浅析火电机组深度调峰对超临界锅炉的影响

浅析火电机组深度调峰对超临界锅炉的影响

孙楠华

中国能源建设集团山西电力建设第一有限公司  山西大同 037000

摘要：火力发电机组在出力调整范围上限为100%的额定出力，下限为50%的额定出力范围内参与调峰为基本调峰。机组超过基本调峰范围运行，或者按调度中心指令要求在24h之内完成启停机运行为深度调峰。近些年，越来越多的已投运超临界锅炉采用深度调峰的运行方式应对电网需求，以满足国家新能源战略要求，但是伴随着深度调峰引起的火电机组与额定负荷的偏差出现，作为火电机组核心的锅炉也不可避免地出现一些技术问题。分析火电机组深度调峰给超临界锅炉造成的影响，并制定相应措施减少甚至规避此类影响是急需解决的问题。

关键词：火电机组深度调峰；超临界锅炉；影响

我国新能源战略要求火电机组能够适应深度调峰运行，然而机组深度调峰也给锅炉带来了一定的影响。对目前超临界锅炉火电机组深度调峰技术进行分析，归纳总结出锅炉在机组深度调峰中可能出现的技术问题，通过一个典型案例研究了深度调峰对启动分离器、高温集箱、高温连接管道等厚壁部件造成的影响，从而提出有效减少此类影响的措施。

1机组深度调峰中锅炉可能出现的问题

（1）锅炉燃烧不稳定性增大。与常规负荷相比，低负荷时由于投入煤量少，燃烧稳定性下降，煤种、风量、磨煤机出力等方面微小的变化都可能偏离燃烧正常状况，严重时造成灭火。（2）锅炉水冷壁超温运行。与常规负荷相比，低负荷时锅炉空气动力场发生改变，燃烧容易发生偏斜，锅炉全为下层磨运行，火焰中心下移，水冷壁容易超温运行。（3）脱硝入口温度低。随着负荷降低，烟气量减少，烟气温度下降，导致脱硝入口温度降低。当脱硝入口温度低于300℃时，脱硝系统无法正常发挥作用。（4）存在水煤比失调、尾部烟道再燃烧、低温腐蚀等风险。

2机组深度调峰对超临界锅炉设备的影响

火电机组负荷变化对超临界锅炉部件特别是厚壁部件，如启动分离器、高温集箱、高温连接管道等造成热疲劳影响。机组调峰的频率及负荷偏差的增大会加速这些热疲劳影响，如此长期运行的结果必然导致厚壁部件的缺陷产生、延展甚至失效。

2.1深度调峰对锅炉设备的影响案例

某电厂一台660MW超临界机组深度调峰锅炉在运行约5万小时进行大修定期检验时，检验单位在启动分离器、高过出口集箱、再热热段管道三个部件上发现了裂纹缺陷。该电厂对检验发现的以上缺陷进行了焊接修复处理。经分析得出结论为机组参与深度调峰，热疲劳损失是造成以上缺陷的重要原因。

2.2厚壁部件缺陷产生机理分析

2.2.1启动分离器

启动分离器是超临界锅炉的一个重要组成部件，在机组启动及变负荷时发挥汽水分离的作用。机组参与调峰时负荷发生变化，启动分离器中会产生损害金属材料的机械应力以及热应力，这种周期性的疲劳和损伤会减少启动分离器的寿命，从而对整个机组的安全性产生不利影响。在启动分离器汽水引入管口位置，由于结构不连续性，产生了较大的应力幅，即筒体与连接管相贯区处的应力集中变大，是较易产生裂纹的区域。热应力集中系数则受结构形状的影响不那么明显，这是由于热应力是由结构热膨胀时受到约束而产生的，即使结构形状不同，如果热膨胀时未受到外在约束，其热应力的变化也不会很大。同时因为筒体内表面是自由的，热应力集中效果相对机械应力集中效果要弱得多。

2.2.2高温集箱、高温连接管道

高温集箱、高温连接管道等厚壁部件在运行过程中易受复杂应力影响。除了减温水投用，锅炉启停、变负荷过程都会引起温度变化，连接集箱的同一管屏不同管子由于吸热和流量分配不均引起的横截面温差，沿炉膛宽度方向燃烧热负荷差异引起的纵截面温差都是导致集箱部件热疲劳损伤的主要因素。导致集箱失效最常见损伤形式是内插管管座开裂，表现为沿集箱管座的环向裂纹，逐渐向集箱母材扩展，导致集箱失效。这是因为管座及孔桥区域是热疲劳损伤相对严重的部位，且由于几何不连续性及自由膨胀受限等原因引起附加应力。与高温再热器集箱相比，高温过热器集箱因壁厚较大而对热疲劳损伤更敏感，故高温过热器集箱应是关注和防范热疲劳损伤的核心部件。高温连接管道在蒸汽流通截面积或流向发生变化处，特别是弯头、三通、阀门及疏水排空接管等几何不连续处，较易发生热疲劳损伤，造成裂纹的产生和扩展直至部件失效。高温集箱、高温连接管道等厚壁部件除受热疲劳损伤外还受蠕变损伤的作用，且热疲劳和蠕变的综合作用将大大加快部件的损伤，缩短其使用寿命。

3机组深度调峰中超临界锅炉应采取的措施

依据上文中提到的电厂综合国内深度调峰机组的运行经验，制定了以下5项调整措施，并根据机组锅炉部件的特点采取针对性的监控手段，减轻机组深度调峰对锅炉部件的影响：（1）机组负荷降至50%负荷以下，及时启动等离子冷却水泵，保证随时可投运等离子系统稳燃。运行中加强就地看火和配风调节，组织合理的空气动力场，保证炉内良好的燃烧工况，调节二次风提供充足的氧量以保证煤粉的充分燃烧，维持炉膛负压在-50Pa至-100Pa之间稳定。发现炉膛负压波动大，燃烧不稳时，立即投入等离子系统稳燃；（2）主、再热汽温偏低时，加强主、再热汽温调整，通过增加上层磨煤机煤量，调整二次风挡板来提高火焰中心；（3）机组负荷小于50%负荷运行时，严密监视脱销入口烟气温度，及时采取措施，控制烟温在310℃以上，任何时候不得低于300℃，严防催化剂中毒、空预器堵塞等事件发生。机组深度调峰期间，必须保证锅炉脱销系统连续投运，防止造成NOx超标排放；（4）机组负荷小于50%负荷运行时，控制锅炉氧量在4.0%～7.0%之间，任何时候不得低于4.0%。控制一次风母管压力在7.0～7.5kPa，任何时候不得低于6.5kPa；（5）为保护锅炉的厚壁部件，一定要合理控制机组的升降温速率，特别是降温速率，以减少部件寿命损耗，增加其使用寿命。采取以上5项措施后，该电厂锅炉设备在后续运行3年中未发现类似的缺陷，机组运行稳定。另外，对参与深度调峰的锅炉，应加强部件热疲劳分析、缺陷检出与安全性评价，加强启动分离器、高温集箱及高温连接管道等厚壁部件在周期性机械应力及热应力下的运行规律的研究。这包括通过典型工况下的温度场和热应力分布数据的积累确定热疲劳损伤的严重区域；运行方面要努力减轻厚壁部件的热疲劳损伤程度；采取改变节流孔圈尺寸进行平衡的措施以避免流量分配不均所导致的受热面管内蒸汽温差；利用检修期对设备加强预防性检查，包括集箱内壁管孔桥表面的内窥镜检查等。

4结语

随着越来越多的火电机组锅炉需要适应深度调峰，应不断加强相关热疲劳损伤机理研究，逐步掌握深度调峰带来的破坏性影响，制定行之有效的防范措施；不断积累火电机组深度调峰的运行经验，保障深度调峰机组的长周期安全运行。

参考文献

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