煙氣再循環對1 000 MW二次再熱鍋爐汽溫的影響

韓 磊

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院, 合肥 230088 )

二次再熱是目前世界領先的燃煤發電技術，是提高火電機組熱效率的重要方法[1-2]。在相同容量及蒸汽參數條件下，二次再熱機組熱效率比一次再熱機組高出1.5%～2%[3]；但是二次再熱增加一級再熱循環，導致鍋爐、汽輪機的結構和運行調整更加復雜，對吸熱量分配及汽溫控制要求更高[4]，其中煙氣再循環是目前調整二次再熱汽溫的主要手段之一[5]。

煙氣再循環是燃燒產生的部分煙氣進入爐膛后與氧化劑混合后再次參與燃燒的方式[6]，不同的再循環率不僅對燃燒特性和NOx生成具有重要影響，還改變了爐膛火焰溫度及尾部受熱面對流、輻射的吸熱比例[7]。

馬凱等[8-9]以600 MW超臨界鍋爐為研究對象，在原蘇聯鍋爐機組熱力計算標準方法的基礎上，對爐膛熱力計算公式進行改進，改進后額定工況下爐膛出口煙溫計算值與設計值相差不到20 K。張大龍等[10]對古爾維奇熱力計算模型修正后，以1 000 MW超超臨界機組為模型進行了傳熱計算，在鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況下，采用古爾維奇熱力計算模型偏差小于70 K，而用古爾維奇改進模型得到的爐膛出口煙溫與設計值偏差小于25 K。古爾維奇爐膛熱力計算模型及改進模型在對大機組的熱力計算方面表現出較好的可靠性。

為避免某1 000 MW超超臨界運行出現嚴重的蒸汽超溫和欠溫現象[11]，筆者利用古爾維奇熱力計算模型及改進模型進行計算，探究煙氣再循環對1 000 MW二次再熱鍋爐汽溫的影響，用于機組投產后的燃燒調整，進一步保障機組運行的安全性和經濟性。

1 研究對象

研究對象為某1 000 MW超超臨界機組二次再熱直流鍋爐，該鍋爐采用單爐膛雙切圓、平衡通風、固態排渣、露天布置的П形鍋爐，采用螺旋管圈水冷壁。

鍋爐結構見圖1。過熱器分三級布置于爐膛上部空間，分別為分隔屏過熱器、后屏過熱器、末級過熱器，一、二次再熱器系統均采用兩級布置，水平煙道分別布置一次高溫再熱器(簡稱高再)和二次高再；尾部采用雙煙道布置形式，尾部前煙道布置一次低溫再熱器(簡稱低再)，尾部后煙道布置二次低再；采用煙氣擋板加煙氣再循環調節再熱汽溫，再循環煙氣引自省煤器出口，送入燃燒器底部煙氣噴口。

圖1 鍋爐結構

鍋爐主要技術參數見表1。

表1 鍋爐主要技術參數

鍋爐設計煤種采用塔山煤與印尼煤的混煤，混煤的煤質分析結果見表2。

表2 設計煤種的煤質分析結果

2 計算方法

再循環率的計算公式為：

(1)

式中：γ為再循環率，%；Vg為煙氣抽出點后煙道截面內煙氣體積，m3；Vxh為再循環煙氣體積，m3。

爐膛熱力計算基于大量實驗及工業實踐確定相關的經驗系數，經轉換得到爐膛出口煙溫的公式(古爾維奇熱力計算模型)為：

(2)

古爾維奇熱力計算模型在200 MW以下燃煤機組中較為準確，而在大容量鍋爐的計算上存在誤差[12]，卜洛赫等提出以計入爐膛輻射傳熱面熱負荷的方法對爐膛形狀的影響進行修正，修正后的計算公式[13]為：

(3)

式中：qf為爐膛壁面熱負荷，kW/m2；

在爐膛熱力計算的過程中同時考慮輻射能在傳遞過程中沿射線行程的減弱，提出煤粉鍋爐火焰綜合黑度的概念，可以正確反映煤灰含灰量、鍋爐容量等方面對輻射換熱的影響，引入火焰綜合黑度后爐膛黑度的計算公式為：

(4)

式中：εsyn為火焰綜合黑度；ε1為火焰黑度；R為爐膛截面積當量半徑；ka為煤粉火焰輻射減弱系數。

筆者充分考慮爐膛形狀對大容量爐膛輻射傳熱的影響及輻射能量在傳遞過程中沿射線行程的減弱[14]，利用修正后的熱力計算公式，進行鍋爐熱力計算，探究煙氣再循環對1 000 MW二次再熱機組爐膛及各受熱面吸熱量、蒸汽溫度等方面的影響。

此外，該熱力計算模型應用在某電廠660 MW超臨界鍋爐上，用以指導火焰偏斜調整，取得了良好效果，末級過熱器和再熱器沿爐寬方向中間位置的壁溫下降10～15 K，主、再熱汽溫欠溫現象得到緩解。

3 結果與分析

筆者以該鍋爐為例，燃用設計煤種，研究在鍋爐額定負荷(BRL)下，再循環率從0%增加到15%，鍋爐系統吸熱量分配的變化。

3.1 爐膛溫度

再循環率對爐膛溫度的影響見圖2。由圖2可以看出：爐膛理論燃燒溫度隨再循環率的升高而下降，再循環率由0%升高到15%，理論燃燒溫度由1 955.7 ℃下降到1 763.0 ℃；再循環率提高1%，爐膛理論燃燒溫度下降12.85 K。而屏底溫度(煙氣進入分隔屏過熱器及后屏過熱器底部時的溫度)隨著再循環率的提高變化較小，再循環率從0%到15%，屏底溫度僅上升18.5 K。

圖2 再循環率對爐膛溫度的影響

爐膛傳熱以輻射為主、對流為輔。爐內燃燒產生的煙氣具有光學厚度，這些高溫煙氣的輻射能將在空間所有方向上被吸收與反射[15-16]。中溫(386 ℃)再循環煙氣進入高溫爐膛，進入爐內的總有效熱量有所增加；但由于冷煙氣的摻入，爐內高溫燃燒產物溫度下降并影響煤粉著火，造成理論燃燒溫度降低，爐內水冷壁輻射吸熱量大幅度減少。一方面，水冷壁吸熱量的減少造成爐內換熱量減少，鍋爐屏底溫度上升；另一方面，理論燃燒溫度的降低使屏底溫度下降。兩方面因素疊加造成屏底溫度隨再循環率的提高而變化較小。

3.2 輻射、對流傳熱面吸熱量

再循環率對輻射、對流傳熱面吸熱量的影響見圖3。由圖3可以看出：隨著再循環率的提高、理論燃燒溫度的降低(見圖2)，水冷壁輻射吸熱量明顯降低。再循環率從0%提高到15%，水冷壁吸熱量從 8 602 kJ/kg減少到6 519 kJ/kg，輻射傳熱面吸熱量下降了24.2%。

圖3 再循環率對輻射、對流傳熱面吸熱量的影響

對于各級過熱器，末級過熱器為對流傳熱面，隨著再循環率的提高，煙氣量明顯增加，受熱面對流傳熱系數提高，末級過熱器吸熱量不斷增加；分隔屏過熱器和后屏過熱器為半輻射式受熱面，吸熱一部分來自爐膛的直接輻射傳熱和屏間高溫煙氣的輻射傳熱，另一部分來自對流傳熱。爐膛溫度降低導致來自爐膛的直接輻射傳熱降低，但是屏底溫度并未降低，屏間煙氣流量增加，屏間輻射傳熱反而略有增加。所以位于爐膛上部的半輻射傳熱面吸熱量，隨著再循環率的提高，吸熱量呈上升趨勢。綜上所述，各級過熱器的總吸熱量隨著再循環率的提高而增加，再循環率從0%提高到15%，過熱器總吸熱量從4 873 kJ/kg增加到5 508 kJ/kg，增加了13.0%。

對于一、二次再熱器，受熱面均位于水平煙道和尾部煙道，屬于對流傳熱面。一次再熱器吸熱量從再循環率為0%時的3 157 kJ/kg增加到再循環率為15%時的3 746 kJ/kg；二次再熱器吸熱量從再循環率為0%時的2 213 kJ/kg增加到再循環率為15%時的2 736 kJ/kg，吸熱量增加23.6%。

對流傳熱面越靠近煙道尾部，隨著再循環率的提高，受熱面吸熱量的增加比例越大，對再循環率的變化更為敏感。再循環率從0%提高到15%，各級過熱器吸熱量僅增加13.04%，一次再熱器吸熱量增加18.66%，二次再熱器吸熱量增加23.62%。

3.3 蒸汽溫度

再循環率對蒸汽溫度的影響見圖4。

圖4 再循環率對蒸汽溫度的影響

由圖4可以看出：隨著再循環率的提高，輻射傳熱面吸熱比例降低，水冷壁吸熱量減少，再循環率提高1%，分離器出口蒸汽溫度降低2.19 K；對于各級過熱器，雖然總吸熱量隨著再循環率的提高而增加，但增加的幅度遠低于水冷壁吸熱量的減少，故主蒸汽溫度隨著再循環率的提高而降低，再循環率提高1%，主蒸汽溫度降低3.20 K；一、二次再熱器各受熱面均屬于對流傳熱面，再循環率提高1%，一次再熱蒸汽溫度提高2.44 K，二次再熱蒸汽溫度提高2.72 K。

3.4 對流傳熱面吸熱量

再循環率對各對流傳熱面吸熱量的影響見圖5。由圖5可以看出：再循環率從0%提高到15%，再循環率提高1%，一次高再吸熱量增加0.28%，二次高再吸熱量增加0.54%，一次低再吸熱量增加2.02%，二次低再吸熱量增加2.27%，前墻省煤器吸熱量增加2.02%，后墻省煤器吸熱量增加1.90%。

隨著再循環率的提高，流經省煤器前各鍋爐受熱面的煙氣量均成比例增加，在流通截面不變的情況下，流經各受熱面的煙氣流速增加，各受熱面的對流傳熱系數隨之提高，因此各受熱面的對流傳熱量吸熱量顯著增加。

由熱力計算結果可知，對流傳熱面布置位置越往后，隨著再循環率的提高，吸熱量的增幅越大，對再循環率變化的響應越敏感。這是因為高溫煙氣傳遞給受熱面的熱量通過兩種方式，一種為輻射傳熱，另一種為對流傳熱。高溫煙氣流經各受熱面后，越靠近尾部煙道的煙氣溫度越低，導致煙氣通過輻射傳熱方式傳遞給受熱面的熱量急劇降低，尾部受熱面對流傳熱比例接近100%。因此，越靠近尾部煙道的受熱面，受煙氣流速變化的影響越大，對再循環率變化的響應越敏感。

4 結語

筆者通過熱力計算研究再循環率對該二次再熱鍋爐蒸汽溫度的影響，得出以下結論：

(1) 再循環率提高1%，爐膛理論燃燒溫度下降12.85 K；屏底煙氣溫度隨再循環率的提高變化較小。

(2) 隨著再循環率的提高，輻射傳熱面吸熱量下降明顯，半輻射式受熱面吸熱量略有增加，對流傳熱面吸熱量顯著增長，且位置越后，響應越敏感。

(3) 在其他條件不變時，再循環率提高1%，主蒸汽溫度降低3.20 K，一次再熱蒸汽溫度提高2.44 K，二次再熱蒸汽溫度提高2.72 K。通過調整再循環率，可有效避免二次再熱機組蒸汽出現超溫和欠溫現象。

通過調整再循環煙氣率控制再熱汽溫，調節范圍較大，且可控性更高。筆者的計算結果可用于機組投產后的燃燒調整，提高了機組運行的安全系數，有利于機組的穩定運行，具有重要的參考意義，后續應在機組運行中對計算數據進行進一步的驗證，并對模型進行修正改進。