某電廠350 MW超臨界鍋爐爐膛選型

徐 棟，張延延

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引言

某熱電聯產2X350 MW超臨界項目在工程初設階段設計煤質為高灰分、高灰熔點、中低熱值的煙煤。由于擔心煤源市場的不穩定性和對運行成本的綜合考慮，電廠經過多次探討論證，將設計煤種進行了調整。最終確定的煤質為黑龍江鶴崗洗中煤與內蒙古扎賚諾爾煤的混煤。其中鶴崗洗中煤為高灰分，高灰熔點的劣質次煙煤;扎賚諾爾煤為高水分，低灰熔點的褐煤。此次煤質的變化也引起了鍋爐爐膛的選型變化，本文將簡要說明爐膛的選型原則和本工程前后的爐膛方案。

1 爐膛選型原則

眾所周知大型電站鍋爐設計時，煤質的分析是最為基礎的。煤質特性是鍋爐燃燒設備與爐膛設計的基本依據。鍋爐爐膛尺寸選擇、受熱面的結構形式、數量及布置位置、制粉系統的型式及磨煤機的數量選擇、燃燒設備和所有輔機的設計都取決于煤質的特性。為了能夠設計出性能優良、可靠性高的煤粉鍋爐，必須要對鍋爐中可能出現的結渣、沾污、磨損、NOX生成和燃料的充分燃盡等問題充分重視，而上述問題與煤質的特性密切相關。如何解決上述問題，是整個鍋爐設計方案成敗的關鍵。

鍋爐的方案設計基于煤質的特性，但是整個鍋爐的布置方案則基于爐膛的選型。

一是爐膛選型可以根據煤質的特性有效的解決結渣，沾污，燃盡等問題。

二是爐膛選型可以消除高海拔帶來的不利影響。

三是只有爐膛尺寸確定之后才能進行各個輻射受熱面和對流受熱面的布置，爐膛選型是受熱面布置的基礎;所以爐膛選型是鍋爐設計中最基礎也是最重要的環節。

爐膛的選型包括兩個重要方面的內容，一是爐膛的容積，二是爐膛的截面積。

爐膛容積能保證燃料在爐膛中有足夠的燃盡時間，并能布置足夠的受熱面，保證爐內的燃燒產物得到充分冷卻，使其出口煙溫降低到灰的軟化溫度以下，不至于引起其后受熱面結渣。正常的鍋爐設計中，爐膛出口煙溫一定要低于灰熔點100℃以上。而爐膛出口煙溫的計算是整個鍋爐熱力計算中最精彩的部分，也是最難以計算準確的部分，通常爐膛出口煙溫實際值和計算值都有50℃左右的偏差。

爐膛截面積能反映燃燒區域溫度，對燃料的著火燃燒，結渣有影響。爐膛截面積越小，燃燒區域溫度越高，對燃料的著火燃燒有利，但容易引起結渣和較高的NOX生成。反之，則情況相反。

另外，爐膛選擇的大小不僅關系到爐膛出口煙溫的大小，而且還關系到整個一次汽的吸熱比例問題。若爐膛選取較大，則蒸發吸熱量較大，一次汽將很難達到額定汽溫。若爐膛選取較小，則一次汽的噴水量較大，不容易到達額定出力。而一次汽的額定汽溫和額定出力是整個鍋爐設計的最終目的，由此可見，正確的爐膛選型是整個鍋爐設計方案的關鍵。

《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》中對300 MW及以上等級的煤粉鍋爐的爐膛容積熱負荷和截面熱負荷等熱力參數做了明確的要求，它是煤粉鍋爐爐膛選型的重要依據。

2 原設計爐膛方案

2.1 綜述和煤質

工程原設計煤、校核煤種均易著火穩燃，只要采取適當措施，就可確保著火穩定和低負荷穩燃;設計煤、校核煤種均易燃盡，只要在爐膛尺寸設計時，提供足夠的燃盡高度來保證煤粉停留時間，就可達到理想的燃盡水平;設計煤和校核煤均結焦傾向輕微，但是由于所含灰分較大，需要選取合適的爐膛及燃燒器的設計參數以保證不發生結焦。

表1 原煤質分析

2.2 燃料著火特性

表2 著火穩燃特性判別指標

從表2判別指標可以看出，設計煤、校核煤屬于易著火的煙煤，在爐膛設計中只要采用合適的截面熱負荷，即可保證煤粉的及時著火和低負荷穩定燃燒，達到低負荷穩燃的要求。

2.3 燃料燃盡特性

表3 燃盡特性判別指標表

從表3判別指標可以看出，設計煤、校核煤都屬易燃盡的煙煤，為提高鍋爐投運后的經濟性，在爐膛設計時，只要采取合適的燃盡高度就可保證良好的燃盡率。

2.4 燃料結焦特性

表4 結焦特性判別

從表4判別指標可以看出，設計煤和校核煤均屬結焦傾向輕微，但考慮到設計煤和校核煤的灰分都很大，對結焦傾向會有所增強，因此在爐膛設計時，需要采用較低的容積熱負荷。

2.5 爐膛方案

根據對原設計煤質的分析，它屬于典型的劣質煙煤。根據熱力計算它燃燒所產生的煙氣量較小，對尾部的對流換熱影響較大。若采用較低的分離器出口溫度，則尾部的對流受熱面將布置很大。這顯然是不合理也是不經濟的?？紤]到它本身的灰熔點較高，不容易結焦。根據《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》的要求，本工程可采取較高的爐膛容積熱負荷和較高的爐膛出口煙氣溫度來強化尾部的換熱效果，從而使鍋爐輻射受熱面和對流受熱面的吸熱比例維持在一個合理的水平。本鍋爐原設計方案采取的是前后墻對沖的燃燒方式，長方形爐膛，旋流燃燒器配3臺雙進雙出鋼球磨，這也是我公司的煙煤爐典型設計。

表5 原鍋爐方案

3 現爐膛方案

3.1 綜述和煤質

現在本項目的設計煤質發生變更，考慮到確定煤質的特點仍偏向于結渣傾向的褐煤，如果采用原來的對沖燃燒和爐膛選型方案，所得的爐膛容積熱負荷和截面熱負荷對此種設計煤質來講有些偏大，對防結焦不利，需要降低爐膛容積熱負荷。而且還考慮鍋爐能具有更好的煤種適應性，鍋爐方案做了調整，燃燒方式則改為了四角切圓燃燒的方案。

工程的設計煤質為混煤，即劣質次煙煤和高水分褐煤的混合。導致混煤的特性兼有二者的特點。它燃燒所產生的煙氣量較煙煤的大，有利于尾部的對流換熱。但是混煤的灰熔點較低，比較容易結焦，則考慮較低的爐膛容積熱負荷和較低的爐膛出口煙氣溫度。

表6 現煤質分析

3.2 燃料著火特性

表7 著火穩燃特性判別指標

從表7判別指標可以看出，混煤屬于易著火易穩定燃燒的偏褐煤，在爐膛設計中，只要采取適當的截面熱負荷，就可保證煤粉的及時著火和低負荷穩定燃燒。

3.3 燃料燃盡特性

表8 燃盡特性判別指標

從表8判別指標可以看出，混煤屬極易燃盡的偏褐煤。為提高鍋爐的煤質適應性，在爐膛設計時，只要采取合適的燃盡高度就可保證良好的燃盡率。

3.4 燃料結焦特性

表9 結焦特性判別

從表9判別指標可以看出，本工程設計煤種為中等結焦的偏褐煤，但含灰量較大具有一定的結焦傾向。因此在爐膛設計時，需要采用較低的容積熱負荷。

3.5 爐膛方案

工程的混合煤種為易著火穩燃，易燃盡，但結焦傾向較嚴重的偏褐煤。這種混煤與混合前的兩種煤質相比著火穩定性會有所改善，燃盡特性不會發生大的改變，但是燃燒產生結渣的可能性會有所提高。

根據熱力計算，混煤雖然結渣傾向于褐煤，但是燃燒所產生的煙氣量卻比全褐煤時的小，所以在布置鍋爐的受熱面時要重點考慮。

如果按照我公司常規的褐煤爐方案，爐膛斷面選取14.627 3 m×14.627 3 m，則選取的分離器出口溫度較低，過熱器汽溫將很難達到。同時由于此種方案下爐膛選取較大，煙氣的流速較全褐煤爐時較低，導致尾部對流換熱較差，只能布置大量的尾部受熱面來保證再熱器汽溫和過熱器汽溫的達到，這顯然也是不合理和不經濟的。

另外如果尾部布置較大的對流受熱面積，一則尾部沒有足夠的空間進行布置，二則將影響脫硝和預熱器的布置。此時尾部環形集箱將下移，預熱器的支撐標高也將降低，導致預熱器支撐平臺和運轉層平臺錯層布置。

本鍋爐現設計方案采取的是四角切圓的燃燒方式，正方形爐膛，直流燃燒器配5臺中速磨，這也是我公司的褐煤爐典型設計。

4 結論

目前國內的各大電廠均存在著運行煤質嚴重偏離設計煤質的情況，造成此種現象的原因一方面是因為原定的設計煤質的煤源出現問題，現如今已很難采購得到。但更重要的原因是電廠因為運行成本考慮而主動選擇拿劣質煤來代替優質煤。近年來，電煤的價格一路上漲，但是電網的上網電價卻基本不變，這就逼迫著電廠摻燒很大比例的劣質煤。因此我們可以經?？吹胶芏酂熋旱腻仩t現在在全燒褐煤，這就為鍋爐的安全穩定運行帶來了隱患。

表10 現鍋爐方案

通過文中可以看到鍋爐的設計方案與設計煤質的密切關系，煤質的變化帶來的燃燒形式和爐膛方案的變化，從而導致整個鍋爐方案的變化。由此得出以下幾點結論:

1)鍋爐產品為單件設計產品，針對每個工程特定的煤質、自然條件及有關要求單獨進行設計，而煤質是影響鍋爐設計的最主要因素之一。

2)煤質的特性直接影響著爐膛的選型，而爐膛的選型又直接影響著受熱面布置、燃燒器型式等整個鍋爐設計方案。因此，一臺鍋爐設計的成功與否，爐膛選型至關重要。

3)雖然鍋爐的方案設計有一定的煤質適應性，允許煤質有一定的波動，但是為了機組的安全穩定運行，還應讓煤質在規定的范圍內變化，盡量接近設計煤質。

［1］馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算［M］.北京:科學技術出版社，1998.

［2］馬嘉鵬，薩如拉，袁喜明.燃燒高水分褐煤鍋爐磨煤機制粉系統選型分析［J］.內蒙古電力技術，2008，26(6):29－36.

［3］大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則，DL/T831－2002中國電力出版社.

［4］孫濤.鍋爐工實用技術手冊，江蘇科學技術出版社，2002.10.

［5］張愛存.發電廠燃煤鍋爐運行調整與經濟性分析［D］.華北電力大學畢業論文，2003.