锅炉循环

锅炉循环注意事项

目前，许多化石燃料锅炉正在经历负荷循环或开/关循环运行。这些操作模式包括循环运行机组和离线或减少负荷到绝对最小，以响应不断变化的负荷需求。这可能是由于每天或每周在夜间和周末经历的负荷变化，发电机组将单元调度到使用成本较低的燃料（如天然气）的电网，或可用的替代和不太稳定的发电源（如太阳能或风能）。

大多数这些装置最初是为基础负载操作而设计的，而不是为适应频繁的开/关周期而设计的。在有限的循环次数后，施加在焊缝、封头、鼓和伸缩部件之间的附件上的应力可能导致失效。循环操作可以根据循环的次数和持续时间缩短设备的寿命。一个彻底的状态评估程序可以确定潜在的设备修改，可以使机组更灵活，缓解可能的问题区域。为循环设计的最新装置的技术发展使各种各样的蒸汽发生器修改可用于改造基本负荷设计。

循环效应及解决方案

在评估锅炉承受循环的能力时，首先审查那些最易受循环影响的部件。从两个角度讨论了这些组件：最小化循环损伤的操作方法，以及允许组件更好地承受循环条件的设计修改。

周期的定义

通常考虑两种类型的循环服务：负载循环和开/关循环。

一个负荷周期被认为是在满载、全温稳态条件下开始的。它经历了一次负荷减少，然后返回到初始条件。一个典型的负荷周期由三个阶段组成：

1. 减负荷,
2. 低负荷运行，和
3. 重新加载。

一个典型的开/关周期有四个阶段：

1. 减负荷,
2. 停止运行
3. 重新启动,
4. 重新加载。

脱机期可以为减少循环损害提供一个潜在的领域。以下是主要与开/关循环相关的问题。

省煤器热冲击

在开/关循环的锅炉上，节能器往往比其他部件表现出更大的循环损伤。省煤器从抽提给热水器系统接收水，金属内部表面温度跟随给水温度，几乎没有时间延迟。因此，在高局部应力的情况下，金属温度的高变化率会发生。

图1显示了夜间停机循环期间省煤器入口温度。前两个小时是为了减少负载，随后是8小时的空闲状态。接下来，锅炉点火，为重启做准备。在负荷减少和增加期间的温度变化率通常不太大，但对于省煤器来说，它代表了负荷循环条件。

在脱机期间，通常会有一些空气通过锅炉泄漏，导致锅炉压力下降。当这种情况发生时，汽包水位下降。同时，通过锅炉的空气被加热到接近饱和温度，然后空气加热省煤器。在此期间，省煤器金属温度可以30至50华氏度/小时（17至28摄氏度/小时）的速度升高，并可接近饱和温度。当机组冷却时，汽包水位下降，操作人员通常通过添加给水来恢复汽包水位，以便机组准备好点火。由于没有抽汽，给水温度较低。这段冷水迅速冷却省煤器，引起图1中实线所示的热冲击。通常情况下，进气总管和进气管受到的冲击最大。

当锅炉为汽轮机的重新启动、卷起和同步准备时，省煤器升温很快，经常接近饱和温度。当初始负荷施加到涡轮机上时，开始给水流动。由于萃取加热很少，给水温度最初很低。当萃取物被切进给水加热器时，温度会在几分钟内升高几百华氏度(C)，从而产生热冲击。

通常情况下，早期损坏包括在最靠近给水入口连接处的进口集管孔中产生的裂纹。

从这种循环服务中还可以看到其他损害。出口头显示出与进口头类似的损坏。此外，一些管库支撑系统不能适应行之间的高温差异。

现有的解决方案可以减少热冲击的频率和幅度。这些解决了服务中断和重新启动的情况。一种解决方案被称为涓流冷却。在停机和重新启动期间，经常引入非常少量的给水。这可以防止进水集管加热，并降低给水引入期间的冷却速度。由于给水量的引入受到控制，以限制省煤器的温升，因此可能需要一些鼓式排污来防止水位过高。

第二种减少热冲击的方法是允许省煤器在空闲期间重新加热，然后为重新启动提供更高温度的给水。这可以通过用来自辅助源或机组汽包的蒸汽对高压加热器加压来实现。所需的蒸汽量很低，因为它只加热最初的低流量给水。

炉低温冷却

经过开/关循环的鼓式锅炉也发现在炉壁下部管处出现多处裂纹，该处管被限制不膨胀或收缩。典型的开裂区域是在较低的风箱附件，填充棒或板焊接到管。（见图2）

对这些故障的调查表明，在停机或闲置期间，相对较冷（冷却到饱和温度以下）的水沉淀在炉底的最低回路中。当循环通过初始点火或循环泵启动时，冷水界面向上移动穿过壁，迅速冷却管道。随着较冷的水向上移动，其温度梯度降低，因此冷却速度降低，因此减少了炉内较高的损坏。经验表明，如果这种过冷可以限制在100F (56C)，则损坏的可能性很低。

停用循环泵系统可用于限制过冷。（见图3）这是一种低容量泵，从降水器底部抽取水并将水排放到鼓中，因此防止了机组内水的分层温度。

腐蚀疲劳

随着机组的老化和循环次数的增加，开/关循环的影响继续出现在锅炉的其他区域。供电管和立管等电路在运行足够长的时间和足够的周期内容易损坏。业主必须特别警惕锅炉外壳外的电路损坏，一旦发生故障，会造成更大的安全隐患。B&W已经准备了一份工厂服务公告来讨论这个话题。

管腿弹性

大多数锅炉的围护壁是水冷或蒸汽冷却的。水冷回路携带沸水，蒸汽冷却回路携带汽包中的蒸汽。因此，它们在与滚筒压力相对应的饱和温度附近运行。无论锅炉是燃烧还是关闭，都需要大量的热量吸收或损失来改变壁面的温度。因此，它们的温度变化比其他成分要慢。

省煤器、过热器和再加热器穿过这些墙壁；穿孔洞的设计是气密的。在渗透点，沿饱和温度进行横向膨胀。然而，构成该组件入口或出口的集管会随着其所含蒸汽或水的温度而膨胀。图4显示了用于过热器或再热器出口的头端和最外层连接支腿的典型运动。请注意，最大的挠度是当头部温度达到最大值时。

在省煤器和再热器入口的情况下，偏转方向相反，因为这些集管在接近或低于饱和温度的情况下工作。对于这些部件，最大的温差，因此最大的挠度，是在低负荷下。

无论方向如何，最大的温差都会在连接腿中产生最大的微分膨胀和最大的弯曲应力。应力范围和幅值决定了构件的疲劳寿命。

循环损伤的第一个迹象是管件与封头的焊缝或最外层封头腿的短管与管件的焊缝出现外部裂纹。这种损坏比较容易检查和修复。连续的损伤通常也仅限于相邻的腿，因为它们经历了相似的压力水平。最敏感的是位于大型机组上距离渗透密封相对较近的高温集管。在大型锅炉上，集水管很长，当加上短的出口管腿时，将在集水管焊接处产生最大的弯曲应力。

蒸汽鼓

汽包锅炉的循环有可能产生显著的汽包温度变化。鼓是一个大的厚壁容器，固有地对温度变化反应缓慢。转鼓温度自上而下的变化可能导致转鼓驼峰、连接处应力过大以及焊缝疲劳。

在足够的循环时间内，任何温度变化显著的区域，包括喷嘴穿透，都有可能产生过大的热应力和桶损坏。因此，当循环操作成为常态时，必须解决滚筒问题。

汽包应包括在状态评估程序中，以确定已经发生的任何损坏的证据。但是，应该减少可能导致损坏的操作条件。应该分析运行数据或安装仪器来评估鼓的镦厚。热电偶可以安装在滚筒上，以监测温差。对锅炉运行历史的回顾可以证实压力（饱和温度）变化的速率是可控的。如果不能通过改变操作方法来控制循环故障，则可能需要对系统进行升级。

循环锅炉循环改造

如前所述，炉膛过冷、停机时锅炉强制冷却以及启动时锅炉的间歇性冷进水是热差和循环开裂的三个来源。构件内部产生的热应力可能足以产生低周疲劳裂纹。在大多数情况下，解决方案是修改锅炉和/或给水系统，以防止冷水突然进入热锅炉部件。

当锅炉在启动时由于过冷和冷水流动而出现裂缝时，一种解决方案是安装离线泵辅助循环系统以减少热瞬态。如图5所示，系统由脱机循环泵、脱机泵与给水管间的热套三通连接、锅炉下行水管至泵的连接、加热旁通系统、各种阀门和控制系统组成。

离线泵只有在锅炉关闭时才运行。其目的是在炉内回路和通过省煤器提供少量循环，以防止回路中的温度分层。三通连接允许从炉膛中引入少量热水，当给水间歇性地供应给锅炉时，在稳定的给水流量建立之前。在三通处引入的暖炉水提高了给水温度，足以防止对省煤器的热冲击。

这种连接包含一个内部热套管，用于保护三通在冷水首次进入省煤器时免受热冲击。控制系统监测给水温度和流量，并控制再循环泵。

当锅炉启动程序启动时，离线系统关闭并隔离。当泵关闭，锅炉离线时，加热管路允许通过泵进行自然循环。

离线再循环系统的经验表明，热冲击差可以从之前的200到400华氏度（111到22c）降低到100华氏度（56摄氏度）以下。这样的减少可以消除与频繁的单元循环有关的疲劳裂纹。

负载循环的影响和解决方案

上述问题主要与开/关循环有关。负载循环到不同的范围提出了另一组独特的挑战。主要的挑战是保持稳定的燃烧，以及维持空气质量控制系统设备（AQCS）运行的能力。

随着所需的最小持续负载的减少，这些挑战变得更加难以解决。一般期望的工作范围可分为：

1. 调低到更高的值，大约是40%到50%，
2. 中间范围是25%到40%
3. 房屋负荷的最低范围（产生的电力仅够发电厂设备使用）为25%。

火焰稳定

负荷循环的主要问题之一是开发必要的系统来保持低负荷运行时的稳定燃烧。现代壁式燃烧器提供控制良好的空气-燃料混合。混合量随燃烧器的燃烧速度而变化。可接受的空气燃料混合是在减少锅炉负荷的情况下，通过使用更少的燃烧器和以更高的燃烧速率运行这些燃烧器来实现的。燃烧器混合可以通过使用一次风/煤粉流、使用二次风或两者的组合来诱导。低于一定的负荷，如果没有辅助燃料的支持，燃烧器将无法保持稳定的火焰。

为了最大限度地减少在需要火焰稳定期间的辅助燃料成本，可以使用双容量点火器。点火器在两种能力中任意一种操作。一个更高的容量将在1类输入水平，为NFPA 85中燃煤燃烧器容量的10%。另一个较低的容量是5%的煤燃烧器容量，NFPA 85将其定义为2类点火器，这是允许煤点火的最小容量。当粉碎机启动时，点火器将按照NFPA 85的要求以其最高容量运行。在NFPA 85允许的所有其他时间，例如当需要为扩展的低粉碎机负载提供点火器支撑时，点火器输入可以减少到较低的2级容量。虽然2级点火器不能用于所有可能使用1级点火器的情况，但在特定规定条件下，允许使用2级点火器来稳定低负荷运行的煤火焰。

粉碎机低落

粉碎机调节是为锅炉调节提供灵活性的关键。一般情况下，最小调节范围限制在两台运行中的粉碎机内。在使用辅助燃料的情况下，如果单个粉碎机跳闸，则有跳闸的风险。一次风量的要求取决于具体的粉碎机设计。大多数粉碎机在其最小输出水平上需要40%至70%的满载初级空气需求。此外，PA/PC混合物必须以至少3000英尺/分钟（15米/秒）的速度运输到燃烧器。这种速度可以防止煤颗粒在煤管水平运行中脱离悬浮状态。最小一次空气流量是粉碎机所需的最小PA流量或满足燃烧器线速度限制所需的最小PA流量中较大的一个。

输送到燃烧器的一次空气和煤混合物在粉碎机满载时达到最大速度和固体负荷，并随着粉碎机负荷的减少而跟随粉碎机的输出。随着燃烧器喷嘴速度的增加，着火点逐渐远离燃烧器。在某些情况下，喷嘴速度的持续增加可能导致火焰脱落，这是一种潜在的危险情况，会导致煤的点火和火焰稳定性丧失。煤与一次风的重量比通常在满负荷时达到峰值0.4 ~ 0.65，在最小粉碎机负荷时达到最低0.15 ~ 0.3。

DSVS®分级机与弹簧负载调节器的组合使用可以提高粉碎机的操作灵活性，以减少停机。分类器可以控制趋向于较慢的产品。分级器也可以用来，实际上，增加粉碎机的工作负荷，在低产量增加细度值高于将实现与静态分级器。在低产量时增加粉碎机的工作负荷，可以同时提高降压和点火稳定性。

如果低负荷运行的经济性证明它是合理的，有几种选择可提供均匀稳定的热量输入。天然气燃烧为炉子提供均匀稳定的热量输入，用于运行，包括房屋负荷。专用的小容量粉碎机和燃烧器是另一种选择，以较低的成本燃料提供较低的热量输入。利用半磨烧制，以提供与现有的粉碎机进一步调低。在这种设计中，一半的燃烧器是隔离的，而另一半在燃料更丰富的环境中运行，提供稳定的最小热量输入。多余的含燃料的一次空气被输送到一个袋式仓库，在那里燃料被分离并返回到磨机，而一次空气则被排放到锅炉。这多余的一次空气是计量，以确保足够的燃烧空气是馈送主动燃烧器。

空气质素管制

在低负荷下维持空气质量控制系统的运行是一项特殊的挑战。通过适当的调整和控制，氮氧化物（NOx）通常可以通过燃烧控制到约40%的负荷。当负荷从40%下降到25%时，NOx会增加；在这种情况下，选择性催化还原（SCR）系统将停止使用。因此，从氮氧化物控制的角度来看，保持SCR在尽可能低的负载下工作需要一个或多个设计解决方案。为防止在催化剂中形成硫酸氢铵，SCR入口烟气温度应保持在催化剂供应商提供的最低注入温度以上。以下选项可用于维持进入SCR的气体温度：

1. 烟气旁通——一部分烟气绕过省煤器，与通过省煤器的烟气混合。
2. V-TempTM省煤器-在这种专利设计中，省煤器的给水分为溢流路径和下流路径，每条路径都从自己的省煤器进口集管进料。省煤器管组由底流管段和溢流管段混合组成，由底流管段和溢流管段馈送。通过溢流段和下流段的水随着负荷的减少而偏置，并在混合集管中重新组合。
3. 分体式省煤器-省煤器表面的一部分被安置在SCR反应器的下游。
4. 水再循环-从接近饱和的水源（如降水管）中提取一部分水，与给水混合进入省煤器。
5. 水旁路-一部分给水到省煤器被绕过省煤器，并与通过省煤器的水混合。
6. 表面去除-去除对流表面（过热器、再热器或省煤器）的一部分。

位于空气加热器下游的AQCS设备也要求出口气体温度保持在正常运行的限制之上。在极低负荷下最易受低温影响的设备是喷雾干燥吸收器（SDA）和脉冲喷射织物过滤器（PJFF）。冷启动时，建议进入设备的最低平均气体温度为220华氏度（104摄氏度）。满足规定SO2排放速率所需的最低入口气体温度是入口SO2浓度和雾化器进料浆固体浓度的函数。对于深负荷循环的机组（房屋负荷为25%），根据测试和经验，可以降低平均气体温度。

锅炉的设计是为了保持空气加热器的出口气体温度，以控制冷端表面的腐蚀。一般的假设是，冷端金属温度近似等于气体出口和空气进口温度的平均值。大多数空气加热器被设计成在气体出口温度高于酸露点，但最低金属温度略低于露点的情况下运行，在这种情况下，效率的提高超过了额外的维护成本。用于控制空气加热器出口气体温度的措施可以包括利用热交换器加热进入空气，绕过空气加热器周围的空气，热空气再循环，或绕过空气加热器周围的烟道气。这些方法有一定的缺点，必须在实现之前进行评估。旁路选项虽然在低负载时效率更高，但在高负载时，关闭阻尼器周围的空气或气体泄漏会导致效率损失。通过热交换器加热进入空气的最常用的解决方案可能在最低负荷下产生更高的热率损失。