防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置及其调控方法

1.本发明属于能源利用领域，涉及一种防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置及其调控方法。


背景技术：

2.火电机组中过热器、再热器等高温受热面氧化皮脱落和沉积问题引发的传热恶化进而导致机组超温爆管、停机等事故是威胁机组安全稳定运行的重大隐患之一，同时也会造成巨大的经济损失。超临界和超超临界机组中锅炉所面临的这一问题更加严峻，锅炉初参数的提高一方面能够提升机组发电效率，但同时会加速氧化皮生成。由于氧化皮的热膨胀系数与锅炉基材存在较大差异，在机组启停阶段或频繁变负荷调峰运行时，基材表面氧化膜内应力迅速增大，导致氧化皮破裂、分层和脱落。另一方面，喷射减温水虽然作为一种常见方式可以保证管束材料温度处于许用温度区间内，但高温蒸汽管道内温度的剧烈波动可能加速氧化皮的剥落。常规吹扫蒸汽流量无法将过大的氧化皮及时带出管道，使得氧化皮只能在换热管弯曲段不断积聚，最终堵塞管道而引发超温爆管。
3.特别针对过热器和再热器这类高温受热面中u型弯管部分，片状氧化皮在u型弯管底部的堆积与堵塞在降低机组通流能力的同时，严重降低了工质对管壁的冷却作用，对机组的安全稳定运行带来极大威胁。相关研究表明，蒸汽管道内氧化皮堵塞1/3管径不仅会影响换热，还会促进氧化皮进一步生成；堵塞1/2管径即会引起管道超温，增加爆管风险；堵塞超过1/2管径时就会发生短时过热爆管事故。除此之外，氧化皮在管道中经碰撞冲击作用而破碎为颗粒后，还会引发后续动力设备结垢和磨损。
4.机组启动过程中，利用并网前蒸汽的能量对过热器和再热器进行蒸汽吹扫可缓解氧化皮堵塞。根据运行特点，不同锅炉会制定具体的蒸汽吹扫工艺。目前国内大部分电厂均是利用机组旁路系统对氧化皮剥落物进行吹扫，其中高压旁路蒸汽容量一般维持在30％-40％bmcr，个别可达70％bmcr；低压旁路蒸汽容量一般不超过40％bmcr。蒸汽吹扫效果主要取决于蒸汽吹扫动量，当动量比系数k≥1才能保证良好的吹扫效果。国家电力工业部门在《火电机组起动蒸汽吹扫导则》中指出，氧化皮吹扫系数应大于1。
5.除此之外，锅炉过热器和再热器等受热面结构和布置将影响整个系统的沿程阻力和局部阻力，进而影响蒸汽吹扫效果。
6.目前，清除换热管束中的氧化皮主要借助特殊工具和溶液，包括人工打磨去除、酸洗清除、机械切割清除等方式。由于锅炉中换热管束数目多，清理工作量庞大且耗时低效，至今仍无良好解决方法。尽管提升过热器和再热器换热管材料等级可以缓解氧化皮颗粒的生成及堵塞问题，但生产成本过高。因此通过改进锅炉蒸汽系统结构，同时优化换热管吹扫策略，成为解决锅炉过热器和再热器中氧化皮颗粒堵塞和爆管问题的重要研究方向。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种防止锅炉过热器和再热
器氧化皮堵塞的装置及其调控方法，该装置及其调控方法能够实现发电机组锅炉管束内氧化皮的疏通与回收。
8.为达到上述目的，本发明所述的防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置包括出口集箱、若干组单屏换热管束及若干分段式进口集箱；
9.一个分段式进口集箱对应一组单屏换热管束，一组单屏换热管束内包括若干单屏换热管束，单屏换热管束均包括换热管本体，所述换热管本体包括换热管进口端、第一换热管直流段、弯管段、第二换热管直流段及换热管出口端；所述弯管段包括弯管进口端、弯管水平段及弯管出口端；
10.分段式进口集箱的出口依次经对应换热管进口端、第一换热管直流段、弯管进口端、弯管水平段、弯管出口端、第二换热管直流段及换热管出口端与出口集箱相连通，相邻分段式进口集箱之间通过双向气动调节阀相连通。
11.弯管进口端与弯管水平段之间夹角为135
°
，弯管出口端与弯管水平段之间的夹角为135
°
。
12.各组单屏换热管束中单屏换热管束的数目小于等于对应过热器及再热器总管屏数的1/10。
13.单个单屏换热管束中，换热管进口端自水平方向起，逆时针间隔30
°
等角度连接于分段式进口集箱。
14.换热管出口端间隔30
°
等角度连接于出口集箱。
15.弯管水平段的长度大于其管径的3-5倍。
16.同一组单屏换热管束中相邻单屏换热管束之间的间距为4-5倍的单屏换热管束管径。
17.弯管段中弯管进口端、弯管出口端及弯管水平段的内壁和外壁均涂覆有抗磨损涂层。
18.本发明所述防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置的调控方法，包括以下步骤：
19.在正常运行工况下，分段式进口集箱之间的双向气动调节阀处于全开状态，蒸汽由分段式进口集箱进入各换热管进口端，换热管本体中剥落的氧化皮依次流经夹角为135
°
的弯管进口端、弯管出口端及弯管水平段；
20.在在吹扫工况下，调节分段式进口集箱之间双向气动调节阀的启闭状态，保证不同过热器、再热器管屏均处于高负荷或满负荷吹扫状态，配合弯管段的减阻作用，解决锅炉过热器和再热器换热管的氧化皮堵塞问题和爆管事故。
21.本发明具有以下有益效果：
22.本发明所述的防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置及其调控方法在具体操作时，蒸汽经弯管段时，蒸汽中的氧化皮在弯管段中受到离心力及惯性力的作用贴近弯管段内壁的运动，在蒸汽气流的携带和氧化皮自身重力作用下进入弯管段。相对于传统u型弯管中2个90
°
转角，经过改造的弯管段中各段管道以135
°
连接而成，减小了管道连通处的曲率，增加其曲率半径，较大的连接转角可缓解弯头处氧化皮冲蚀磨损问题，同时减小氧化皮在底部弯曲结构中的流动阻力。弯管进口段和出口段中间配合的较长的直管段，可为氧化皮颗粒的暂时停留提供足够大的空间，进而避免底部弯曲管道中氧化皮堆积堵塞引发的
超温爆管事故。另外，相邻分段式进口集箱之间设置有双向气动调节阀，通过控制双向气动调节阀的启闭状态和开度，可以平衡不同管屏间锅炉管束热负荷，调节不同管屏换热管中蒸汽流量和流速，进而改变吹扫蒸汽的比例，以满足各工况下底部弯管中蒸汽吹扫要求，改善过热器和再热器等高温受热面的工作条件。需要说明的是，本发明可以很好适应电网调峰引发的机组快速启停，频繁变负荷等运行要求，实现锅炉过热器和再热器等高温受热面弯管部分氧化皮堵塞的被动防治和主动疏导，彻底解决因氧化皮堵塞而导致的锅炉过热器、再热器爆管事故发生。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为本发明的侧视图。
25.其中，1为分段式进口集箱、2为出口集箱、3为换热管进口端、4为换热管出口端、5为第一换热管直流段、6为弯管进口端、7为弯管出口端、8为弯管水平段、9为双向气动调节阀、10为换热管本体、11为弯管段。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
27.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
28.参考图1及图2，本发明所述的防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置包括出口集箱、若干组单屏换热管束及若干分段式进口集箱1；
29.所述单屏换热管束均包括换热管本体10，所述换热管本体10包括换热管进口端3、第一换热管直流段5、弯管段11、第二换热管直流段及换热管出口端4；所述弯管段11包括弯管进口端6、弯管水平段8及弯管出口端7；
30.一个分段式进口集箱1对应一组单屏换热管束，一组单屏换热管束内包括若干单屏换热管束，分段式进口集箱1的出口依次经对应换热管进口端3、第一换热管直流段5、弯管进口端6、弯管水平段8、弯管出口端7、第二换热管直流段及换热管出口端4与出口集箱2相连通，相邻分段式进口集箱1之间通过双向气动调节阀9相连通；
31.各组单屏换热管束中单屏换热管束的数目小于等于对应过热器及再热器总管屏数的1/10。
32.单个单屏换热管束中，换热管进口端3自水平方向起，逆时针间隔30
°
等角度连接
于分段式进口集箱1，换热管出口端4间隔30
°
等角度连接于出口集箱2，弯管进口端6与弯管水平段8之间夹角为135
°
，弯管出口端7与弯管水平段8之间的夹角为135
°
。弯管水平段8的长度大于其管径的3-5倍。
33.单个管屏内，换热管整体呈对称设计，双向气动调节阀9连接相邻分段式进口集箱1之间，其安装高度保持在同一水平面，同一组单屏换热管束中相邻单屏换热管束之间的间距为4-5倍的单屏换热管束管径。
34.弯管段11中弯管进口端6、弯管出口端7及弯管水平段8的内壁和外壁均涂覆有抗磨损涂层。
35.本发明所述防止锅炉过热器和再热器氧化皮堵塞的装置的调控方法，包括以下步骤：
36.在正常运行工况下，分段式进口集箱1之间的双向气动调节阀9处于全开状态，蒸汽由分段式进口集箱1进入各换热管进口端3，换热管本体10中剥落的氧化皮依次流经夹角为135
°
的弯管进口端6、弯管出口端7及弯管水平段8，减小了氧化皮颗粒在90
°
直角弯管结构处的流动阻力，进而减少氧化皮颗粒在换热管本体10中弯管段11的堆积量；在吹扫工况下，调节分段式进口集箱1之间双向气动调节阀9的启闭状态，保证不同过热器、再热器管屏均处于高负荷或满负荷吹扫状态，配合弯管段11的减阻作用，彻底解决锅炉过热器和再热器换热管的氧化皮堵塞问题和爆管事故。
37.本发明在具体应用时，锅炉过热器及再热器换热管中脱落的氧化皮在蒸汽携带和氧化皮自身重力作用下进入底部弯管段11，由于受到离心力及惯性力作用，氧化皮颗粒会贴近弯管段11的内壁运动，弯管段11中各段管道以135
°
夹角连接而成，较大的连接转角可显著缓解弯头处氧化皮冲蚀磨损问题，且有效避免流动“死角”，减小氧化皮在底部弯曲结构中的流动阻力。同时，弯管水平段8可以为氧化皮颗粒的暂时停留提供足够大的空间，大大缓解因氧化皮堆积堵塞引发的过热爆管问题。吹扫工况下，通过控制双向气动调节阀9的启闭状态及开度，在总吹扫气量不变的条件下，通过主动减少蒸汽吹扫的管屏数目，从而提升单个管屏中的蒸汽动量，增加蒸汽吹扫动量比系数k，保证不同过热器、再热器管屏均处于高负荷或满负荷吹扫状态，彻底解决锅炉过热器和再热器换热管的氧化皮堵塞问题和爆管事故。值得注意的是，在蒸汽吹扫过程中应保持煤量和给水量的稳定，同时注意调节减温水以防止蒸汽温度剧烈变化。