超_超_临界机组锅炉启动初期过热器管壁超温研究

1、2012 年 6 月Journal of Shanghai University of Electric Pow erJune 2012文章编号: 1006 4729( 2012) 03 0229 04超 ( 超 ) 临界机组锅炉启动初期 过热器管壁超温研究 浩1 ，冯伟忠2葛( 1 上海电力学院，上海 200090; 2 上海外高桥第三发电有限责任公司，上海200137)摘 要: 分析了锅炉启动初期过热器的超温机理及影响因素，研究了不同启动方式对过热器壁温的影响，并通过启动试验研究了蒸汽加热启动方式下的过热器壁温状况，以提高机组的安全性关键词: 超( 超) 临界机组; 锅炉启动; 过热器;

2、超温中图分类号: TK223 33 + 2文献标志码: AResearch of Tube Wall Over-Temperature on Superheaterfor Boiler of Ultra Supercritical Unit at Initial Stage of Start-upGE Hao1 ，FENG W ei-zhong2( 1 Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2 Shanghai Waigaoqiao No 3 PowerGeneration Co Ltd ，Shanghai 2

3、00137，China)Abstract:The mechanism and influence factors of superheater overheating at initial stage of boilerstart-up are analyzed The influence of different start-up mode on superheater tube temperature isresearched，and how to improve the condition of the superheater tube temperature and improve t

4、he operation safety of the unit by adopting the steam heating start-up mode is analyzed in detailKey words:ultra supercritical unit; start-up;superheater; over-temperature随着电厂机组单机容量的不断增大及大型超( 超) 临界机组在电网中所占比重的不断升高，这 些机组的 安 全 运行成为影响电网安全的关键环 节 我国 60% 以上的火电机组停运故障发生在锅 炉侧，且大多是由于锅炉四管泄漏所引起 机组启 动阶段工况变化相当复杂，受

5、热面很容易出现超 温，并在受到冷热冲击后出现氧化皮集中脱落，导 致管道堵塞，甚至发生爆管 因此，如何在机组启 动阶段防止受热面超温成为减少电厂停机故障的 主要途径1超温原因分析1 1超温机理过热器吸收烟气的辐射热和对流热，再 将 热量传递给管壁内的蒸汽，因此炉侧烟气量的增加 和烟温的提高，均会使壁内的蒸汽温度升高 在管 壁内蒸汽的流量和进口温度不变的情况下，管壁 内蒸汽温度的升高可能会引起受热面超温 相同 原理，在锅炉燃烧程度保持不变的情况下，管壁内收稿日期:2011 10 17通讯作者简介: 葛浩( 1988 ) ，男，在读硕士，山东菏泽人 主要研究方向为超超临界发电技术 E-mail: g

6、ehao2006126 com230上 海 电 力学 院 学 报2012 年工质流量的减少和饱和温度的变化等也会引起管壁超温1 在锅炉点火启动初期，水 冷 壁 入 口 水 温较低，此时炉水升温速率不超过 1 5 / min，而 在水冷壁出口达到饱和之前，过热器中没有蒸汽流动，一直处于干烧状态，如果烟气温度过高，过热器就很容易出现超温 此外，在传热量相同的情 况下，受热面内壁的氧化皮增加了热阻，这将升高 壁温，并导致氧化速率的增加余旋流，由于烟气宏观流向和残余旋流的相互作用，在水平烟道内会出现烟速梯度，而烟速偏差会 引起烟温偏差，烟速高的地方烟温高; 但是对于塔 式炉来说，外围旋转的部分烟速高，

7、中心部分烟速 低，而外围的烟温要低于中心部分1 2 3 水塞锅炉点火启动前及启动过程中，在过 热 器 和 再热器中尚存的积水或凝结水，称为水塞，这一现 象主要出现在 U 型布置的受热面底部 当对流受 热面中开始出现蒸汽流动时，流量较小，该受热面 前后联箱压力差不足以将积水排出，使得对流受 热面处于局部干烧状态，由于这部分积水蒸发需 要吸收汽化潜热，蒸发时间较长，而管道由于得不 到充分冷却就会出现超温1 2影响因素分析1 2 1给水流量和给水温度在直流锅炉启动初期，需要建立最低 给 水 流 量，并通过启动分离器疏水阀将未汽化的水回收 在炉内燃烧不变的前提下，增大给水流量，会使进 入水冷壁的水温下

8、降，水冷壁内的产汽量减少，同时使分离器疏水带走的工质和热量损失增大，且 通过对流受热面的蒸汽量也会减少，从而使过热 器的冷却能力降低，壁温升高 对于采用炉水循环 泵启动的锅炉，启动阶段也需要进行热态清洗，因 此分离器疏水不可避免，其给水流量的变化与上述过程相似锅炉点火时的给水温度越高，水冷壁 出 口 达 到饱和所需的时间就越短，即过热器处于干烧的 时间越短，这使得过热器超温的可能性降低，安全 性提高; 水冷壁出口达到饱和之后，在给水流量和燃烧负荷等不变的情况下，提高给水温度，水冷壁 内产汽量就会增加，过热器中蒸汽流量也会增加， 同时过热器的冷却能力增强，过热器壁温降低1 2 2烟气温度过热器吸

9、收烟气的辐射热量和对流 热 量，同 时管内蒸汽对过热器进行冷却，当过热器中无蒸 汽流动时，过热器就变成了一个蓄热体，吸收的烟 气热量除了向炉膛金属散热外，都变成了温度的 增量; 当水冷壁中的水被加热到饱和并开始产汽时，由于蒸汽量较小，蒸汽所能携带的热量较少， 对过热器的冷却能力较低，过热器同样被认为是 处于干烧状态，因此在锅炉启动初期，烟气温度对 过热器管壁温度影响较大采用不同的点火方式，炉膛内的燃烧 情 况 就会不同，而锅炉的送风温度、送风量，以及煤粉细 度也会影响炉内的燃烧环境，进而影响过热器处 烟气的温度 此外，烟速高的地方传热系数高，容 易超温，对于 型 炉，在烟道转弯的地方会有残 氧

10、化皮1 2 4由于氧化皮的导热系数低 于母管的导热系 数，当受热面内壁生成氧化皮后会增加导热热阻， 在同等传热量的情况下其管壁温度将会升高，并2进一步加快氧化速率 有氧化皮存在的管壁结构如图 1 所示注: 1 ，3 外壁 锈 层 和 内 壁氧化皮的厚度; 2 基 本 厚 度;t1 外壁表面温度; t2 外壁锈层与基体 材 料 界面上的温 度; t3 内壁氧化皮与基体材料界面处的温度; t4 内壁氧 化皮与蒸汽界面的温度图 1 有氧化皮存在的受热面管子导热温度梯度示意由导热方程可知，当内外界面间处于 稳 态 传热时，通过各层间的热流量相等，假设外壁锈层和 内壁氧化层的导热系数相等，则有:1 +

11、32t1 t4 = q(+)( 1)02式中: 0 外 壁锈层和内壁氧化层 的 导 热 系数 ;2 管材导热系数;葛 浩，等: 超( 超) 临界机组锅炉启动初期过热器管壁超温研究231q各层间的热流密度当内壁无氧化皮时，内外壁温差为:大大加快了管子的氧化速度，严重时会出现快速高温氧化 当冷的蒸汽进入受热面时会造成内壁 收缩，容易出现氧化皮的集中脱落，同时锅炉启动 初期蒸汽流量较小，氧化皮不容易被带出管道而 出现囤积，管道被阻塞后流动阻力增大，其冷却能 力下降，严重时会发生爆管2 t1 t4 = q ; t4 = t4 ( 2)2式中: t1 无氧化皮时外壁表面温度;t4 无氧化皮时内壁表面温度

12、假设内壁的水蒸汽温度均匀，在导热 量 相 同 时，由于氧化皮存在而引起的管子外壁表面温升为:2 3蒸汽加热启动方式上海外高桥 3 期工程采用首创的蒸汽加热启动方法，在启动初期用邻机抽汽对给水进行加热， 同时对锅炉进行整体预加热，使锅炉在点火时处 于“热炉、热 风”的 热 环 境 该启动方式不需要对 传统的点火设备进行改装，系统简单且实施容易，在提高运行安全的基础上简化了运行操作，大幅降低了启动成本，为启动阶段的安全运行创造了1 + 3( 3)t1 = t1 t1 = q0同理，由内壁氧化皮引起的内壁表面温升为:3 t4 = t4 t4 = q 则管壁平均温升为:( 4)0t1 + t41 +

13、2 3 t =5( 5)= q良好条件220蒸汽加热启动法的水冷壁流量分布 均 匀，其中采用的低 流 量 ( 15% BMCR) 疏 水 启 动 技 术，在 减少启动功耗、降低启动损失的同时，增加了单位 工质的吸热量，提高了过热器的冷却能力，避免了过热器的超温通过邻机的冷再热蒸汽将给水加热到对应饱 和温度( 230 250 ) 的同时，给水及汽水分离器 出口的蒸汽对省煤器、过热器和再热器进行了预 加热，因此当风机投运时，对流受热面( 特别是省 煤器) 成 为 一 个 巨 大 的“暖 风 器 ”，提 高 了 排 烟( 风) 的温度，“烟气”通过空气预热器对锅炉送风 进行加热，提高了送风温度，使炉

14、膛的燃烧条件大为改善，并显著提高了锅炉的启动安全性蒸汽加热启动方法彻底杜绝了锅炉点火启动 初期水冷壁尚未进入饱和态前的过热器、再热器承受的“干 烧”现 象6 点 火 时，由于对流受热面 已预热均匀，工质经过汽水分离器后，对流受热面中已有蒸汽流动，因此不会出现超温现象 随着燃料量的增加，受热面壁温随时间呈单值上升趋势， 不会出现壁温先升后降的情况由式( 5) 可 以 看 出，氧化皮的存在增加了管 壁温度2启动方式对过热器壁温的影响2 1传统燃油点火启动方式机组启动初期，锅炉处于冷态，对其加热时需要控制升温升压速率，以防止升温升压速率过快 对锅炉部件造成应力损伤 采用传统油枪点火方 式启动时，升温

15、升压速率较容易控制，且油枪火焰较短，炉膛出口处烟温不会太高，同时由于燃烧强 度低，点火时间长，对流受热面内的积水可以被逐 渐烘干，而不会影响对流受热面的安全，但是该启 动方式的耗油量较大，启动经济性较低2 2微油或等离子点火启动方式采用微油或等离子点火方式可以减小启动油耗，但是会大大降低启动的安全性3，4 等离子和 微油点火时需要保证最小的煤粉量，且投粉以后燃烧强度较大，不可避免地会产生很大的热冲击此外，点火初期煤粉燃尽率低，燃烧程度不易控 制，炉膛内容易发生爆燃，且飞灰含碳量过高，尾部烟道易出现二次燃烧，从而危害锅炉安全等离子和微油点火时，粉煤燃尽率低 会 导 致 火焰拖长，火焰将直接冲刷对

16、流受热面，而此时水 冷壁尚未进入饱和态，无蒸汽产出，过热器和再热器处于干烧状态，极易使受热面管子迅速超温，这3启动试验研究机组介绍3 1上海外高桥第 3 发电厂 7# 机组锅炉为 1 000MW 超超临界压力参数变压运行螺旋管圈直流锅 炉，单炉膛塔式布置形式，一次中间再热，四角切232上 海 电 力学 院 学 报2012 年圆燃烧，平衡通风，固态排渣，全钢悬吊构造，露天布置 采用中速磨煤机的正压直吹式制粉系统 锅 炉上部沿着烟气流动方向依次分别布置有 1 级过 热器，3 级过热器，2 级再热器，2 级过热器，1 级再 热器，省煤器锅炉采用邻机蒸汽加热启动系统，取 消 了 炉 水循环泵 在完成锅

17、炉进水和循环清洗后，由通入 除氧器的辅汽加热给水至 90 并向锅炉供水，直 到锅炉分离器疏水箱的水温达到 90 ，其中大部分给水返回给水箱 通过抽汽管道阀门调节进入7# 高压加热器的抽汽流 量，以控制锅炉金属壁温 的温升速率( 4 5 / min) 由汽水分离器分离 出的疏水依次经过汽水分离器疏水箱、扩容器、扩容器疏水箱、扩疏泵后被泵入虹吸井，直至水质合格 品质较好的水可以从扩容器疏水箱回收至凝 汽器，当达到进入除氧器的要求时，扩容器疏水箱 内的疏水才可以排入除氧器，用来回收热量 一旦 疏水可以回收，给水就形成回路，在不断循环的过 程中，锅炉壁温从 90 一直加热到 250 ，此时 锅炉开始点

18、 火 旁路系统中配置了容量为 100% BMCR 的高压旁路，该旁路兼作锅炉高压安全门， 低压旁路容量为 65% BMCR，另配置 100% BMCR 再热安全门min 机组带负荷运行的时间段内过热器管壁的温度变化 图 2 为启动阶段 3 级过热器的烟温变化 曲线; 图 3 为启动阶段 3 级过热器的壁温变化曲 线图 2 3 级过热器烟温变化图 3 3 级过热器壁温变化从图 2 和图 3 可以看出，通过蒸 汽 加 热 启 动方式，在不投入燃油的情况下 3 级过热器壁温被 加热到 235 ，同 时 炉 膛 烟 ( 风 ) 温 维 持 在 225 ，此时锅炉各部件已充分预热，进 行 油 枪 点 火

19、 后，烟温迅速上升，而管壁温度也逐渐升高 由图2 可以看出，在 14 min 后烟温出现先升后降然后 再升的情况，这是由于油枪已不再增加投入，而是 保持 4 层油枪，此时蒸发量逐渐增加，给水量也随 之增加，水冷壁的吸热量也会增加，在加热量不变 的情况下，炉膛出口的烟温下降，过热器管壁的升 温速率减缓，直 至 27 min 时 开 始 投 煤 粉，烟 温 继 续上升启动过程中过热器的最高温度为 530 ，而3 级过热器管材允许的最高温度为 700 ，没 有 出现超温的情况，说明了蒸汽加热启动方式的安 全性由图 3 可 以 看 出，在 11 min，以 及 50 100 min 出现了两次温度波动

20、，其原因有如下两个: 一 是 11 min 时开启旁路阀，使过热器中出现蒸汽流 动，对管壁产生冷却作用，但此时的蒸汽量较小， 对过热器的冷却能力较低; 二是 50 min 时采用了( 下转第 237 页)3 2试验过程锅炉启动试验过程中，监测炉膛出 口 3 级 过热器管壁温度和炉膛出口烟温的变化规律 考虑 到炉膛出口处烟温最高，受热面换热条件最为恶 劣，因此将过热器壁温和烟温测点选择在炉膛出 口 3 级过热器底部下弯头处，沿炉膛宽度方向分 布在第 3，7，11，14，17 排，分别布置 5 个壁温测点 和 5 个烟温测点，测量 3 级过热器的管壁温度和 烟气温度壁温测 点 采 用 0 5 mm

21、 镍 铬-镍 硅 热 电 偶 丝，并将其焊接在管壁上 为了使热电偶丝不被磨 损，并增加测量的准确性，在热电 偶 丝 上 下10 cm 内的管壁上进行防磨喷涂处理，喷涂层厚度为0 5 mm，使热电偶丝全部埋入喷涂 层 内，并 在 管 道 外 壁进行圆滑过渡处理，使喷涂处的管道外表面基 本平整，不致于造成管子的局部磨损3 3试验结果分析以锅炉点火为时间零点，研 究 从 点 火 到 122苏毅康，等: 纹理分析在电厂锅炉汽包水位监视中的应用237J 自动化仪表，2008，29( 6) : 1-8蔡皓，于向军，吕震中 锅炉汽包水位数字图像处理算法 研究J 锅炉技术，2005，36( 1) : 16-1

22、9DAUGMAN J G An information-theoretic view of analog representation in striate cortex C / / Computational Neuroscience Cambridge: MIT Press，1990: 403-423FAFAEL C Gonzalez，RICHARD E Woods Digital imageprocessing second editionM 北 京: 电子工业出版社，2002: 672-675李弼程，彭天强，彭波，等 智能图像处理技术M 北京: 电子工业出版社，2004: 44-45杨

23、辉，张涛，胡栋 压缩域 DCT 系数对图像视频检索的影 响J 南京邮电学 院 学 报: 自 然 科 学 版，2004，24 ( 1 ) :31-39张宏林 Visual C + + 数字图像模式识别技术及工程实践M 北京: 人民邮电出版社，2003: 231-232董宜敏，于向军 图像处理技术在汽包水位监视中的应用J 测控技术，2003，22( 10) : 11-13( 编辑 苏 娟)5结语5本文将图像处理中常用的纹理分析方法应用到汽包水位监视中的水位计定位之中，通过两次 定位，能够准确得到水位计所在的区域 实验结果 表明，该方法对水位计的区域定位具有较好的效 果，并具有较强的可操作性678参

24、考文献:1计长安，张秀彬，赵兴勇，等 电厂改造中图像处 理 和 模糊控制的应用研究J 高电压技术，2007，33 ( 11 ) : 234-239王春莹 某电厂输煤程控系统及工业电视的应用J 科 技情报与开发，2009，19( 32) : 217-218 曹雪，于向军，吕震中，等 火电厂数字图像计算 机 监 控 系统的设计与应用J 江 苏 电 机 工 程，2004，23 ( 1 ) : 8-10张玲芳，杨平，应启戛 电站锅炉汽包水位测量研究进展92103114檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿( 上接第 232 页)带旁路交替清洗技 术，主 蒸 汽 流 量 达 到 900 1 000 t / h，主蒸汽温 度 达 到 450 另 外，采 用 带 旁路交替清洗技术可在汽轮机启动前尽可能地剥 离管道内的氧化物，并将已剥落的氧化皮和颗粒 物等全部送至凝汽器，以防止汽轮机叶片出现固 体颗粒侵蚀现象本次启动从锅炉点火到发 电机并网只用时 122 mi