基于水动力分析的锅炉水冷壁壁温控制策略分析_王军亮.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言锅炉水冷壁在锅炉机组中起到的重要作用在于能够避免多余热量逸散到作业环境中，但随着锅炉机组运行时间的延长，水冷壁使用的炉墙保温材料和管道保温工艺性能显著下滑，水冷壁将会出现局部超温问题。过多热量不断散失会导致锅炉运行压力增大，也会导致能源和资源的浪费，热量散失到作业空间中还会导致环境温度过高，影响作业环境安全系数，因此，必须控制锅炉水冷壁的壁温，妥善治理超温问题。2锅炉设备运行概况本文研究对象是某电厂的1号机组，使用的是上海锅炉厂生产的SG-2093/17.5-M910型亚临界参数锅炉，形汽包炉，采用控制循环、一次中间再热、单炉膛、四角切圆燃烧方式、燃烧器摆动调温、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构、紧身封闭布置的燃煤锅炉。炉膛宽19.558 m，深17.448 5 m，高度为64.987m，炉顶标高79850mm，汽包中心线标高74600mm，炉顶大板梁底标高81 500 mm。锅炉炉顶采用全密封结构，炉底密封采用水封结构，炉膛由51 mm6 mm膜式水冷壁组成，炉膛上部布置了分隔屏、后屏及屏式再热器，前墙及两侧墙前部均设有墙式辐射再热器，炉室下水包标高为7 970 m。过热器的蒸汽温度调节主要采用喷水调节，再热器的蒸汽温度调节主要采用燃烧器摆动及过量空气系数调节，再热器进口管道上装有事故喷水装置。为降低锅炉蒸汽管道散热损失，相关维修公司维护部申报重大修理项目利用1号锅炉炉墙、管道保温超温治理项目到达节能降耗的目的。3水冷壁局部超温问题研究对象的锅炉机组已经运行了12年之久，其锅炉水冷壁的炉墙和管道在建筑时的保温性能只能满足当时的作业需求，不能适应当下锅炉正常运行的需求，且经历12年长期运【作者简介】王军亮（1985），男，陕西白水人，工程师，从事火力发电燃煤机组锅炉相关技术研究。基于水动力分析的锅炉水冷壁壁温控制策略分析Analysis of Boiler Water Wall Temperature Control StrategyBased on Hydrodynamic Analysis王军亮，孙慧峰，孙海佳（国能锦界能源有限责任公司，陕西 榆林 719300）WANG Jun-liang,SUN Hui-feng,SUN Hai-jia(CHNEnergyJinjieEnergyCompanyLimited,Yulin719300,China)【摘要】选取某电厂 1 号机组使用的锅炉作为研究对象，基于水动力的角度分析锅炉的使用特性和锅炉水冷壁局部超温问题，并根据这一问题的成因对锅炉水冷壁壁温控制策略进行了分析，主要采用陶瓷纤维喷涂密封的方式进行锅炉水冷壁超温问题的治理。维修改造完成后，锅炉受热管道表面保温超温现象能够得到极大的缓解，降低热量的损耗，避免锅炉在运行过程中产生大量热量散失，同时也能够改善作业环境温度，避免机组表面温度过高烫伤作业人员或损坏零件。【A b s t r a c t】Takingtheboilerusedinunit1ofapowerplantastheresearchobject,thispaperanalyzestheoperatingcharacteristicsoftheboilerandthelocalovertemperatureoftheboilerwaterwallfromtheperspectiveofhydrodynamicforce,andanalyzesthecontrolstrategyoftheboilerwaterwalltemperatureaccordingtothecausesofthisproblem,mainlyusingceramicfiberspraysealingtocontroltheovertemperatureoftheboilerwater wall.After the completion of maintenance and transformation,the overheating of the surface insulation of the boiler heating pipe can begreatlyalleviated,theheatlosscanbereduced,andalargeamountofheatlosscanbeavoidedduringtheoperationoftheboiler.Atthesametime,theoperatingenvironmenttemperaturecanbeimprovedtoavoidscaldingoperatorsordamagingpartsduetothehighsurfacetemperatureoftheunit.【关键词】水动力；锅炉水冷壁；超温治理【K e y w o r d s】hydrodynamicforce;boilerwaterwall;overtemperaturecontrol【中图分类号】TM621.2【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0076-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.22576IndustrialEngineeringDesign工业工程设计行过后，管道老化，保温材料老化，保温材料性能下降严重，因此，水冷壁局部区域超温问题也日益严重，具体的水冷壁局部超温情况见表1。表 1锅炉水冷壁局部温度测量温度测量点局部温度水冷壁测量点 1水冷壁测量点 2刚性梁测量点 1刚性梁测量点 2燃烧器测量点水冷壁保温结合部位55.872.1135.4237.5128.0115.0由表1可以看出，锅炉水冷壁局部超温现象已经非常严重，6个测量点中有4个测量点的温度超过100，最高甚至达到了237.5，外壁表面保温材料的平均温度也达到6070，这意味着整个作业环境温度非常高。而刚性梁是超温现象最为严重的区域，平均温度已经接近200，吹灰孔、门孔、支吊架、弯头等部位的高温会导致零部件老化速度加快，零部件在高温状态下超负荷，性能下降过快，容易导致机组故障问题。而外护板在长期高温作业环境的不良影响下也渐渐出现了热腐蚀问题，高温导致的变形十分明显，这显然不利于水冷壁正常运行，也影响锅炉机组的安全作业。4基于水动力模型计算判断水冷壁超温问题使用水动力分析锅炉水冷壁超温问题，首先需要进行水动力计算模型构建1，对研究对象锅炉机组在不同作业状态下的水冷壁流量分配情况进行分析，并对炉膛内的水冷壁回路进行编号，将其分为8个小组分别进行分析计算，从而讨论水冷壁超温问题的根源和解决办法。在锅炉处于低负荷运行状态时，对水冷壁的6个检测点进行测温记录，发现局部超温问题发生在水冷壁靠近前墙的位置，水动力计算的重点也应当落在低负荷运行状态下的炉膛水冷壁管流量分配情况计算方面。进行综合计算后发现不同水冷壁的管流量本身就存在一定的偏差，这也是使水冷壁不同区域的超温程度不相同的主要原因之一，但超温本身与管流量的差值并没有直接联系，反倒是炉膛自身热负荷分配不均才是导致水冷壁局部温度过高的主要原因。进行计算后，发现水冷壁的局部温度过高一方面是保温材料保温性能下滑后不能密封热量，大量热量异常流出导致外壁温度过高；另一方面则是炉膛自身热负荷分配在不同节点，而水冷壁不能均匀地将温度扩散开，这就使得水冷壁的局部区域温度超高明显，导致外护板的部分区域热变形严重。5锅炉水冷壁壁温控制策略根据水动力计算模型分析结果来看，要对锅炉水冷壁进行超温现象治理，一方面是要解决锅炉机组当前面临的水冷壁保温材料性能不佳问题，通过提高水冷壁自身保温性能的方式减少热量的流失；另一方面是要解决热量分配不均问题，避免局部热度过高对零部件产生的高温腐蚀与变形问题，在进行水冷壁测温时发现部分外护板已经出现严重的不符合作业安全防护要求的问题。针对这些问题，研究对象锅炉机组采取的治理方案是将锅炉炉膛四周的炉墙、外护板进行综合治理2。5.1炉墙治理炉墙治理是本次超温治理的关键所在，也是提升水冷壁保温性能的关键，中耐控股集团有限公司产品采用对炉膛四周的炉墙喷涂致密性较高的陶瓷纤维材料，能够使锅炉炉膛保温性能提升的同时将热量尽可能均匀地分布在炉膛内，从而避免局部受热过高导致的局部超温现象。测温时发现的超温现象严重的折烟角、门孔、穿墙部位等都能使用喷涂的方式充分覆盖，而这种陶瓷纤维材料本身密度低质量轻，耐火性高，在锅炉长时间运行热度不断升高的环境下也能自行将全部热量分摊均匀，即使在施工时没有预留膨胀缝，也会因材料自身的柔性特质而缓和高温变形，不会因热膨胀而产生开裂。喷涂前使用锚固钉按L形排列在焊接位置喷涂陶瓷纤维材料要保证喷涂厚度大于原保温材料厚度，保证陶瓷纤维材料完全覆盖原本性能降低的材料，在受高温影响严重的门孔、刚性梁等部位适当增设一层铁丝网用于使陶瓷纤维材料凝固后的保温性能切实提升，从而提高保温层的保温强度，喷涂完成后，还要再次用铁丝网进行封罩处理，喷涂完成的整体保温层次如图1所示。喷涂过程中预留试验块，实时测试保温材料的保温性能参数，确保保温材料能够适应当下锅炉机组作业环境的同时保温性能优于原保温层。喷涂过程要保证缓慢、均匀，确保陶瓷纤维材料能够覆盖炉墙，能够充分均匀炉膛散热，缓和锅炉水冷壁运行局部超温问题3。在所有保温层铺设恢复后，在环境温度不高于27 时再次进行测温,保温外层表面温度不超过50,环境温度高于27 时进行测温,保温结构外层表面温度可比环境温度高25。对于防烫伤保温，保温结构外表面温度不应超60。5.2大管道保温层治理与锅炉相连的大口径管道也要重新进行保温密封处理，本工程中使用的是国家规定的常规保温技术，在施工前需要先77Construction&DesignForProject工程建设与设计对管道进行锚固钉焊接，锚固钉排列成“L”形，按照300 mm300 mm的规格左右错开排列。管道表面使用的保温材料为硅酸铝耐火针刺毯。由于本锅炉机组已经运行12年，其保温性能下降严重，且管道也受到了许多磨损破坏，针刺毯选择100 mm厚，铺设3层，以保证彻底将热量密封，避免热量逸散使作业空间的环境温度不断上升。在保温棉材料外使用钢丝防护网进行固定后即可以进行锅炉试运行并测温。局部测温验收条件与炉墙的温度要求一致。在管道改造治理过程中，管道两层保温层之间应做错缝处理，相邻两层的纵向错缝控制在15以上，环向错缝要小于10 cm，层与层之间要紧密贴合，错缝设置也要与保温棉材料之间没有空穴，保温层的接缝和保温层与管道之间的接缝不设置在管道顶部，可以设置在管道中部偏上或偏下位置，避开容易发生温度超高的位置即可。保温层效果的验收要完全按照DL/T 9362005火力发电厂热力设备耐火及保温检修导则的相关规定进行，保温层厚度应当在重新安装完整外护板后再次进行检测，确保保温棉材料完全填充密实。使用的硅酸铝耐火针刺毯体积密度为128 kg/m3，质量符合国家规定标准的同时还要预留试样进行耐火耐高温测试，锅炉机组的最高局部超温达到200 以上，因此，耐火针刺毯的耐高温程度也应当能够应对超负荷超温现象，对保温层厚度的计算要符合经济厚度法，在其他容易发生热量散失的管道中也可以使用该保温棉材料进行保温，从而综合降低作业环境温度，保证锅炉机组作业安全。5.3外护板治理本工程的锅炉机组中，外护板在长期高温环境下已经发生了不可逆转的腐蚀，部分外护板已经出现了严重变形，需要更换的外护板总计10 821 m2，其中，锅炉炉膛水冷壁部分要更换的外护板为5 840 m2。外护板材料为厚度1 mm的铝合金板及铝合金压型板，部分区域更换的铝合金板厚度适当减少为0.75mm，主要应用在保温管道处4。此外，外表面温度高于50且需要减少散热损失的管道、附件及设备，要求防凝露、防冻或延迟介质凝结的管道、附件及设备，也要进行外护保温设置。在进行超温治理时，首先需要将原本变形损坏的外护板拆除，拆除的外护板应当及时运离施工现场，再将内部需要喷涂的保温材料和需要更换的保温棉材料处理完毕，最后才能更换外护板。安装外护板前要进行内部保温材料保温性能的监测，并对易发生局部超温的区域重点监控，外护板作为外部防护措施，其密闭性应当符合设计要求，在接口处应当进行压口处理，保证压口平直整齐，且无论在哪一区域重新铺设保温外护板都应当保证外护板与保温材料贴合紧实，避免空隙存储热量影响保温效果。安装保温外护板时，应当按照从下往上的顺序安装，对管道部分进行外护板安装时，应当保证管道环向搭接与管道坡向一致，室外管道的外护板环向搭接口应当向下，避免雨水倒流渗入腐蚀内部保温材料。两块外护板在拼接时中间搭接部分应当控制在3050 mm，在管道部分铺设外护板时应当每隔500800 cm设置一处膨胀点，按照纵向使用铆钉加固，环向不设置加固铆钉。在外护板安装完成后应当检查外观，确保内部保温材料设置没有露出，并测试温度，保证表面温度符合规定，不再发生局部超温现象，并测试作业环境温度下降到符合安全生产标准范围内。6结语锅炉长期运行过后，水冷壁局部超温问题是不可避免的，但只要采取合理手段进行治理仍然能够使锅炉水冷壁恢复正常运行状态。基于水动力角度看待锅炉水冷壁的超温问题，超温严重、已经发生腐蚀变形的外护板应当拆除更换，对水冷壁维修可以通过喷涂陶瓷纤维的方式提高其保温性能，从而使锅炉炉膛的水冷壁温度控制效果更加显著，降低热量损耗，减少锅炉的散热损失。【参考文献】1周晓韡,陈辉,戴维葆.基于水动力分析的锅炉水冷壁壁温控制研究J.电站系统工程,2022,38(1):17-20,24.2黄晓刚,陈文,曾俊.超临界W锅炉启动阶段水冷壁壁温特性分析J.应用能源技术,2021(7):46-50.3员盼锋,顾江峰,唐光晔,等.对冲直流锅炉水冷壁壁温偏差研究及治理J.热力发电,2021,50(6):134-140.4李阳.超超临界锅炉水冷壁壁温影响因素研究D.长春:吉林大学,2020.【收稿日期】2022-08-08图 1炉墙保温喷涂施工层次示意图78