1 锅炉结构和前期改造情况
北仑发电厂1号机组(600MW)，其锅炉是从美国CE公司进口的2008t/h亚临界压力、切向燃烧控制循环锅炉。6层煤粉燃烧器由6台HP?983X9碗式中速磨煤机供粉。采用摆动火嘴方法调节再热汽温。锅炉于1991年8月27日完成72h试运行。
再热器系统如图1所示。墙式再热器出口用4根导汽管将蒸汽导入低温再热器的进口集箱。低温再热器共有76片管屏，与38片高温再热器管屏直联(无中间集箱)。
为了减小墙式再热器蒸汽阻力，在其进出口集箱之间原设计有24根旁路管使部分蒸汽旁通。在结构上，低温再热器每片屏有10根管子；高温再热器有20根管子。高、低温再热器内外圈管子交换连接，而且与高温再热器2根外圈管相连接的低温再热器内圈管受热长度缩短很多(见图1)。高温再热器与烟气逆流布置，大部分管子采用TP304H等奥氏体钢材，部分管子和炉外引出管都是T22钢材。在每片高温再热器的第11号管子出口装有炉外壁温测点。T22钢材的最高使用温度为580～590℃，故目前的报警温度设定值为530℃。
图1 再热器系统图
锅炉运行后，发现高温再热器右侧第34～37片屏的出口壁温经常超过585℃设定值。同时再热汽温达不到额定值。为此，根据CE公司提供的方案，对再热器进行了2次改造。1993年改造是为了降低右侧高温再热器管屏的出口壁温。方法是将墙式再热器24根旁路管中的8根直接引入低温再热器进口集箱的右侧端(见图2)，以降低右侧管屏的进口温度。1994年改造的目的是提高再热汽温。方法是将低温再热器的管屏接长3.05m。
图2 再热器结构布置及CE公司旁通改造示意图
1994年的改造增加受热面太多，造成再热器事故喷水量增大，并使过热器的出口汽温达不到额定值。1993年的改造效果也不够理想。在高负荷时第35～37屏仍经常处于580～595℃之间，而且第30～33屏的出口壁温反而比改造前增高。在运行中如果为了提高过热汽温而使燃烧器向上摆，则会使再热器的超温情况更为加剧。对于这些问题，电厂曾在1994年进行了燃烧调整，并采用部分辅助风和燃烬风反切的措施；在1996年又在部分高温再热器管子上涂刷绝热涂料，但效果都不大。
2 改造方案的论证
为了比较彻底地解决再热器的局部超温问题，1997年12月电厂与上海交通大学能源系共同提出进一步改造的几种方案，并进行了分析论证。最后决定采用在低温管屏中加装节流圈的改造措施，并在部分壁温较高的管屏上涂覆绝热材料作为短期的辅助措施。加装节流圈的具体要求如下：(1)温度最高的第35、36屏出口炉外壁温降低10～15℃；(2)再热器出口2根导汽总管的流量和汽温与改造前保持不变；(3)对炉膛污脏时、低负荷、火嘴上摆到70时高温过热器的出口壁温工况进行核算。
绝热材料涂在第69～74屏低温再热器(与高温再热器第35～37屏连接)管上，厚度为20mm，高度为3m，外面用2mm厚不锈钢板包覆。
3 节流圈计算的主要步骤和结果
节流圈的计算是很复杂的，因为再热器的管系非常复杂。1片管屏有20根管子，1根管子又有12个管段，这些管段的直径、长度和材料都不相同；在结构上，再热器进出口集箱采用三通连接方式，蒸汽在流经三通进入集箱时会形成涡流。涡流区的蒸汽静压有大幅度降低。蒸汽旁路改造后以及在一部分管屏中加装节流圈以后，涡流区的蒸汽静压分布也会随之改变。计算的主要步骤为：(1)作墙式、低温和高温再热器的热力计算；(2)计算8根直接旁路管中的旁通蒸汽流量；(3)计算同屏各管流量偏差和热偏差；(4)计算各屏的蒸汽流量；(5)计算节流圈的压降和节流圈孔径。
由于要求加装节流圈后再热器2根出口总管中的蒸汽流量和温度与改造前保持不变。而主要加装节流圈的第20～25管屏又集中在右侧，所以这一点较难办到。最后采取了使左侧各屏的改后出口温度高于右侧各屏，也就是使左右两侧节流所减小的流量基本上相同，才使这个要求得到满足。计算确定，加装节流圈的高温再热器管屏共为12片，即第1～3、10、11、19～25屏。每片屏有20根管子，所以共有240只节流圈。节流圈的孔径最小为24.5mm，最大为38.5mm。
加装节流圈改造的原理是用改变各屏的蒸汽流量来补偿它们的热负荷偏差。尽管烟气侧的变化对高温再热器出口壁温的分布有较大的影响，尤其是6层燃烧器投运方式的影响，但切向燃烧锅炉烟气侧的热负荷图形相对比较固定，呈M形分布。在节流圈计算前，查看了历年的运行记录，计算中使可能的热负荷最高峰位置与加装节流圈的管屏之间留有一定的距离，即第26、27、28、29屏不加装节流圈。这样即使热负荷最高屏从第35、36屏移到第30、31屏，也可留有3～4片屏的热负荷进一步左移的裕量。选择高温再热器出口壁温分布偏差较大的某一工况所作的计算结果如下(见图3)：(1)在100MCR负荷下，计算可使最高温度屏的第11管出口壁温从590℃降到576℃，降温幅度为14℃。(2)装有节流圈各屏的第11管出口壁温将提高到543.0～564.3℃。(3)改造后，在100MCR负荷下，再热器的压降将增大11.06kPa。
图3 加节流圈前后各屏第11管出口壁温分布图(计算)
4 对CE公司旁路改造未达到预期效果的分析
经计算可得出为什么1993年美国CE公司对该炉进行旁路改造未能取得预期效果的原因。
4.1 该锅炉的设计墙式再热器受热面积偏小，其温升只有18.3℃。因此蒸汽经8根直接旁路后低温再热器右侧管屏的进口蒸汽的温降幅度较小；
图4 改造前后高温再热器出口壁温的变化情况
4.2 在8根直接旁路前，低温再热器进口集箱中从4根导汽管进入的蒸汽通过三通都比较均匀地向两侧分流。但在8根直接旁路后，最右面的1根导汽管的蒸汽无法向右侧流动(因右侧有8根旁路蒸汽进入)，只能全部向左侧流动。这就增大了三通左侧的涡流区域及静压的降低，在此区域内的第30～33管屏的蒸汽流量因此比旁路前反而有所减小。
5 改造后的实测结果及分析
改造于1998年6月实施，7月开始运行，并进行了各种出力、各种工况的试验。实测的结果及分析如下：
5.1 高温再热器第30～37屏出口壁温已大幅度下降，尤其是第35～37屏由于包覆绝热材料下降了40～51℃。各屏再热器出口壁温显示基本上控制在570℃以下，达到了预期的效果(见图4)。
5.2 再热器减温水量已由原来的31.9t/h减为目前的14.6t/h(平均值)。现在所用的减温水不再是用来防止管壁局部超温，而是用来防止因加长受热面过多而引起的再热汽温超限。
5.3 原来主蒸汽温度与再热器出口壁温两者之间难以同时兼顾。为了防止再热器管壁超温不得不使燃烧器下摆从而抑制了主蒸汽温度。改造后主蒸汽温度不再受其限制，由原来的534℃提高到538℃。
6 经济效益分析
改造后再热器喷水量平均减少17.3t/h，相应的机组煤耗约降低1.4g/(kW.h)，按年发电量35亿kW.h计算，节约标煤4900t，标煤价格按300元/t计算，则每年节约费用147万元；过热汽温平均提高4℃，使机组煤耗降低约0.25g/(kW.h)，则每年节约费用26.25万元；而再热器阻力增加11kPa，使汽轮机热耗增大约0.03146，则每年影响机组经济性约3.3万元。综合考虑这3者因素，每年产生总的经济效益为170万元。
如按每年少爆管1次来计算，可避免机组启停烧轻油150t，计30万元；抢修6天，发电利润为648万元。这样，共可避免损失678万元。
7 结论
7.1 造成北仑电厂1号高温再热器管壁局部超温的主要原因是：切圆燃烧方式所引起的烟气侧烟温和烟速的偏差，以及再热器进口集箱三通附近存在涡流区。上述2个因素造成管屏间的吸热偏差和蒸汽流量偏差。
7.2 CE公司的蒸汽旁路改造没有取得预期效果的主要原因是其计算方法不够准确，没有考虑墙式再热器的吸热量较小以及进口集箱三通涡流区的影响。
7.3 加节流圈和局部保温改造后，高温再热器第30～37屏的出口温度已大幅度下降。其中节流圈因素使温度下降至少10～15℃。这说明如不加保温单用节流圈也能达到改造要求。改造后再热器管壁温度能控制在570℃以下，提高了机组的运行可靠性。
7.4 改造后使原来主蒸汽温度与再热器出口壁温之间难以兼顾的问题得到了解决。
7.5 在直接经济效益方面，由于再热器喷水的减少和主蒸汽温度的提高，机组煤耗可降低约1.6g/(kW.h)。扣除因节流圈使再热器阻力增加11kPa而造成的热耗增加后，总的经济效益每年可节约170万元。
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