超临界锅炉汽温变化的实验研究

超临界锅炉汽温变化的实验研究

联邦锅炉的特点是，联邦锅炉比较复杂，更容易改变和控制联邦锅炉。关于超临界锅炉汽温特性的专门研究资料尚未见到。本文探索了几种采用最新引进技术设计的600MW超临界锅炉的汽温变化规律。因为设计技术不同,这些锅炉采用不同的炉型结构、受热面布置以及调温方式。根据实际数据定量分析了它们的汽温特性的共性,提出了几点重要的结论,并论证了结论的合理性。根据理论分析和逻辑推理,对玉环电厂1000MW超超临界锅炉独特的汽温调节方式进行了研究,得到了具有实用价值的结论。1超标准锅炉的蒸汽特性1.1汽温调节方式确定超临界锅炉过热器系统采用辐射+对流型式,以辐射为主。主汽温调节以煤水比为主,减温水为细调。再热器系统以对流为主,当采用烟气挡板调温时,为纯对流特性;当采用摆动式燃烧器调温时,为辐射+对流特性,但以对流为主。而玉环电厂1000MW超超临界锅炉的汽温调节除了煤水比之外,也采用烟气挡板调温,联合采用摆动式燃烧器和减温水的多种调节方式。这种调节方式利用了摆动式燃烧器和烟气挡板调节特性的“互补”作用,可以大幅度减少过热器系统的减温水量。沿烟气流程的受热面为:分隔屏过热器→后屏过热器→高温过热器→高温再热器→尾部双烟道前部为低温再热器和省煤器,后部为低温过热器和省煤器。1.2对再热汽温特性的探讨对4种不同设计的600MW超临界锅炉的数据分析结果表明:①超临界锅炉的过热汽温特性与亚临界参数锅炉不同。主要区别为:超临界锅炉过热汽温特性为辐射特性,且屏式过热器和位于炉膛出口的高温过热器的吸热起主导作用。例如,Q电厂600MW超临界锅炉过热器系统在100%ECR时的主蒸汽温升为123℃,其中屏式过热器的蒸汽温升为64℃,折焰角上部的高温过热器蒸汽温升为43℃。②再热器系统的汽温特性主要表现为对流特性,即主要取决于调温方式和受热面系统布置,与亚临界锅炉类似。图1、图2分别给出4个电厂不同型式600MW超临界锅炉的主蒸汽和再热蒸汽的每kg蒸汽吸热量与负荷的关系。由图1可直观看到:采用烟气挡板调温的锅炉(X、Q、B电厂)和采用摆动式燃烧器调温的锅炉(C电厂)的过热器系统具有相同的吸热特性,即都是辐射特性,而且数值亦十分相近。假定随负荷增加,呈对流特性的过热器系统的吸热量不减反增,则需要降低水煤比,意味着需要增加燃煤量。这显然会导致系统吸热的增加,致使主汽温过度升高,从而被迫大幅度增加减温水量,导致省煤器和水冷壁中工质流量减少,中间点温度升高,进一步被迫增加减温水量,致使锅炉进入恶性循环的运行状态。因此可以得出结论:超临界锅炉主汽温变化主要呈辐射特性既是必然的,也是合理的。由图2可见:不同型式的超临界锅炉再热器系统吸热特性基本相似,即以对流为主。但理想的汽温特性是在较大的负荷范围内实现再热汽温的稳定。再热汽温的变化特性主要取决于调温方式和受热面系统布置。对于采用烟气挡板调温的锅炉,再热汽温的变化特性也与煤质有着极大的关系。2影响初始环境锅炉的加热性能的主要因素2.1锅炉水煤比对主导地位的影响超临界锅炉以水煤比作为主汽温的主要调节手段,首先是以炉膛换热的能量平衡为基础,为了提高水煤比的调节效果,过热器系统的吸热特性必须是以辐射为主,即根据水煤比变化特性决定系统的吸热特性。图3是各种锅炉水煤比的变化。图3显示:在低负荷时,水煤比降低。这主要是因为低负荷时,给水温度较低,单位质量工质所需的吸热量增加,按能量平衡关系需要增加燃料量,而高负荷时正好相反。2.2调温电导剂为水调温采用烟气挡板调温的锅炉,当负荷下降时,再热器侧挡板开度增大,而过热器侧挡板开度减小,即过热汽温与再热汽温为反向调节。而采用摆动式燃烧器调温,随燃烧器摆角向上变化,过热汽温与再热汽温为同向变化,即为同向调节。可见,两种调节方式联合使用对过热汽温的调节可以起“互补”效果。虽然,这种调温方式比较复杂,但具有独到优势。图4给出了这一调温方式的技术优势分析图解。结论:这种调温方式可使超临界锅炉的设计和运行调节特性以及高级合金材料的利用都达到优化状态。600MW锅炉的运行表明:烟气挡板对再热汽温的调节范围可达到40℃,但动态响应速度慢,调节动作后一般需要10min左右才能达到目标值。因此,必须配合喷水减温控制汽温,尤其是严格控制屏式过热器的汽温,避免超温和汽温波动。即便是采用烟气挡板与摆动式燃烧器配合调温,也必须采用少量喷水减温作为快速响应调节和精确调节。2.3过热器汽温特性变压运行的超临界锅炉一般在63%MCR负荷以下处于亚临界压力范围内运行。当压力由20MPa降低至10MPa时,汽化潜热由585kJ/kg增加到1315.8kJ/kg,饱和温度由365.7℃降低至311.0℃。此时水冷壁中工质温度随的吸热量增加基本不变,汽温变化特性主要取决于过热器系统吸热特性和运行压力。在63%MCR负荷以上进入超临界压力范围内运行时,主汽温度除了随运行压力变化外,还要随工质热物性和中间点温度变化,而后两者对主汽温的影响更大。即随压力提高,工质的定压比热降低,例如:压力为22.5MPa的拟临界温度为375℃,最大定压比热为88.64kJ/(kg℃);压力为30MPa的拟临界温度为402℃,最大定压比热为26.53kJ/(kg℃)。即随运行压力提高,中间点温度升高,定压比热大幅度减小;同时,过热器中蒸汽温度已远高于比热最大的拟临界温度,定压比热进一步减小。图5给出Q电厂600MW锅炉屏式过热器蒸汽温度及比热与下辐射区出口工质温度(接近拟临界温度)及比热的比较。可见,屏式过热器吸热量的少量增加都会引起蒸汽温升的大幅度提高。2.4中间点温度的控制影响中间点温度的因素很多,除了水煤比以外,省煤器进口水温、煤质成分和燃烧特性变化、燃烧调节、运行压力、省煤器和水冷壁的积灰和结渣程度、摆动式燃烧器的调节特性、减温水量的变化、制粉系统与汽水系统的动态耦合特性等因素都会影响中间点温度。中间点温度的控制原则是保持15℃的微过热度,以避免过热器带水和超前信号失效。中间点温度过高,水冷壁出口管段成为过热器,危及水冷壁的安全运行。根据南京热电厂超临界锅炉的经验数据,中间点温度每变化1℃,低负荷时对过热汽温的影响达10℃,高负荷时的影响大约为5℃。不同的超临界锅炉,这些数据的变化未必相同,但变化趋势应该一致。2.5u3000气激励锅炉减温水图6给出2个电厂不同炉型的一、二级减温水量的变化。由图可见:2台锅炉虽然采用不同的调温方式,但减温水量的变化趋势却完全一致。其中采用烟气挡板调温的锅炉(Q),减温水量的变化趋势与亚临界锅炉相同。但对于摆动式燃烧器调温的锅炉(C),减温水量的变化趋势与亚临界锅炉相反,即摆动式燃烧器调温的亚临界锅炉在100%负荷时的减温水量理想值应该为0。这也说明以水煤比为主的调节方式决定了超临界直流锅炉的汽温调节特性,虽然过热汽温的变化也受燃烧器摆动的影响。不过,当减温水量过大时,中间点温度和各级过热器的汽温均会受到不同程度的影响,从而影响汽温特性。2.6汽水系统参数设置煤质变化会导致水煤比变化,并改变燃烧工况以及汽水系统受热面的辐射、对流传热比例。这会既影响中间点温度,又直接影响过热器吸热特性,从而影响汽温特性。3超出锅炉的蒸汽温度控制3.1稳定负荷下的汽温控制超临界锅炉运行中的汽温控制应首先根据煤质特性调整水煤比,控制中间点温度。3.2汽温控制分析超临界锅炉启动过程中容易发生超温现象,因为启动过程中容易发生燃烧不完全现象,导致燃烧放热量减少,水冷壁的辐射传热量减少,炉膛出口烟温不正常升高。且此时蒸汽压力低(一般在10MPa左右),定压比热小,导致屏式过热器和对流受热面中每kg工质的吸热量增加,出现主汽温度上升过快的现象,从而使主汽温度难以控制。沁北电厂600MW超临界锅炉启动初期出现过多次屏式过热器和高温过热器超温现象,尤其是在机组并网期间,主蒸汽压力为7MPa左右时,屏式过热器及高温过热器温度都达到560℃,影响了汽机的冲转及锅炉的升温升压。超临界锅炉启动过程中的汽温控制比正常运行时更为复杂,最关键的是要控制屏式过热器和折焰角上部的高温过热器的汽温。因为启动期间蒸汽参数变化大而流量比较低,必须严格控制燃料投入速度和及时调整燃烧工况,同时需要控制启动系统的疏水量,因疏水量过大会导致给水量增加过快,蒸发量快速降低;同时疏水量过大会导致工质热量损失过大,促使蒸发量进一步降低;为了维持蒸发量,被迫提高燃料投入速度,由此引起过热器超温。3.3分离器的温度调整此阶段为锅炉由启动过程转入纯直流运行的过渡阶段,处于定压运行。初始,分离器出口为饱和蒸汽,并未达到微过热状态。应增加燃料量,提高蒸汽的过热度。当分离器出口的蒸汽温度达到具有15℃的微过热度时,分离器转变为干态运行,分离器出口工质温度作为调节汽温的导前温度。如果水冷壁出口工质处于湿蒸汽区时,中间点温度变化不大,对水煤比调节的参考作用消失,需要控制燃料量,并注意控制屏式过热器的蒸汽温度,及时调节减温水量。3.4工质温度对于燃烧的影响变压运行的超临界锅炉在跨越临界压力或在临界压力附近,工质状态和工质物性变化最大。此时由于工质的大比热特性,会出现即使燃烧量变化较大,但水冷壁出口工质温度变化不大的现象,从而出现本文2.3和2.4章节的情况。因为此时水冷壁下辐射区出口工质温度接近374.15℃,可以设定为水煤比调节的导前信号,并及时调节减温水,实现汽温的提前控制和精确控制。4再热汽温调节方式对于不同调温方式的超临界锅炉,过热器系统的传热特性主要表