切向燃燒鍋爐再熱汽溫偏差調(diào)整及分析

張家維，潘繼真，魏海濤

(1．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;

2．河北國華滄東發(fā)電有限責任公司，河北 黃驊 061100)

對于四角切圓燃燒鍋爐，由于旋轉(zhuǎn)慣性的存在造成爐膛出口區(qū)域普遍存在煙溫和汽溫分布不均衡的現(xiàn)象，并且鍋爐容量越大，這種情況越明顯。造成四角切圓燃燒鍋爐中汽溫、煙溫偏差的原因多是由于爐膛出口處存在煙氣流殘余扭轉(zhuǎn)，在上爐膛及水平煙道中產(chǎn)生煙氣速度場、溫度場、灰塵顆粒分布場偏差所致。如果這種汽溫偏差和煙溫偏差過大，會導致局部管材超溫和減溫水大量投入等問題［1］，不但嚴重影響鍋爐的經(jīng)濟運行，更威脅到機組的安全運行。由于再熱蒸汽本身的性質(zhì)決定了其對熱偏差更為敏感，所以往往再熱器兩側(cè)偏差更為明顯［2］。通過燃燒調(diào)整試驗，對2號鍋爐汽溫偏差情況進行了測試和分析，包括反切風量及方向、主燃燒器擺角、殘余扭轉(zhuǎn)強度等因素改變對偏差的影響，對類似問題的解決提供參考。

1 設備概況

鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式，設計燃用煙煤。鍋爐采用全鋼結(jié)構構架、呈П型布置，受熱面采用全懸吊結(jié)構。鍋爐為單爐膛，爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛的高負荷區(qū)域采用內(nèi)螺紋管的膜式水冷壁。在爐膛上部布置有墻式再熱器、分隔屏、后屏過熱器。水平煙道中布置有后屏再熱器、末級再熱器、末級過熱器和立式低溫過熱器。后煙道豎井布置水平低溫過熱器和省煤器。后煙道下部布置2臺三分倉容克式回轉(zhuǎn)空氣預熱器。爐內(nèi)主要受熱面布置方式見圖1。

圖1 受熱面布置方式示意圖

爐膛采用擺動式直流燃燒器、四角布置、切向燃燒方式。主燃燒器上部設計兩層燃盡風燃燒器，與主燃燒器所形成的切圓形成反切，用于消除爐膛出口煙氣的余旋。燃盡風燃燒器設計有垂直方向擺角機構，調(diào)節(jié)范圍為－5°～30°。

鍋爐配有中速磨煤機，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺磨煤機出口的一次風供同一層四角煤粉噴嘴。燃燒器可上下擺動，最大擺角為±30°，表盤顯示為0%～100%。

過熱蒸汽溫度采用二級噴水調(diào)節(jié)，第一級噴水減溫器設于低溫過熱器與分隔屏之間的大直徑連接管上，第二級噴水減溫器設于過熱器后屏與末級過熱器之間的大直徑連接管上，減溫器采用笛管式。再熱汽溫的調(diào)節(jié)主要靠燃燒器擺動，再熱器的進口導管上裝有2臺霧化噴嘴形式的噴水減溫器，主要用作事故噴水。

2 機組運行中出現(xiàn)的問題

運行中再熱蒸汽母管蒸汽溫度達額定值541℃時，右側(cè)再熱器出口集箱引出管的2個蒸汽溫度測點中編號為TE0717B的測點顯示溫度超出設計值(541℃)，有時可以達到560℃，并且再熱器熱段右側(cè)金屬壁溫測點顯示值經(jīng)常達620℃，最高甚至超過材質(zhì)許用上限溫度 (635℃)。

從安全角度考慮，運行人員長期將再熱汽溫控制在較低水平，母管汽溫有時僅為520℃。在運行工況下雖然保證了鍋爐再熱器受熱面的安全，但較低的再熱汽溫給汽輪機運行也帶來了不利影響，檢修期間發(fā)現(xiàn)中壓缸葉片出現(xiàn)輕微水蝕現(xiàn)象。

3 汽溫偏差原因及調(diào)整

3.1 汽溫偏差原因

由于切向燃燒方式的鍋爐爐膛出口氣流存在余旋，會引起在水平煙道左右兩側(cè)產(chǎn)生較大的煙氣流速及溫度偏差，一般情況下流速高的部分對應的煙氣溫度也較高，這就使兩側(cè)受熱面吸熱量出現(xiàn)一定程度的偏差，最終使得右側(cè)受熱面的壁溫及出口汽溫高于左側(cè)［3］。圖2為水平煙道煙氣流速及溫度偏差示意圖。

造成汽溫偏差的主要原因是煙氣側(cè)的偏差，包括煙氣溫度的偏差和煙氣流速的偏差兩部分，所以要減小或消除兩側(cè)汽溫偏差，首要問題是消除兩側(cè)的煙氣偏差［4］。

3.2 減小煙溫偏差的方法

圖2 水平煙道煙氣流速及溫度偏差示意圖

煙氣偏差是由爐內(nèi)煙氣余旋造成的，因此降低煙氣余旋強度就成為解決問題的關鍵，通常是通過改變爐內(nèi)氣流的流動特性來完成。2號鍋爐設計燃盡風作為反切風，使爐內(nèi)產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的氣流以降低爐膛出口煙氣余旋強度［5］。一般情況下，用正反向旋轉(zhuǎn)氣流的理論動量矩系數(shù)Φ來判斷爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強度變化，氣流旋轉(zhuǎn)動量矩系數(shù)計算公式為

式中 m、n——正向和反向布置的噴口總數(shù);

ρi、fi、Vi——反向各噴口氣流密度、噴口面積和氣流速度;

ρj、fj、Vj——正向各噴口氣流密度、噴口面積和氣流速度;

α1、α2——噴口軸線與爐膛截面對角線的正向和反向夾角;

A、B——爐膛的寬度和深度。

對于2號鍋爐，燃盡風燃燒器沒有水平擺角調(diào)解機構，即α1、α2都是不變的，那么在運行中能夠影響爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)的參數(shù)僅有氣流密度和氣流切向速度。氣流密度只有通過改變溫度可以調(diào)整，氣流溫度受鍋爐整體運行條件的影響，因此調(diào)整幅度極其有限。改變氣流切向速度的方法有2種，一是改變?nèi)紵鲊娍跉饬魉俣?二是在保證噴口速度一定的情況下改變噴口射流方向［6］。

4 試驗方法

試驗負荷為(300±10)MW，燃料量為170～178 t/h，機組運行氧量為4.0% ±0.2%，采用單變量正交法。由于再熱減溫水調(diào)節(jié)閥線性較差，為保證試驗參數(shù)穩(wěn)定可信，運行中使減溫水流量固定不變。

5 試驗結(jié)果

5.1 燃盡風門開度影響

燃盡風垂直擺角為10°，主燃燒器擺角為70%。保持相關運行參數(shù)不變，分別在燃盡風門開度為40%、70%和95%時進行試驗，時間為2～3 h。

5.1.1 金屬壁溫變化情況

燃盡風門開度從95%關至70%時，各受熱面金屬壁溫變化趨勢不明顯;當燃盡風門關至40%時，各受熱面金屬壁溫總體平均值上升。說明關小燃盡風門開度對保護受熱面金屬壁溫是不利的。

燃盡風門開度從95%關至40%，與其它受熱面相比，末級再熱器金屬壁溫總體上升幅度約4℃。左側(cè)平均壁溫下降約8℃，右側(cè)平均壁溫上升約16℃。隨燃盡風門開度減小，受熱面金屬壁溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，金屬壁溫從開始的左側(cè)高于右側(cè)最終轉(zhuǎn)變成右側(cè)高于左側(cè)。

5.1.2 蒸汽溫度及減溫水變化情況

在保證減溫水量不變的情況下，隨燃盡風門開度減小，高溫再熱器出口兩側(cè)汽溫偏差增大，單側(cè)支管上兩點汽溫偏差變化幅度不大，再熱汽溫升高，與壁溫變化趨勢相同;一級、二級過熱減溫水流量略有增加。從調(diào)整效果上看，關小燃盡風門開度對提高再熱汽溫是有利的，但是對減小再熱器兩側(cè)支管溫度偏差是不利的。

5.2 燃盡風擺角影響

主燃燒器擺角為90%，燃盡風開度為95%。保持相關運行參數(shù)不變，分別將燃盡風燃燒器豎直擺角調(diào)至0°、10°、20°及30°時進行試驗，時間為2～3 h。

5.2.1 金屬壁溫變化情況

隨燃盡風擺角上揚，末級再熱器的金屬壁溫及左右兩側(cè)壁溫偏差呈下降趨勢，且單側(cè)壁溫最高點與最低點的差值減小，從20°升至30°對壁溫的影響幅度與從10°升至20°的壁溫變化幅度相比較小。

燃盡風燃燒器擺角上揚使得末級再熱器總體金屬壁溫下降，對左右兩側(cè)平均壁溫偏差的影響不明顯，但爐內(nèi)流場發(fā)生變化，煙氣流速重新分布后，金屬壁溫也發(fā)生變化，最高點溫度下降幅度較大，最低點下降幅度較小，因此對末級再熱器安全運行是有利的，對降低受熱面金屬壁溫效果也比較明顯。

5.2.2 蒸汽溫度及減溫水變化情況

在保證再熱減溫水量不變的情況下，隨燃盡風燃燒器擺角上揚，高溫再熱器出口總體汽溫下降，且從20°升至30°時再熱汽溫的下降幅度大于從10°升至20°。末級再熱器左右兩側(cè)介質(zhì)溫升均呈下降趨勢，整體上右側(cè)下降幅度大于左側(cè)，再熱器單側(cè)支管兩點汽溫偏差變化幅度不大;兩側(cè)汽溫偏差變化趨勢不明顯，過熱減溫水流量變化不大。

從調(diào)整效果看，燃盡風燃燒器擺角上揚對提高再熱汽溫是不利的，但對降低再熱器金屬壁溫、減小兩側(cè)吸熱偏差是有利的。

5.3 主燃燒器擺角影響

燃盡風開度為95%，垂直擺角為20°。保持相關運行參數(shù)不變，分別將主燃燒器豎直擺角調(diào)至70%、80%、90%時進行試驗，時間為2～3 h。

5.3.1 金屬壁溫變化情況

主燃燒器擺角上揚后，分隔屏、后屏總體金屬壁溫變化幅度不大，末級再熱器總體壁溫呈上升趨勢且左側(cè)平均值上升約12℃，右側(cè)變化幅度不大。可以提高左側(cè)受熱面吸熱量，對減小左右兩側(cè)汽溫偏差是有利的。試驗結(jié)果說明:上揚主燃燒器擺角對減小爐膛出口煙氣余旋造成的偏差效果比較明顯。

5.3.2 蒸汽溫度及減溫水變化情況

主燃燒器擺角上揚后，高溫再熱器出口總體蒸汽溫度有所升高，基本可以達到額定溫度，而TE7017B點溫度僅為541℃，且單側(cè)兩點汽溫偏差有所降低。從介質(zhì)溫升來看，末級再熱器左側(cè)呈上升趨勢，右側(cè)呈略微下降趨勢，說明左右兩側(cè)吸熱偏差有下降趨勢，試驗結(jié)果顯示上揚主燃燒器擺角對提高再熱汽溫、降低左右兩側(cè)吸熱偏差比較有效。

6 結(jié)束語

鍋爐300 MW負荷運行，當燃盡風擺角為20°、燃盡風門全開、主燃燒器擺角為90%時，再熱汽溫較調(diào)整前升高約10℃，可達540℃，兩側(cè)偏差明顯減小，高溫再熱器出口支管汽溫控制在545℃以內(nèi)，受熱面管壁無超溫現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明:上揚主燃燒器和燃盡風燃燒器擺角、提高燃盡風比例可有效控制受熱面管壁超溫，降低支管及兩側(cè)再熱蒸汽溫度偏差，從而提高再熱蒸汽整體溫度。

［1］ 樊泉桂．鍋爐原理［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［2］ 劉叢濤，黃業(yè)勝．HG－2008/186－M鍋爐熱偏差問題探討［J］．中國電力，1996，41(3):3－8．

［3］ 張玉家．平圩電廠2 008 t/h爐過熱器汽溫偏差的原因初探及防止措施［J］．中國電力，1991，36(9):38－40．

［4］ 劉 勇，張躍安，黃 月．四角切圓鍋爐爐膛上部冷態(tài)空氣動力場的試驗研究［J］．電站系統(tǒng)工程，2002，18(4):23－24．

［5］ 馮玉安．鍋爐煤質(zhì)特性和混煤燃燒的應用研究 ［D］．南京:東南大學，1997．

［6］ 撒應祿．鍋爐受熱面外部過程［M］．北京:水利電力出版社，1994．