超超臨界壓力鍋爐垂直水冷壁壁溫偏差試驗(yàn)研究

曾俊，李文軍，何洪浩，段學(xué)農(nóng)，謝國鴻，楊益(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

超超臨界壓力鍋爐垂直水冷壁壁溫偏差試驗(yàn)研究

曾俊，李文軍，何洪浩，段學(xué)農(nóng)，謝國鴻，楊益
(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

針對超超臨界垂直水冷壁壁溫分布情況，在660MW超超臨界壓力直流鍋爐上進(jìn)行了改變不同因素對水冷壁壁溫偏差影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:提高高鈉煤摻燒比例，采用上層燃燒器運(yùn)行，均可降低燃燒區(qū)域熱負(fù)荷，利于水冷壁壁溫均勻性；在不同負(fù)荷下改變?nèi)紵鲾[角對水冷壁壁溫偏差的影響不一致，燃燒器擺角主要是通過改變爐內(nèi)熱負(fù)荷分布來影響壁溫偏差。通過優(yōu)化調(diào)整可以有效控制超超臨界鍋爐垂直水冷壁的壁溫偏差。

超超臨界鍋爐；垂直水冷壁；壁溫偏差；均勻性

隨著我國火力發(fā)電事業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)、高效率的超超臨界火電機(jī)組逐漸成為火電設(shè)備發(fā)展的主流。目前，在垂直水冷壁超超臨界鍋爐運(yùn)行過程中，存在不同程度水冷壁壁溫偏差大的現(xiàn)象〔1〕。水冷壁管壁溫偏差過大使得水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的熱物理特性產(chǎn)生較大的差異，易造成水冷壁超溫，影響鍋爐安全運(yùn)行〔2〕。新疆準(zhǔn)東和哈密地區(qū)蘊(yùn)藏著大量未開發(fā)的煤炭資源，目前累計(jì)探明煤炭資源儲(chǔ)量為2.1×1011t，是我國目前最大的整裝煤田〔3〕，也是我國“電力絲綢之路”重要的燃煤電站基地。由于當(dāng)?shù)爻擅簹v史和地理環(huán)境，新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤炭中鈉的含量總體水平在2%以上，為了適應(yīng)高鈉煤粘污性強(qiáng)的特點(diǎn)，燃用高鈉煤的鍋爐通常采用低截面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)。因此低截面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的超(超)臨界鍋爐水冷壁壁溫偏差的研究，對推進(jìn)我國“電力絲綢之路”的發(fā)展和新疆煤炭資源的開發(fā)利用具有重要的意義。

影響超超臨界鍋爐水冷壁壁溫偏差的因素較復(fù)雜，本文以某臺(tái)燃用高鈉煤的660MW超超臨界鍋爐為對象，深入分析各因素對垂直水冷壁壁溫偏差的影響，以期對低截面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的超超臨界鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒與參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)鍋爐簡介

試驗(yàn)在660MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐上進(jìn)行，采用П型布置、單爐膛、水平濃淡低NOx分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、四角切圓燃燒方式。鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況時(shí)，5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)磨煤機(jī)備用。

由于設(shè)計(jì)煤種推遲投產(chǎn)，鍋爐實(shí)際燃用保利煤和神華二礦煤，表1為鍋爐設(shè)計(jì)煤種及日常燃用煤質(zhì)及灰分特性。由表1可知，保利煤水分相對較少，發(fā)熱量較設(shè)計(jì)值高出50%左右，而神華二礦煤的煤質(zhì)基本接近鍋爐設(shè)計(jì)煤種，均屬于Z高鈉煤。

表1 煤質(zhì)和灰分分析

1.2 水冷壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

爐膛水冷壁采用內(nèi)螺紋管垂直上升式膜式壁，爐膛斷面尺寸為19 230 mm(深)×20 336 mm (寬)，水冷壁管共有1 776根，前后墻各456根，兩側(cè)墻各432根，在上下爐膛水冷壁之間設(shè)計(jì)有中間混合集箱。水冷壁采用節(jié)流孔設(shè)計(jì)，節(jié)流孔圈安裝在水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，然后通過三叉管過渡的方式與小直徑的水冷壁管相接。節(jié)流孔圈通過調(diào)節(jié)各回路的工質(zhì)流量的方法來控制各回路管子的吸熱和溫度偏差。

2 試驗(yàn)測點(diǎn)的布置

本文主要研究爐膛下水冷壁壁溫分布特性，因此在水冷壁中間集箱入口管道每8根管布置1個(gè)測點(diǎn)，前后墻分別布置57個(gè)測點(diǎn)，左右墻分別布置54個(gè)測點(diǎn)，共222個(gè)測點(diǎn)。下爐膛各回路的示意圖如圖1所示，取同一回路中各壁溫測點(diǎn)的平均值作為該回路的壁溫值。通過這些測點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)可以得出在不同運(yùn)行工況下垂直水冷壁壁溫的分布及偏差。

圖1 下爐膛水冷壁回路示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高鈉煤摻燒比例對水冷壁壁溫的影響

由于鍋爐燃用的是非設(shè)計(jì)煤種，入爐煤主要為保利煤和神華二礦煤，均采用分磨磨制，爐內(nèi)摻混的方式進(jìn)行摻燒。

在660MW負(fù)荷下，上5層燃燒器運(yùn)行，摻燒不同比例高鈉煤(神華二礦煤)，根據(jù)摻燒比例不同，分別在C、D兩臺(tái)磨煤機(jī)以及B、C、D、E等4臺(tái)磨煤機(jī)進(jìn)行高鈉煤的摻燒，其余磨煤機(jī)燃用保利煤。試驗(yàn)過程中維持3個(gè)工況的過熱度和排煙氧量基本一致，過熱度為52.0℃，排煙氧量為3.0%。圖2為不同高鈉煤摻燒比例時(shí)下水冷壁壁溫分布情況，其中橫坐標(biāo)為前墻、右墻、后墻和左墻依次展開后的水冷壁回路序號(hào)。

圖2 不同高鈉煤煤摻燒比例下水冷壁壁溫分布

由圖2可知，四面墻下水冷壁壁溫的分布總體均呈中間高兩邊低的分布特點(diǎn)，這主要是由水平方向熱負(fù)荷分布決定的。分析認(rèn)為，由于煤粉著火需要一定的時(shí)間，噴入爐膛內(nèi)的煤粉要經(jīng)過一定的距離后才能著火燃燒并將熱量釋放出來，使得靠燃燒器噴口煙氣流程下游位置的13、14回路附近熱負(fù)荷最高。從實(shí)際情況看，前墻的壁溫偏差最大，在無摻燒時(shí)，前墻最高壁溫為455℃，最大偏差為26℃，隨著高鈉煤摻燒比例增大，摻燒70%高鈉煤時(shí)，前墻最高壁溫為428℃，最大偏差為16℃，下爐膛水冷壁壁溫降低明顯，各墻的水冷壁管壁溫均勻性得到顯著提高。

燃用熱值較高的保利煤時(shí)，局部水冷壁壁面熱負(fù)荷偏高，加劇了水冷壁的水動(dòng)力不穩(wěn)定性和流量分配不均的趨勢，是造成低高鈉煤摻燒比例下壁溫均勻性差和最高壁溫值高的主要原因。特別在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水冷壁質(zhì)量流量較低，該現(xiàn)象更加明顯。低熱值的高鈉煤摻燒主要在中間幾層燃燒器進(jìn)行，大比例摻燒高鈉煤會(huì)使得主燃燒區(qū)的熱負(fù)荷降低，從而使得爐膛沿高度方向的熱負(fù)荷更加均勻，提高了下爐膛水冷壁壁溫的均勻性。

3.2 燃燒器組合方式對水冷壁壁溫的影響

不同燃燒器運(yùn)行組合方式，會(huì)改變爐內(nèi)燃燒火焰中心位置，改變熱負(fù)荷的分布，從而影響水冷壁壁溫偏差。在660MW負(fù)荷下，不同燃燒器組合方式下水冷壁壁溫的分布情況如圖3所示，試驗(yàn)過程中維持3個(gè)工況的過熱度和排煙氧量基本一致，過熱度為52.0℃，排煙氧量為3.0%。由圖3可知，采用6層燃燒器和下5層燃燒器的運(yùn)行方式時(shí)，爐膛下水冷壁壁溫存在較大的不均勻性，其中前墻的均勻性要相對較差；而采用上5層燃燒器運(yùn)行方式時(shí)，下水冷壁壁溫最大值降低了16℃，只有428℃，壁溫偏差降低了10℃，壁溫均勻性得到了顯著改善。分析認(rèn)為，采用上層燃燒器運(yùn)行，提高了爐膛的火焰中心，降低了下爐膛水冷壁的熱負(fù)荷，使水冷壁內(nèi)工質(zhì)的相變點(diǎn)后移，縮短了水冷壁管內(nèi)過熱段的長度，對降低水冷壁壁溫偏差有利〔4〕。此外，采取將下層燃燒器出力轉(zhuǎn)移至上層燃燒器的措施來提高火焰中心位置，也可以促進(jìn)水冷壁壁溫的安全性與均勻性。

圖3 不同燃燒器組合方式下爐膛水冷壁壁溫分布

3.3 燃燒器擺角對水冷壁壁溫的影響

該鍋爐燃燒器采用大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風(fēng)箱分隔成若干風(fēng)室，在各風(fēng)室的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴，燃燒器可作上下方向－20°～20°擺動(dòng)，對應(yīng)擺角開度0～100%。燃燒器切圓方向?yàn)槟鏁r(shí)針，燃盡風(fēng)切圓方向?yàn)轫槙r(shí)針。

3.3.1 低負(fù)荷下變?nèi)紵鲾[角

在340MW負(fù)荷下，采用下4層燃燒器運(yùn)行，改變?nèi)紵鲾[角觀察下水冷壁壁溫的變化情況，試驗(yàn)過程中維持過熱度和排煙氧量基本不變，過熱度為35.0℃，排煙氧量為4.5%，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知，在340MW的負(fù)荷下，燃燒器擺角從55%上擺至75%。前墻下水冷壁壁溫的最大值有所增加，從437℃升高至451℃，其他各墻壁溫相差不大。分析認(rèn)為，在低負(fù)荷時(shí)，總煙氣量較小，爐內(nèi)充滿度相對較小，燃燒器上擺會(huì)減小進(jìn)入爐膛氣流的水平動(dòng)量，降低燃燒器噴口氣流的剛性，導(dǎo)致某些燃燒器(例如試驗(yàn)中1號(hào)角燃燒器)出口下游的煙氣可能存在貼壁情況，使得局部水冷壁壁溫上升。所以在低負(fù)荷時(shí)，燃燒器上擺會(huì)使得水冷壁局部壁溫升高，壁溫偏差增大。

圖4 340MW不同燃燒器擺角下水冷壁壁溫分布

3.3.2 高負(fù)荷下變?nèi)紵鲾[角

在650MW負(fù)荷下，采用6層燃燒器運(yùn)行，改變?nèi)紵鲾[角，觀察下水冷壁壁溫的變化情況，試驗(yàn)過程中維持過熱度和排煙氧量基本不變，過熱度為51.5℃，排煙氧量為3.0%，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知，在650 MW負(fù)荷下，燃燒器擺角從55%上擺至90%。下水冷壁壁溫的最大值和平均值均有顯著降低，其中最大值從472℃降低至432℃。均勻性得到了明顯改善，該趨勢與低負(fù)荷時(shí)相反。分析認(rèn)為，在高負(fù)荷時(shí)，總煙氣量較大，爐內(nèi)充滿度良好，燃燒器上擺對降低爐內(nèi)氣流充滿度效果不明顯，但是，燃燒器上擺使得爐膛火焰中心上移，降低了爐膛下部水冷壁區(qū)域熱負(fù)荷，減弱了爐內(nèi)熱偏差對水冷壁壁溫的影響。所以在高負(fù)荷時(shí)，燃燒器上擺會(huì)使得下水冷壁整體壁溫水平有所降低，壁溫偏差減小。

圖5 650MW不同燃燒器擺角下水冷壁壁溫分布

4 結(jié)論

1)高鈉煤摻燒比例越高，下爐膛水冷壁壁溫均勻性越好，較高的燃燒區(qū)域熱負(fù)荷，不利于水動(dòng)力的穩(wěn)定性和流量分配均勻性，易造成水冷壁壁溫偏差增加。

2)投運(yùn)上層燃燒器運(yùn)行或采取將下層燃燒器出力轉(zhuǎn)移至上層燃燒器的措施來提高火焰中心位置，對降低水冷壁壁溫偏差是有利的。

3)在低負(fù)荷時(shí)，燃燒器上擺會(huì)使局部區(qū)域煙氣貼壁，造成水冷壁局部壁溫升高，壁溫偏差增大。而在高負(fù)荷時(shí)，燃燒器上擺會(huì)降低爐膛下部水冷壁區(qū)域熱負(fù)荷，使得水冷壁壁溫降低，壁溫偏差減小。

低截面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的超超臨界鍋爐垂直水冷壁壁溫偏差受多種因素的綜合影響，通過燃燒優(yōu)化調(diào)整和運(yùn)行操作，不斷積累和總結(jié)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，更好的掌握不同工況下爐膛熱負(fù)荷分布以及垂直水冷壁水動(dòng)力特性和壁溫分布情況，將有助于大大提高低截面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的超超臨界鍋爐垂直水冷壁運(yùn)行的安全性和可靠性。

〔1〕俞谷穎，張富祥，陳端雨，等.超(超)臨界壓力鍋爐垂直管屏水冷壁水動(dòng)力與熱偏差調(diào)整建議〔J〕.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30(9):658-662.

〔2〕馬巧春.超超臨界鍋爐水冷壁壁溫異常原因分析〔J〕.中國電力，2007，40(7):21-24.

〔3〕嚴(yán)陸光，夏訓(xùn)誠，呂紹勤，等.大力推進(jìn)新疆大規(guī)模綜合能源基地的發(fā)展〔J〕.電式電能新技術(shù)，2011，30(1):1-7.

〔4〕張繼光，段寶，陳峻峰.超超臨界鍋爐水冷壁熱偏差的問題分析〔J〕.電力科學(xué)與工程，2016，32(3):43-48.

Experimental Study on the Tem perature Deviation of Lower Water Wall in the Ultra Supercritical Boiler

ZENG Jun，LIWenjun，HE Honghao，DUAN Xuenong，XIE Guohong，YANG Yi
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Based on the distribution of wall temperature，themain factors affecting water wall temperature deviation of lower verticalwaterwall have been investigated in the 660MW ultra supercritical boiler.The conclusion indicated that increasing the proportion of high-sodium coal or putting the upper combustors into running can effectively reduce the heat loading in the combustion zone，which benefits uniformity of lower water wall temperature.Through changing the distribution of the heat loading，the angle of combustors has opposite influence on water wall temperature deviation at different load.With optimized adjustments，the wall temperature deviation of verticalwaterwall in the ultra supercritical boiler can be well controlled.

ultra supercritical boiler；verticalwaterwall；wall temperature deviation；uniformity

TK227.1

B

1008-0198(2017)03-0056-03

曾俊(1989)，男，碩士，工程師，主要從事火力發(fā)電廠鍋爐燃燒調(diào)整與優(yōu)化控制工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.015

湘電科研項(xiàng)目(XDKY-2014-20)

2016-12-21 改回日期:2017-05-06