500 MW超臨界直流鍋爐低NO x燃燒器改造水冷壁水動(dòng)力計(jì)算

李廣瑞

(中國(guó)神華能源股份有限公司國(guó)華電力分公司,北京100000)

500 MW超臨界直流鍋爐低NOx燃燒器改造水冷壁水動(dòng)力計(jì)算

李廣瑞

(中國(guó)神華能源股份有限公司國(guó)華電力分公司,北京100000)

將水冷壁流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等效為流量回路、壓力節(jié)點(diǎn)和連接管三類元件,對(duì)500 MW超臨界直流鍋爐低NOx燃燒器改造后水冷壁進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算,分析了該鍋爐負(fù)荷在500 MW、250 MW以及200 MW時(shí)壁溫隨爐膛高度的分布。結(jié)果表明：鍋爐在500 MW時(shí),上、下輻射區(qū)的水冷壁內(nèi)壁溫度、外壁溫度、中間點(diǎn)壁溫與鰭片溫度均處于材料許用范圍之內(nèi)；250 MW時(shí),下輻射區(qū)中間點(diǎn)溫度不超過510℃,水冷壁是安全的；200 MW時(shí),影響鍋爐安全運(yùn)行。

超臨界直流鍋爐；低NOx燃燒器；水冷壁；水動(dòng)力；壁溫

鍋爐水動(dòng)力計(jì)算的目的是保證爐膛輻射(蒸發(fā))受熱面可靠的溫度工況、確定鍋爐整個(gè)汽水系統(tǒng)的壓力損失以選擇給水泵的工作壓頭。水動(dòng)力計(jì)算是在已有鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱力計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,對(duì)于水冷壁優(yōu)化設(shè)計(jì)和保證鍋爐的安全可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。天津國(guó)華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司安裝2臺(tái)由前蘇聯(lián)成套引進(jìn)的500 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,鍋爐為∏-76型超臨界壓力、直流、一次中間再熱、平衡通風(fēng)的固態(tài)排渣煤粉爐,采用低質(zhì)量流速以及垂直往復(fù)一次上升輻射受熱面布置方式,調(diào)節(jié)性能較差,對(duì)彎管效應(yīng)比較敏感,水動(dòng)力難以復(fù)核；且鍋爐最低直流負(fù)荷相對(duì)較高,一般在50%負(fù)荷以上才能夠完全轉(zhuǎn)入直流負(fù)荷運(yùn)行,機(jī)組通常維持為定壓運(yùn)行方式。為滿足NOx排放的要求,對(duì)鍋爐燃燒器進(jìn)行改造后,管路變得更加復(fù)雜；因此開展該鍋爐的水動(dòng)力特性計(jì)算分析是非常有必要的。筆者主要對(duì)燃燒器改造后鍋爐水動(dòng)力的安全性,即爐膛受熱面的溫度分布進(jìn)行分析,對(duì)鍋爐在100%負(fù)荷(500 MW)、50%負(fù)荷(250 MW)以及40%負(fù)荷(200 MW)時(shí)進(jìn)行了水動(dòng)力特性計(jì)算,從中發(fā)現(xiàn)改造后可能存在的問題,指導(dǎo)鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鍋爐設(shè)備及燃燒器改造

1.1 鍋爐設(shè)備

鍋爐設(shè)計(jì)為室內(nèi)布置,單爐膛全懸吊結(jié)構(gòu),左右兩側(cè)各有一對(duì)流豎井,鍋爐本體呈T形結(jié)構(gòu)。四壁由直徑為32 mm、壁厚為6 mm、材料為12Cr1Mn V的膜式水冷壁構(gòu)成。鍋爐一、二次汽水流程以爐膛前、后墻中心線為界分為左、右兩個(gè)對(duì)稱的獨(dú)立流程,每個(gè)流程的給水和汽溫調(diào)節(jié)都是獨(dú)立的。爐膛受熱面為垂直往復(fù)一次上升布置。按照標(biāo)高位置形成上輻射區(qū)和下輻射區(qū)。在鍋爐兩個(gè)流程中,給水進(jìn)入省煤器前各設(shè)有一旁路,即21%旁路,可控制相當(dāng)0～21%主汽流量的給水不經(jīng)省煤器、下輻射區(qū)Ⅰ加熱而與下輻射Ⅰ出口“熱水”混合后進(jìn)入下輻射區(qū)Ⅱ。

每臺(tái)鍋爐設(shè)有8套制粉系統(tǒng),每臺(tái)ZGM-95G型中速輥式磨煤機(jī)各自帶4只旋流燃燒器,燃燒器共32只,分四層布置,每層共8只,分列于左、右側(cè)墻形成對(duì)沖燃燒方式。鍋爐總體布置見圖1,鍋爐輻射區(qū)水冷壁管屏布置剖面圖見圖2。

圖1 鍋爐總體布置圖(單位：mm)

圖2 鍋爐輻射區(qū)水冷壁管屏布置剖面圖

1.2 燃燒器改造

國(guó)華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司采用低氮燃燒技術(shù),立體分級(jí)低氮燃燒,原有燃燒器僅設(shè)計(jì)一股二次風(fēng),二次風(fēng)同一次風(fēng)混合及時(shí),致使燃燒峰值溫度相對(duì)較高,不利于NOx的控制［1-3］。將原有二次風(fēng)改成兩股---內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng),內(nèi)、外二次風(fēng)均采用旋流配風(fēng)。內(nèi)二次風(fēng)主要是為一次風(fēng)根部和著火初期配風(fēng),外二次風(fēng)實(shí)現(xiàn)在后期的配風(fēng),最終在燃燒器本身實(shí)現(xiàn)燃燒初期空氣分級(jí)降低NOx的方案。內(nèi)、外二次風(fēng)之間的噴口進(jìn)行特殊處理：在鍋爐標(biāo)高47.7 m處兩側(cè)墻各有8個(gè)專用噴嘴,在負(fù)荷達(dá)50%以上時(shí),投入該噴嘴以保證爐膛出口處煙氣溫度不高于煙氣灰塵軟化溫度(ST),預(yù)防過熱器受熱面結(jié)焦或一、二次蒸汽溫度超限；鍋爐標(biāo)高39.55 m處加裝4個(gè)燃盡風(fēng)噴嘴,平均直徑為788 mm。燃燒器和燃盡風(fēng)噴嘴在側(cè)墻的布置見圖3。

圖3 燃燒器和燃盡風(fēng)噴嘴布置圖(單位：mm)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

采用將水冷壁流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等效為流量回路、壓力節(jié)點(diǎn)和連接管三類元件的方法,對(duì)該鍋爐在100%負(fù)荷(500 MW)、50%負(fù)荷(250 MW)以及40%負(fù)荷(200 MW)時(shí)進(jìn)行了水動(dòng)力特性計(jì)算［4-5］,重點(diǎn)對(duì)壁溫與鰭片溫度沿爐高方向的分布進(jìn)行分析,4個(gè)輻射區(qū)各選取一個(gè)出口溫度最高的回路進(jìn)分析,分別為下輻射區(qū)Ⅰ的8回路、下輻射區(qū)Ⅱ的25回路、上輻射區(qū)Ⅰ的37回路和上輻射區(qū)Ⅱ的45回路,并選取了下輻射區(qū)Ⅱ布置有燃燒器和燃盡風(fēng)噴嘴的24回路進(jìn)行分析。

2.1 500 MW負(fù)荷壁溫與鰭片溫度沿爐高方向分布

圖4～圖8分別給出了在500 MW負(fù)荷時(shí)5個(gè)回路的壁溫與鰭片溫度沿爐高方向分布。從圖中可以看出：在500 MW負(fù)荷下,下輻射區(qū)Ⅰ工質(zhì)一直處于單相區(qū),因此工質(zhì)溫度隨著爐膛高度的增加而增加,使得壁溫也隨著爐膛高度的增加而增加,在爐高31.5 m處達(dá)到最大值,為537.2℃,隨著熱負(fù)荷的下降,壁溫也隨之下降；下輻射區(qū)Ⅱ工質(zhì)進(jìn)口為水,出口為超臨界蒸汽,因此工質(zhì)溫度隨著爐膛高度的增加而增加,使得壁溫也隨著爐膛高度的增加而增加,在爐高34.0 m處達(dá)到最大值,其中圖5中壁溫突然變小處即布置燃燒器和燃盡風(fēng)噴嘴的管段；由于到達(dá)上輻射區(qū)后熱負(fù)荷在下降,管壁溫度也隨之下降,折焰角之后熱負(fù)荷保持不變,管壁溫度稍有升高,在爐高39.5 m處達(dá)到最大值,為484.1℃。

圖4 500 MW負(fù)荷下輻射區(qū)Ⅰ的8回路壁溫沿爐高的分布

圖5 500 MW負(fù)荷下輻射區(qū)Ⅱ的24回路壁溫沿爐高的分布

圖6 500 MW負(fù)荷下輻射區(qū)Ⅱ的25回路壁溫沿爐高的分布

圖7 500 MW負(fù)荷上輻射區(qū)Ⅰ的37回路壁溫沿爐高的分布

圖8 500 MW負(fù)荷上輻射區(qū)Ⅱ的45回路壁溫沿爐高的分布

對(duì)于上輻射區(qū)Ⅱ的45回路而言,由于二次風(fēng)噴嘴的存在,阻力大,質(zhì)量流速較低,但同時(shí)又處于熱負(fù)荷最大的區(qū)域,這樣對(duì)于該回路管子將非常不利。從圖8可以看出：由于到達(dá)上輻射區(qū)后熱負(fù)荷在下降,管壁溫度也隨之下降,同時(shí)由于二次風(fēng)噴嘴處不受熱,壁溫降為工質(zhì)溫度,隨之升高之后又由于熱負(fù)荷的降低而降低,在爐高42.1 m處達(dá)到最大值,為490.4℃。計(jì)算結(jié)果表明：500 MW負(fù)荷時(shí)鍋爐下輻射區(qū)和上輻射區(qū)水冷壁溫度和鰭片溫度處于材料允許范圍之內(nèi),鍋爐運(yùn)行是安全的。

2.2 250 MW負(fù)荷壁溫與鰭片溫度沿爐高方向分布

圖9～圖13分別給出了在250 MW負(fù)荷時(shí)5個(gè)回路的壁溫與鰭片溫度沿爐高方向的分布。從圖中可以看出在250 MW負(fù)荷下,不同回路的壁溫與鰭片溫度沿爐高方向分布趨勢(shì)與500 MW時(shí)是基本一致的：下輻射區(qū)Ⅰ在爐高27.7 m處達(dá)到最大值,為556.5℃；下輻射區(qū)Ⅱ24和25回路在爐高39.5 m處壁溫達(dá)到最大值,分別為578.3℃和590.0℃,這個(gè)部位主要是最上層燃燒器上部區(qū)域；上輻射區(qū)Ⅰ在爐高39.5 m處達(dá)到最大值,為506.2℃；上輻射區(qū)Ⅱ在爐高42.1 m處壁溫達(dá)到最大值537.2℃。計(jì)算結(jié)果表明：250 MW負(fù)荷時(shí)鍋爐下輻射區(qū)Ⅰ和上輻射區(qū)水冷壁溫度和鰭片溫度處于材料允許范圍之內(nèi),250 MW負(fù)荷時(shí),中間點(diǎn)溫度不超過510℃,鍋爐水冷壁運(yùn)行是安全的。

圖9 250 MW負(fù)荷下輻射區(qū)Ⅰ的8回路壁溫沿爐高的分布

圖10 250 MW負(fù)荷下輻射區(qū)Ⅱ的24回路壁溫沿爐高的分布

圖11 250 MW負(fù)荷下輻射區(qū)Ⅱ的25回路壁溫沿爐高的分布

圖12 250 MW負(fù)荷下上輻射區(qū)Ⅰ的37回路壁溫沿爐高的分布

圖13 250 MW負(fù)荷下上輻射區(qū)Ⅱ的45回路壁溫沿爐高的分布

2.3 200 MW負(fù)荷壁溫與鰭片溫度沿爐高方向分布

在200 MW時(shí),不同回路壁溫與鰭片溫度沿爐高方向的分布趨勢(shì)與前兩個(gè)負(fù)荷是一致的。表1給出5個(gè)回路的壁溫最高值及所在爐膛高度。

表1 200 MW時(shí)爐膛不同回路壁溫最高值及所在爐膛高度

從表1中可以看出：鍋爐下輻射區(qū)Ⅰ和上輻射區(qū)水冷壁溫度和鰭片溫度處于材料允許范圍之內(nèi),但下輻射區(qū)Ⅱ回路水冷壁溫度均已超出金屬管的許用溫度,超溫部位主要為最上層燃燒器上部區(qū)域,鍋爐安全運(yùn)行難以保證。

3 結(jié)語

針對(duì)機(jī)組鍋爐調(diào)節(jié)性能差、水動(dòng)力難以復(fù)核,特別是低氮燃燒器改造后管路更加復(fù)雜的現(xiàn)狀,鍋爐水動(dòng)力安全性受到一定影響。筆者通過對(duì)鍋爐在500 MW、250 MW、200 MW負(fù)荷下的壁溫與鰭片溫度沿爐高方向的分布進(jìn)行計(jì)算分析,得到如下結(jié)論：

(1)由于該鍋爐采用定壓運(yùn)行方式,不同于變壓運(yùn)行時(shí)壁溫的變化規(guī)律。變壓運(yùn)行時(shí),隨著負(fù)荷的降低,壁溫將會(huì)下降,但定壓運(yùn)行時(shí)壓力始終維持在超臨界,負(fù)荷降低,壁溫將會(huì)升高。

(2)在500 MW負(fù)荷時(shí),上、下輻射區(qū)的水冷壁內(nèi)壁溫度、外壁溫度、中間點(diǎn)壁溫與鰭片溫度均處于材料許用范圍之內(nèi),水冷壁運(yùn)行是安全可靠的；250 MW負(fù)荷時(shí),下輻射區(qū)Ⅱ中間回路水冷壁最高溫度為590.0℃；200 MW負(fù)荷時(shí),下輻射區(qū)Ⅱ所有回路水冷壁最高溫度均已超過材料最高許用溫度,不能保證鍋爐安全運(yùn)行,并且250 MW負(fù)荷和200 MW負(fù)荷時(shí),下輻射區(qū)Ⅱ超溫部位均為最上層燃燒器上部區(qū)域接近OFA風(fēng)口的部位；250 MW負(fù)荷時(shí),下輻射區(qū)中間點(diǎn)溫度不超過510℃,水冷壁是安全的；200 MW負(fù)荷時(shí),影響鍋爐安全運(yùn)行。建議電廠應(yīng)避免在機(jī)組負(fù)荷低于250 MW工況下運(yùn)行。

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Water Wall Hydrodynamic Calculation for Low NOxBurner Retrofit of a 500 MW Supercritical Once-through Boiler

Li Guangrui
(Guohua Electric Power Branch,China Shenhua Energy Co.,Ltd.,Beijing 100000,China)

By simplifying the water wall flow loop as following three kinds of components：flow circuit, pressure node and connection tube,hydrodynamic calculation was carried out to the water wall after low NOxretrofit of a 500 MW supercritical once-through boiler,so as to analyze the distribution of water wall temperature along furnace height respectively at the load of 500 MW,250 MW and 200 MW.Results indicate that at the load of 500 MW,the inner wall temperature,outer wall temperature,intermediate point temperature and fin temperature of the water wall in upper radiation zone are all within allowable range of the material；whereas at the load of 250 MW,the temperature of intermediate point in lower radiation zone does not exceed 510℃,indicating that the water wall is safe；but at the load of 200 MW, the safety of boiler operation is to be affected.

supercritical once-through boiler；low NOxburner；water wall；hydrodynamics；wall temperature

TK229.2

A

1671-086X(2015)03-0192-04

2014-09-03

李廣瑞(1962-),男,高級(jí)工程師,主要從事發(fā)電廠技術(shù)管理工作。

E-mail：051817@ghepc.com