超臨界W火焰鍋爐性能研究與實踐總結

石尚強

（貴州華電桐梓發電有限公司，貴州遵義 563200）

0 引言

為了更好的利用貧煤和無煙煤發電，我國在20世紀80年代末引進了300MW等級的W火焰鍋爐。運行實踐表明[1～4]，燃用低揮發份煤種時，W火焰鍋爐在燃燒穩定性、低負荷穩燃能力、可用率、帶負荷性能等方面都比較好，保證了機組運行的穩定性和可靠性。進入21世紀后，國內各大鍋爐廠引進不同流派技術推出了600MW等級的W火焰鍋爐。珙縣#1爐為東鍋生產，采用FW型雙旋風筒燃燒技術；合山#3爐為上鍋制造，采用雙旋風筒燃燒器、乏氣做燃盡風的技術；貴州塘寨電廠#1爐為哈鍋生產，采用百葉窗式燃燒器等等。與300MW相比，600MW等級的W火焰鍋爐燃燒效率更高，飛灰可燃物普遍在3%～5%；NOx排放大幅降低[1]，部分鍋爐的排放量僅有700mg/Nm3；結焦垮焦的現象也得到緩解。

1 600MW超臨界W火焰爐設計階段的優化

600 MW超臨界W火焰鍋爐是將拱式燃燒技術、超臨界汽水參數系統技術和垂直管圈低質量流速技術三者結合起來的新型鍋爐，能夠實現無煙煤的高效利用，比同等級的亞臨界W火焰爐可更有效的降低煤耗和污染物排放。超臨界W火焰鍋爐設計的關鍵點在于爐膛選型、燃燒系統和水動力設計。在設計階段進行的優化內容主要包括以下幾個方面：

（1）爐膛選型優化設計。主要對爐膛周界尺寸和熱力指標進行優化設計，以滿足布置需求，控制爐膛寬度，留有足夠的燃盡空間，最終實現高效燃燒、防止結焦和高溫腐蝕。

（2）燃燒系統優化設計。在拱上引入燃盡風系統，在不影響燃料著火和燃盡的條件下降低NOx的排放；對F層二次風下傾進行改造[2]，有效解決高負荷加風困難的問題，煙氣中飛灰可燃物降低，鍋爐的穩定性和經濟性都得到了提升。

（3）防結焦設計。在翼墻水冷壁三個不同高度上增加防焦風，為翼墻部位營造氧化氣氛，并在拱上角部引入防焦風，減少結焦的發生。

（4）爐膛溫度分布。采用三維爐膛燃燒過程大型CFD模擬軟件，在熱態工況下，對W型火焰鍋爐爐內燃燒時的爐內溫度，氧量和流場分布進行模擬，并跟蹤顆粒軌跡[3]。改善水冷壁的高溫腐蝕和超溫現象。

（5）磨煤機增加動態分離器。在原有靜葉分離的基礎上，增加動態分離器，實現煤粉細度的可調，降低鍋爐飛灰可燃物。

從已投產電廠運行情況來看，上述優化措施確實起到了較好的效果。尤其是燃盡風系統的設置，使NOx排放從原設計1090 mg/Nm3降低到617 mg/Nm3，脫硝系統的初投資和日常運行維護費用都得到大幅降低。

表2 B電廠1#爐部分負荷段效率和NOx排放

2 W火焰鍋爐運行情況

通過對西南地區W火焰鍋爐的調查，A電廠1#爐在ECR工況下的主要運行參數：主汽壓力24.2MPa，主再熱汽溫566℃/566℃。B電廠1#爐在試運期間水冷壁管屏出現超溫拉裂受損現象，所以運行參數適當降低：主汽壓力22.8MPa，主再熱汽溫566℃/566℃。

表1 A電廠#1爐部分負荷段效率和NOx排放

從鍋爐效率的變化來看，鍋爐效率的變化與煤質的低位發熱量變化趨勢基本一致。在煤質低位熱量大于18MJ/kg的情況下，鍋爐效率一般可保證在90%以上。其中A電廠#1爐上布置了燃盡風系統，NOx排放大幅度下降。

3 超臨界W爐的癥結—水冷壁系統

3.1 問題現狀

對于超臨界W火焰鍋爐，從整個鍋爐系統上看，垂直管圈優化內螺紋管超臨界鍋爐除水冷壁系統之外的其它子系統采用的均是目前已經相當成熟的超臨界技術，和現在大量采用的螺旋管圈超臨界鍋爐是相同的。因此水冷壁系統的安全運行是該型鍋爐運行的關鍵。

從已投運的600MW超臨界W火焰爐運行情況看，水冷壁系統均出現了一些異常情況，包括變形、拉裂、泄露、超溫等現象；而且這是一個共性問題，不同爐型均有類似情況發生。

3.2 原因分析

究其原因，主要有：1）拱下爐膛較寬，寬度普遍在27～35m，燃燒器統一布置在拱上，單排布置，這樣極易引起輸入熱負荷沿爐膛寬度方向分布不均，從而引起水冷壁壁溫偏差；2）水冷壁型式方面，超臨界W火焰爐均使用低質量流速，具有正流量相應特性，即受熱越強的管子工質流量越大；受爐膛結構的限制，各種爐型均采用了垂直管圈水冷壁，方便布置。這樣的布置型式使得單根水冷壁管回路始終處于熱負荷高的區域或熱負荷低的區域，不像螺旋管圈布置，單根水冷壁管回路會經過高熱負荷區和低熱負荷區。垂直管圈的布置型式更加劇了水冷壁的壁溫偏差。以上兩種特性，導致超臨界W火焰爐水冷壁上部壁溫呈現中間高、兩邊低的不均勻分布；水冷壁上部壁溫對熱負荷極為敏感，在啟停磨煤機、升降負荷、切換燃燒器等變工況過程中更會加劇水冷壁上部壁溫偏差，部分爐型最高可達200℃。壁溫偏差導致水冷壁管屏間產生應力，積累到一定程度后便可能發生水冷壁鰭片拉裂、水冷壁管泄露等現象。因此，提高水冷壁的安全性成為發展超臨界W火焰鍋爐亟需解決的問題。

3.3 案例分析

某電廠1、2號爐在試運和投產后共計發生過3次水冷壁鰭片拉裂的現象，此外還出現過嚴重的大面積水冷壁超溫現象。水冷壁鰭片拉裂和超溫如圖1～圖3所示。

圖1 水冷壁管排變形

圖2 水冷壁鰭片拉裂現象

圖3 水冷壁超溫時前墻溫度分布

前墻水冷壁上部測點平均溫度為537.68℃，其中6～36號測點的平均溫度為593.48℃。上述現象發生的原因主導因素并不一樣。超溫與水煤比失調、熱負荷分布不均有很大關系，而鰭片拉裂則主要是由于水冷壁沿爐膛寬度方向溫度分布不均、熱偏差過大造成的。

3.4 超溫問題的解決辦法

隨后電廠組織了各方力量集中攻關，現在超溫問題已基本解決，壁溫可控，鍋爐實現正常運行。其主要解決措施如下：

（1）關閉兩側墻水冷壁出口控制閥，將兩側墻的水壓向前墻；

（2）降低中間點溫度，降低主汽壓力，降低過熱度。600MW負荷下中間點溫度在400℃左右，500MW負荷下中間溫度在394℃左右；

（3）給水和燃料的協調配合，嚴禁水煤比失調；（4）水冷壁溫度正常時盡量平均各磨出力，若有超溫現象發生時減少對應側磨煤機出力；

（5）配風采用前墻壓后墻的方式，加強煙氣對后墻的換熱，降低前墻熱負荷。

采用前墻壓后墻的燃燒方式，通過爐膛溫度的測試，可以看出后墻側平均溫度要高于前墻側平均溫度約200℃。溫度廠測量結果如下：

圖4 #1爐430MW時爐膛溫度分布情況

在電廠目前的燃煤條件下，這樣的工況是比較穩定的一種，前墻水冷壁壁溫偏差也可控制在50℃以內，最高點溫度不超過440℃，應該說壁溫已經控制的非常不錯了。580MW時前墻水冷壁溫度分布曲線如圖5所示。

3.5 水冷壁拉裂問題的解決辦法

水冷壁拉裂主要還是由于熱負荷輸入不均，熱應力過大引起的。水冷壁溫度未超溫，但偏差卻較大，尤其在停運1臺磨機后，偏差往往有80～100℃。目前主要采取的措施如下：

圖5 #1爐580MW時前墻水冷壁溫度分布情況

（1）在下部和上部水冷壁出口增設壁溫測點，以監測爐膛水冷壁溫度，為運行調整提供依據。

（2）前墻上部水冷壁增設應力釋放孔。將前墻工況最惡劣處，易出現應力集中問題的水冷壁區域管子之間的鰭片打孔，使其原有的內應力和由于熱偏差產生的應力能在此處得以釋放。

（3）增設水冷壁中部混合集箱。珙縣和鎮雄都沒設水冷壁中部混合集箱，這樣下水冷壁出口的熱偏差會帶到上水冷壁，加劇熱偏差的程度。增設混合集箱后會消除下水冷壁的偏差，約有10～20℃的幅度，可在一定程度上減緩上水冷壁的熱偏差。

目前只實施了第（1）、（2）項措施，由于在已投產的鍋爐上進行增設中間混合集箱的改動工作量很大，周期長，第3項措施并未實施。前兩項措施的具體效果還需要時間的檢驗。

4 結語

從600MW超臨界W爐在國內的應用，可以看出我國幾乎包含了當前世界上全部W火焰鍋爐爐型，走在了世界前列。一方面在燃燒效率上，600MW機組比300MW亞臨界W爐有大幅提高，飛灰、底渣可燃物有明顯降低。另一方面600MW超臨界W爐在結焦方面的控制好于亞臨界爐型；布置燃盡風后，氮氧化物排放大幅降低。另外提高水冷壁的安全性成為發展超臨界W火焰鍋爐亟需解決的問題。而此問題需要從設計、制造、運行等多方面來考慮[4]。

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[1]李爭起，任楓，劉光奎，等.W火焰鍋爐高效低NOx燃燒技術[J].動力工程學報，2010，30（9）：645～651.

[2]劉鵬遠，廖永浩，吳桂福，等.二次風下傾對W火焰鍋爐燃燒特性影響的試驗研究[J].動力工程學報，2011，31（9）：22～26.

[3]高正陽，郭振，胡佳琪，等.基于支持向量機與數值法的W火焰鍋爐多目標燃燒優化及火焰重建[J].中國電機工程學報，2011，31（5）：13～19.

[4]王東明，劉曼立.W型火焰鍋爐概述及前景分析[J].鍋爐制造，2011，7（4）：21～22.