高 斌，趙廣家，談力瑋

(大唐景泰發(fā)電廠，甘肅 景泰 730408)

1 鍋爐蒸發(fā)受熱面汽水側(cè)分析

在直流工況下，直流鍋爐受熱面中的工質(zhì)的流動(dòng)完全依靠給水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。在給水泵的作用下，給水依次通過(guò)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱各個(gè)受熱面，一次完成升溫、蒸發(fā)、過(guò)熱過(guò)程，達(dá)到所要求的溫度。在直流工況下，工質(zhì)在所有受熱面中均為強(qiáng)制流動(dòng)。在流動(dòng)過(guò)程中，隨著加熱的進(jìn)行，工質(zhì)狀態(tài)不斷發(fā)生變化，加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)、過(guò)熱區(qū)之間沒(méi)有固定的分界線。

鍋爐的水動(dòng)力特性是指在一定的熱負(fù)荷下，在蒸發(fā)受熱面管屏中，強(qiáng)迫流動(dòng)的工質(zhì)流量q與管屏進(jìn)出口壓差Δp之間的關(guān)系。若在一個(gè)壓差下對(duì)應(yīng)的只有一個(gè)工質(zhì)流量，則這樣的水動(dòng)力特性是穩(wěn)定的；若一個(gè)壓差下對(duì)應(yīng)有多個(gè)工質(zhì)流量，則水動(dòng)力特性是不穩(wěn)定的。試驗(yàn)和分析證明，當(dāng)并列管中的工質(zhì)是兩相流體(汽水混合物)時(shí)，就可能出現(xiàn)水動(dòng)力不穩(wěn)定。

在汽包鍋爐中，蒸發(fā)受熱面(水冷壁)內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自工質(zhì)的重度差，如果在管屏間存在熱負(fù)荷不均，不同管子內(nèi)的工質(zhì)重度差會(huì)不同，所以管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)存在一定的“自補(bǔ)償”能力。但在直流鍋爐中，蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)依靠給水泵的揚(yáng)程，入口壓力不變，不存在管屏間在熱負(fù)荷不均時(shí)的“自補(bǔ)償”能力，所以在直流鍋爐蒸發(fā)受熱面內(nèi)容易產(chǎn)生水動(dòng)力不穩(wěn)定。

還有一種水動(dòng)力不穩(wěn)定是脈動(dòng)。脈動(dòng)是指蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)流量隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象。如果發(fā)生管間脈動(dòng)，此時(shí)管屏兩端壓差相同，當(dāng)給水流量和流出量總量基本不變的情況下，并聯(lián)各管的工質(zhì)流量卻隨時(shí)間發(fā)生周期性變化。

研究和討論水動(dòng)力不穩(wěn)定性的目的是為了防止由此而造成的受熱面管壁超溫。為防止發(fā)生上述2種水動(dòng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象，運(yùn)行方面可以采取的共同措施是提高蒸發(fā)受熱面入口的質(zhì)量流速ρ ω。在直流鍋爐設(shè)計(jì)中考慮了蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算和放大裕量，規(guī)定了最低直流負(fù)荷。對(duì)于SG—2210/25.4—M980型超臨界壓力直流鍋爐，最低直流負(fù)荷為30 % BMCR(663 t/h)，給水流量最低保護(hù)值為623 t/h。

以上分析僅是從汽水側(cè)考慮的，對(duì)燃燒側(cè)沒(méi)有多加關(guān)注。下面就一起直流鍋爐燃燒器故障引起的水冷壁管壁超溫而停爐的事故，分析燃燒側(cè)對(duì)蒸發(fā)受熱面水動(dòng)力的影響。

2 事故經(jīng)過(guò)

某日，SG—2210/25.4—M980型超臨界壓力直流鍋爐在40 % BMCR直流工況下運(yùn)行，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)分離器時(shí)見(jiàn)水，而且水位逐漸升高不可控制。通過(guò)提高過(guò)熱度和全開(kāi)啟動(dòng)系統(tǒng)暖管管路至過(guò)熱器減溫水控制閥門等措施都沒(méi)有明顯效果。迫使運(yùn)行人員開(kāi)啟HWL液控閥向擴(kuò)容器排水，隨后這種異常的應(yīng)急調(diào)整不斷重復(fù)發(fā)生。技術(shù)人員從汽水側(cè)沒(méi)有查找到發(fā)生異?，F(xiàn)象的原因，鍋爐在異常中維持運(yùn)行。在此期間，運(yùn)行值班員在巡檢中發(fā)現(xiàn)鍋爐3號(hào)角的噴燃器組整體向下擺動(dòng)到最低位(SG—2210/25.4—M980型超臨界壓力直流鍋爐采用的是擺動(dòng)噴燃器)，支撐斷裂。但操作人員沒(méi)有充分重視這一缺陷與鍋爐異常運(yùn)行之間的關(guān)系，只當(dāng)作缺陷等待檢修人員處理，而檢修人員由于人力不足和檢修的難度問(wèn)題也沒(méi)有及時(shí)消缺。

在3天左右的異常運(yùn)行中，排水次數(shù)越來(lái)越頻繁，而且部分螺旋段水冷壁在異常調(diào)整時(shí)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，但仍然沒(méi)有找到原因。最終在一次啟動(dòng)分離器排水調(diào)整中，由于螺旋水冷壁管壁溫度超限而MFT，造成一次事故停爐。隨后在啟動(dòng)過(guò)程中，由于部分螺旋段水冷壁管壁溫度偏高，水冷壁之間壁溫嚴(yán)重不平衡，使得鍋爐無(wú)法轉(zhuǎn)入直流工況運(yùn)行，無(wú)法接帶負(fù)荷。經(jīng)反復(fù)分析查找，認(rèn)為是噴燃器的故障。于是將另外3個(gè)角的噴燃器全部下擺至最低位，但和3號(hào)角噴燃器仍存在一定的錯(cuò)層。調(diào)整后重新進(jìn)行轉(zhuǎn)直流操作，此次操作時(shí)雖然部分螺旋段水冷壁溫度仍然較高，但終于轉(zhuǎn)入直流工況運(yùn)行，鍋爐可以接帶負(fù)荷。隨后將鍋爐主蒸汽壓力提高至14 MPa以上，在40 % BMCR工況下啟動(dòng)分離器沒(méi)有再次出現(xiàn)見(jiàn)水現(xiàn)象。隨著3號(hào)角噴燃器缺陷處理好后，鍋爐再?zèng)]有發(fā)生此類異常。

3 原因分析

(1) 由于3號(hào)角噴燃器整組故障，下擺至最低位，造成噴燃器不同層燃燒，使得爐膛蒸發(fā)受熱面熱負(fù)荷不均勻，受熱強(qiáng)度嚴(yán)重偏差。其中位于4號(hào)角的前墻和右墻部分的水冷壁熱負(fù)荷區(qū)加長(zhǎng)，尤其是在4號(hào)角下部形成一個(gè)熱負(fù)荷區(qū)；而位于3號(hào)角的右墻和后墻部分水冷壁則處于低熱負(fù)荷區(qū)。

(2) 由于鍋爐工作壓力低，汽水比容差較大。當(dāng)管間受熱強(qiáng)度出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差時(shí)，部分管子內(nèi)的工質(zhì)沒(méi)有蒸發(fā)處于單相流，而部分管子內(nèi)的工質(zhì)卻蒸發(fā)后處于兩相流，致使管間流動(dòng)阻力嚴(yán)重不平衡，造成蒸發(fā)受熱面水動(dòng)力不穩(wěn)定。這種水動(dòng)力不穩(wěn)定主要體現(xiàn)為管間的多值性。

(3) 運(yùn)行異常調(diào)整中，進(jìn)行啟動(dòng)分離器排水時(shí)加劇了蒸發(fā)受熱面出口壓力的異常波動(dòng)，使得管間工質(zhì)流動(dòng)阻力反復(fù)波動(dòng)，人為造成工質(zhì)流動(dòng)的周期性變化，從而極有可能引起管間脈動(dòng)的發(fā)生。記錄顯示，啟動(dòng)分離器因水位高而排水時(shí)，螺旋段水冷壁壁溫隨排水操作而反復(fù)波動(dòng)。

(4) 由于水冷壁之間的受熱強(qiáng)度出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，部分水冷壁由于受熱強(qiáng)度不足而工質(zhì)沒(méi)有蒸發(fā)，造成啟動(dòng)分離器見(jiàn)水；而有些水冷壁管工質(zhì)提前蒸發(fā)造成管間水動(dòng)力不穩(wěn)定，人為排水操作不當(dāng)加劇了水動(dòng)力的不穩(wěn)定，從而引起部分水冷壁傳熱惡化，造成管壁超溫，直至保護(hù)動(dòng)作。

綜上所述，當(dāng)3號(hào)角整組噴燃器由于故障而整體下擺至最低位置時(shí)，造成蒸發(fā)受熱面管間受熱嚴(yán)重不均，部分處于4號(hào)角區(qū)域熱負(fù)荷區(qū)較長(zhǎng)的水冷壁內(nèi)的工質(zhì)提前蒸發(fā)，而部分處于3號(hào)角區(qū)域的水冷壁內(nèi)的工質(zhì)由于受熱強(qiáng)度低而沒(méi)有蒸發(fā)。這種燃燒側(cè)的故障造成了蒸發(fā)受熱面管間的水動(dòng)力不穩(wěn)定，且啟動(dòng)分離器見(jiàn)水。當(dāng)運(yùn)行人員進(jìn)行啟動(dòng)分離器排水操作時(shí)，又造成水冷壁出口壓力反復(fù)周期性波動(dòng)，從而加劇水動(dòng)力的不穩(wěn)定。部分螺旋段水冷壁會(huì)因水動(dòng)力不穩(wěn)定引起的傳熱惡化而管壁超溫，壁溫監(jiān)視點(diǎn)顯示部分前墻和右墻螺旋段水冷壁壁溫出現(xiàn)超溫，與上述分析結(jié)論符合。從鍋爐MFT動(dòng)作前的歷史趨勢(shì)可見(jiàn)，最后一次排水操作前啟動(dòng)分離器水位很高，螺旋段水冷壁溫度較低(實(shí)際這時(shí)螺旋段水冷壁之間的壁溫差已在20 ℃左右)。但當(dāng)啟動(dòng)分離器排水時(shí)，螺旋段水冷壁管壁溫度迅速升高，當(dāng)排水結(jié)束水位升高時(shí)管壁溫度仍然繼續(xù)升高，直至鍋爐因螺旋段水冷壁管壁溫度超溫而MFT。

4 結(jié)束語(yǔ)

在直流工況下運(yùn)行，蒸發(fā)受熱面內(nèi)發(fā)生傳熱惡化是肯定的，運(yùn)行調(diào)整中必須控制傳熱惡化點(diǎn)使其離開(kāi)高熱負(fù)荷區(qū)，也就是通過(guò)給水流量的控制來(lái)調(diào)節(jié)工質(zhì)蒸發(fā)相變點(diǎn)的移動(dòng)。在此次事件的前期處理中，過(guò)熱度(此型鍋爐中間點(diǎn)溫度為啟動(dòng)分離器出口蒸汽溫度)已經(jīng)降低至5 ℃，但降低過(guò)熱度就意味著啟動(dòng)分離器見(jiàn)水速度加快，而使排水操作更加頻繁，反過(guò)來(lái)加劇了水動(dòng)力不穩(wěn)定，所以水側(cè)的調(diào)整已經(jīng)處于一種惡性循環(huán)。正是由于沒(méi)有考慮到燃燒側(cè)故障是造成此次異常的根本原因，而只是從汽水側(cè)進(jìn)行調(diào)整，從而最終造成事故停爐。

以前在分析蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力不穩(wěn)定和傳熱惡化時(shí)，更多的是從汽水側(cè)來(lái)考慮，基本假定熱負(fù)荷穩(wěn)定。從這一起事故可以看出，燃燒側(cè)的故障同樣會(huì)造成汽水側(cè)發(fā)生事故。

此外，鍋爐工作壓力對(duì)處理這類異常也會(huì)有一定的影響。在盡量保持同層燃燒后，發(fā)現(xiàn)部分水冷壁管壁溫度仍然偏高，蒸汽過(guò)熱度仍然不能維持到20 ℃以上時(shí)，這說(shuō)明在3號(hào)角的噴燃器因故障而下擺至最低位后，雖然其他3個(gè)角的噴燃器也已下擺，但仍然形成一定的錯(cuò)層燃燒，從而造成管間熱負(fù)荷不均勻。當(dāng)提高鍋爐工作壓力至14 MPa以上時(shí)，這種現(xiàn)象明顯得到改善。分析認(rèn)為，保持較高的鍋爐工作壓力可以減小汽水間的比容差，有利于控制水動(dòng)力不穩(wěn)定性；同時(shí)，提高鍋爐工作壓力會(huì)使工質(zhì)飽和溫度升高，使蒸發(fā)吸熱量明顯升高，從而使得蒸發(fā)相變點(diǎn)后移，傳熱惡化點(diǎn)更多地離開(kāi)高熱負(fù)荷區(qū)，使管壁溫度能得到顯著的控制甚至降低。

以上分析表明，直流鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生啟動(dòng)分離器見(jiàn)水，水冷壁管壁超溫異常現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)更多考慮是否是燃燒側(cè)發(fā)生故障，或是爐膛水冷壁區(qū)域局部范圍嚴(yán)重結(jié)焦造成吸熱不均引起的，而不要僅從汽水側(cè)進(jìn)行分析和處理。保持同層燃燒，維持水冷壁均勻受熱，同時(shí)提高鍋爐工作壓力，是處理此類事故的要點(diǎn)。尤其對(duì)擺動(dòng)噴燃器的燃燒系統(tǒng)而言，應(yīng)經(jīng)常校核各組噴燃器的位置和角度，保持同層燃燒，防止發(fā)生水動(dòng)力不穩(wěn)定和傳熱惡化的情況。

1 范從振．鍋爐原理[M]．北京：中國(guó)電力出版社，1986．

2 張 磊，李廣華．超超臨界火電機(jī)組叢書—鍋爐設(shè)備與運(yùn)行[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2007．

3 朱全利．國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界火電機(jī)組技術(shù)叢書—鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)[M]．北京: 中國(guó)電力出版社，2006．