北方电厂应用暖风器控制空预器低温腐蚀的分析与研究_周超

北方电厂应用暖风器控制空预器 低温腐蚀的分析与研究 周超 彭晓军 牛利权 宁夏京能宁东发电有限责任公司 宁夏银川 750400 摘要 以宁夏京能宁东发电有限责任公司自身设备系统为实例 针对暖风器运行存在的堵灰 腐蚀问题 分 析和研究了锅炉暖风器的用途 原理和运行控制 详细对比计算了暖风器投退的热经济性 提出了暖风器完 善优化应用的侧重点和技术措施 关键词 暖风器 低温腐蚀 控制 中图分类号 TM621 7 TK223 3 4 文献标识码 A文章编号 1003 9171 2012 01 0046 05 Analysis and Research on Low temperature Corrosion Control for Air Preheater with Heater in North Power Plant Zhou Chao Peng Xiao jun Niu Li quan Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co Ltd Yinchuan 750400 China Abstract According to clogging and corrosion in heater operation with examples in Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co Ltd the usage principle and operation control of boiler heater were analyzed Meanwhile thermal e conomy with and without operation of heater were calculated and compared Finally focus and technical measure of heater optimization were put forward Key words heater low temperature corrosion control 0前言 在北方地区 当电站锅炉启动 低负荷运行 及冬季运行时 都会严格关注和控制空预器冷端 低温腐蚀现象 避免空预器发生严重堵灰甚至被 迫停炉的事件 目前 能够提高空预器入口风温 的技术主要有蒸汽暖风器 热风再循环和电加热 3 种 蒸汽暖风器由于调节控制方式更加灵活有 效 被加以广泛应用 蒸汽暖风器根据调温方式 不同可分为蒸汽侧调节 疏水侧调节及组合式调 节 3 种 根据加热汽源及疏水回收方式不同可分 为高压 低压 2 种 根据结构方式不同可分为固 定式和旋转式 2 种 但蒸汽暖风器作为锅炉空 预器的附加服务设备 实际运行中仍存在以下安 全经济性问题 1 风道系统阻力变大 增加了风机电耗 2 框架套管间隙密封不严 形成漏风点 3 换热管束风侧泄漏挂冰 积杂堵塞 导致 风机喘振故障 4 疏水不畅引起系统管路振动损坏 如何根据燃煤煤质 烟气成分 空预器冷 端材料材质 环境风温来正确设计 选用和操 作暖风设备 在现有技术能够控制空预器冷端 腐蚀的基础之上 合理提高锅炉效率和机组热 效率 不断优化暖风装备 仍是需要深入探讨 的综合性课题 1空预器冷端金属壁温的分析与控制 对于回转式空预器 空预器冷端金属壁温的 设计选取和控制是一个既影响锅炉经济性又影 响安全性的重要指标 壁温过高将造成排烟温 度升高 降低锅炉效率 壁温过低 尤其是与水露 点的差值未超过一定值时 低温腐蚀将十分严 重 避免发生空预器低温腐蚀的理论关键就在 于空预器冷端波纹元件仓金属壁温最低值应高 于烟气酸露点温度 64华北电力技术NORTH CHINA ELECTRIC POWERNo 12012 DOI 10 16308 ki issn1003 9171 2012 01 014 1 1烟气酸露点的计算 根据酸性蒸汽的生成原理和运行实际 烟气 酸露点的精确计算是一个复杂的难度问题 影响 其变化的因素有 燃料中硫分的含量 燃料中灰 分的含量 烟气中水分的含量 三氧化硫的转化 率 飞灰份额等 根据 烟气酸露点温度的计算 分析 一文中对多种计算方法的偏差分析和对比 修正 认为在前苏联 1973 年标准计算公式基础 上 考虑飞灰的自脱硫效应 对折算硫分进行二 氧化硫排放系数修正后的改进公式较为合理 如下 tld tsl 3 K Sar zs 槡 1 05 fh Aar zs 1 式中tld 烟气的酸露点温度 tsl 水露点温度 与炉膛出口过量空气系数有关的常 数 当炉膛出口过量空气系数为 1 2 1 25 时 121 当炉膛出 口过量空气系数为 1 4 1 5 时 129 K SO2排放系数 即烟气中 SO2实际 排放量占可燃硫全部生成 SO2总量 的百分比 取 0 85 fh 飞灰占总灰分的份额 对于煤粉炉 取 0 8 0 9 Sar zs 折算硫分 Aar zs 折算灰分 1 2空预器元件仓金属壁温的分布分析 三分仓空预器蓄热转子金属壁温总体呈现 从热端向冷端逐渐下降的分布规律 宁夏京能宁 东发电有限责任公司 下称宁东公司 TRL 工况 下空预器主要设计参数为 入口烟气温度 361 入口一次风温 30 入口二次风温 23 出 口烟气温度127 出口二次风温342 出口一 次风温 334 可以看出 热端工质平均温度为 345 6 冷端工质平均温度为 60 温差为 285 6 考虑空预器旋转方向 漏风分布 分仓比例 积灰程度 吹灰效果 壳体保温 转动速度 风机 压缩升温 转子机械变位 转子热变形等因素的 影响 空预器内部金属壁温的分布其实是一个复 杂的热力状态 旋转方向 空预转向决定着蓄热转子 烟气 与空气之间的换热顺序 蓄热转子本体金属温度 的冷热循环变化过程便呈现出方向性 空预器 的旋转方向一般为烟气 二次风 一次风 以仓界 为限 蓄热转子在从烟气仓跨入二次风仓处金属 温度最高 从一次风仓跨入烟气仓处金属温度最 低 漏风分布 由于烟气仓的负压作用 空预器 漏风大多都是从高压区流入低压区 高压区一 二次风都为低温工质 低压区烟气都为高温工 质 所以漏风直接会造成漏风区域转子金属壁温 的下降 分仓比例 空预器烟气仓面积比例一般占 50 一次风仓与二次风仓的面积比例则按热力 设计进行分配 由于一次风与二次风相比 风温 要高 吸热量要小 所以不同的分仓比例会导致 蓄热转子金属温度产生不同的分布 积灰程度 由于锅炉烟气在烟道中的流动转 向与离心作用 在进入空预器前 烟气所携带飞 灰集中偏向于蓄热转子外缘区域 主要沉积在此 位置 导致蓄热转子外缘部位金属温度下降 吹灰效果 吹灰压力和温度不正常 吹灰 孔堵塞等原因引起吹灰效果不良 会劣化蓄热 转子表面清洁程度 增加热阻 降低蓄热转子 金属温度 壳体保温 壳体保温不全 会加强该区域的 散热损失 当蓄热转子转动至该位置时 热量散 失增多 会降低转子金属壁温 转动速度 转动速度决定着蓄热转子 烟气 与空气之间的换热速度 转动速度高 换热周期 短 转子金属最低壁温将变大 最高壁温将变低 金属壁温的高低温差幅度将减小 风机压缩升温 一次风在一次风机两级压缩 作用下 与二次风一级压缩相比 风温要偏高 10 左右 因此 一次风对蓄热转子金属部件的冷 却作用略弱于二次风 转子机械变位 由于一次风压 二次风压 烟 气压力依次降低 蓄热转子在运转过程中路过不 同的元件仓时 受到的机械作用力是不同的 在 一次风 二次风区域 将受到从下向上的作用力 且单位面积上一次风区域的作用力要大于二次 风区域 在烟气区域 将受到从上向下的作用力 使空预蓄热转子整体形成风侧抬起 烟侧压下的 特殊形状 改变径向 轴向 环向及中心筒密封间 74No 12012华北电力技术NORTH CHINA ELECTRIC POWER 隙 造成漏风情况改变 从而影响转子金属温度 转子热变形 两层波纹板蓄热转子由于存 在冷热两段 再加上自重下垂 而形成 蘑菇 状 变形 1 3空预器冷端金属壁温的控制原则与范围 据研究表明 对于燃用含硫量 Sar为 2 5 3 酸露点温度为 120 140 的煤粉炉 空 预器冷端金属壁温至少应大于水蒸气露点温度 20 即不应低于 80 当壁温在 70 以下 时 积灰和腐蚀速率呈 5 10 倍的较陡斜率增 加 当壁温在 80 90 时 积灰和腐蚀过程显著 减缓 空预器冷端金属壁温控制值与硫分的关 系如图 1 图 1空预器冷端金属壁温控制值与硫分的关系图 空预器的制造厂家通常根据不同的燃料特 性 预热器冷端的高度和材质等因素给出冷端金 属运行壁温的推荐值 一般为空预器进口风温 一次风与二次风相同并取一 与出口烟温 未修 正的排烟温度 之和的一半 考虑机组运行差异 实际控制值都应高于推荐值 5 暖风器出口风 温控制值与负荷的关系如图 2 图 2暖风器出口风温控制值与负荷的关系图 2暖风器运行经济性分析 2 1当地气象数据 据 1952 年 2007 年灵武当地相关气象分析 资料 55 年来灵武地区的年平均气温变化呈现逐 渐升高的趋势 大约在 9 附近 如图 3 近年 来 春季平均气温为 11 5 夏季平均气温为 22 4 秋季平均气温为 8 8 冬季平均气温 为 4 5 呈现出明显的暖冬现象 如表 1 图 3灵武站年平均气温变化曲线图 表 1灵武站各季节平均气温的年际变化 年份 春 3 5 月 夏 6 8 月 秋 9 11 月 冬 12 月 次年 2 月 1952 195910 622 79 0 6 1 1960 196910 922 59 0 6 3 1970 197910 322 08 5 5 9 1980 198910 321 78 4 5 6 1990 199910 822 09 0 4 9 2000 200711 622 48 8 4 5 2 2环境风温与锅炉效率的关系 实际运行中 由于一年四季环境温度的变 化 锅炉实际运行效率是有所变化的 环境风温 对锅炉效率的影响 主要取决于空预器吸收尾部 排烟热量的变化值 在冬季 环境风温低 在相 同负荷和煤质条件下 空预器在维持出口风温满 足运行要求下 换热温差变大 热交换量有所增 加 致使排烟温度降低 排烟热损失减少 锅炉效 率上升 在夏季 环境温度高 空预器换热温差 偏小 热交换量低于冬季 致使排烟温度升高 排 烟热损失减少 锅炉效率降低 不考虑暖风器温升 以 20 为计算基准 宁 东公司机组 TRL 工况下的锅炉效率设计值为 93 8 环境风温改变时 会影响空预器的传热工 况 因而排烟温度也会随之改变 这两个温度都 会影响锅炉排烟热损失 对于 600 MW 等级机 组 环境风温每升高 1 排烟温度升高 0 5 0 6 排烟热损失降低0 015 0 025 锅 炉效率 未修正 提高 0 015 0 025 按照 此项依据 宁东公司锅炉效率与环境风温的关系 如表 2 2 3暖风器运行经济性的实例计算 以宁东公司热力系统为实例 进行暖风器经 济性的计算与分析 宁东公司原则性热力系统 84华北电力技术NORTH CHINA ELECTRIC POWERNo 12012 采用三高三低一除氧方式 暖风器选用上海发电 设备成套设计研究院设计生产的疏水侧调节旋 转式节能型暖风器产品 一 二次风暖风器都为 双台配置 加热汽源取自辅汽联箱与五段抽汽 疏 水回收至凝汽器 具体的技术协议数据如表3 表 2环境风温与锅炉效率关系表 环境风温 锅炉效率 TRL 工况 11 5 春 93 97 20 设计 93 8 22 4 夏 93 752 8 8 秋 94 022 4 5 冬 94 29 表 3暖风器设备规范参数表 项目一次风暖风器二次风暖风器 型号GNWCS 1 6 350 480 GNWCS 1 6 350 1500 组装后总高度 mm800800 换热面积 m2480 1 500 进出口风温 15 27 14 23 空气侧阻力 Pa49 84 自暖风器蒸汽进口 至疏水调节阀出口 的总阻力 MPa 0 12 0 12 换热部件材料20G 铝20G 铝 重量 kg 4 0008 000 换热部件寿命 Y30 30 设计压力 MPa1 6 1 6 设计温度 350 350 接口尺寸 mm3 800 3 440 6 000 5 783 消耗蒸汽量 每 台 t h 1 4 4316 67 换热元件表面热浸 镀锌厚度 m 00 2 3 1暖风器运行对汽机热耗率的影响 暖风器投运时间主要为每年的 11 月份到第 二年的3 月份 约为5 个月的时间 根据近年来气 象资料显示 这一时段的平均温度约为 5 根据实际运行条件 现约定边界计算条件如下 1 加热汽源 辅汽 实际运行参数为 1 MPa 290 加热汽源 五段抽汽 实际运行参 数为 0 26 MPa 270 2 暖风器回水率按照 100 考虑 3 按冬季 THA 工况下平均排烟温度 128 计算 4 暖风器疏水温度按空预器最低金属壁 温80 考虑 那么暖风器出口调整风温为32 暖风器的温升范围就为 37 5 暖风器疏水温度按端差 3 考虑 即为 35 6 蒸汽耗量按暖风器设计值考虑 7 汽轮机冷端背压按 11 kPa 考虑 2 3 1 1无暖风器加热用汽的情况 无暖风器加热用汽时 反平衡热效率 1 排汽量 排汽焓 主汽流量 主汽焓升 再 热流量 再热焓升 1 1 159 23 2 586 1 918 2 200 1 634 28 620 0 427 42 7 热耗率 3 600 0 427 0 99 8 516 1 kJ kWh 2 3 1 2暖风器加热用汽取自辅汽联箱的情况 辅汽联箱由冷再汽源接带 在冬季 BMCR 工 况下 4 台暖风器耗汽量为 42 2 t h 并直接回收 至凝汽器 根据热平衡原理 42 2 t 二段抽汽减 少的做功为 42 2 二段抽汽焓 排汽焓 42 2 3 030 2 586 1 8736 8 kJ 冷源损失 减少为 42 2 排汽焓 疏水焓 42 2 2 586 147 102 925 8 kJ 供热损失为42 2 二段抽汽焓 回收疏水焓 42 2 3 030 147 121 662 6 kJ 可得 供热损失 做功减 少 冷源损失 有暖风器加热用汽时 反平衡热效率 1 排汽量 排汽焓 冷源损失减少 供热损失 主汽流量 主汽焓升 再热流量 再热焓 升 1 1 159 23 2 586 102 925 8 121 662 6 1 918 2 200 1 634 28 620 0 423 42 3 热耗率 3 600 0 423 0 99 8 596 6 kJ kWh 可见 暖风器投入后 热耗率升高 80 5 kJ kWh 按照 600 MW 等级超临界机组热耗率每变 化 100 kJ kWh 发电煤耗变化 3 5 g kWh 增加 发电煤耗近 2 82 g kWh 2 3 1 3加热汽源取自五段抽汽的情况 在冬季 BMCR 工况下 4 台暖风器耗汽量为 42 2 t h 并直接回收凝汽器 根据热平衡原理 42 2 t 五段抽汽减少的做功为 42 2 五段抽汽 焓 排汽焓 42 2 3 009 2 586 17 850 6 kJ 冷源损失减少为 42 2 排汽焓 疏水焓 42 2 2 586 147 102 925 8 kJ 供热损失为 42 2 五段抽汽焓 回收疏水焓 42 2 94No 12012华北电力技术NORTH CHINA ELECTRIC POWER 3 009 147 120 776 4 kJ 可得 供热损失 做功减少 冷源损失 有暖风器加热用汽时 反平衡热效率 1 排汽量 排汽焓 冷源损失减少 供热损失 主汽流量 主汽焓升 再热流量 再热焓 升 1 1 159 23 2 586 102 925 8 120 776 4 1 918 2 200 1 634 28 620 0 424 42 4 热耗率 3 600 0 424 0 99 8 576 3 kJ kWh 可见 暖风器投入后 热耗率升高 60 2 kJ kWh 按照 600 MW 等级超临界机组热耗率每升 高 100 kJ kWh 发电煤耗增加 3 5 g kWh 增加 发电煤耗近 2 1 g kWh 2 3 1 4小结 投入暖风器运行会造成热耗率升高 选用五 段抽汽可比辅汽联箱汽源节省发电煤耗 0 72 g kWh 2 3 2暖风器运行对锅炉效率的影响 暖风器投运对锅炉效率的影响主要分为两 个方面 一方面是暖风器投入后导致排烟温度 升高而引起锅炉效率的降低 另一方面是暖风器 投入后导致锅炉输入热量增加而引起锅炉效率 的升高 锅炉效率降低部分 j ty tpy ty tk tk k 1 式中ty 进入预热器的烟气温度 tpy 暖风器投入前的锅炉排烟温度 tk 不投暖风器时预热器进风温度 t k 暖风器风侧温升 k 排烟温度每变化1 的热损失修正 值 烟煤取 0 54 10 3 以宁东公司为例 j 1 3 锅炉效率升高部分 s qf 1 g 1 qf 2 式中qf 暖风器的单位吸热量 qf 3 5 104 tk 1 6War Qnet ar 为空预器入口过量 空气系数 取 1 25 War为燃料收到基水分 取 13 Qnet ar为低位发热量 取 18 840 kJ kg qf 0 016 2 g 锅炉效率 取 93 5 以宁东公司为例 s 0 1 所以暖风器运 行对锅炉效率的影响值为 s j 0 1 1 3 1 2 按照 600 MW 等级超临界机 组锅炉效率每降低 1 发电煤耗增加 3 2 g kWh 增加发电煤耗近 3 84 g kWh 3暖风器优化运行途径 从热力过程经济性角度来讲 暖风器运行是 不节能的 设置并投运暖风器完全是为了保证空 预器的安全稳定运行 某种意义上是在保障安全 效益 但开展暖风器全过程优化 从设计 制造 安装 运行 维护 控制等方面挖掘并治理暖风器 系统耗能点 最大限度地提高暖风能源利用率 仍具有十分宝贵的现实意义 3 1暖风器本体优化 暖风器本体优化主要目的在于提高本体运 行可靠性 经济性 从结构设计 传热设计 应用 设计等方面增强合理性 例如针对暖风器泄漏 堵灰 水击等问题 从部件热胀冷缩 疏水畅尽 提高风速 优化管束型式 改善抗沾污性能 积灰 清除 提高有效换热面积 降低流动阻力等方面 不断改进 3 2暖风器测控优化 实际运行中应安装在线烟气分析仪 酸露点 仪和无线温度传感的旋转体测温装置 综合相关 参数进行分析计算 确定周期性的在线酸露点数 据 为实时测量 控制空预器冷端综合温度提供 技术依据 开发先进的仿真及专家控制系统 根据锅炉 负荷变动情况 协调暖风器出力与锅炉排烟温度 的数值匹配 在空预器冷端寿命状态保持最佳的 前提下 始终维持能耗最小状态运行 3 3新型防腐材料优化 随着环保排放要求的不断严格 空预器前脱 硝装置的投入已成为强制性工作 空预器的防腐 压力进一步增大 尤其冷端的防腐将面临更大的 挑战 目前在空预器冷端选用搪瓷型传热元件 已成为首选措施 搪瓷防腐的代表工艺现有静电搪瓷和湿法 搪瓷两种 其中一次静电搪瓷工艺的优势比较 突出 主要有 1 对基材钢板的边缘包裹率可达到 95 以上 大大避免了从钢板边缘开始焦边腐蚀的发 生率 下转第 57 页 05华北电力技术NORTH CHINA ELECTRIC POWERNo 12012 4结论 1 励磁系统并网信号通常不引人关注 但 是一旦信号错误将会对机组及励磁系统产生诸 多不良影响 负载运行中一旦并网信号丢失 如 果运行工况允许 则调节器仍可维持正常工作 励磁系统不会发出任何报警 在无任何征兆情况 下埋下事故隐患 发电企业相关技术人员应予 以重视 2 并网状态信号有误时 对发电机励磁控 制系统的影响分为两种情况 即空载时误判并网 和负载时并网信号消失 建议相关技术人员针 对自身系统特点作出相应事故预案 并对运行 检修工作人员进行培训 3 变压器空载涌流现象一般是不可控但 可防的 即可以通过一些措施躲过 例如在机组 大 小修等启动前 临时调整励磁调节器启动目 标至一小值 并减慢升压的速率 逐渐增加电压 至额定 可有效防止变压器空载涌流 相较而言 电流判别型的并网信号更可靠 建议励磁厂家设 计者使用发电机定子电流做为并网信号主判据 4 本文两起故障中 A 机为调节器正常反 应 但 B 机调节器有异常表现 究其原因为现场 工况超出励磁系统设计的逻辑限制 这给励磁 设备设计者以启示 软件设计中需综合考虑非正 常状态对调节器的影响 加强调节器主环与各辅 环间配合 闭锁 切换等逻辑的合理性 强化调节 器在各种工况中能合理反应 维持机组安全运 行 保障电网稳定 参考文献 1 李基成 现代同步发电机励磁系统设计及应用 M 北京 中国电力出版社 2002 2 王庆跃 孙新良 300 MW 汽轮发电机励磁机断轴事故 分析 J 华中电力 2006 5 3 李邦云 杨东 袁贵川 基于小波变换的变压器励磁涌 流识别 J 电网技术 2006 S2 收稿日期 2011 05 20