1 000 WM超超臨界鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)及爐膛溫度試驗(yàn)研究

鄧文儉，申 旭，王傳帥，劉 銳，劉希健

（山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002）

0 引言

天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司2×1 000 MW機(jī)組，其1號(hào)爐為上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)ALSTOM（美國(guó)）技術(shù)生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)超超臨界變壓直流煤粉爐，型號(hào)為SG-3102/27.46-M532的單爐膛、雙切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型煤粉鍋爐，設(shè)計(jì)煤種為平朔安太堡煤，校核煤種為晉北煙煤、云峰混煤。

爐膛寬度34 290 mm，爐膛深度15 544.8 mm，水冷壁下集箱標(biāo)高為7 500 mm，爐頂管中心標(biāo)高為74 860 mm。爐膛由膜式壁組成。爐底冷灰斗角度為55°，從爐膛冷灰斗進(jìn)口集箱（標(biāo)高7 500 mm）到標(biāo)高51 966.5 mm處爐膛四周采用螺旋管圈，在此上方為垂直管圈。螺旋管圈與垂直管圈過渡采用中間混合集箱。

爐膛上部布置有分隔屏過熱器、后屏過熱器和末級(jí)過熱器，后煙井延伸部位布置有高溫再熱器。后煙井采用雙煙道布置，前煙道布置有低溫再熱器和省煤器，后煙道布置有低溫過熱器。

前后煙道省煤器下部布置有煙氣擋板用于調(diào)節(jié)再熱器汽溫。

制粉系統(tǒng)為中速磨（MPS275）正壓直吹式制粉系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)，制粉系統(tǒng)5套運(yùn)行，一套備用；48只直流燃燒器分6層布置于爐膛中下部，在爐膛中呈反向雙切圓方式燃燒；每臺(tái)磨煤機(jī)的出口由4根煤粉管接至布置在鍋爐前后墻的4個(gè)分配器，再一分為二接至爐膛8角的同一層8個(gè)煤粉噴嘴，鍋爐MCR和ECR負(fù)荷時(shí)均投5層，1層備用。煤粉細(xì)度R90=19%，均勻系數(shù)1.0～1.1。

過熱器汽溫通過煤水比調(diào)節(jié)和三級(jí)噴水來控制。再熱器汽溫采用尾部煙道擋板和燃燒器擺角調(diào)節(jié)來控制，低溫再熱器出口管道上設(shè)置有微量事故噴水，微量事故噴水取自給水泵中間抽頭。

1 鍋爐技術(shù)參數(shù)

鍋爐的主蒸汽和再熱蒸汽的壓力、溫度、流量等要求與汽輪機(jī)的參數(shù)相匹配。鍋爐出口蒸汽參數(shù)為27.46 MPa（g）/605℃/603℃。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為3 102 t/h，與汽輪機(jī)的VWO工況相匹配（表1）。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 煤質(zhì)特性

表3 燃料灰渣特性

2 燃燒系統(tǒng)及其特點(diǎn)

燃燒方式采用從阿爾斯通（美國(guó)）能源公司引進(jìn)的擺動(dòng)式反向雙切圓方式燃燒技術(shù)。

表4 燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)（BMCR，設(shè)計(jì)煤種）

2.1 燃燒器布置

燃燒器主風(fēng)箱設(shè)有6層強(qiáng)化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)（周界風(fēng)），在每相鄰2層濃煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上下2只偏置的CFS噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層緊湊型燃盡風(fēng)（CCOFA）噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層火下風(fēng)（UFA）噴嘴。在主風(fēng)箱布置5層可水平擺動(dòng)分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴。

連同煤粉噴嘴的周界風(fēng)，每角主燃燒器和SOFA燃燒器各有二次風(fēng)擋板25組，均由氣動(dòng)執(zhí)行器單獨(dú)操作。主燃燒器和SOFA燃燒器均可以上下擺動(dòng)，以滿足鍋爐汽溫調(diào)節(jié)的需要。

2.2 燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

燃燒系統(tǒng)的核心是采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNCFS），其主要機(jī)理是建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)。二次風(fēng)射流基本平行進(jìn)入爐膛，推遲了一、二次風(fēng)的初期混合，加強(qiáng)了空氣分級(jí)的效果，早期混合并不強(qiáng)烈，煤粉火焰是一種邊燃燒邊同二次風(fēng)混合的擴(kuò)散火焰，因此形成了一種較長(zhǎng)的火焰結(jié)構(gòu)。LNCFS在降低NOx排放的同時(shí)，著重考慮提高鍋爐不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率，在防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨(dú)特的效果。

LNCFS提高在爐膛不同的高度布置CCOFA和SOFA，將爐膛分成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域：初始燃燒區(qū)，NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū)。在每個(gè)區(qū)域的過量空氣其系數(shù)由總風(fēng)量、CCOFA和SOFA風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)分配，優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的燃燒，以達(dá)到在有效降低NOx排放的同時(shí)，最大限度地提高燃燒效率。

通過調(diào)整SOFA和煙氣的混合過程，降低飛灰含碳量和一氧化碳含量。

另外，在每個(gè)主燃燒器下部設(shè)有1層火下風(fēng)（UFA）噴嘴，通入部分空氣，以降低大渣含碳量。

LNCFS采用預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴（CFS）設(shè)計(jì)，在燃燒區(qū)域及上部水冷壁形成富氧區(qū)，能夠有效地防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕。

LNCFS采用可以水平擺動(dòng)的SOFA噴嘴設(shè)計(jì)，可以控制爐膛出口煙溫偏差。

3 冷態(tài)空氣動(dòng)力特性試驗(yàn)

燃燒器切園找正結(jié)果為：兩個(gè)切園的安裝直徑均比設(shè)計(jì)值大。其中1～3號(hào)對(duì)角的直徑比設(shè)計(jì)值大138 mm；2～4號(hào)方向大121 mm，且向3號(hào)偏移；5～7號(hào)對(duì)角的直徑比設(shè)計(jì)值大104 mm；2～4號(hào)方向大102 mm，位于爐膛中央，不偏斜。

為了摸清該爐的空氣動(dòng)力特性，為熱態(tài)啟動(dòng)、調(diào)試和運(yùn)行提供技術(shù)數(shù)據(jù)，檢查鍋爐及輔機(jī)設(shè)備，了解其狀態(tài)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)裝置及控制儀表的情況，進(jìn)行了冷態(tài)空氣動(dòng)力特性試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件

測(cè)點(diǎn)加工、安裝完畢。試驗(yàn)儀器齊全、好用。

煙風(fēng)系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)的各擋板開關(guān)方向正確、靈敏，可遠(yuǎn)方操作。要求內(nèi)、外一致，就地與DCS顯示一致。

燃燒器二次風(fēng)風(fēng)門開關(guān)靈活，指示正確，要求內(nèi)、外一致，就地與DCS顯示一致。

磨煤機(jī)、分離器、原煤倉(cāng)等設(shè)備內(nèi)部雜物清理完畢。

噴燃器擺動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝調(diào)整結(jié)束，每組噴燃器角度與噴燃器實(shí)際角度已調(diào)整一致。

燃燒器擺角調(diào)整到水平位。

爐內(nèi)平臺(tái)安裝完畢。平臺(tái)全部鋪實(shí)；如果平臺(tái)與爐膛四周間隙大，周圍必須有欄桿 。

爐內(nèi)處有足夠的照明。

在平臺(tái)上方1.5 m的位置，用4號(hào)鐵絲拉十字線；十字線上每隔500 mm用膠布粘帖，膠布尾長(zhǎng)度50 mm。

目前民航機(jī)場(chǎng)道面主要采用具有較強(qiáng)的承受豎向沖擊荷載能力的混凝土剛性道面，當(dāng)前機(jī)場(chǎng)道面混凝土板的設(shè)計(jì)主要采用以規(guī)范為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[6]。機(jī)場(chǎng)道面混凝土板的使用年限為30年，但經(jīng)常未到使用年限，機(jī)場(chǎng)道面混凝土就會(huì)出現(xiàn)病害[7]，可能的原因是在計(jì)算中未充分估計(jì)地基與基礎(chǔ)在沖擊荷載作用下變形與應(yīng)力。為了探究彈性地基上混凝土板在沖擊荷載作用下的受力及變性特征，本文采用非線性有限元方法，研究了彈性半空間地基上筏板基礎(chǔ)的豎向沖擊作用，可為分析道路或建筑物基礎(chǔ)板在沖擊荷載作用的力學(xué)響應(yīng)提供參考。

燃燒器入口一次風(fēng)閘板門在全開位。

一、二次風(fēng)均勻性試驗(yàn)完成。

3.2 動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)2臺(tái)空預(yù)器、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行。A一次風(fēng)機(jī)開度74.7%，電流167.0 A；B一次風(fēng)機(jī)開度81.4%，電流167.2 A；一次風(fēng)壓力8.652 kPa；A送風(fēng)機(jī)開度70.8%，電流96.7 A；B送風(fēng)機(jī)開度71.5%，電流98.1 A；送風(fēng)機(jī)出口壓力1.685 kPa；A引風(fēng)機(jī)開度51.7%，電流266.8 A；B引風(fēng)機(jī)開度46.7%，電流271.2 A；維持爐膛負(fù)壓-50～-80 Pa。燃燒器傾角在水平位置，二次風(fēng)檔板開度為100%。

圖1 爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)環(huán)示意圖

冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）1～4號(hào)強(qiáng)風(fēng)環(huán)橢圓11.0 m×9.5 m； 強(qiáng)風(fēng)環(huán)偏前墻約0.5 m。 5～8號(hào)強(qiáng)風(fēng)環(huán)橢圓12.0 m×9.0 m；強(qiáng)風(fēng)環(huán)位于爐膛中央，不偏斜。

2）1～4號(hào)切園無(wú)風(fēng)區(qū)直徑1.5 m×1 m，5～8號(hào)切園無(wú)風(fēng)區(qū)直徑2 m×1 m。氣流充滿度良好，有利于鍋爐的穩(wěn)定燃燒。

4）1～4號(hào)強(qiáng)風(fēng)環(huán)偏前墻和后右側(cè)墻風(fēng)速偏高，加之爐膛寬深比太大，極易引起煙溫和汽溫偏差。

4 爐膛溫度測(cè)量

爐膛溫度的高低，不但是爐膛燃燒狀況的反映，還反映出爐內(nèi)的結(jié)焦、積渣情況，并進(jìn)一步會(huì)影響到過熱汽和再熱汽溫度。由于在個(gè)別的看火孔處發(fā)現(xiàn)有輕微結(jié)焦情況，為了了解和研究鍋爐的燃燒和爐內(nèi)結(jié)焦?fàn)顩r，對(duì)燃燒器區(qū)域及分隔屏下部的看火孔處的爐膛溫度進(jìn)行了測(cè)量。

4.1 分割屏進(jìn)口處煙氣溫度測(cè)量

分別在600 MW、800 MW和1 000 MW負(fù)荷工況下，測(cè)量了分割屏入口處的煙氣溫度。

表5 爐膛及過熱器處煙氣設(shè)計(jì)溫度 ℃

曲線1分割屏進(jìn)口處煙氣溫度

根據(jù)分隔屏進(jìn)口處煙氣溫度測(cè)量的數(shù)據(jù)，在1 000 MW負(fù)荷下，分隔屏進(jìn)口處的煙氣平均溫度為1 132.5℃，與BECR工況下的設(shè)計(jì)值1 127℃非常接近，左右兩側(cè)煙氣溫度偏差在30℃以內(nèi)，溫度對(duì)稱性良好；主汽溫度溫度在600～605℃，沒有出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，所有受熱面的金屬壁溫都在報(bào)警值以下。說明爐內(nèi)的燃燒和換熱正常，肯定沒有發(fā)生較大面積的結(jié)焦。但接近爐膛中央位置的第6點(diǎn)、第7點(diǎn)位置溫度較高，達(dá)到1 180℃。其溫度較高的原因分析為：由于是雙切園燃燒方式，類似于在爐膛存在兩個(gè)“柱狀”火焰中心，而兩個(gè)“柱狀”火焰中心對(duì)爐膛中間部位均產(chǎn)生輻射傳熱，亦即爐膛的中間部位受到雙重?zé)彷椛?，因此爐膛的中間部位的溫度比一般的單爐膛更高，這也是燃燒器區(qū)域爐膛中間某些看火孔處輕微結(jié)焦的原因。

圖2 600 MW負(fù)荷時(shí)SOFA風(fēng)下層看火孔處的爐膛溫度

4.2 SOFA風(fēng)下層看火孔處爐膛溫度測(cè)量

分別在600 MW、800 MW和1 000 MW負(fù)荷工況下，測(cè)量了SOFA風(fēng)下層看火孔處的爐膛溫度。

圖3 800 MW負(fù)荷時(shí)SOFA風(fēng)下層看火孔處的爐膛溫度

從圖中可以看出，在SOFA風(fēng)下層看火孔處，中間位置的爐膛溫度最高。在1 000 MW負(fù)荷時(shí)，前、后墻中間位置的爐膛溫度高大1 450℃，如此高的溫度，當(dāng)燃用校核煤種1（晉北煤）或混煤燃燒時(shí)，肯定有部分灰渣粘結(jié)在水冷壁上，造成輕微結(jié)焦。

為了減輕局部結(jié)焦，進(jìn)行了配風(fēng)調(diào)整。如CCOFA的A、B層風(fēng)門控制由100%調(diào)整為50%；SOFA 風(fēng)的A、B層由35%調(diào)整為60%，E、D、F全關(guān)；燃料風(fēng)（周界風(fēng)）由35%調(diào)整為40%，但就地觀察結(jié)焦情況變化不大，爐膛溫度也基本沒有變化。其實(shí)，局部結(jié)焦根本原因是由爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)的狀況和爐膛溫度決定的。

5 結(jié)束語(yǔ)

該爐采用的雙切園直流燃燒器、低NOx同軸燃燒系統(tǒng)，在降低爐膛出口煙溫偏差方面具有獨(dú)特的效果。主汽、再熱汽溫度均正常，沒有出現(xiàn)超溫、偏差異常等現(xiàn)象，所有受熱面在各種運(yùn)行工況下的金屬壁溫都在報(bào)警值以下。但由于燃燒器安裝的切園直徑均為正偏差，造成空氣動(dòng)力場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)環(huán)較大，爐墻的貼壁風(fēng)速較高，再加上雙切園燃燒方式爐膛的中間部位受到兩個(gè)“火柱”的熱輻射，使?fàn)t膛中間部位的溫度更高，導(dǎo)致局部輕微結(jié)焦。建議利用機(jī)組大修的機(jī)會(huì)，按照鍋爐設(shè)計(jì)要求，對(duì)燃燒器的安裝直徑進(jìn)行重新校正、調(diào)整。

圖4 1 000 MW負(fù)荷時(shí)SOFA風(fēng)下層看火孔處的爐膛溫度