锅炉主蒸汽温度偏低的诊断与解决

锅炉主蒸汽温度偏低的诊断与解决

近年来，随着核电站、风能和太阳能的发展，煤炭消费占第一能源总消耗的比例呈下降趋势，但煤炭消费约占中国一次能源消费的70%，且煤炭消费量逐年上升10%以上。煤炭消费结构中,有一半左右用于火力发电。随着我国经济迅速发展,煤炭供求矛盾日益突出,电厂燃煤供应紧张,很多电厂燃用煤种严重偏离原设计煤种,因此出现了燃烧稳定性变差、燃烧器烧坏、主蒸汽温度偏离设计值、无法带满负荷、严重结焦等问题。本文就某电厂125MW机组在燃用煤种变化后主蒸汽温度偏低的问题进行了诊断分析,提出了解决方案。1锅炉的设计参数和运动中的问题1.1锅炉及主流程设计研究的锅炉为某电厂SG-420/13.7-W756型超高压中间再热自然循环锅筒炉,设计燃用烟煤,配上海汽轮机厂125MW机组汽轮机。锅炉为平衡通风,露天布置,固态排渣,钢筋混凝土构架;炉膛接近于正方形,宽9600mm,深8840mm,宽深比为1.086;炉膛四周由ϕ60mm×7mm节距为80.5mm的光管与扁钢焊接而成的膜式水冷壁,炉膛布置有20只吹灰器;炉膛上部布有屏式过热器,水平烟道布有对流过热器和高温再热器,竖直烟道内布有低温再热器、省煤器;过热蒸汽采用两级喷水减温,再热蒸汽设计有微量喷水减温和事故喷水减温。锅炉主要设计参数如下:过热蒸汽流量D1=420t/h过热蒸汽压力P1=13.7MPa(表压)过热蒸汽温度t1=540℃再热蒸汽流量D2=350t/h再热蒸汽压力P2(进/出)=2.62/2.44MPa(表压)再热蒸汽温度t2(进/出)=324/540℃给水温度tgs=240℃排烟温度Qpy=135℃预热器出口风温tr=305℃锅炉计算效率η=91.74%锅炉采用中间储仓式钢球磨煤机制粉系统,乏气送粉。燃烧方式为四角喷燃切圆燃烧,均等配风,一次风喷嘴分为三层,均为上下浓淡喷嘴,喷嘴周围设有周界风。二次风喷口分五层,采用均等配风。一二次风喷嘴均由耐热耐磨铸钢及不锈钢板制成。锅炉设计燃用煤种参数如表1。1.2主蒸汽温度偏低机组投运后,锅炉运行正常,汽水参数能够达到设计值。但近几年,由于煤源紧张,电厂来煤不稳定,品质变化较大,而且多为混煤,着火燃烧特性变化较大,使得锅炉蒸汽温度偏低,特别是主蒸汽温度偏离设计值较多。在燃用煤种与设计煤种偏差较大时,主蒸汽温度甚至降到520℃以下,严重影响机组的经济性。针对上述问题,采用了提高运行氧量、增大上层一次风给粉量,调整配风等手段提高主汽温度,取得了一定效果,特别是通过运行氧量和各层给粉机给粉比例的调节效果明显,但主蒸汽温度不能稳定在设计值。2燃烧系统优化为分析该锅炉主蒸汽温度偏低的原因,2010年2月12日～14日和2010年3月10日～15日对锅炉进行了诊断试验。试验期间不调整燃烧器各层二次风和周界风门开度,维持三层燃烧器全部投运,同时维持制粉系统双磨运行,且出力维持不变,粉仓粉位过高时向邻炉粉仓输粉。试验期间,若主汽温度偏差较大,仅靠减温水无法调整时,采用改变运行氧量和调整各层给粉机转速来调整。试验时,详细记录锅炉制粉系统、燃烧系统、和汽水系统运行参数,同时对每天的燃煤进行取样,带回试验室分析。2.1蒸汽温度偏低试验期间,主汽温度在2月12日～14日和3月10日正常,大部分时间在535～540℃范围内,3月11日～15日蒸汽温度偏低,特别是3月11日和3月12日,主汽温仅为520℃左右(见图1);与主蒸汽温度不同,再热汽温较稳定,仅在3月12日期间偏离设计值较多,在535℃以下(见图2)。主汽温正常的前几天,减温水量波动较大,平均为5t/h左右,短时有达到20t/h以上的情况(见图3),主汽温低时减温水调节阀关闭。2.2调整来粉机转速试验期间锅炉运行氧量数据如图4,各层燃烧器给粉机转速如图5。2月份汽温正常时,锅炉运行氧量在2%～4.5%,基本维持在设计值范围内,给粉方式采用正宝塔给粉方式,下层给粉机转速在800～850r/min,上层和中层给粉机在700r/mim左右。3月份因燃用煤种变化汽温降低,故适当提高了运行氧量,炉膛出口氧量平均达到5%;考虑到锅炉运行的经济性,控制运行氧量不超过6%;同时在保证下粉均匀的前提下,减小了中层和下层给粉机转速,同时增大了上层给粉机转速,改用倒宝塔给粉方式,以抬高火焰,提高炉膛出口温度,进而提高主蒸汽温度。一般炉膛出口过量空气系数增加10%,过热汽温约增加10～20℃。按此规律计算,如3月份采用与2月份相同的运行氧量,则主蒸汽温度还将会降低15℃以上。2.3试验煤种试验期间燃煤工业分析数据如表2。从表中数据看,3月份燃用煤种水分普遍高于2月份燃用煤种,而发热量则普遍低于2月份煤种。2.4燃用煤种的影响从试验数据看,3月份试验期间与2月份相比,采取了提高运行氧量、给粉向上层集中等提高主汽温度的运行方式进行调节,并且关闭了减温水,但主汽温仍比设计值低5℃以上,如不采取上述调整措施,主汽温度将可能比设计值低20℃以上。试验期间前屏出口烟温如图6,3月份烟温要比2月份低40℃,仅为800℃左右,而该处设计烟温为971℃。炉膛出口烟温降低必然导致过热器吸热量减少,这是主蒸汽温度偏低的直接原因。而试验期间其他运行方式均相同,唯一变化的仅有燃用煤种,可见燃用煤种变化是导致炉膛出口烟温降低的主要原因。对比试验期间煤种与锅炉原设计煤种,试验期间燃煤可燃基挥发分在35%～41%,较锅炉原设计煤种高14%～21%(绝对值)。在其他参数相似的情况下,燃煤挥发分升高,其火焰长度将缩短,原因主要基于如下几点:一是挥发分高,煤粉着火迅速;二是挥发分高,其固定碳比例相应低,而焦炭的燃尽时间要远大于挥发分燃尽时间;三是挥发分热解析出会使煤粉颗粒形成多孔结构并破碎成更小颗粒,从而缩短焦炭的燃尽时间。对于同一台锅炉,当火焰长度缩短时,其炉膛出口烟温降低,主蒸汽温度也会降低。试验期间燃用煤种与锅炉原设计煤种的另一个区别在于水分和热值,特别是3月份试验期间主蒸汽温度较低时的燃用煤种,其水分比设计煤种高,而发热量比设计值低。一般地,燃煤水分越高、发热量越低,则火焰温度会更低,导致炉膛出口烟温降低,主蒸汽温度难于保证。从以上分析可见,锅炉燃用煤种变化,导致炉膛出口烟温降低,过热器吸热量不足,造成锅炉主蒸汽温度偏低。3过热器传热温压降低影响蒸汽温度偏低问题从根本上讲是因为工质蒸发吸热和过热蒸汽吸热间的比例不匹配,两者比值偏大所致。本文中,其原因在于燃烧煤种变化导致炉膛出口烟温远低于设计值,过热器传热温压降低导致吸热量降低。对比的解决方案分为两类:一是从增大过热器吸热量考虑,通过强化传热、增加过热器面积等手段提高汽温;二是从提高过热器入口烟温考虑,具体方法有提高火焰中心高度、减少水冷壁吸热量等。第一类方法较为直接,效果显著,但缺点是需要对过热器进行改造,风险较大,一般电厂对改造高温、高压的受热面都比较慎重;第二类方法相对简单,实施风险较小,本文将重点讨论。3.1对蒸汽参数的影响对于特定的炉膛,燃料确定后,火焰中心高度取决于燃烧器布置的位置和布置方式,通过更换燃烧器提高燃烧器标高是提高火焰中心直接且有效的方法,但实施工程量较大,一般电厂难以接受。近几年生产的锅炉燃烧器设计成可上下摆动的形式,可有效调整火焰中心高度,调节汽温效果显著。对于燃烧器安装角度固定的锅炉,煤种变化时可通过技术改造调整燃烧器安装角度以适应煤种变化的需要。燃烧器上下摆动或调整燃烧器安装角度对蒸汽参数的影响规律已有较多的研究。葛友康整理了多台引进1025t/h锅炉燃烧器上摆对汽温的影响数据,一般燃烧器每上摆1°,过热蒸汽温度上升1.2～2℃,再热蒸汽温度上升1.6～2.4℃。而文献报道的CE公司1025t/h锅炉燃烧器上摆1°对过热蒸汽和再热蒸汽温度的影响仅为0.59℃和0.82℃。关于小机组燃烧器摆动对汽温影响的试验较少,梁汉文对一台WG130t/h锅炉进行了上摆15°改造,改造后主汽温上升25℃左右,折合到每度为1.67℃。可见不同锅炉燃烧器摆动对蒸汽温度的影响程度不同,这主要是因为不同锅炉炉膛形状和燃烧器设计不同,受热面的布置也不同。与本项目锅炉最相近的改造案例是攀钢1号炉,该炉为HG-410/9.8-YM11型锅炉,锅炉投运后主汽温度一直偏低25～40℃,后进行了改造,将一二次风喷口由原水平布置改为上仰7°;三次风喷口由原下倾7°改为水平安装;将炉内假想切圆直径由1000mm改为650mm;改造后锅炉蒸汽温度达到了设计值,并有一定的减温水量,具体数据见表3。参考以上数据,本项目研究对象锅炉需上倾6°～10°可解决目前的汽温偏低问题,具体上倾角度需在全面调研评估电厂未来煤源情况后确定,以保证改造方案和目前的减温器调节裕量能够适应未来燃用煤种的需要。3.2对结焦的影响及节能技术选用的随意性,应注意社对于运行锅炉,减少水冷壁吸热量的简单有效的措施是在炉膛受热面敷设卫燃带,其目的不是为了提高燃烧稳定性,而是用来增大水冷壁传热热阻,减少水冷壁吸热量,从而提高炉膛出口烟温。国内有不少通过敷设卫燃带提高蒸汽温度的实例,表4列出了文献报道的数据。一般敷设卫燃带面积可根据卫燃带材料特性和所需提高蒸汽温度数值通过热力计算得到。敷设卫燃带可以提高蒸汽温度,但是在选定材料、敷设位置和方式时要慎重,尤其是对于本锅炉,卫燃带不是为了强化燃烧,卫燃带敷设不当可能导致大面积结焦,影响锅炉运行稳定性。传统的卫燃带是在燃烧区用抓钉将耐火材料涂抹浇筑于水冷壁管上,浇注料厚度一般在100mm左右,卫燃带表面温度较高,容易导致结焦,所以宜采用“品”字型布置。近些年,随着材料技术的进步,喷涂隔热材料在电厂得到广泛应用。用作卫燃带的喷涂材料导热系数较低,一定程度上影响烟气与水冷壁管的热交换,但又非完全隔热,且其厚度一般仅有几毫米,所以其表面温度较低,避免卫燃带表层温度过高导致结焦的缺陷;同时该材料有一定的反射功能,将辐射热能反射回炉膛可提高燃烧温度。该材料结合强度高,无须抓钉固定,采用喷涂施工成型,施工便捷,工程效率高。国内丹河电厂410t/h锅炉汽温曾严重偏低,导致机组无法正常运行,后喷涂200m2卫燃带,提高了汽温,保证了机组正常运行,另外河南焦作电厂、安庆石化等都曾