新型切圓燃燒鍋爐爐膛煙氣溫度的試驗研究

2011-08-21 07:04:48束繼偉閆承先孟繁兵金宏達崔麗敏

黑龍江電力 2011年6期

關鍵詞：煙氣

束繼偉，閆承先，孟繁兵，金宏達，崔麗敏

(黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030)

0 引言

褐煤是煤化度最低的煤，褐煤的燃燒技術屬于世界性的難題。相對于優質煙煤，褐煤具有水分大、揮發分高、熱值低、易結焦、化學反應強烈、熱穩定性差等特點。在工程實踐過程中，褐煤的燃燒以及褐煤鍋爐的設計具有一定的特殊性。因此，能否兼顧褐煤的著火、穩燃、燃盡、低污染物排放、避免結焦等性能是褐煤鍋爐設計成功與否的關鍵。

1 設備概述

某廠新建兩臺600 MW超臨界燃用褐煤機組。鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐、單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、緊身封閉布置的π型鍋爐。采用中速磨直吹式制粉系統，每爐配7臺MPS212HP－II磨煤機，燃用設計煤種時6運1備;煤粉細度R90=35%。鍋爐采用墻式切圓新型燃燒方式，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只燃燒器對應一臺磨煤機，SOFA燃燒器布置在主燃燒器區上方的水冷壁的四角，燃燒器布置如圖1所示。

圖1 燃燒器布置圖

鍋爐設計參數以及煤質參數如表1、表2所示。

表1 鍋爐主要設計參數

表2 鍋爐設計燃料特性參數

由于褐煤具有高水分的特點，褐煤鍋爐一次風率較燃用其他煤中的鍋爐大很多，直接導致了二次風以及燃盡風配置困難，增加了整體組織燃燒系統的難度。因此，在工程設計、運行過程中必須要考慮一次風對煤粉干燥、輸送的影響。此外由于褐煤的熱值低，褐煤鍋爐會比相同容量的鍋爐消耗更多的燃料和一次風量，致使爐內空氣動力流動不宜組織。本文旨在根據現場測試以及計算機數值模擬結果，分析該爐煙氣分布特點以及成因。

2 試驗測試系統的建立及不確定度分析

本次試驗使用的測量系統由四部分組成，分別是:一次元件(傳感器)、敏感器件、數據采集板與數據采集儀、數據顯示儲存裝置。為了確保在整個試驗研究期間數據準確、可靠，使用了黑龍江電力科學研究院自行開發的、可以在惡劣工況下可靠運行的耐磨鎧裝熱電偶，并均勻布置在爐膛出口煙道，測試系統布置如圖2所示。

測量系統的測量對象、測量方法、測量裝置的不同，測量系統的各項不確定度也不相同。因此，要對確定的測量系統各項不確定度來源做詳細分析。

測量系統不確定度［2］來源如下:

a.測量數據本身的隨機性帶來的不確定度。

b.一次儀表帶來的偏差不確定度。

c.數據采集系統帶來的偏差不確定度。

d.現場對信號干擾帶來的偏差不確定度。

e.負荷穩定性與數據采集系統采集頻率之間的不同步造成的偏差不確定度。

圖2 煙氣溫度測試系統

f.測量隨空間變化的參數時，流動不均衡分層與有限測點所帶來的偏差不確定度。

g.取樣及制樣帶來的偏差不確定度等。

按照精度和偏差的不確定度評定方法對各分量進行評定，最后進行不確定合成，即可得到試驗結果的合成不確定度。按照ASME有關不確定度的計算方法，在本次試驗研究中，通過搭建的試驗測試系統對鍋爐效率的測試結果不確定度為±0.500 5%。

3 爐內煙氣溫度的測試［3］

3.1 試驗測點布置

研究期間，筆者對分隔屏屏下煙氣溫度、高溫再熱器出入口煙氣溫度進行了測試，試驗測點如圖3、圖4所示。

圖3 高溫再熱器出入口橫截面測點布置示意圖

圖4 測點位置示意圖

3.2 現場測試結果

分隔屏下煙氣溫度的測試結果表明:在1 050～1 250℃燃燒溫度下，燃盡程度良好，該區域煙氣溫度分布較為均勻、煙溫偏差較小;在減溫水量基本一致的情況下，左、右側主汽溫度偏差較小，測試結果如圖5所示。

高溫再熱器出入口煙氣溫度測試結果表明:下排測點區域溫度分布總體上呈現“左側煙氣溫度低、右側煙氣溫度高”的現象;高溫再熱器出入口中排及上排煙溫測點，總體上呈現“兩側煙氣溫度高、中間煙氣溫度低―M型分布”的現象，初步分析，分別與爐膛高溫火焰的“殘余旋轉”現象和該爐型一次風切圓直徑大有關。如圖6－圖8所示。

根據現場測試結果以及其他輔助測試，筆者推斷:在爐膛內、沿著爐膛高度方向任意切面，存在著一個溫度較高的“高溫火環”，該“火環”的幾何中心存在著一個溫度較低區域;而靠近水冷壁區域，則存在著一個高溫區域。

圖5 不同運行工況下分隔屏下煙氣溫度

圖6 高溫再熱器入口截面下排測點溫度分布

圖7 高溫再熱器入口截面中排測點溫度分布

4 爐內煙氣溫度數值模擬［1］、［4］

爐內燃燒過程涉及到煤粉顆粒和氣體的兩相流［1］。煤粉顆粒的運動和氣體的彌散對其燃燒過程影響很大，煤粉所接受的輻射能、煤粉在氣流中的溫度、氣體中的含量、揮發份的釋放，對煤粉氣流的著火燃燒及焦炭燃燒過程起決定性的作用。

圖8 高溫再熱器入口截面上排測點溫度分布

本文采用拉格朗日坐標下的顆粒隨機軌道模型，通過對速度的概率密度函數的隨機選擇來確定湍流速度，通過拉格朗日坐標下的顆粒瞬時方程組來考慮流體湍流脈動對顆粒的作用，計算顆粒的隨機軌道以及沿軌道的變化參數。

煤粉燃燒包含煤粉預熱、揮發份析出、揮發份燃燒以及焦炭燃燒等過程［4］。本文假設:煤粒為球形顆粒，在反應過程期間，煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分這四部分組成。析出揮發份的成分為碳氫化合物，它在氣相燃燒反應中迅速耗盡。氧量在揮發份和焦炭的燃燒反應中迅速消耗。原煤隨著揮發份析出而消耗，剩余的固體可燃物為焦炭，焦炭與氧氣發生異相反應而逐漸燃盡。采用雙競爭反應模型來模擬揮發份的熱解過程;采用混合份數PDF法來模擬揮發份的燃燒過程;采用擴散動力模型來模擬焦炭的燃燒過程，其計算結果構成的圖像如圖9－圖12所示。