600 MW W火焰鍋爐衛燃帶改造與結渣分析

楊　帆，　朱光明，　丁常富，　段學農

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

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600 MW W火焰鍋爐衛燃帶改造與結渣分析

楊帆1，朱光明2，丁常富1，段學農2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

摘要：針對某600 MW W火焰鍋爐側墻衛燃帶結渣嚴重問題，為降低側墻溫度、減輕結渣，將原側墻衛燃帶局部去除，采用CFD軟件對多工況下的爐內速度場和溫度場進行數值模擬，將計算結果與現場試驗進行對比，驗證了計算模型的準確性，并結合現場運行情況綜合分析了下爐膛側墻易結渣的原因.結果表明：鍋爐側墻壓力偏低導致煤粉氣流向側墻流動，過高的側墻溫度使結渣情況加重；減少側墻衛燃帶面積使側墻溫度降低，可緩解側墻結渣.

關鍵詞：W火焰鍋爐； 衛燃帶； 結渣特性； 改造； 數值模擬

煤炭是我國重要的基礎能源，在我國一次能源消費結構中，煤炭所占比例接近70%，總儲量中無煙煤占13%左右[1]，W火焰鍋爐作為燃用低揮發分煤種的主力爐型，對其燃燒性能進行研究具有重要意義.近些年，數值模擬計算技術發展迅速，采用數值模擬進行燃燒計算的研究成果日漸增多，方慶艷等[2]對一臺W火焰鍋爐的結渣特性進行了數值模擬，分析了結渣位置、程度和原因；高正陽等[3]對2臺使用不同類型燃燒器的W火焰鍋爐進行了數值模擬計算，分析了鍋爐本體結構對燃燒過程的影響；汪華劍等[4]采用數值模擬方法對一臺W型火焰鍋爐進行研究，分析了F風下傾對爐內燃燒過程的影響.在國內外學者的研究成果[5-11]中，已有將數值模擬與實際改造相結合的成功先例.筆者所研究的鍋爐在下爐膛燃燒區敷設有大面積衛燃帶，該鍋爐自投產以來，鍋爐兩側墻和4個翼角衛燃帶上存在較嚴重的結渣現象，特別是煤灰熔點較低或煤中含硫量較高時，結渣更為嚴重.經過對運行參數的長期收集，筆者提出了新的衛燃帶敷設方案，對原側墻衛燃帶進行部分拆除.為了揭示改造前后爐內燃燒特性的變化規律，采用CFD計算流體軟件對新方案進行數值模擬計算，為實際改造提供指導，從而降低改造風險.

1研究對象及改造方案

1.1研究對象

研究對象為某600 MW超臨界W火焰鍋爐，為垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天布置的Π型鍋爐，鍋爐結構如圖1所示.爐膛以前后拱拱頂水平斷面為界，分為上下爐膛，24只濃縮型EI-XCL旋流燃燒器對稱布置在鍋爐的前后拱上，兩側風粉氣流分別從前后拱垂直于拱面斜向下送入爐膛，每個燃燒器在下爐膛對應布置有三次風和下二次風.鍋爐燃用煤質特性見表1.該煤種的揮發分較低、灰分較高，屬于典型的難著火、難燃盡煤種.

圖1　鍋爐結構

參數元素分析工業分析w(Car)/%w(Har)/%w(Oar)/%w(Nar)/%w(Sar)/%w(Mar)/%w(Aar)/%w(Vdaf)/%w(FCar)/%Qnet,ar/(kJ·kg-1)數值49.801.511.530.481.309.3736.017.0049.9018839.50

1.2結渣情況及改造方案

1.2．1現場結渣情況

為了確定改造前側墻結渣情況，對側墻看火孔的結渣情況進行了觀測，右側墻上排看火孔的觀測結果見圖2.看火孔1和看火孔3的渣層厚45 cm，看火孔2的渣層厚40 cm，據電廠資料記載,渣層厚度曾達80 cm，觀測結果表明側墻出現了嚴重的結渣現象.鍋爐結渣是個復雜的物理化學過程，它涉及煤的燃燒、煤的潛在結渣傾向、爐內傳熱以及煤灰與管壁間的黏附等復雜過程，降低易結渣區域溫度是緩解結渣最直接有效的辦法之一.

(a) 看火孔1

(b) 看火孔2

(c) 看火孔3

1.2.2改造方案

側墻結渣嚴重表明衛燃帶附近溫度過高，單側墻原始設計衛燃帶面積為88.2 m2，衛燃帶面積過大導致熱量集中，需減小衛燃帶面積、降低溫度，以緩解結渣.衛燃帶去除后，水冷壁吸熱量會有所提升，改造前需對鍋爐煙氣流量、排煙溫度、煤質情況和水循環特性等運行參數進行數據收集、整理和分析，核算去除兩側墻衛燃帶后爐膛溫度及爐膛出口溫度是否滿足鍋爐正常運行需要.為確定衛燃帶敷設方案，防止大面積去除衛燃帶會影響煤粉著火、導致兩側墻管壁超溫，前期進行了衛燃帶拆除試驗，在停爐檢修期間，將爐膛側墻結渣較嚴重的衛燃帶沿水平方向小面積去除，并將翼墻近側墻端2 m區域范圍內衛燃帶打薄，在40多天的連續高負荷運行中，拆除區域未發生水冷壁管超溫爆管現象，側墻試驗區域結渣明顯改善，由此可見衛燃帶去除對鍋爐防結渣的效果明顯.

本次衛燃帶調整方案以單側墻原始設計衛燃帶為基礎，拆除部分衛燃帶后，新方案中單側墻衛燃帶面積為44.1 m2(見圖3中陰影區域，不含兩側翼墻).

圖3　改造后側墻衛燃帶布置示意圖

2數值模擬方法與計算工況

筆者著重研究衛燃帶改造前后對爐內燃燒的影響，深入分析側墻易結渣的原因，模擬計算區域為冷灰斗排渣口至爐膛出口，鍋爐網格劃分如圖4所示.計算區域采用結構化網格，采用合理的劃分手段使網格盡量適應計算區域的流動特性，避免因偽擴散影響造成計算偏差，對下爐膛燃燒器區域的網格進行合理加密，在垂直爐膛寬度的中心位置設置對稱面，選取對稱爐膛的一半作為計算區域，網格總數為144萬.對鍋爐進行多工況模擬，計算工況見表2.

(a)燃燒區網格(b)縱截面網格

圖4鍋爐網格劃分

Fig.4Computational grid of the boiler

3計算結果分析

3.1計算結果與現場實測結果的對比

為了判斷計算結果與運行現場實測結果誤差的大小，確保計算結果的合理性，改造前采用抽氣熱電偶在工況4下對看火孔進行爐內煙氣溫度測量，測點位置與實測結果見表3，其中測點入爐深度均為2.5 m.從表3可以看出，計算溫度與實測溫度基本相符，計算溫度比實測溫度略高，兩者存在誤差的原因有以下3方面：(1)由于計算邊界條件將衛燃帶設為絕熱壁面，而實際上衛燃帶也會向受熱面導熱；(2)由于計算流體力學發展水平有限，盡管從各方面努力做到使模擬條件與現場情況相接近，仍無法做到完全一致；(3)司爐和燃料變化等原因造成爐膛溫度在合理范圍內波動.

表2　計算工況表

表3　計算結果與實測結果的比較

3.2速度場與溫度場

圖5為工況8下距離右側墻8.9 m處爐膛截面的速度矢量圖.圖5反映了爐內煙氣的流動特性，形成了清晰的“W”形狀，可以看出有4個明顯的渦狀回流區(即a、b、c和d)，分別稱為主回流區(a)、背側回流區(b)、引射回流區(c)和冷灰斗回流區(d).主回流區影響W火焰的形成，主回流區過大會干擾主氣流，導致爐內流場紊亂，造成火焰貼墻結渣；主回流區過小則容易使火焰短路或者火焰中心上移，影響煤粉顆粒的穩定燃燒，主回流區對煤粉的著火和燃盡有重要影響，其延長了煤粉顆粒在爐內燃燒的行程，有利于煤粉顆粒的燃盡，且燃燒產生的高溫有利于新煤粉的點燃，從而強化了對煤粉主氣流的加熱作用.背側回流區是由三次風氣流引射作用和主回流區的殘余旋轉共同產生的，位于一次風與三次風之間，背側回流區過大容易導致一次風氣流偏斜.引射回流區位于三次風與下二次風之間，由2股氣流的引射作用共同產生.冷灰斗回流區位于冷灰斗斜面水冷壁上方，由下二次風引射作用產生，該回流區影響火焰下沖深度，回轉氣流卷吸下游的煤粉顆粒，延長了煤粉在爐內的停留時間，二次風下行形成的空氣膜可以避免冷灰斗結渣，調整下二次風角度可以調節冷灰斗回流區的位置，要提高火焰的下沖深度，應減小冷灰斗回流區尺寸并降低其位置.

圖5　工況8下爐內速度場

圖6給出了工況8下垂直于爐膛寬度方向、距離右側墻8.9 m處爐膛截面溫度分布.圖6的溫度場與圖5的速度場是相互耦合的，改造后W火焰形成較好，溫度場沿爐膛深度方向的對稱性較好，沒有出現“前墻壓后墻”或“后墻壓前墻”的現象.爐內的高溫說明煤粉在爐內發生了劇烈燃燒，溫度分布均勻，火焰充滿度較好，煤粉顆粒進入爐膛后在高溫煙氣回流卷吸和輻射加熱的作用下著火并迅速燃燒，釋放大量的熱量，爐內最高溫度在1 800 K以上.

圖6　爐膛截面溫度場

3.3結渣特性分析

煤灰在受熱面的結渣機理較為復雜，煤灰的化學組分、爐內的環境氣氛和受熱面表面的熱物理狀況都會影響整個結渣過程.衛燃帶的敷設會增大煙氣與水冷壁之間的傳熱熱阻，減少受熱面吸熱量，使衛燃帶表面溫度大幅提高，一般情況下衛燃帶表面溫度比附近水冷壁溫度高400～600 K，高溫使附近的煤灰顆粒更易處于熔化狀態，進而產生了衛燃帶表面易結渣的現象.圖7給出了改造前距離右側墻4.79 m的燃燒器噴口顆粒軌跡.理想的顆粒運動軌跡應為：煤粉顆粒從一次風口噴出后，在一次風和二次風的共同作用下，斜向下沖入燃燒區一定高度后轉折向上，經過劇烈燃燒后飛出爐膛，完成整個燃燒過程.從圖7可以看出，大部分煤粉顆粒斜向下運動一段距離后，氣流在三次風口附近發生偏斜，并逐漸向側墻衛燃帶區域聚集，處于熔融狀態的灰渣具有極高的黏性，撞擊到衛燃帶后附著在上面，造成了結渣.煤粉燃燒釋放大量的熱量，爐膛中心區域產生的高溫使氣流迅速膨脹，促使氣流向壓力較低的側墻方向流動，進一步分析爐膛高度為21 m、22 m、23 m、24 m和25 m截面中心平均壓力分布(見圖8)，表明平均壓力沿爐膛寬度方向從中心到兩側逐漸降低，導致氣流向側墻流動，前后墻下二次風的貼壁流動以及側墻區域缺少冷卻并處于還原性氣氛中，使結渣情況加劇.

圖7　顆粒軌跡

3.4改造影響分析

圖9給出了100%負荷下衛燃帶改造前后(工況4和工況7)右側墻的溫度對比.從圖9可以看出，2個工況下最高溫度均出現在爐膛高度25 m處，改造前衛燃帶區域的最高溫度達到1 589 K，高于鍋爐燃用煤的變形溫度(1 473 K)和軟化溫度(1 573 K)，處于熔化狀態的煤灰顆粒具有極高的黏性，當其運動到高溫衛燃帶壁面時會黏附在上面，熔化狀態的煤灰顆粒得不到有效冷卻，順著衛燃帶往下流動、流動到中溫區時，由于溫度降低便逐漸凝固，越積越厚，煤渣附著在受熱面上，對爐膛產生保溫效應，使結渣情況進一步惡化.從圖9還可以看出，拆除部分衛燃帶后，右側墻溫度比改造前降低約70 K，壁面高溫區的溫度約為1 518 K，右側墻兩端和兩翼墻的溫度在1 200～1 300 K，相比改造前明顯降低.

圖8　平均壓力分布

(a) 改造前

(b) 改造后

Fig.9Comparison of the right side-wall temperature before and after retrofit

衛燃帶部分拆除必然會導致爐膛溫度降低，改造前需對方案進行模擬計算，以檢驗新的改造方案能否保證鍋爐安全運行.圖10中曲線a、曲線b和曲線c分別對應工況1、工況7和工況4下爐膛水平截面沿爐膛高度方向的平均溫度，定義爐膛水平截面溫度最高處為火焰中心位置.對比曲線a、曲線b和曲線c可以看出，隨著衛燃帶面積的增加，火焰中心位置有所上升，爐內溫度上升，煤粉顆粒著火提前.當衛燃帶面積從141 m2(工況1)增加到410 m2(工況4)時，爐內最高溫度上升約200 K.對比曲線b和曲線c可以看出，衛燃帶拆除后，即衛燃帶面積由410 m2(工況4)減少至365.9 m2(工況7)時，爐內最高溫度下降約20 K，下降幅度為1.1%.

圖10　爐膛水平截面平均溫度沿爐膛高度方向的變化

Fig.10Average temperature variation curves at different heights of the furnace

煤粉從一次風口噴出后快速點燃著火是保證鍋爐安全運行的重要因素，隨著電網負荷越來越大，電網峰谷差也逐步增加，部分燃煤機組承擔著深度調峰的重任，這對機組的負荷適應性提出了更高的要求.低負荷運行時，鍋爐滅火情況時有發生，在鍋爐改造前需要充分計算，確保機組運行安全.圖11～圖13給出了不同負荷下衛燃帶面積對著火距離的影響，其中曲線a、曲線b、曲線c分別對應衛燃帶的敷設位置為僅爐拱區域，爐拱、燃燒區前后墻及部分側墻和爐拱、燃燒區前后墻及側墻.一般認為煤粉的著火點為1 000 K，定義從一次風口到煤粉達到著火點的距離為著火距離，從圖11～圖13可以看出，隨著衛燃帶面積的增加，著火距離逐漸縮短.由圖11中曲線a可以看出，50%負荷下著火距離達到3.2 m，過低的爐膛溫度表明衛燃帶面積不足；曲線c為改造前的計算結果，可以看出著火距離明顯縮短，煤粉進入爐膛后能夠快速點燃；曲線b反映了衛燃帶改造后的煤粉著火情況，由于部分側墻衛燃帶拆除，爐內溫度降低，導致著火距離延長約0.1 m.50%負荷下衛燃帶面積變化對著火距離的影響最明顯，在75%負荷(見圖12)和100%負荷(見圖13)下，改造后對著火距離的影響不明顯，表明衛燃帶的拆除沒有影響煤粉的及時著火和穩定燃燒.

圖11　50%負荷下著火距離的對比

Fig.11Comparison of fire length among different working conditions at 50% load

圖12　75%負荷下著火距離的對比

Fig.12Comparison of fire length among different working conditions at 75% load

圖13　100%負荷下著火距離的對比

Fig.13Comparison of fire length among different working conditions at 100% load

4結論

(1) 該類型爐膛中心高兩側低的爐內流場壓力分布是導致側墻易結渣的重要原因，煤灰顆粒從側邊燃燒器噴口噴出后在爐膛高度22 m處明顯向側墻運動，導致側墻易結渣.

(2) 計算結果表明，隨著衛燃帶面積的增加，爐內溫度升高，煤粉著火距離縮短，火焰中心位置升高；側墻衛燃帶拆除后，爐內最高溫度降低約20 K，衛燃帶面積變化對低負荷時煤粉著火的影響較大.

(3) 將原側墻衛燃帶沿爐膛高度方向局部拆除后，右側墻溫度降低明顯，100%負荷下右側墻溫度降低約70 K，壁面溫度低于鍋爐燃用煤的軟化溫度，可緩解結渣情況.

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Slagging Analysis and Retrofit of a Refractory Belt in the 600 MW W-flame Boiler

YANGFan1,ZHUGuangming2,DINGChangfu1,DUANXuenong2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China)

Abstract：To solve the problem of heavy slagging existing in the side-wall refractory belt of a 600 MW W-flame boiler, a retrofit was carried out by removing partial area of the refractory belt so as to reduce the temperature of the side wall, and thus to alleviate the slagging condition. Meanwhile, numerical simulations were conducted on the in-furnace velocity field and temperature field using CFD software under different working conditions, following which the simulation results were compared with experimental data in order to validate the accuracy of the calculation model. In addition, causes leading to slagging on the side wall of lower furnace were comprehensively analyzed based on actual operation conditions. Results show that the slagging is caused by the deviated pulverized-coal flow to side wall due to low pressure there and is aggravated by too high side-wall temperature, which could be alleviated by cutting partial area of the refractory belt to reduce the side-wall temperature.

Key words：W-flame boiler; refractory belt; slagging characteristic; retrofit; numerical simulation

收稿日期：2015-08-11

修訂日期：2015-09-06

作者簡介：楊帆(1989-)，男，蒙古族，內蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向為大型火電機組高效節能技術.電話(Tel.)：18600218393；E-mail：yfaabb@163.com.

文章編號：1674-7607(2016)06-0421-07中圖分類號：TK227.3

文獻標志碼：A學科分類號：470.30