一種四角墻式切圓鍋爐配風調整方法研究

2023-01-10 07:39:18陳曉龍宋大勇呂善知

黑龍江電力 2022年5期

陳曉龍，宋大勇，葛銘，呂善知

(1.國家能源集團科學技術研究院有限公司，南京 210046；2.清華大學能源與動力工程系，北京 100084；3.沈陽工業大學，沈陽 110870)

0 引言

燃燒器四角布置時，四股氣流在爐膛中心形成一個直徑為600～1 500 mm的假想圓，這種切圓燃燒方式能使相鄰的燃燒器噴出的氣流互相引燃，有助于爐內燃燒[1]。但隨著燃煤機組鍋爐容量、參數的逐漸提高，四角切圓燃燒鍋爐的爐膛出口熱偏差問題日益突出，爐膛出口熱偏差的存在容易導致超溫爆管和蒸汽溫度波動等問題，影響鍋爐的安全經濟運行[2-3]。研究表明，四角切圓燃燒鍋爐爐膛出口氣流的殘余旋轉,是形成水平煙道兩側煙氣溫度偏差的主要原因[4-6]。運行人員通常采用改變配風方式調整鍋爐燃燒，優化鍋爐運行參數。配風方式主要分為均等配風和非均等配風兩大類，非均等配風包括正塔式配風、倒塔式配風、束腰式配風、鼓腰式配風以及自定式配風等，通過試驗和實踐找出最適合鍋爐的配風方式[7-9]。

1 鍋爐設備概況

某發電廠2臺350 MW火力發電廠鍋爐為1 110 t/h一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行褐煤鍋爐，型號為HG-1110/25.4-HM2，是采用不帶再循環泵的大氣式擴容式啟動系統的直流爐，單爐膛、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、π型布置。過熱器蒸汽出口溫度為571 ℃，再熱器蒸汽出口溫度為569 ℃，給水溫度284.1 ℃。鍋爐制粉系統為中速磨正壓直吹系統，配置6臺MPS190-HP-Ⅱ型中速磨煤機。燃燒方式為四角墻式逆時針切圓燃燒，每套制粉系統對應一層燃燒器，共布置六層煤粉燃燒器，下三層燃燒器為離子體點火燃燒器，正常使用時二運一備。其他一次風噴口為上下濃淡燃燒器，并布置成1～2個濃淡組合功能區。SOFA燃盡風布置在主燃燒器區上方的水冷壁的四角，順時針切圓，四層布置，以實現分級燃燒降低NOX排放。煙氣依次流經上爐膛的分隔屏過熱器、末級過熱器、水平煙道中的高溫再熱器；然后，至尾部雙煙道中煙氣分兩路：一路流經前部煙道中的水平低溫再熱器，另一路流經后部煙道的水平低溫過熱器、省煤器；最后，匯集在一起流經煙氣脫硝裝置和布置在下方的2臺三分倉回轉式空氣預熱器。鍋爐燃盡風及燃燒器布置見圖1。

圖1 燃盡風及燃燒器布置圖

電廠自投產后鍋爐一直存在再熱汽溫偏差大的問題。該問題的存在嚴重影響著機組的安全性和經濟性。

2 問題現象及分析

2.1 問題現象

不同工況下汽水系統運行參數見表1。表中工況1的機組負荷為220 MW，所有二次風門開度為10%，燃盡風門開度為45%。工況2的機組負荷為255.5 MW，所有二次風門開度為17%，燃盡風門開度為65%。工況3的機組負荷為350 MW，所有二次風門開度為30%，燃盡風門開度為70%。

由表1分析得知，當左右兩側煙氣擋板均勻調整、燃盡風風門和主燃器二次風門均等配風時，不同負荷下左側低過溫升低于右側低過溫升0～18 ℃，左側分隔屏溫升高于右側分隔屏溫升3～13 ℃，右側末過溫升高于左側末過溫升6～16 ℃。左側低再溫升低于右側低再溫升15～25 ℃，左側高再溫升低于右側高再溫升20～26 ℃。低負荷下左右兩側再熱汽溫偏差達到近39℃，各負荷下右側再熱器減溫水流量達到7～20 t/h，可見，再熱系統存在嚴重的汽溫偏差問題。試驗煤質數據見表2，結果表明試驗燃用煤質與設計煤質偏差不大。

表1 汽水系統運行參數

表2 煤質數據匯總表

2.2 問題分析

對于逆時針旋轉切圓燃燒鍋爐，上爐膛左側煙室內煙氣氣流運動機理比右側復雜，存在一個氣流衰減、滯緩和反向升速的過程，氣流擾動強烈。而右側的氣流運行過程簡單，氣流以平穩加速的形式流向水平煙道，由于左側煙室內強氣流擾動產生的對流強化效應，造成了上爐膛輻射受熱面左側吸熱量多于右側。另外一方面，右側氣流的慣性速度指向爐后，其主流只經過分隔屏(屏式過熱器)的下部區域甚至不經過屏就直接進入爐后，使得右側煙室中的煙氣充滿程度遠低于左側煙室，這也是造成屏式過熱器吸熱量左高右低的一個原因。上爐膛左右側煙氣主流走向見圖2。

圖2 屏式過熱器左右兩側煙氣流場圖

對于位于折煙角上方的末級過熱器而言，換熱方式仍以輻射換熱為主，但右側流經末級過熱器的煙氣量增加，因此仍是左側吸熱量大于右側。

對于末級再熱器，換熱以對流為主，由于爐膛上部受熱面吸熱量呈現左高右低的趨勢，因此煙氣溫度為右高左低，末級再熱器受熱面對流換熱右側大于左側，末級再熱器汽溫溫升也呈現了右高左低的趨勢。

對于位于尾部煙道的低溫再熱器和低溫過熱器而言，管壁換熱以對流換熱為主，因此受熱面吸熱量延續了右高左低的趨勢。

根據以上分析，屏式過熱器、末級過熱器的工質溫升呈現左高右低的趨勢，而低溫過熱器的工質溫升呈現左低右高的趨勢，因此過熱器側的偏差是可以部分抵消掉的。

對于再熱器而言，末級再熱器、低溫再熱器的工質溫升呈現左低右高的趨勢，再熱系統無交叉設計，因此再熱汽溫偏差呈疊加的關系。另外，相比過熱蒸汽，再熱蒸汽比熱偏低，所以再熱汽溫偏差更為明顯[10-11]。

通過分析多家同類型墻式切圓鍋爐運行數據得知，偏差現象與哈平南熱電廠一致，并符合上述分析，可見，由于爐膛出口殘余旋轉造成的再熱汽溫偏差是該類型鍋爐普遍存在的問題。

綜上所述，哈平南熱電廠汽溫偏差主要是由于墻式切圓燃燒鍋爐出口煙氣殘余旋轉造成。NOX排放質量濃度是當前鍋爐燃燒調整重要的監測數據，爐膛內產生的NOX質量濃度高低，不但影響大氣環境，而且影響著脫硝系統的液氨噴入量等經濟指標。所以在解決汽溫偏差的問題時，也應兼顧NOX排放質量濃度[12-13]。

3 配風方式調整試驗

為排除入爐煤質、總風量等參數變化對調整試驗的影響，要求在試驗期間，鍋爐入爐煤質保持與調整前試驗煤質相同，鍋爐負荷及其他運行參數保持穩定。

鍋爐下三層燃燒器布置為等離子燃燒器，客觀上增加了下三層一次風的阻力，導致沿爐膛高度方向上煤粉濃度以及一次風量的分布不均勻現象的存在。因此對鍋爐的各臺磨煤機進行了冷熱態一次風速調平試驗。經過冷熱態多次調平試驗，各臺磨四根一次風管風速偏差控制均調整到 5%以內，符合相關規范要求。

3.1 均等配風方式試驗

均等配風方式試驗結果見表3。表中工況1為所有二次風門開度為25%，燃盡風門開度為20%。工況2為所有二次風門開度為25%，燃盡風門開度為50%。工況3為所有二次風門開度為25%，燃盡風門開度為80%。

表3 均等配風方式試驗結果

在245 MW負荷下，當四層燃盡風開度均勻地從20%開到50%后，NOX質量濃度從380.1 mg/m3下降到248 mg/m3，當開大到80%時，NOX質量濃度下降到175 mg/m3，但低再出口汽溫偏差沒有下降的趨勢。可見，在均等配風方式下，加大燃盡風雖然有利于降低NOX排放量，但因燃盡風剛性不夠，不足以改變爐膛內煙氣流場、降低爐膛出口殘余旋轉，不利于緩解再熱系統汽溫偏差問題。

3.2 變燃盡風組合方式試驗

在245 MW負荷下燃盡風不同組合方式試驗結果見表4。表中工況1為所有二次風門開度為25%，燃盡風門開度為50%。工況2為保持所有二次風門開度為25%，將上兩次燃盡風開度調整為0，下兩層燃盡風開度調整為100%。工況3為保持所有二次風門開度為25%，將上兩層燃盡風門開度調整為100%，下兩層燃盡風門開度調整為0。

表4 燃盡風不同組合方式試驗結果

通過改變四層燃盡風不同開度配比，改變燃盡風進入爐膛的剛性，觀察煙溫偏差、汽溫偏差、NOx排放量、鍋爐熱效率的變化。

在工況1中，當燃盡風門均勻開大到 50%，低再熱器出口汽溫偏差為20.20 ℃，高再出口汽溫偏差為6.9 ℃。在工況2中，當燃盡風UA、UB(層開度)為100%，UC、UD層燃盡風開度為0%時，低再出口汽溫偏差減小到8.9 ℃，高再出口汽溫偏差減小到0.4 ℃。在工況3中，當燃盡風UA、UB為0%，UC、UD層燃盡風開度為100%時，低再出口汽溫偏差減小到8.4 ℃，高再出口汽溫偏差為0.5 ℃。

與工況1相比，工況2、工況3中有兩層燃盡風保持全開，在保持相同的燃盡風量的狀況下，噴口風速提高一倍左右，增加了反切風動量，降低了爐膛出口殘余旋轉，左右兩側汽溫偏差降低。

與均等配風方式相比，通過僅保持兩層燃盡風開度為100%，有助于增加燃盡風剛性，可以降低再熱汽溫偏差，調整對鍋爐熱效率影響不大。電廠可以根據不同負荷下的主汽溫度、再熱汽溫度和NOX的質量排放濃度等多方面運行指標決策保持全開的燃盡風層級。研究表明，當再熱氣溫較設計值偏低時，應保持最上兩層燃盡風全開。當再熱氣溫較設計值偏高、減溫水量偏大時，應保持最下兩層燃盡風全開[14-16]。

3.3 主燃器區域配風方式影響試驗

3.3.1 3號角二次風門開度影響試驗

在350MW負荷下3號角二次風門開度影響試驗結果見表5。工況1為保持所有燃盡風門開度為50%，所有二次風門開度為25%。工況2為保持所有燃盡風門開度為50%，3號角二次風門開度調整為35%，其他角二次風門開度調整為22%。工況3為保持所有燃盡風門開度為50%，3號角二次風門開度調整為45%，其他角二次風門開度調整為18%。

表5 3號角二次風門開度影響試驗結果

將3號角所有二次風門從25%左右，開到35%和45%后，低溫再熱器出口汽溫偏差從17.5℃，分別減小到9.6℃和5.2℃。可見，適當開大偏向爐膛右側的3號角二次風門開度，能將火焰有效推向左側，有利于降低左右兩側汽溫偏差。

3.3.2 3、4號角燃盡風門開度對汽溫影響試驗

在350 MW負荷下，3、4號角燃盡風門開度對汽溫影響試驗結果見表6。工況1為所有燃盡風門開度為45%，3號角二次風門開度為30%，其他角二次風門開度為20%。工況2為1、2號角燃盡風門開度調整為38%，3、4號角燃盡風門開度調整為52%，保持3號角二次風門開度為30%，其他角二次風門開度調整為20%。工況3為1、2號角燃盡風門開度調整為30%，3、4號角燃盡風門開度調整為60%，保持3號角二次風門開度為30%，其他角二次風門開度調整為20%。