鍋爐煙氣再循環位置對再熱蒸汽溫度的影響

沈應強， 吳華棟， 李永進， 陶生智

(武漢鍋爐股份有限公司，武漢 430205)

根據國家《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》，我國不斷加快發展煤炭清潔開發利用技術，提高煤炭清潔高效開發利用水平。清潔高效的煤電發展，主要著力于提高煤電的高效發電比例，以及提高煤電機組效率。當前新建機組均已是超臨界和超超臨界機組，由于材料的限制，短期很難在溫度和壓力上有所突破。而在相同的蒸汽參數下，二次再熱機組的熱效率比一次再熱機組提高2%[1-3]，對應二氧化碳減排量約降低3.6%。因此，二次再熱是當前一種可行的節能降耗、清潔環保的火力發電技術。

與一次再熱機組相比，二次再熱機組再熱器吸熱比例增加，主蒸汽溫度和一次/二次再熱蒸汽溫度的協調更加復雜，如何調節再熱蒸汽溫度成為關鍵問題。當前調節再熱蒸汽溫度的主要方式有調節燃燒器擺動、調節煙氣擋板與煙氣再循環，其中煙氣再循環由于更加靈活有效得到了廣泛的應用。

目前，將再循環煙氣引入鍋爐的方式主要有從燃燒器區域底部引入和從爐膛出口的屏底引入。筆者采用已有廣泛實際應用的熱力計算模型，分析2種再循環煙氣引入方案對爐膛出口煙氣溫度、再熱蒸汽溫度等參數的影響，以期為二次再熱機組設計優化提供參考。

1 鍋爐基本參數

研究對象為660 MW超超臨界燃煤鍋爐，鍋爐為超超臨界參數、塔式布置、二次再熱、切圓燃燒直流爐。鍋爐內受熱面的基本布置見圖1(一次/二次高溫再熱器簡稱一次/二次高再、一次/二次低溫再熱器簡稱一次/二次低再)，煙氣依次流經二級過熱器、高溫過熱器、一次高再、二次高再、二次低再、一次低再、二級省煤器。從燃燒器區域底部引入再熱煙氣和從爐膛出口的屏底引入再循環煙氣的方案分別為方案一和方案二。

圖1 鍋爐內受熱面的基本布置

鍋爐主要的熱力參數見表1。

表1 鍋爐主要的熱力參數

2 結果與分析

2.1 煙氣再循環對蒸汽溫度的影響

在超臨界鍋爐實際運行中，主要通過調節煤水比來控制和調節主蒸汽參數，所以主蒸汽參數決定了輸入鍋爐的熱量。為了更好地了解煙氣再循環對蒸汽參數的影響，并且排除煤水比與鍋爐總吸熱量的影響，以方案一為基礎，維持給煤量、燃燒器擺角、送風溫度等其他條件不變進行計算。煙氣再循環對主要溫度參數的影響見圖2，各受熱面吸熱量見圖3。

圖2 煙氣再循環對主要溫度參數的影響

圖3 各受熱面吸熱量的變化

由圖2和圖3可得：隨著再循環煙氣的引入，爐膛出口煙氣溫度逐漸降低，主蒸汽溫度逐漸降低，水冷壁吸熱量逐漸減少。主要原因是煙氣再循環改變了鍋爐各受熱面的吸熱量，對于輻射受熱面，二級過熱器與高溫過熱器的吸熱量相應減少，尤其對于以吸收輻射熱為主的水冷壁，吸熱量下降顯著。一次高再在鍋爐結構中作為半輻射半對流受熱面，吸熱量隨煙氣再循環量的變化較小。對于隨后的對流受熱面(二次高再、二次低再、一次低再)，吸熱量均逐漸增多，越往后，吸熱量增多越明顯，存在煙氣將熱量往后攜帶現象[4]。由于在鍋爐結構布置中，再熱器多布置于對流受熱面，根據計算結果和理論分析可知，采用煙氣再循環對于提高再熱蒸汽溫度是可行且有效的。

上面的結果僅給出了煙氣再循環對鍋爐整個吸熱的影響，但是在實際運行中，主蒸汽溫度是必須保證的重要參數。因此，將根據實際運行情況，保證主蒸汽參數，在再循環率相同時對比方案一與方案二對各受熱面吸熱量、蒸汽溫度和鍋爐效率的影響。

2.2 2種方案對受熱面吸熱量的影響

爐膛各受熱面吸熱量見表2。由表2可得： 2種方案主蒸汽總吸熱量保持不變。采用方案一時，隨著再循環率的增加，水冷壁吸熱逐漸降低，省煤器、過熱器吸熱量均逐漸增加；而對于方案二，隨著再循環率的增加，水冷壁吸熱量基本維持不變，省煤器吸熱量增加而過熱器吸熱量減少。對于再熱器系統，2種方案均提高了再熱器系統的吸熱。對于方案一，再循環率每增加1百分點，一次再熱吸熱量增加約2.4 MW，二次再熱吸熱量增加約1.8 MW；而對于方案二，再循環率每增加1百分點，一次再熱吸熱量增加約0.5 MW，二次再熱吸熱量增加約0.4 MW。方案一提高再熱器的吸熱能力優于方案二。因此，方案一采用再循環率為3%時，再熱蒸汽溫度已達到額定溫度(623 ℃)，而對于方案二，達到同樣的吸熱能力，再循環率則需要提高至12%。

表2 各受熱面吸熱量

2.3 2種方案對受熱面蒸汽溫度的影響

圖4為2種方案對主要溫度參數影響的對比。由圖4可得：2種方案均會降低爐膛出口煙氣溫度，但方案二對爐膛出口煙氣溫度的影響更加明顯。對于水冷壁出口蒸汽溫度，2種方案呈相反趨勢。方案一可以有效降低水冷壁出口蒸汽溫度，而方案二卻增加了水冷壁出口蒸汽溫度。主要原因是方案一在燃燒器區域進行混合可以有效降低整個爐內的煙氣溫度水平，水冷壁吸熱量相應減少；而方案二的混合點在爐膛上部，對爐膛出口煙氣溫度影響較大[5]。2種方案均能提高再熱蒸汽溫度，再熱蒸汽溫度隨著再循環率的增加基本呈線性提高。再循環率每增加1百分點，對于方案一，一次/二次再熱蒸汽溫度分別提高2.2 K、2.0 K；對于方案二，一次/二次再熱蒸汽溫度均提高約0.44 K。因此，對于再熱蒸汽溫度的影響， 方案一優于方案二，方案一可以很好地對應各受熱面吸熱量的變化趨勢。

圖4 2種方案對主要溫度參數影響的對比

2.4 2種方案對效率的影響

對于鍋爐來說，在保證鍋爐蒸汽溫度的同時，也應該對其經濟性進行考慮，因此應該對鍋爐的效率變化進行對比。主蒸汽與再熱蒸汽溫度均達到額定溫度時，方案一的再循環率約為3%，方案二的再循環率約為12%。根據計算結果，方案一的鍋爐效率為93.32%，方案二的鍋爐效率為93.28%，方案一的鍋爐效率稍高于方案二。主要原因是煙氣再循環將熱量往尾部對流受熱面進行累積，導致煙氣溫度升高。空氣預熱器出口煙氣溫度(即排煙溫度)變化見圖5。方案二的一級省煤器出口煙氣溫度為357 ℃，方案一為354 ℃，而排煙溫度增加，則排煙損失增加。

圖5 空氣預熱器出口煙氣溫度

2種方案的鍋爐效率均基于相同的固體不完全燃燒熱損失，因為對于方案一，加入再循環煙氣后煙氣量增大，煙氣流速增大，但此時煙氣溫度有所下降，起到了降低煙氣流速的作用。整體來說，煤粉在爐內停留時間變化并不大，基本不會對固體不完全燃燒熱損失有所影響[6-7]。

結合排煙溫度進行分析，采用2種方案對排煙溫度的影響基本一致。這主要取決于再循環率，再循環率的增加均會提高排煙溫度，增加排煙損失，降低鍋爐效率。因此，建議廠家在設計時要盡量控制再循環率，減少排煙損失，避免在實際運行中發生再循環煙氣量過大、蒸汽溫度難以控制、風機磨損嚴重等相關問題。

3 結語

(1) 采用煙氣再循環能夠有效降低爐膛出口煙氣溫度，降低輻射受熱面的吸熱能力，提高對流受熱面的吸熱能力。再熱器一般布置在鍋爐對流受熱面位置，因此采用煙氣再循環能夠有效提高再熱器吸熱能力，從而提高再熱蒸汽溫度。

(2) 與方案二相比，采用方案一能夠更加有效地降低輻射受熱面吸熱，尤其是水冷壁吸熱。2種方案均能提高再熱器吸熱能力，方案一提高再熱器吸熱能力更強。

(3) 對于方案一，再循環率每增加1百分點，一次/二次再熱蒸汽溫度能提高約2.0 K；而對于方案二，再循環率每增加1百分點，一次/二次再熱蒸汽溫度則僅能提高約0.44 K，對再熱蒸汽溫度改善能力有限。方案一更具有優勢，但是方案二能夠更大程度地降低爐膛出口煙氣溫度，有效降低受熱面結焦的可能性。

(4) 方案一與方案二對排煙溫度的影響基本一致，再循環率的增加均會較為緩慢地提高排煙溫度，增加排煙損失，不利于鍋爐效率。達到同樣的再熱蒸汽溫度時，方案二的鍋爐效率降低的幅度更大。為了保證鍋爐效率，建議在設計鍋爐受熱面時控制再循環率，減少運行時可能發生的各種問題。

綜上，再熱蒸汽溫度的控制是二次再熱機組的關鍵問題，采用煙氣再循環能夠有效調整再熱蒸汽溫度，并且該技術可以在今后得到廣泛的應用，所研究的結果對同類型機組具有一定的參考意義。