670 MW貧煤鍋爐高溫受熱面熱偏差大的原因分析及改進(jìn)

孫海元，李德文，范曉明

(華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204)

1 鍋爐概況

華電濰坊發(fā)電有限公司#3鍋爐是由上海鍋爐廠有限公司制造的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π形鍋爐。型號(hào)為 SG－2102/25.4－M954，爐膛截面尺寸為18816 mm×17 690 mm，設(shè)計(jì)燃料為山西晉中地區(qū)貧煤。

燃燒設(shè)備按配鋼球磨煤機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配6臺(tái)BBD3854型雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)。采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器。燃燒器采用垂直方向濃淡分級(jí)燃燒，主風(fēng)箱下部布置6層濃煤粉噴嘴，上部布置6層淡煤粉噴嘴，SOFA風(fēng)箱布置有6層SOFA噴嘴。在6層寬調(diào)節(jié)比(WR)濃煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)(周界風(fēng))。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有2層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括1個(gè)偏置的CFS噴嘴和1個(gè)直吹風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層緊湊燃盡風(fēng)CCOFA(Closed-coupled OFA)噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層火下風(fēng) UFA(Underfire Air)噴嘴。在燃燒器每根煤粉管道進(jìn)口處裝設(shè)一套煤粉濃淡分離裝置，進(jìn)行煤粉濃淡分離燃燒，將分離后的濃煤粉送入爐膛下部燃燒器，淡煤粉送入爐膛上部燃燒器，煤粉和空氣從四角送入，從爐頂向下看在爐膛中呈順時(shí)針切圓方式燃燒。

蒸發(fā)系統(tǒng)的流程為:給水泵→省煤器→螺旋水冷壁→垂直水冷壁→啟動(dòng)分離器。過(guò)熱蒸汽流程為:啟動(dòng)分離器→頂棚管和包覆過(guò)熱器→水平低溫過(guò)熱器→分隔屏→Ⅰ級(jí)減溫器→后屏過(guò)熱器→Ⅱ級(jí)減溫器→末級(jí)過(guò)熱器→汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)口。一次汽溫調(diào)節(jié)方式為噴水減溫。再熱蒸汽流程為:汽輪機(jī)高壓缸出口→再熱蒸汽事故噴水→低溫再熱器→末級(jí)再熱器→汽輪機(jī)中壓缸進(jìn)口。鍋爐性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

華電濰坊發(fā)電有限公司#3鍋爐自2006年10月投產(chǎn)以來(lái)，由于高溫受熱面熱偏差較大而引起較為嚴(yán)重的超溫現(xiàn)象，高溫再熱器超溫尤為嚴(yán)重。2007，2008年因高溫再熱器爆管引起停機(jī)6次，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在鍋爐主燃燒器區(qū)域從上向下看是一個(gè)順時(shí)針的假想切圓，高溫?zé)煔獾竭_(dá)爐膛上部空間時(shí)，存在較大的旋轉(zhuǎn)殘余強(qiáng)度。在爐膛頂部布置的分隔屏雖然對(duì)殘余旋轉(zhuǎn)氣流起到一定的分割與消旋作用，但作用有限，屏區(qū)氣流流動(dòng)具有一定的特點(diǎn)。

2.1 在爐膛水平截面上，切圓形狀不規(guī)則

從爐膛中心到前墻區(qū)域內(nèi)，氣流做類(lèi)似切圓運(yùn)動(dòng)，氣流貼壁明顯;而后墻區(qū)域，旋轉(zhuǎn)的氣流主要流向爐后方向。

(1)前墻壁面附近區(qū)域，氣流速度很高，但屏間流速相對(duì)較低，左、右側(cè)墻附近通道中的流速遠(yuǎn)大于其余通道內(nèi)的流速。

(2)左、右側(cè)墻附近通道中的氣流流動(dòng)狀況差異較大，右側(cè)氣流速度方向指向爐前并有一低速回流區(qū)，左側(cè)氣流速度指向爐后。

對(duì)于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣流，屏區(qū)氣流的上述特點(diǎn)使一部分氣流通過(guò)分隔屏與前墻之間較大的空隙進(jìn)入屏區(qū)左側(cè)，加劇了氣流在屏區(qū)和對(duì)流煙道內(nèi)左、右兩側(cè)速度分布的不均勻性。總之，螺旋上升的煙氣流到達(dá)爐膛出口處仍然殘留較大的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，使得在變工況運(yùn)行時(shí)也會(huì)引起或加劇煙氣側(cè)熱偏差。

表1 鍋爐性能數(shù)據(jù)(燃用設(shè)計(jì)煤種)

通過(guò)上述分析及從實(shí)際測(cè)量的動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看，爐內(nèi)實(shí)際燃燒切圓偏大，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈，貼壁風(fēng)速偏高，在爐內(nèi)形成了一個(gè)繞爐壁旋轉(zhuǎn)的大切圓，由于切圓為順時(shí)針?lè)较?，造成分割屏與后屏過(guò)熱器出口汽溫右側(cè)高于左側(cè);而殘余旋轉(zhuǎn)過(guò)程中爐膛出口處左側(cè)的煙氣流包括未完全燃盡的碳，直接進(jìn)入高溫再熱器及高溫過(guò)熱器，由于煙氣溫度高、流速快，加上未燃盡碳的繼續(xù)燃燒，使得左側(cè)的換熱過(guò)程加劇，造成高溫再熱器、高溫過(guò)熱器左側(cè)汽溫高于右側(cè)。最明顯的數(shù)據(jù)為爐膛出口左側(cè)煙溫高于右側(cè)，最高溫差達(dá)到160℃。

2.2 受熱面管屏布置因素引起的偏差

爐膛出口煙氣在進(jìn)入對(duì)流煙道時(shí)，由于殘余旋轉(zhuǎn)的存在，使沿?zé)煹缹挾确较蛏系臒熕佟煖胤植疾痪?，各管屏?duì)煙氣的吸熱不均和傳熱量不同，造成煙道寬度各管屏熱負(fù)荷的不均勻。

2.3 高溫再熱器結(jié)構(gòu)引起的流量偏差和同屏熱偏差

由于各排管子結(jié)構(gòu)差異引起管間流量不均，由流體力學(xué)相關(guān)公式可知:壓差一定時(shí)，阻力系數(shù)與流量的平方成反比，所以管子結(jié)構(gòu)的差異將引起管子流量分配的不均;在壓差與阻力系數(shù)一定時(shí)，工質(zhì)比體積與流量的平方成反比。由于屏間和管間熱負(fù)荷不均而導(dǎo)致各管圈吸熱量不同，必然加劇各管圈流量分配的不均性。所以，沿?zé)煹缹挾壬细髋殴茏又g流量的分布主要取決于進(jìn)、出口集箱中沿軸向方向上靜壓的分布和管排幾何特性偏差引起的工質(zhì)比體積偏差。

根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，受熱面超溫爆管主要發(fā)生在高溫再熱器。左數(shù)第6排內(nèi)數(shù)第7，8，10，11管圈，左數(shù)第5排內(nèi)數(shù)第7，12 管圈以及左數(shù)第5，8，10，11，12，13，14排管屏，有嚴(yán)重變形，管子普遍存在外壁嚴(yán)重氧化的現(xiàn)象。爆管位置大多處在向火面的彎頭部分，主要原因是這里的煙氣溫度高，管子直接受到大量的輻射熱，吸熱不均勻而導(dǎo)致向火面管子發(fā)生超溫過(guò)熱現(xiàn)象。末級(jí)再熱器及末級(jí)過(guò)熱器同屏的外圈管由于離煙室近，接受的輻射熱多;同屏各管的位置不同，受熱面積和吸熱不同。

2.4 運(yùn)行工況因素

(1)運(yùn)行方式。在鍋爐運(yùn)行中，運(yùn)行人員通常為了提高汽溫而過(guò)多投運(yùn)上部制粉系統(tǒng)，配風(fēng)方式多采用正塔形，使火焰中心上移;或者上部的二次風(fēng)投入較少，使得上部過(guò)量空氣系數(shù)較小，煤粉沒(méi)有完全燃燒，爐膛出口溫度上升，加劇爐膛出口煙溫偏差。

(2)燃燒煤種偏離設(shè)計(jì)煤種。鍋爐煤種的變化對(duì)煙溫偏差影響較大，燃燒煤種的水分、灰分增加，揮發(fā)分減少，發(fā)熱量降低，煤粉著火困難，煤粉著火推遲，火焰拖長(zhǎng)且火焰中心上移，爐膛出口煙溫偏差也會(huì)增大。

(3)一次、二次風(fēng)配比。一次、二次風(fēng)配比在實(shí)際運(yùn)行操作中易受燃燒環(huán)境、負(fù)荷變化、氣溫變化等外界因素的影響，一次、二次風(fēng)壓及風(fēng)速不好控制，一次、二次風(fēng)量比易發(fā)生變化，這些變化將影響射流兩側(cè)的補(bǔ)氣條件和射流的剛性，最終影響到燃燒的實(shí)際切圓直徑。顯然，實(shí)際燃燒切圓直徑大于設(shè)計(jì)值，爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)，煙速煙溫偏差必然增加。

(4)燃燒器四角風(fēng)速不均勻。四角風(fēng)粉的均勻性對(duì)爐內(nèi)燃燒工況優(yōu)劣有重要的影響，四角風(fēng)粉不均會(huì)使?fàn)t內(nèi)火焰中心偏斜和實(shí)際切圓直徑增大，甚至使火焰氣流貼壁，造成爐壁局部結(jié)焦，致使?fàn)t膛出口煙溫偏差增加。

(5)負(fù)荷變化快慢。由于電網(wǎng)調(diào)度的需要，機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常大幅度變化，如果制粉系統(tǒng)調(diào)整不當(dāng)，會(huì)造成著火推遲和火焰中心上移等問(wèn)題，使?fàn)t膛出口煙溫上升，加劇爐膛出口的煙溫偏差。

3 #3鍋爐熱偏差改造措施

為減少受熱面爆管，在2009年2月機(jī)組大修過(guò)程中，制訂了減少殘余旋轉(zhuǎn)煙氣偏差的方案，進(jìn)行了相應(yīng)的改造。

3.1 調(diào)整頂層SOFA風(fēng)左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

調(diào)整頂層SOFA風(fēng)左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，使4個(gè)角由原來(lái)的0°(中間位置)全部擺到－15°(全部反切)并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定死。利用SOFA風(fēng)的反切在主燃燒器上方形成一個(gè)消旋風(fēng)，以減少爐膛上部煙氣流旋轉(zhuǎn)的力矩，減少旋轉(zhuǎn)的作用;同時(shí)，SOFA風(fēng)的投入也使得下部主燃燒器區(qū)域風(fēng)箱壓差減小，二次風(fēng)速減小，燃燒旋轉(zhuǎn)的動(dòng)量矩減小，在保證燃燒穩(wěn)定的前提下使旋轉(zhuǎn)減弱。

SOFA風(fēng)門(mén)的調(diào)整思路是盡量開(kāi)大SOFA－C，SOFA－D，SOFA －E，SOFA －F，尤其是 SOFA －E，SOFA－F應(yīng)在調(diào)整時(shí)首先開(kāi)大。

3.2 整定一次風(fēng)速

重新測(cè)量所有一次風(fēng)速，找出風(fēng)速偏差的原因，通過(guò)調(diào)整分離器出口處的鎖孔來(lái)調(diào)整一次風(fēng)速，使其維持在23～25 m/s，每層4個(gè)燃燒器一次風(fēng)速偏差應(yīng)小于5%，層與層之間偏差應(yīng)小于5%。

3.3 減少旋轉(zhuǎn)二次門(mén)的開(kāi)度

燃燒器在設(shè)計(jì)時(shí)，每層配置上、下2層二次風(fēng)嘴，每個(gè)燃燒器的上部二次風(fēng)為旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)，由于爐內(nèi)燃燒旋轉(zhuǎn)比設(shè)計(jì)工況要大得多，所以，每層旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)沒(méi)有必要保持較大開(kāi)度，而應(yīng)根據(jù)負(fù)荷情況來(lái)決定其開(kāi)度:70%負(fù)荷以下基本不用開(kāi)，70% ～100%負(fù)荷最高開(kāi)度保持30%。為了維持燃燒的穩(wěn)定性，可根據(jù)工況適當(dāng)開(kāi)大和關(guān)小直吹二次風(fēng)擋板開(kāi)度。

3.4 整定所有二次小風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度及CCOFA風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度

檢查并校驗(yàn)每個(gè)二次風(fēng)門(mén)的開(kāi)度特性，保證其開(kāi)關(guān)靈活性及開(kāi)度的準(zhǔn)確性。目前，在二次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度為65% ～100%時(shí)二次風(fēng)速變化不大，在65%開(kāi)度以下時(shí)調(diào)節(jié)特性比較陡。按照爐膛差壓要求，風(fēng)門(mén)在65%以下和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同步會(huì)造成各部風(fēng)室之間的風(fēng)量偏差過(guò)大，從而引起燃燒器區(qū)域局部缺氧而使灰熔點(diǎn)降低，結(jié)焦性加強(qiáng)，同時(shí)也會(huì)加大煙氣偏差。因此，可適當(dāng)減小二次風(fēng)擋板處空氣流通面積以增加阻力，使?jié)M負(fù)荷時(shí)擋板處于全開(kāi)狀態(tài)，使二次風(fēng)箱壓差在正常運(yùn)行時(shí)符合計(jì)算要求:在70%負(fù)荷以下時(shí)，二次風(fēng)箱壓差為0.65～0.85 kPa;在70%～100%負(fù)荷時(shí)，二次風(fēng)箱壓差為0.85～1.10 kPa。二次風(fēng)箱壓差的穩(wěn)定及調(diào)整為爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)的穩(wěn)定建立了良好基礎(chǔ)，在其他條件不變的情況下，壓差減小，二次風(fēng)速會(huì)減小，爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減弱。CCOFA風(fēng)門(mén)根據(jù)工況及時(shí)投入，CCOFA風(fēng)的投入量決定了在燃燒器上部過(guò)量空氣系數(shù)的大小，也決定了未燃盡煤粉量的多少。及時(shí)足量投入CCOFA風(fēng)，會(huì)減少飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減少燃煤物理熱損失，提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

3.5 濃淡噴燃器水平擺角的校驗(yàn)

校驗(yàn)濃淡噴燃器水平擺角，保證調(diào)整的同步性及調(diào)整的可靠性，高負(fù)荷區(qū)域應(yīng)盡量使擺角保持水平，低負(fù)荷區(qū)域上擺燃燒器，使主汽溫、再熱汽溫度達(dá)到規(guī)定范圍，但在低負(fù)荷區(qū)域不能為了保持較高的汽溫而過(guò)度上調(diào)擺角，否則會(huì)對(duì)爐膛安全產(chǎn)生威脅。同時(shí)，在調(diào)整擺角時(shí)應(yīng)使淡層擺角小于濃層擺角，使其濃淡擺角保持2°～5°，以利于淡層煤粉的燃燒，減少上層未燃盡煤粉的數(shù)量。

3.6 末級(jí)再熱器受熱面的改造

將T23材質(zhì)的管子全部更換為T(mén)91材質(zhì)的管子，根據(jù)熱偏差計(jì)算結(jié)果，將部分處于超溫范圍內(nèi)的管段及下彎頭換成T91材質(zhì)的管子。

4 技術(shù)改造性能評(píng)估

2009年4月，華電濰坊發(fā)電有限公司#3鍋爐在大修改造后啟動(dòng)并進(jìn)行了燃燒調(diào)整試驗(yàn):在各種燃燒因素變化的條件下，對(duì)燃料成分、汽溫、汽壓、鍋爐效率等進(jìn)行測(cè)定，分析并確定鍋爐技術(shù)改造后運(yùn)行的合理燃燒方式。通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

(1)制粉系統(tǒng)投停原則為先下后上，出力也為先下后上，F(xiàn)磨煤機(jī)給煤量應(yīng)盡可能低。

(2)燃燒器的上下擺動(dòng)對(duì)主汽溫、再熱汽溫影響較大，但對(duì)改善熱偏差作用較小。

(3)SOFA－E，SOFA－F風(fēng)對(duì)消除熱偏差影響較大，但過(guò)大的開(kāi)度會(huì)使壁溫峰值向右移動(dòng)，所以，調(diào)整時(shí)應(yīng)視具體工況而選擇合適的開(kāi)度，最大開(kāi)度不能超過(guò)65%。

(4)CCOFA風(fēng)開(kāi)度可有效減少飛灰可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在一定情況下，開(kāi)度的大小對(duì)再熱汽溫有較大影響，但對(duì)熱偏差影響較小。

試驗(yàn)結(jié)果表明:在主燃燒區(qū)域建立一個(gè)穩(wěn)定的切圓燃燒，在爐膛出口保持弱旋，既保證了燃燒穩(wěn)定，又達(dá)到了消旋的目的。反切風(fēng)消旋效果良好，熱偏差明顯降低。經(jīng)過(guò)改造后，在550～670 MW負(fù)荷及6套制粉系統(tǒng)全部投入的情況下，高溫再熱器、高溫過(guò)熱器最高管壁溫度與改造前比較如圖2、圖3所示。

在60% ～90%BMCR負(fù)荷時(shí)，左、右兩側(cè)的高溫受熱面分布基本對(duì)稱(chēng)，沿爐寬的氣溫分布較平緩。在額定負(fù)荷下，最高壁溫有明顯下降，切位置沒(méi)有出現(xiàn)移向，說(shuō)明總體技術(shù)改造中解決煙氣偏差的方案效果明顯。

根據(jù)測(cè)定:改造后飛灰可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0% ～2.9%，較改造前(4.6% ～ 5.3%)下降明顯;在爐膛出口左、右距離爐墻2.5 m處高溫再熱器、高溫過(guò)熱器區(qū)煙溫偏差小于60℃。

5 結(jié)論

針對(duì)華電濰坊發(fā)電有限公司#3鍋爐整體熱偏差過(guò)大的問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)改造后，較大程度地消除了殘余旋轉(zhuǎn)造成的煙溫偏差，高溫受熱面熱負(fù)荷分配區(qū)域合理，各受熱面管材能夠在安全溫度下正常工作。

［1］宋貴良.鍋爐計(jì)算手冊(cè)［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

［2］袁益超，莊恩如，馮景源，等.四角布置切圓燃燒鍋爐水平煙道內(nèi)煙溫分布的試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，2000(4):35－39.