鍋爐汽包水位兩側(cè)偏差大的分析及改造

　　汽包在自然循環(huán)回路中處于重要地位，其內(nèi)部進(jìn)水管的給水分配是決定汽包內(nèi)部水位平衡的重要因素之一。在實際運行當(dāng)中，有多種原因引起鍋爐汽包水位兩側(cè)偏差大，導(dǎo)致汽包水位保護動作的事故屢屢發(fā)生，給鍋爐的安全運行帶來隱患。江蘇利港電力有限公司（簡稱公司）1、2號鍋爐就因為汽包水位兩側(cè)偏差過大，在機組投產(chǎn)初期，發(fā)生過多次因汽包水位故障造成的非計劃停機，雖然公司在這方面做過一些工作，但仍末從根本上解決汽包水位兩側(cè)偏差大的問題。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院對公司的1、2號鍋爐汽包水位兩側(cè)偏差大問題提出了解決方案，并在機組檢修時進(jìn)行了實施，主要內(nèi)容是對汽包內(nèi)部的給水分配進(jìn)行改造，解決了鍋爐因汽包水位兩側(cè)偏差較大導(dǎo)致的安全隱患問題。本文結(jié)合理論計算和試驗數(shù)據(jù)分析，對改造方案進(jìn)行介紹，并對改造實施后的效果進(jìn)行跟蹤評價。
　　
　　一、其設(shè)備和系統(tǒng)概況
　　
　　公司1、2號鍋爐由美國福斯特-惠勒（FOSTER-WHEELER）公司設(shè)計，西班牙福斯特-惠勒公司制造，為亞臨界、單汽包、單爐膛、一次中間再熱、自然循環(huán)鍋爐，再熱器系統(tǒng)采用煙氣擋板調(diào)溫方式，燃燒器采用前墻布置旋流燃燒器。低位和高位省煤器采用串級布置，低位省煤器布置在煙氣擋板后部的混合煙道中，高位省煤器布置在前煙道的低溫過熱器下部，省煤器送入汽包的水是通過一根供水管從汽包的東側(cè)端頭處引入，進(jìn)入汽包后一分為二，2根給水分配管在沿汽包長度上均有配水孔。1、2號機組分別在1993年的上半年和下半年投入商業(yè)運行。
　　
　　鍋爐的設(shè)計參數(shù)在ECR時為:負(fù)荷（ECR）,350MW;主蒸汽流量，1075t/h;過熱蒸汽出口溫度/壓力,541℃/17.2MPa;給水溫度/壓力,280℃/l9.24MPa;再熱蒸汽進(jìn)口溫度/壓力，309℃/3.14MPa;再熱蒸汽出口溫度/壓力，541℃/2.98MPa;省煤器器出口溫度，313℃。
　　
　　二、改造前運行情況
　　
　　機組投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)汽包兩側(cè)水位存在偏差，該偏差隨負(fù)荷升高有明顯增大，但并不隨汽包實際水位的高低變化而變化。汽包在東側(cè)和西側(cè)端頭分別裝有2只及1只重液式水位變送器，東西二側(cè)各裝有1只雙色就地水位計，西側(cè)還裝有1只電接點遠(yuǎn)傳水位計。無論從水位變送器還是就地水位子八發(fā)現(xiàn)汽包水位兩側(cè)偏差的變化趨勢是一致的。為了檢查和確認(rèn)汽包水位，通過外部用塑料U型管對汽包水位進(jìn)行了實測，發(fā)現(xiàn)在額定負(fù)荷下汽包西側(cè)水位比東側(cè)實際高17Omm。因此，可以排除水位測量上的原因，確認(rèn)水位測量是準(zhǔn)確的。另外，在停爐檢修時，進(jìn)入汽包內(nèi)部檢查，可以清楚地發(fā)現(xiàn)一道明顯傾斜的東低西高的水位痕跡，說明汽包水位東西兩側(cè)偏差是長期存在的。原設(shè)計在汽包的西側(cè)裝有2只水位開關(guān)，東側(cè)裝有1只水位開關(guān)，汽包水位保護是由水位開關(guān)實現(xiàn)的。由于水位偏差，在投產(chǎn)初幾年內(nèi)，經(jīng)常發(fā)生水位保護動作造成的機組跳閘故障，為此曾對幾只汽包安全門的起座順序進(jìn)行調(diào)整，也對水位開關(guān)進(jìn)行過強牽，試圖避免汽包水位保護頻繁動作，但效果有限。2003年前后，根據(jù)新的規(guī)范要求，改由汽包變送器帶水位開關(guān)，雖然水位保護誤動作的故障基本不會再發(fā)生，但仍然沒從根本上解決汽包水位兩側(cè)偏差大的問題。
　　
　　影響汽包水位變動的因素一般有工質(zhì)輸入與輸出的不平衡、汽包壓力以及汽包水下蒸汽容積的變化。其中，汽包壓力和汽包水下蒸汽容積主要決定于鍋爐燃燒偏差的變化。長期運行的結(jié)果及專項試驗均表明，爐膛內(nèi)燃燒雖然有偏差，但主要是中部和兩側(cè)之間的偏差較大，兩側(cè)之間沒有明顯的燃燒和傳熱偏差。因此，可以認(rèn)為導(dǎo)致東西側(cè)水位兩側(cè)偏差大的根本原因是兩側(cè)T質(zhì)輸人的不平衡。
　　
　　改造前，進(jìn)水管從東側(cè)端頭（A側(cè)）進(jìn)人汽包后，分兩路進(jìn)水，每路給水分配管上郡有配水孔，見圖1。　　
　　三、汽包兩側(cè)水位偏差原因分析
　　
　　3.1原給水分配管出水孔分布的設(shè)計存在不足
　　
　　盡管原設(shè)計己考慮給水分配管靜壓分布的影響，但考慮的并不充分;根據(jù)計算結(jié)果，在原設(shè)計結(jié)構(gòu)下，滿負(fù)荷（按1200仇給水量計）時，西側(cè)出水量仍然比東側(cè)要高近3倍，這是造成汽包水位兩側(cè)偏差較大的根本原因。
　　
　　如下為出水孔流量偏差計算。
　　
　　（1）沿給水分配管靜壓增量計算
　　
　　沿給水分配管分布的出水孔處靜壓增量計算見式（1）:　　
　　式中:X為計算點到坐標(biāo)原點的相對長度;Hfp為汽包給水分配管入口的動壓頭;αfp為汽包給水分配管的每米摩擦阻力系數(shù)。
　　
　　（2）給水分配管流量分配計算
　　
　　假設(shè)汽包內(nèi)壓力恒定，汽包內(nèi)環(huán)境壓力為P0，分配管進(jìn)口處靜壓力為P1，各出水孔處的靜壓力為（P1+αχ）;根據(jù)出水孔處的壓差，由伯努利方程，出水孔的速度按式（2）計算:　　
　　式中:υfp為汽包給水分配管中的介質(zhì)比容。
　　
　　本方法通過出水孔單位時間的出水量來判斷和考慮汽包水位的相對變化。本次選取高負(fù)荷（按1200t/h給水量計）和低負(fù)荷（600t/h），2種典型運行工況下，分別計算給水分配管的出水量和出水孔出水速度的分布。
　　
　　計算結(jié)果見表1、圖2和圖3。　　
　　3.2水位兩側(cè)偏差不恒定
　　
　　汽包水位東西側(cè)偏差變化有一定規(guī)律:機組在22OMW以下的較低負(fù)荷運行時，汽包兩側(cè)水位基本沒有偏差，負(fù)荷從25OMW開始增加時，兩側(cè)偏差開始明顯變大，西側(cè)（B側(cè)）高于東側(cè)（A側(cè)），額定負(fù)荷時偏差達(dá)到15Omm左右。但汽包水位東西側(cè)偏差并不隨汽包實際水位的高低變化而變化。機組負(fù)荷變化引起鍋爐蒸發(fā)量和給水流量的變化，給水流量變化對汽包給水分配管內(nèi)的靜壓相流量分布影響較大，對汽包水位兩側(cè)偏差影響也很大，因此改造必須考慮負(fù)荷變化對水位兩側(cè)偏差的影響。
　　
　　四、改造方案
　　
　　4.1改造方案內(nèi)容和特點
　　
　　改造方案的主要內(nèi)容是：給水母管進(jìn)汽包后，分為南、北側(cè)2根給水分配管，北側(cè)經(jīng)過一個節(jié)流孔板后進(jìn)入給水分配管出水，為保證兩分配進(jìn)口處壓頭一致，節(jié)流孔板的阻力等于南側(cè)連接管道沿程阻力；南側(cè)給水經(jīng)連接管沿整個汽包流到西側(cè)，然后再進(jìn)到北側(cè)給水分配管出水。分配管均開兩排出水孔，計184個，總出水孔數(shù)為368個，開孔角度分別與水平夾角成30度和60度，如圖4所示。　　
　　后在不同負(fù)荷下對1、2號爐汽包水位進(jìn)行了核對試驗。試驗結(jié)果證明改造達(dá)到了設(shè)計值，從根本上解決了鍋爐因汽包水位兩側(cè)偏差較大導(dǎo)致的安全隱患問題。
　　
　　現(xiàn)以2號爐為例，其改造后汽包水位兩側(cè)偏差結(jié)果見表4。　　
　　根據(jù)給水分配管上的靜壓特性來確定配水孔的分布。配水孔的分布特點決定了改造方案的特點：給水分配管出水孔處靜壓沿汽包長度東西側(cè)對稱分布，出水孔出水量沒汽包長度也對稱分布，故汽包水位基本能保證東西側(cè)一致，汽包水位兩側(cè)偏差受負(fù)荷變化的影響很水。同時進(jìn)水連接管道規(guī)格與原分配管規(guī)格一致，既不影響汽包檢修通道，又能保證管道內(nèi)流速維持不變。
　　
　　4.2改造后流量偏差及流速計算
　　
　　利用相同的計算方法，在不同的給水流量下，改造后給水分配管流量偏差計算結(jié)果見表2，出水孔出水速度沿汽包的分布見圖5和圖6。　　
　　4.3改造后給水分配管出水孔開孔及振動強度校核
　　
　　由于汽包水位兩側(cè)偏差改造中，涉及到對給水分配管的出水孔進(jìn)行重新開孔設(shè)計，而給水分配管屬承壓元件，需要計算確定新設(shè)計的給水分配管壁厚是否滿足強度要求，以及新開孔是否需要實話加強才能使給水分配管的流速不變，同時又不改變給水分配管規(guī)格，因此采用給水母管進(jìn)汽包后，分南北兩側(cè)進(jìn)水；北側(cè)給水經(jīng)連接管道沿整個汽包流到西側(cè)，然后再進(jìn)到北側(cè)給水分配管出水。這樣既能保證出水孔靜壓分布的東西側(cè)對稱性，又不會改變給水分配管道中的流速。
　　
　　經(jīng)校核計算，給水分配管出水孔開孔滿足強度要求；給水分配管內(nèi)水流速度（高負(fù)荷時為10.82m/s）都小于產(chǎn)生振動的臨界速度，不會引起管道振動而失穩(wěn)。
　　
　　汽包內(nèi)給水分配管出水孔開孔強度和振動強度計算結(jié)果見表3。　　
　　五、方案實施及效果評價
　　
　　經(jīng)計算通過改變汽包給水分配系統(tǒng)，使給水分配管出水孔處靜壓沿汽包長度東西側(cè)一致，達(dá)到減小汽包水位東西側(cè)偏差的目的，滿足機組安全生產(chǎn)的需要。改造工程量很小，工程預(yù)算也不大，能夠解決汽包東西側(cè)水位偏差較大的安全隱患。
　　
　　1號爐在2005年9月份中修期間，按本方案對汽包進(jìn)水分配管實施了改造；2號爐在2006年4月份小修期間，對汽包的進(jìn)水分配管實施了相同的改造。
　　
　　為了對改造后的實際運行效果進(jìn)行評價，改造后在不同負(fù)荷下對1、2號爐汽包水位進(jìn)行了核對試驗。試驗結(jié)果證明改造達(dá)到了設(shè)計值，從根本上解決了鍋爐因汽包水位兩側(cè)偏差導(dǎo)致的安全隱患問題。
　　
　　現(xiàn)以2號爐為例，其發(fā)行后汽包水位兩側(cè)偏差結(jié)果見表4。　　
　　從表4中可以看到，1、2號爐針對鍋爐汽包水位兩側(cè)偏差大的汽包配水管改造基本消除了汽包水位兩側(cè)偏差，而且改造后汽包水位兩側(cè)偏差大也不再隨機組的變化而變化，達(dá)到了理想的改造效果。