超臨界壓力W火焰鍋爐運(yùn)行方式對爐內(nèi)熱負(fù)荷影響的試驗(yàn)研究

周文臺，　楊　勇

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

超臨界壓力W火焰鍋爐運(yùn)行方式對爐內(nèi)熱負(fù)荷影響的試驗(yàn)研究

周文臺，楊勇

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

摘要：對某600 MW超臨界壓力W火焰鍋爐爐膛水冷壁壁溫進(jìn)行了測量，獲得了爐膛水冷壁熱負(fù)荷分布，調(diào)整鍋爐運(yùn)行方式(如磨煤機(jī)投運(yùn)方式、前后墻的總風(fēng)門擋板開度、煤粉細(xì)度和三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度等)，測量并計(jì)算爐內(nèi)熱負(fù)荷.結(jié)果表明：煤粉細(xì)度對爐內(nèi)熱負(fù)荷幾乎沒有影響；前后墻總風(fēng)門擋板開度會影響爐內(nèi)火焰行程，應(yīng)該采用“前墻壓后墻”的運(yùn)行方式；三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度變化會改變上、下爐膛熱負(fù)荷的分布；不投運(yùn)的磨煤機(jī)所對應(yīng)區(qū)域的熱負(fù)荷明顯下降.

關(guān)鍵詞：超臨界壓力W火焰鍋爐； 水冷壁； 運(yùn)行方式； 熱負(fù)荷

我國無煙煤資源儲量豐富，但是其揮發(fā)分含量較低，著火及燃盡較為困難.而W火焰鍋爐下爐膛空間大、火焰行程長，有助于煤粉燃盡，所以在燃用無煙煤時與其他爐型相比有較明顯的優(yōu)勢.近年來超臨界壓力W火焰鍋爐在國內(nèi)相繼投運(yùn)，水冷壁超溫和爆管等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，極大地影響了鍋爐的安全性.水冷壁的局部超溫和爆管均是由鍋爐爐內(nèi)熱負(fù)荷分布不均而引起的[1]，因此研究超臨界壓力W火焰鍋爐的爐內(nèi)熱負(fù)荷分布規(guī)律顯得尤為重要.

超臨界壓力W火焰鍋爐爐內(nèi)熱負(fù)荷的分布受到諸多因素的影響，如燃料種類、爐膛形狀和運(yùn)行方式等.而鍋爐完成選型以及確定燃料后，對爐內(nèi)熱負(fù)荷影響最大的因素是鍋爐的運(yùn)行方式，筆者以云南華電鎮(zhèn)雄發(fā)電有限公司某600 MW超臨界壓力變壓運(yùn)行W火焰直流鍋爐為例，對影響鍋爐爐內(nèi)熱負(fù)荷分布的運(yùn)行方式進(jìn)行實(shí)爐試驗(yàn)，為今后該類型鍋爐的安全運(yùn)行提供參考依據(jù).

1試驗(yàn)鍋爐

在云南華電鎮(zhèn)雄發(fā)電有限公司某600 MW超臨界壓力變壓運(yùn)行W火焰直流鍋爐上進(jìn)行試驗(yàn)，該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，采用單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π形、露天布置.鍋爐燃用無煙煤，采用W火焰燃燒方式，在前后拱上共布置有24 組狹縫式燃燒器，其布置方式如圖1所示，燃燒器的噴口布置如圖2所示，配備6臺BBD4062型雙進(jìn)雙出磨煤機(jī).

圖1　燃燒器布置圖

圖2　燃燒器噴口布置圖

在鍋爐的前后拱上設(shè)置了2個燃燒器風(fēng)箱，每個風(fēng)箱內(nèi)又通過隔板分隔成6個獨(dú)立的小風(fēng)箱，共計(jì)12個小風(fēng)箱，這些小風(fēng)箱內(nèi)各布置一組燃燒器且每個小風(fēng)箱均設(shè)有獨(dú)立的風(fēng)門擋板.在鍋爐的拱下前后墻各設(shè)置了6個三次風(fēng)箱，共計(jì)12個，與拱上風(fēng)箱一一對應(yīng)，這些風(fēng)箱也設(shè)有獨(dú)立的風(fēng)門擋板，負(fù)責(zé)三次風(fēng)的分配.拱上風(fēng)箱(二次風(fēng))與拱下風(fēng)箱(三次風(fēng))相連通.

2測點(diǎn)的布置及熱負(fù)荷測量方法

2.1測點(diǎn)的布置

在鍋爐啟動前冷態(tài)狀態(tài)下，在指定的水冷壁管向火面及背火面安裝熱電偶測點(diǎn).測點(diǎn)安裝示意圖如圖3所示，其中d為水冷壁管外徑，S為管間距.

圖3　水冷壁熱電偶測點(diǎn)安裝示意圖

試驗(yàn)測點(diǎn)安裝在前墻15.6 m、22.6 m、39.6 m、48.0 m、53.5 m和59.0 m標(biāo)高處的第36、第101、第166、第231、第296、第361和第439號水冷壁管上；而后墻由于折焰角的存在，試驗(yàn)測點(diǎn)僅安裝在15.6 m、22.6 m和39.6 m標(biāo)高處的第36、第101、第166、第231、第296、第361和第439號水冷壁管上.

2.2熱負(fù)荷的計(jì)算方法

通過采集水冷壁向火面及背火面所有溫度測點(diǎn)的壁溫，并結(jié)合相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)和膜式水冷壁管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過迭代計(jì)算爐膛水冷壁的內(nèi)壁熱負(fù)荷[2-4](以下簡稱熱負(fù)荷)，計(jì)算程序如圖4所示，其中β為水冷壁管內(nèi)外直徑比.

3爐膛水冷壁熱負(fù)荷分布

初始機(jī)組負(fù)荷為600 MW，貯水箱壓力為25.9 MPa，投運(yùn)ABCDEF磨煤機(jī)，磨煤機(jī)動態(tài)分離器相對轉(zhuǎn)速設(shè)定75%運(yùn)行.前后墻總風(fēng)門擋板開度均為85%，拱上二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度為80%，拱下三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度為50%，前后墻熱負(fù)荷分布如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為該面墻某標(biāo)高處從左到右的溫度測點(diǎn).

從圖5可以看出，在600 MW負(fù)荷以及上述二次風(fēng)配風(fēng)方式下，爐內(nèi)熱負(fù)荷呈現(xiàn)以下規(guī)律：(1)前后墻的最高熱負(fù)荷均出現(xiàn)在39.6 m標(biāo)高處；(2)在下爐膛，前墻熱負(fù)荷略低于后墻熱負(fù)荷，在上爐膛，前墻熱負(fù)荷略高于后墻熱負(fù)荷，說明在前后墻均等配風(fēng)方式下，后墻下沖略深于前墻.

圖4　計(jì)算程序

從水冷壁在線溫度測點(diǎn)結(jié)果來看，也呈現(xiàn)出前墻壁溫高于后墻壁溫的特點(diǎn)，且前墻上部水冷壁壁溫易超溫，這與爐內(nèi)實(shí)測熱負(fù)荷的分布是一致的.

(a) 前墻

(b) 后墻

3.1前后墻總風(fēng)門擋板開度對爐內(nèi)熱負(fù)荷的影響

在初始運(yùn)行狀態(tài)下，前墻上部水冷壁壁溫為470 ℃左右，與報(bào)警溫度(500 ℃)接近，且易出現(xiàn)水冷壁超溫狀況.針對水冷壁頻繁超溫現(xiàn)象，對前后墻的總風(fēng)門擋板開度進(jìn)行了調(diào)節(jié).

在初始運(yùn)行狀態(tài)下，前后墻的總風(fēng)門擋板開度均為85%.針對前墻上部水冷壁頻繁超溫的問題，在其他條件不變的情況下，采用“前墻壓后墻”的運(yùn)行方式，即前墻總風(fēng)門擋板開度遠(yuǎn)大于后墻總風(fēng)門擋板開度[5]，試驗(yàn)中將前墻總風(fēng)門擋板開度設(shè)置為85%不變，后墻總風(fēng)門擋板開度關(guān)小至60%運(yùn)行.調(diào)節(jié)后的風(fēng)門擋板開度見圖6.

總風(fēng)門60%總風(fēng)門60%總風(fēng)門60%總風(fēng)門60%總風(fēng)門60%總風(fēng)門60%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%A3A1E3E1C3C1C2C4E2E4A2A4爐膛F3F1D3D1B3B1B2B4D2D4F2F4二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%二次風(fēng)80%三次風(fēng)50%總風(fēng)門85%總風(fēng)門85%總風(fēng)門85%總風(fēng)門85%總風(fēng)門85%總風(fēng)門85%

圖6調(diào)節(jié)后的所有風(fēng)門擋板開度

Fig.6Opening degree of all air dampers after adjustment

采用“前墻壓后墻”的運(yùn)行方式后，前后墻熱負(fù)荷分布如圖7所示.從圖7可以看出，減小后墻總風(fēng)門擋板開度后，后墻3層標(biāo)高處實(shí)測的熱負(fù)荷均升高，而前墻下部15.6 m和22.6 m標(biāo)高處的熱負(fù)荷變化不大，但39.6 m標(biāo)高處的熱負(fù)荷明顯下降.從圖7還可以看出，減小后墻總風(fēng)門擋板開度后，前墻上部水冷壁壁溫下降明顯，而后墻水冷壁壁溫小幅上升.這是因?yàn)楫?dāng)前后墻配風(fēng)相當(dāng)時，爐內(nèi)的火焰行程如圖8中行程1所示，下爐膛火焰在爐膛中心附近相交，由于折焰角的關(guān)系，整個煙氣流場勢必會更加靠近前墻，造成上爐膛前墻的熱負(fù)荷高于后墻的熱負(fù)荷，前墻上部水冷壁易超溫.當(dāng)采用“前墻壓后墻”的運(yùn)行方式后，爐內(nèi)的火焰行程則如圖8中行程2所示，由于折焰角的存在，在上爐膛，煙氣流場靠近前墻；而在爐膛中下部，煙氣流場更加靠近后墻，這樣前墻的部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到后墻，能有效解決前墻上部水冷壁超溫的問題.

3.2三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度對爐內(nèi)熱負(fù)荷的影響

在實(shí)際運(yùn)行中，三次風(fēng)對爐內(nèi)熱負(fù)荷的影響也較大.在初始工況基礎(chǔ)上，將前墻三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度由50%關(guān)小至30%后，爐內(nèi)熱負(fù)荷分布見圖9.

(a) 前墻

(b) 后墻

Fig.7Heat load distribution on front and rear wall after changing the opening degree of general air dampers

圖8　改變總風(fēng)門擋板開度前后爐內(nèi)煙氣流場示意圖

Fig.8In-furnace flue gas flow before and after changing the opening degree of general air dampers

圖9前墻三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度為30%時的爐內(nèi)熱負(fù)荷分布

Fig.9In-furnace heat load distribution at 30% opening degree of tertiary air damper on the front wall

從圖9可以看出，關(guān)小三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度后，前墻下部15.6 m、22.6 m標(biāo)高處的熱負(fù)荷升高，而39.6 m標(biāo)高處的熱負(fù)荷下降.究其原因，如圖10所示，關(guān)小三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度后，拱上二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度增大，火焰下沖加劇，使得火焰在下爐膛停留時間延長，火焰行程由圖10中的行程1變?yōu)樾谐?，火焰中心下降，部分上爐膛的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到下爐膛，下爐膛熱負(fù)荷升高，上爐膛熱負(fù)荷降低.

圖10　改變?nèi)物L(fēng)風(fēng)門擋板開度后的火焰行程示意圖

3.3煤粉細(xì)度對爐內(nèi)熱負(fù)荷的影響

煤粉細(xì)度依靠磨煤機(jī)動態(tài)分離器相對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié).初始工況的動態(tài)分離器相對轉(zhuǎn)速為75%，試驗(yàn)中將動態(tài)分離器相對轉(zhuǎn)速調(diào)至60%，各磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度變化如表1所示.圖11給出了改變煤粉細(xì)度后爐內(nèi)熱負(fù)荷的分布.

表1煤粉細(xì)度與動態(tài)分離器相對轉(zhuǎn)速的關(guān)系

Tab.1Relationship between the fineness of pulverized coal and the relative speed of dynamic separator%

通過對比圖11與圖5中相同標(biāo)高處溫度測點(diǎn)的熱負(fù)荷，可見改變煤粉細(xì)度前后，爐內(nèi)熱負(fù)荷變化不明顯，說明影響該鍋爐爐內(nèi)熱負(fù)荷的不是一次風(fēng)，而是二次風(fēng)和三次風(fēng).這與該鍋爐的設(shè)計(jì)原理有關(guān)，從圖2的燃燒器噴口布置形式可以看出，一次風(fēng)噴口被二次風(fēng)噴口包圍，而一次風(fēng)的剛度弱于二次風(fēng)剛度，一次風(fēng)的下沖深度由攜帶其下沖的二次風(fēng)的剛性所決定.因此，改變煤粉細(xì)度對爐內(nèi)熱負(fù)荷幾乎沒有影響.

3.4磨煤機(jī)投運(yùn)方式對爐內(nèi)熱負(fù)荷的影響

圖12給出了600 MW負(fù)荷下投運(yùn)ABCEF磨煤機(jī)時的前墻熱負(fù)荷分布.圖13給出了600 MW負(fù)荷下投運(yùn)ABDEF磨煤機(jī)時的后墻熱負(fù)荷分布.由圖12和圖13可知，磨煤機(jī)投運(yùn)方式對爐內(nèi)熱負(fù)荷的影響比較明顯.

(a) 前墻

(b) 后墻

圖12　投運(yùn)ABCEF磨煤機(jī)時的前墻熱負(fù)荷分布

圖13　投運(yùn)ABDEF磨煤機(jī)時的后墻熱負(fù)荷分布

通過以上試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某臺磨煤機(jī)不投運(yùn)時，該區(qū)域熱負(fù)荷明顯下降，而其他區(qū)域熱負(fù)荷則略微上升.

4結(jié)論

(1) 在前后墻均等配風(fēng)的情況下，后墻火焰下沖略深于前墻，致使下爐膛前墻熱負(fù)荷略低于后墻熱負(fù)荷，上爐膛前墻熱負(fù)荷略高于后墻熱負(fù)荷.

(2) 采用“前墻壓后墻”的運(yùn)行方式后，前墻部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到后墻，使前墻上部水冷壁壁溫更加安全.

(3) 關(guān)小(或開大)三次風(fēng)風(fēng)門擋板開度后，拱上二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度增大(或減小)，風(fēng)速增大(或減小)，火焰中心下降，下爐膛熱負(fù)荷升高(或降低)，上爐膛熱負(fù)荷降低(或升高).

(4) 煤粉細(xì)度對爐內(nèi)熱負(fù)荷幾乎沒有影響，說明火焰的下沖深度是由二次風(fēng)的剛性決定的.

(5) 在機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，當(dāng)某臺磨煤機(jī)不投運(yùn)時，該區(qū)域熱負(fù)荷明顯下降，而其他區(qū)域熱負(fù)荷則略微上升.

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呂少昆(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.)：15200093685；E-mail: lskmail@163.com.

Effects of Operation Mode on Heat Load Distribution in a Supercritical Pressure W-flame Boiler

ZHOUWentai,YANGYong

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：The heat load distribution in a 600 MW supercritical pressure W-flame boiler was calculated by measuring the temperature of water wall by changing the operation conditions of the boiler, such as the combination mode of mills, opening degree of general air dampers on front and rear wall, fineness of pulverized coal and opening degree of tertiary air damper, etc. Results show that the fineness of pulverized coal has almost no effect on the heat load distribution. The opening degree of general air dampers on front and rear wall would affect the flame travel in the furnace, and it is proposed to adopt the "front wall air suppressing rear wall air" mode. Changing the opening degree of tertiary air damper would alter the heat load distribution in the upper and lower furnace. Low heat load would appear in the area where corresponding coal mill is out of service.

Key words：supercritical pressure W-flame boiler; water wall; operation mode; heat load

文章編號：1674-7607(2016)04-0253-05中圖分類號：TK227.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：470.30

收稿日期：2015-06-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51076045)

作者簡介：高正陽(1972-)，男，河北保定人，副教授，博士，主要從事燃煤過程污染物控制和燃燒過程數(shù)值模擬方面的研究.