热器局部管子过热现象已由炉膛宽度方向右侧发展到中部，1 9 9 5 年更换的后屏再热器t p 3 0 4 h 下弯头已严重变形。近年来，在充分总结过去经验和掌握“四管”泄漏规律的基础上，通过检查、 检验、寿命诊断和状态检修，“四管”泄漏重复性问题得到有效控制。但较大的烟气热偏差依然存在， 长期偏高的烟气将直接影响受热面的使用寿命，同时对锅炉整体热平衡造成很大影响。锅炉过热器 系统存在的主要问题为：左侧上炉膛分隔屏和后屏过热器由于受到回流的高温烟气二次加热，部分 分隔屏管壁超过允许壁温4 7 2 c ，左侧后屏过热器汽温平均比右侧高近4 0 ；过热器采用交叉布置方 式，左侧后屏过热器引入右侧末级过热器，导致汽温偏差进一步叠加，末过出口左、右侧汽温偏差 达5 0 - - - 6 0 。c 。依靠过热器二级减温水已不能满足汽温偏差调整要求，实际表现为二级减温水量不够， 在接近6 0 0 1 哪时过热器一二级减温水量尚能满足，在4 0 0 1 岍左右时减温水量已超过设计值。 热偏差是造成锅炉各级受熟面热负荷分配不平衡的根本原因，也是引发各受热面管子寿命不平 衡的根本原因。所以，从降低锅炉燃烧热偏差、改进过热器一、二级减温水系统、改善再热器流量 分配等方面开展工作，降低烟气侧、蒸汽侧热偏差，以确保锅炉的安全经济运行。 针对电厂存在的问题，论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 锅炉热偏差的综合分析。 ( 2 ) 研究制定降低锅炉热偏差的试验方案，分析其正确性、合理性。 ( 3 ) 按确定方案进行调整和改进，观察实施效果。 ( 4 ) 总结并提出建议。 1 3 2 课题研究基础及实施方案 一、课题研究基础 上海电力成套研究所自1 9 9 9 年接触平圩锅炉热偏差改造的研究，2 0 0 0 年签订“锅炉热偏差攻关 试验及解决方案”合同，并根据试验和计算机模拟制定出1 1 项燃烧系统改造方案。其中“一次风对 冲、二次风启旋正反切和顶部过燃风水平摆动”的方案对烟气偏差控制最有效，但此燃烧方式减弱 四角切圆旋转扰动，使火焰中心上移，存在再热器整体超温的风险。吴泾电厂采用此种燃烧方式出 现了过热汽温偏低、再热器减温水量超标的问题。2 0 0 1 、2 0 0 2 年，上海电力成套研究所提出了华能 德州电厂三台锅炉燃烧系统、再热器改造方案并得到实施，对控制烟温偏差有一定效果。我们与上 海电力成套研究所共同考虑并提出的同屏热偏差、四角切园燃烧方式下受控蜗强的计算方法，为该 课题形成了良好的研究和实践氛围，打下了良好的研究基础。 综上所述，该课题具有良好的研究基础，找出导致锅炉热偏差的原因，并采取对策解决目前影 响电厂安全运行的重大问题，不仅具有十分重要的现实意义，而且对其它电厂同类型锅炉的制造和 运行具有很强的指导意义。 二、课题实施方案 3 东南大学硕士学位论文 降低锅炉热偏差项目是系统工程，各环节相互制约、相互影响。需要严谨的设计和计算论证、 规范的设备选型、精良的设备制造和安装质量控制，最后进行改造前后现场试验数据对比并评价改 造结果，此项目需要多方面的参与和合作。 1 3 3 课题研究的关键技术 由于引起锅炉过热器、再热器系统热偏差的因素复杂，在理论分析的基础上，综合考虑各种因 素对热偏差的影响，合理选择方案，成为本课题的核心工作。主要难点有以下几点： ( 1 ) 所面临的对象众多，关联因素多； ( 2 ) 改进方案的提出以及对试验数据的处理分析； ( 3 ) 改进方案实施以及改进工作有效性评价。 1 4 本章小结 本章对课题的研究背景及国内外的研究成果与发展动态进行了简单介绍，并提出了该论文的研 究内容与研究方法，其中包括研究基础及课题的实施方案，并对课题中存在的关键问题、关键技术 进行了阐述。 4 东南大学硕士学位论文 第二章6 0 0 m w 机组锅炉概况及热偏差的理论研究 2 16 0 0 m w 机组锅炉基本技术特性 一、四角切圆燃烧方式是现代大型火力发电厂锅炉的一种常规形式，具有如下的特点： ( 1 ) 燃烧器布置在炉膛四角，出口气流的几何轴线射向炉膛中心的一个假想切园，在炉内燃 烧器区域形成气流的强烈旋转，燃烧时因炉内烟气的粘滞性很大，气流向上汇集成略有旋转的上升 火馅。 ( 2 ) 四角切圆燃烧是以整个炉膛作为一个整体来组织燃挠的，每个燃烧器的火焰都被炉内旋 转的高温烟气流引射到下游燃烧器火焰的根部，这样就得到了四个角上燃烧器的相互支持、相互点 燃，达到稳定燃烧的效果。 ( 3 ) 对于难燃煤种，四角切圆燃烧锅炉还采用敷设卫燃带的方法提高燃挠器区域温度；一次 风喷口相对集中布置，推迟一、一次风混合，以保证混合前一次风中煤粉有较好的着火条件；二次 风分级送入可保证在煤粉燃烧过程中及时补氧，维持炉内燃烧稳定并降低n o x 的生成。四角切圆锅炉 的炉膛结构形式与火焰特性，为低挥发分煤的燃烧创造了极为有利的条件。 二、平圩电厂h g - z 0 0 8 1 8 6 - m 型锅炉具有不同于自然循环锅炉的显著特点： ( 1 ) 下降管回路中设置炉水循环泵( b c p ) ，以提供足够的压头，保证在任何工况下能进行充分 的上升强迫循环。 ( 2 ) 在水冷壁回路每根水冷壁管进口处装设节流圈，使长度和吸热各不相同的全部管子都能 得到预定比例的水流量。 ( 3 ) 由于可从循环泵得到辅助压头，故炉膛水冷壁的直径可比自然循环炉小，管壁温度也略 低于自然循环炉。 ( 4 ) 汽包内部装有罩壳式汇流箱，汽水混合物流经汇流箱进入立式旋流分离器，使汽包筒身 能均匀地受热和冷却，因此控制循环锅炉在启动、变负荷及停炉时，有很大的机动性。 ( 5 ) 具有省煤器再循环管路，水流从锅水循环泵出来，强制地通过省煤器流入汽包。在启动 时，避免在炉水在省煤器中沸腾，也不要排污，没有排污损失。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 锅炉设备总体布置 锅炉为单体兀形半露天布置( 如图2 1 ) ，炉膛断面尺寸( 宽深) 1 8 5 4 2 m x1 6 4 3 2 m m ，炉膛与 后烟道之间净距8 8 6 5 咖，汽包中心线标高7 3 3 0 4 咖，冷灰斗倾角5 5 度，前墙至折焰角的距离1 3 0 8 0 m ， 折焰角倾角为5 5 度。 锅炉3 7 4 0 m 标高( 上排燃烧器顶部) 以下的厂房为全封闭结构，以上除汽包两端有小室外，其 余部分均为露天布置，锅炉顶部采用大包箱盖顶。 炉膛宽1 8 5 4 2 m m ，深1 6 4 3 2 舳，宽深比为1 1 2 8 ：1 ，炉项为平炉结构，并配以水冷壁后墙上部的 折焰角来改善炉内气流的流动。 锅炉燃烧方式为四角双切圆燃烧，燃烧器为四角布置的摆动式直流燃烧器。根据炉膛的尺寸， 选取喷嘴出口射流中心线和水冷壁中心线的夹角分别为3 6 。和4 5 。，由此可以推算出喷嘴出口射流 中心线同炉膛横截面对角线之间的夹角分别为4 6 4 5 6 。和4 3 5 1 4 。，在炉膛中心形成逆时针旋转的 两个直径稍有不同的假想切圆，假想切圆直径分别为1 8 8 4 2 咖和1 7 7 1 4 m m 。 广t il l l 图2 一i 删w 耍赫彝压力茬舒循环镉炉 l 螺膏： - f ! l t l h 卜分_ 屏过髂暑；一后屏过格嚣；一屏置过燕嚣；卜束囊再热l 卜束基过藉备；卜番帛蕾；9 包疆臂；i 过热蒸 出口；1 1 一i 式囊射过掐鼍： l 皇丑热暑；l 卜省攥嚣；i 卜1 1 t 1 1 1 ；l 卜鲁坪曩；l 卜东玲叠ll 卜空气璜热量l i 卜_ 攥机ii ，一擘誓蓑置；一一寰i ；2 1 一二次风机；一再菇l 汽出口； 凹一绘隶进口；船再蔫l 矗口 6 东南大学硕士学位论文 2 3 亚临界锅炉主要汽水流程及受热面特点 锅炉受热面布置如图2 2 所示。 1 一汽包；2 一炉顶过热器进口联箱；3 一炉膛水平烟道炉顶过热器；4 包覆进口联箱；5 一水平 烟道包覆；6 一垂直烟道侧前包覆；7 一环形联箱：8 一垂直烟道前墙包覆；9 一垂直烟道炉顶过热器； l o 垂直烟道后墙包覆；1 1 一低温过热器进口联箱：1 2 一低温过热器；1 3 一悬吊管；1 4 一恳吊管出口 联箱；1 5 垂直烟道侧后包覆；1 6 一垂直烟道后墙下部包覆；1 7 一大屏过热器进口联箱：1 8 一大屏过 热器；1 9 一大屏过热器出口联箱；2 0 一后屏过热器进口联箱；2 1 一后屏过热器；2 2 一后屏过热出口联 箱；2 3 一高温过热器进口联箱；2 4 一高温过热器；2 5 一高温过熟器出口联箱；2 6 一喷水减温器；2 7 一炉顶旁路。 图2 26 0 0 m i 亚临界控制循环锅炉受热面布置 主要汽水流程如下图2 3 ： 锅炉给水经由省煤器进入汽包，然后经由6 根下降管进入循环泵的吸入联箱( 汇集联箱) ，经三台 炉水循环泵将炉水送入下水包，在下水包内，经过滤网及节流孔板进入水冷壁管，生成的汽水混合物 由出口集箱和引出管进入汽包。在锅炉启动期间，炉水也可以通过下水包经再循环管至省煤器入口联 箱，形成水冷壁一省煤器一汽包循环回路，以防止炉水在省煤器内沸腾。 7 东南大学硕士学位论文 图2 36 0 0 删亚临界控制循环锅炉汽水流程 锅炉采用炉水循环泵和内螺纹管强制循环系统( c c + ) ，即在炉膛高热负荷区域内采用内螺纹管的 水冷壁，以防止水冷壁内产生传热恶化；采用低压头的炉水循环泵，可降低锅炉循环倍率，提高锅炉 运行的经济性和可靠性。 过热器系统采用辐射一对流组合式，即由炉顶和包覆、低温过热器( 包括水平和立式低温过热器) ， 分隔屏、后屏和高温过热器。各级过热器最大限度地采用蒸汽定位管和吊挂管，以保证运行的可靠性。 再热器共有壁式、屏式和高温再热器三级。壁式再热器为低温再热器，布置在水冷壁上部的前墙 和两侧墙的前部，直接吸收炉膛的辐射热。屏式再热器布置于后屏过热器和后墙冷水壁悬吊管之间( 折 焰角上部) 。高温再热器位于水平烟道内( 处于后墙水冷壁悬吊管与后墙水冷壁折焰角延伸侧墙的垂 直上升管之间) 。再热器系统也采用辐射对流组合布置，可改善汽温特性。 省煤器总受热面积为1 0 4 5 m 2 ，省煤器再循环管设计流量为9 0 m c r ( 6 0 0 1 v i w 相应锅炉蒸发量) 的4 ， 当汽包压力在4 2 2 m p a 范围内启用，以保护省煤器的安全运行。 汽包设安全阀六只，过热器设安全阀两只，总排汽量为锅炉m c r 的1 0 2 5 。另在过热器出口安全 8 东南大学硕士学位论文 阀的下游主蒸汽管道上设置一只电动排汽阀，排汽量规定不小于锅炉m c r 的5 ，其起跳压力稍低于过 热器出口安全阀的最低整定值，用于减少安全阀启跳动作次数。再热器设安全阀共九只，总排汽量为 锅炉m c r 时的1 0 0 6 。 吹灰器共1 4 6 只，其中炉膛布置1 1 0 只墙式可旋转短伸缩型吹灰器，对流烟道布置3 4 只长伸缩型吹 灰器，用于空气预热器吹灰器为两只。另设计预留过渡烟道及尾部烟道吹灰器位置共4 0 个。该系统操 作采用程控吹灰。 设计一、二次汽温调节方式为：过热器采用一级喷水减温调节，布置在低温过热器到分隔屏的大 直径连接管上，减温器采用笛型管式两台锅炉后增加了一级减温，布置在后屏过热器至未级过热器的 两根连接管上；再热器主要靠燃烧器摆动调温，另外再热器进口管道上装有两只雾化喷嘴式减温器， 主要作事故喷水用，以保护再热器。 锅炉过热器系统设有5 启动旁路系统，流量为锅炉m c r 的5 ，温度为4 2 m p a 压力下的饱和温度。 该启动旁路系统作用是使锅炉汽温与汽机要求相匹配( 特别在热态启动) ，以缩短机组启动时间。 2 4 锅炉热偏差概述 过热器和再热器长期安全工作的首要条件是其金属壁温不超过材料的最高允许温度。然而，满足 这一条件是有一定难度的，这是因为过热器和再热器中的工质温度最高，受热面的热负荷也相当高， 而蒸汽的放热系数却较小，故管壁温度很高，已接近钢材的最高允许温度。运行时，由于热偏差或汽 温变化等原因，可能使个别管子因壁温过高或者超过允许温度而损坏。过热器和再热器的管壁温度与 其并列管子问的热偏差密切相关。所谓热偏差指过热器和再热器管组中因各根管子的结构尺寸、内部 阻力系数和热负荷可能不同而引起的每根管子中的蒸汽焓增不同的现象。热偏差的程度可用热偏差系 数够来衡量，即 ：丝 式中魄偏差管中工质的焓增，k j k g ； ( 2 1 ) 一管组中工质的平均焓增，k j k g 。 在过热器和再热器中，并列管子间总有热偏差存在，即其中的一部分的妒大于1 ，另一部分的9 小 于l 。但从安全的角度看，应关心那些9 值最大，即焓增最大，管壁温度最高的管子。因此，通常所 说的某个管组的热偏差是指该管组中焓增最大的那些管子的热偏差，偏差管通常也指这些焓增最大的 9 东南大学硕士学位论文 管子。 i - 2 1 在2 1 式中，魄和可以表零为 魄警 战= 警 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中郇、g p 分别为偏差管外壁面热负荷材( ，z 2 j ) 、受热面积，z 2 及工质流量眺； g o 、r 、g o 分别为管组外壁面平均热负荷材( m 2 s ) 、受热面积优2 及工质流量k j s ； 于是，有 ( 2 4 ) 式中仉吸热不均匀系数； 结构不均匀系数 叼g 流量不均匀系数 由于过热器和再热器并列工作的管子间的受热面积差异不大，所以其结构不均匀系数基本上 近似于l ，因此根据式2 - 4 ，产生热偏差的主要原因是吸热不均和流量不均。显然，对于过热器和再热 器来说，最危险的将是热负荷较大而蒸汽流量又较小、因而其汽温又较高的管子。吸热不均和流量不 均主要由于两方面因素造成的，即烟气侧和工质侧。对烟气侧和工质侧产生热偏差的原因及机理下文 论述。 1 0 业 = 上生g c r郎一吼 = 9 东南大学硕士学位论文 2 5 烟气侧热偏差原因 四角切向燃烧锅炉是我国目前大型火电厂的主要炉型，这种炉型凭其炉内火焰充满度高、风粉混 合强烈、煤种适应性强、煤粉燃尽度高等系列优点被普遍采用。但随着机组容量的增大，四角切向燃 烧锅炉过热系统的局部超温爆管问题比较突出。研究发现其对流烟道左右两侧的烟温偏差非常明显， 多数锅炉烟温偏差达到1 0 0 以上，有的甚至高达2 7 0 c 以上【3 】。对流烟道烟速烟温偏差是受热面沿烟 道宽度吸热不均、导致热偏差的一个重要原因。而引起对流烟道烟速烟温偏差的一个重要原因就是炉 膛出口存在的残余旋转。此外，锅炉运行中出现的非正常工况也会引起或加剧烟气侧热偏差。 2 5 1 残余旋转形成的机理分析降8 l 大量炉内冷态模化试验及数值模拟结果表明，烟速烟温偏差与炉膛内强烈旋转的气流在炉膛高度 方向上的耗散规律及气流在屏区的流动规律有直接的关系。四股风粉射流从四角切向高速射入炉膛 内，在炉膛内形成一个自下而上运动的螺旋状旋涡，炉内旋涡的运动过程有以下几个特点： ( 1 ) 在燃烧器区域 在燃烧器区域，燃烧气流形成较为强烈的旋转旋涡，气流的旋转动量矩整体呈现上下低、中间高 的分布，在燃烧器区域中部，炉内气流的旋转动量矩最大。因为随着燃烧器喷口射流的逐层投入，炉 内气流旋转动量矩逐渐增加，到达一定的高度后，炉内旋转动量矩达到最大值；而燃烧器上部喷口的 旋转气流由于带动炉膛上部气流的旋转，并不断卷吸周围烟气，旋转强度逐渐减小。 ( 2 ) 在燃烧器上沿至折焰角的上炉膛区域 在燃烧器区域以上的炉膛内，炉内气流的旋转动量矩沿炉膛高度逐渐衰减，在炉膛高度的前半程 气流衰减的速度较快，在后半程衰减速度相对较慢。旋转气流在燃烧器区域已经形成气流贴壁，且壁 面附近气流流速基本相同，形成一个贴壁气流环，旋转气流在离开燃烧器区域很短的距离便进入了轴 向旋涡运动区，此区域内，中心部分是向下的旋涡运动，近壁的外圈是上升的旋涡运动。 在上部炉膛空间，由于不受四角射流的约束，炉内旋转气流沿高度方向不断向外扩展，气流最大 切向速度靠近炉壁，实际切圆直径变大，且气流切向速度沿炉膛高度方向不断减小，即炉内气流旋转 强度沿炉膛高度逐渐衰减。到折焰角区域，气流旋转强度的衰减又明显加快，因为折焰角使炉膛出口 流通截面减少，气流向炉前流动，增加了气流间的动量交换和能量耗散，但气流仍存在较大的切向速 度，亦存在较大的旋转残余强度。 ( 3 ) 在炉膛上部屏区 旋转气流经过不断衰减后，进入炉膛上部的屏区，旋转的气流，在进入屏区时仍有很大的旋转残 余。大型锅炉一般在炉膛上部区域布置分隔屏，以便对旋转残余起到一定程度的分割与消旋作用，但 作用仍然有限。屏区气流的流动呈现以下几个特点： 查塑查堂堡主堂垡笙壅 2 5 2 影响残余旋转强度的主要因素【钆1 0 】 仃= 币f w u 历r 2 d r 协5 ， 从式2 5 分析知，如果燃烧切圆直径增大，因分子中含有，2 项而增大得要比分母快，从而使炉膛 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 燃烧器摆动时，燃烧器喷口喷出的高速射流与水平面形成一定的夹角，形成垂直和水平方 向的分速度，由于水平分速度和切向旋转动量距减小，使外推力减小，实际切圆直径减少，炉膛出口 气流的残余旋转强度也就减小。 此外，降低一次风速、增大燃烧器喷口高宽比、采用上大下小的二次风配风方式亦会增加切圆直 径，使炉膛出口气流的残余旋转增强。 总之，凡是增大炉内切圆直径的因素，尤其是增大燃烧器上部切圆直径的因素，都会使炉膛出口 气流的残余旋转增大。 以上理论分析是如何采取有效措施消除或减弱炉膛出口气流残余旋转的理论依据。 2 5 3 烟速偏差形成机理 由炉内气流流动特点知道，进入屏区的气流轴向上升速度沿炉宽方向基本上是左右对称的，左右 两侧速度高，中部速度低，这样进入屏区中间通道的气流流量小，流速低，而进入屏区左右两侧通道 的气流流量大，流速耐1 1 。2 1 。对于炉内左侧气流，其切向速度方向与对流烟道烟气流动方向相反，在 轴向上升速度的作用下，气流流向炉前方向，由于前墒的阻挡作用，大部分烟气经屏区上部转向流入 对流烟道，一部分烟气则经过分割屏与前墙的间隙绕流至屏区右侧。而右侧气流由于切向速度方向指 向炉后，气流在进入屏区后上升很短的高度就进入对流烟道，相对左侧气流而言，右侧气流发生了“短 路”。屏区左右两侧气流流动示意图如图2 - 4 ( a ) 和( b ) 所示，这样就造成炉膛出口截面上总体形成右 侧烟速大于左侧的分布状况，而且整个截面上的速度分布实质上是沿高度和宽度方向上均呈现明显的 不均匀性，也就是在对流烟道入口截面的下部，右侧烟气平均速度显著大于左侧，而在上部则是左侧 气流平均速度大于右侧，最大烟气流速出现在水平烟道的右下侧。因此，对流烟道内形成左右两侧烟 气速度偏差的根本原因是由于炉膛上升旋转气流的残余旋转导致烟气在屏区左右两侧的流动差异，造 成了烟气速度沿炉膛高度和宽度方向上的不均性。 炉 前 方 向 轴 l 匈 土 j r i - 速 度 轴 i 向 上 升 速 度 切向逑鹰 炉 j 舀 j 路 囱 1 虱2 - 4 ( a ) 左侧气流图2 - 4 ( b ) 右侧气流 同样可以借助烟气沿烟道宽度方向上的动量分布特点直观理解烟速偏差的形成机理【嘲。炉内气流 旋转动量设为m o ，从右侧进入对流烟道时的动量m i = m o ，且流向相同，由前向后。从右向左至烟道 1 3 东南大学硕十学位论文 中部，气流逐渐斜向进入烟道，向后流的烟气动量逐渐减小；从左侧进入对流烟道的气流由斜向逐渐 变成反向，其动量也变为负值。假设烟道宽度上的阻力系数相等，送、引风机的牵引动量为m 2 ，且 沿烟道宽度等值分布且大于m o ，那么，沿对流烟道宽度的动量m 3 曲线就是m o 和m 2 合成后的分布曲 线，如图2 2 所示，左右两侧合成矢量不等，右侧为m o + m 2 ，而左侧为m 2 m o ，中间因受斜向气流干 涉形成曲线，因此造成左、右两侧较大的速度梯度。 l 后烟道 i l f f ff i 毒i 喜毒ff 耐| 。们r t 、 f 斫 1i |ff 。h 一一 - r - - 一一2 爨：二ll ，- j ，i 刀1iiix ofm ，1t 、) 瞧二 图2 - 5 对流烟道烟速偏差形成机理 2 5 4 对流烟道两侧烟温偏差形成机理 在水平烟道宽度方向的烟速偏差必然会引起沿宽度方向的烟温偏差，烟速高的区域烟温亦高；反 之，烟速低的区域烟温也低9 1 。原因是烟速低的烟气通过某一长度的烟道所用的时间大于烟速高的烟 气通过这一长度的烟道所用的时间，因此单位质量烟气放出的热量多，温降大，烟温明显就相对低。 可以用定量的数学计算公式来分析。 每千克烟气通过长度为l 的烟气通道后放出的热量为： q r = 伤+ 纺= a d 乃( 弓一无) r + 仃乃( s y 弓4 4 不4 ) f = k 乃( 乃一瓦) 髟仉3 3 3 + 岛仃乃( 勺弓4 4 乃4 ) l w , ( 2 - 6 ) 式2 6 中：帆烟气流速； a d 烟气对流放热系数，烟气的对流放热系数正比于烟速的o 6 6 7 次方( 雷诺数r e 1 0 1 0 5 ) ； 乃、乃一对流受热面面积、辐射受热面面积； 弓、瓦烟气温度、受热面表面温度； 1 4 东南大学硕十学位论文 由式2 6 可以看出，烟气流速越高，通过等长度的传热通道时每千克烟气放出的热量越少，烟气 温降就小，该烟气出口温度就越高，也就是水平烟道烟速高的区域其烟温也高。上式两边同时乘以烟 气流量肜，s ，就得到流过该烟气通道的烟气的总放热量，即： q = k r v ；脚7 易( 弓一瓦) s + 仃乃( ，弓4 4 瓦4 ) 三s ( 2 - 7 ) 从式2 6 和2 7 可以知道，烟速高的区域每千克烟气放出的热量虽然小于烟速低的区域，但烟速高 的区域烟气流量大，烟气对流放热系数a d 大，且烟气平均温度高，传热温压出也大，因此烟速高的 区域烟气总的放热量却是大于烟速低的区域。 锅炉多年运行实践也表明，炉内气流呈逆时针旋转的锅炉，其水平烟道右侧下部属高速高温区， 受热面吸收的烟气热量最多，因而右侧的蒸汽温度要高于左侧，右下侧的管壁温度也是最高，经常处 于危险状况，尤其右下侧最外圈管子的向火面是经常容易发生超温爆管的部位。 总之，炉膛出口气流存在的残余旋转是造成对流烟道左右两侧烟速偏差、进而引起对流烟道烟温 偏差和受热面吸热不均的主要原因。 2 5 5 影响烟温偏差大小的因素 现代锅炉向大容量、高参数发展，炉膛断面和烟道宽度相应增大，炉膛火焰中心容易发生偏斜， 炉内沿高度及宽度的热负荷分布不均，而且随容量的增加，炉膛出口气流残余旋转相应增大，致使对 流烟道内的烟速烟温偏差更加严重。大量锅炉局部超温分析表明，烟温偏差是造成受热面超温爆管的 一个主要原因，因此有必要对影响烟温偏差大小的冈素进行一定的分析。 影响烟温偏差大小的因素可以归结为两方面，即炉膛结构设计和运行工况因素： 一、炉膛结构因素1 3 1 5 l ( 1 ) 炉膛断面形状 燃烧器四角布置切向燃烧的炉膛，若炉膛断面设计成正方形或接近正方形，即炉膛宽深t 匕a b 1 2 时，射流两侧的补气条件就会发生显著的差异，射流卷吸烟气后将使两侧的压 力差别也大，从而使射流偏斜，不但燃烧的实际切圆直径增大，而且火焰中心也易发生偏移，炉内四 面水冷壁的热负荷分布不均变大；加之炉膛出口气流残余扭转增大，烟道中烟速烟温偏差增大，使烟 道中的过热器再热器的汽温偏差增大。 1 5 东南大学硕士学位论文 图2 6 炉膛燃烧器处断面形状 ( 2 ) 炉膛燃烧高度 烟温偏差与燃烧器最上层含粉气流喷口至水平烟道下沿的距离h 有关，h 越大，炉膛水冷壁受热面 的冷却能力越强，气流旋转衰减的历程越长，炉膛出口残余旋转越小，炉膛出口平均烟温越低，烟温 偏差就越小。此外，烟温偏差的大小与炉膛深度和水平烟道高度的比值也有一定的关系。 ( 3 ) 燃烧假想切圆直径 国内外的试验及运行实践证实，切向燃烧炉膛中的实际切圆直径远比设计值大，且实际切圆直径 随假想切圆直径增大而增大。切圆直径增大，有利于煤粉气流着火和燃尽，但过大的切圆直径易使气 流偏斜贴壁，残余旋转过大，使烟温、汽温偏差增加。 ( 4 ) 烟气走廊 对流烟道中过热器和再热器受