600MW亞臨界旋流對沖鍋爐減溫水量偏大原因分析

周文臺，馬達夫

（上海發(fā)電設備成套設計研究院，上海 200240）

鍋爐減溫水是調節(jié)鍋爐主蒸汽溫度及再熱蒸汽溫度最直接有效的手段，通過減溫水的使用，能夠在短時間內對汽溫進行調節(jié)控制，避免主再熱汽溫過高或過低對鍋爐帶來危害。但減溫水量過大的使用，則會對鍋爐的經濟性帶來較大影響，有資料顯示，再熱器減溫水量增加1%，機組經濟性降低0.2%［1］。

引起鍋爐減溫水量偏大的原因很多，如燃燒組織不好，造成火焰中心的上移；水冷壁設計面積偏小，爐膛吸熱不足；燃燒器位置設計較高，煤粉在爐內的停留時間不足等原因均可造成減溫水量偏大的現(xiàn)象。本文針對四川廣安6號機組減溫水量大的情況，進行了原因分析。

1 設備簡介

四川廣安發(fā)電有限責任公司三期6號鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG2028／17.45-Ⅱ5型亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構架的Π型汽包爐。鍋爐大板梁標高為80.1m，汽包中心線標高71.65m，頂棚標高67.354m，爐膛寬度20.7m，爐膛深度16.5m。鍋爐制粉系統(tǒng)采用一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)，設6臺中速磨煤機。設計煤粉細度R90=16%。該鍋爐D磨、F磨采用動態(tài)分離器對粗煤粉進行分離。而其他磨煤機采用靜態(tài)折向擋板進行分離。鍋爐主要設計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設計參數(shù)

2 減溫水量過大

鍋爐設計減溫水量與實際減溫水量見表2。

表2 鍋爐設計減溫水量與實際減溫水量

從表2可見，在600MW負荷時，過熱器設計減溫水總量不到60t／h，而實際的減溫水總量則達到了200t／h；再熱器設計減溫水量為0，而實際減溫水量則達到了80t／h，均遠大于設計值。減溫水量過大不但會降低機組的經濟性，還會對過再熱器的金屬壁溫的安全性帶來安全隱患。

3 原因分析

引起鍋爐減溫水量偏大的原因很多，著火延遲、受熱面設計不合理以及燃燒器布置位置過高都可能導致減溫水量偏大，本文重點對其原因進行分析。

3.1 各受熱面換熱比例失調

通過對實際運行中各參數(shù)與THA工況設計值的比較，并計算各受熱面的吸熱比例（見表3）。

表3 設計工況與實際運行狀況的比較

通過表3不難發(fā)現(xiàn)，實際運行中的省煤器及水冷壁吸熱量比例較THA設計工況約小5%，而過熱器及再熱器吸熱比例上升。由于煙氣的路徑是從爐膛到煙道，水冷壁先于過熱器及再熱器吸熱，因此，過再熱器多吸收的熱量是因為水冷壁吸熱不足所致。

由于省煤器所占吸熱比例份額較小，因此減溫水量偏高主要是水冷壁吸熱量不足引起。

3.2 爐膛內的傳熱理論

在爐膛內，燃燒與傳熱過程同時進行，燃燒產生的高溫煙氣和火焰向爐內水冷壁受熱面的換熱主要是輻射傳熱，對流傳熱較小暫不考慮。

爐內傳熱是指火焰及熱煙氣與爐膛之間的輻射換熱，根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律，總的輻射換熱量為［2］：

式中ahy——火焰黑度；ab——爐壁黑度；F——爐壁面積，m2；σ0——絕對黑體的輻射常數(shù)；Thy——火焰的平均絕對溫度，K；Tb——爐壁的絕對溫度，K。

通過式（1）可知，爐膛換熱量由火焰黑度ahy、爐壁黑度ab、火焰的平均絕對溫度Thy、爐壁的絕對溫度Tb以及爐壁面積F共同決定。因此，要分析爐膛換熱量偏小的原因，需要分析上述5個變量。

3.2.1 爐壁絕對溫度Tb及爐壁黑度ab

爐壁絕對溫度Tb是鍋爐所有水冷壁向火面溫度的加權平均值，而各個點的壁溫則和該處水冷壁管內工質溫度變化一致，考慮到管壁的厚度以及熱差形成熱流密度，管壁溫度略微高于的管內工質溫度。因此，在鍋爐設計與實際運行時的爐壁絕對溫度Tb偏差不會太大，可以忽略對爐膛換熱量偏小的影響。

爐壁黑度ab主要受水冷壁材質以及表面沾污結焦的影響。水冷壁材質一定的情況下，理論上爐壁黑度ab變化不大，在一定程度上可以把爐壁黑度ab當做一個定值。而表面沾污結焦后，爐壁黑度ab有一定變化，考慮到該鍋爐結焦情況十分輕微，以及吹灰較為頻繁，并且該鍋爐大修后爐壁清潔狀況較好的情況下減溫水量依舊偏高，因此，也能夠排除爐壁黑度ab作為爐膛換熱量偏小的因素。

3.2.2 火焰黑度

火焰黑度ahy是用以表征火焰輻射能力的。影響固體燃料火焰黑度的主要是三原子氣體（CO2、SO2、H2O 等）、焦炭粒子和灰粒子。三原子氣體在高溫下輻射波長均小于0.1μm，是不發(fā)光性火焰；高溫焦炭粒子可使火焰具有發(fā)光性，是固體燃料火焰的主要輻射介質，灰粒子也有一定的輻射能力，高溫下的灰粒也可以使火焰發(fā)光。

火焰黑度ahy主要與火焰中成分、溫度、壓力關系較大，而爐膛壓力可視為定值，而火焰中的成分與溫度則與燃用的煤質關系較大。因此，在決定了燃用煤質后，很大程度上也就決定了火焰平均黑度ahy。一般來說，選用爐型及煤質后，火焰平均黑度變化不大。

3.2.3 火焰的平均絕對溫度

火焰的平均溫度反映了火焰中心的高度，火焰中心高度則直接影響水冷壁的吸熱量，而火焰中心主要與兩方面有關，一是燃燒器設計安裝的相對位置，燃燒器安裝的相對位置越高，火焰中心越朝上；二是煤粉著火燃燒的狀況，著火燃燒越提前，火焰中心位置越靠下，也約有利于水冷壁的吸熱。

（1）燃燒器的相對位置

爐內火焰中心的高度，很大程度上取決于燃燒器安裝的相對位置，如果燃燒器安裝位置相對較高，火焰中心則會向上抬高，不利于水冷壁的吸熱。因此，判斷燃燒器的相對位置，用表示：

式中hmax——火焰溫度最高處的溫度，即從爐底或冷灰斗中心線平面到火焰中心的高度，一般來說，取中心燃燒器的標高位置；

hl——爐膛高度，即從冷灰斗中間平面到水平煙道上部的高度。

6號鍋爐與山西某電廠1號爐、廣東某電廠1號爐進行比較，結果見表4。

表4 不同電廠燃燒器的相對位置

由表4可見，上述3個電廠的600MW旋流對沖燃燒器布置的相對位置基本相同，因此，單從燃燒器布置的相對高度來看，廣安電廠6號爐燃燒器位置還是合理的，因此說燃燒器的相對位置不是引起減溫水量偏大的原因。

（2）燃燒的影響

火焰中心的高度除受燃燒器相對位置的影響之外，還和鍋爐的燃燒方式關系密切，如煤粉細度，一二次風量、煙氣卷吸量等相關。從燃燒理論來看，燃燒分為燃燒前的準備階段、燃燒階段以及燃盡階段。

著火前的準備階段就是吸熱階段，在此階段內，煤粉氣流被煙氣不斷加熱，溫度逐漸升高，直至達到煤粉的著火點。煤粉著火以后進入燃燒階段。該階段是一個強烈的放熱階段，燃盡階段是燃燒過程的繼續(xù)。

對于上述燃燒的3個階段，煤粉氣流噴入爐膛以后，從燃燒器出口至爐膛出口，沿火焰行程可以分為3個區(qū)域：著火區(qū)、燃燒區(qū)與燃盡區(qū)，其中前兩個區(qū)域較短，而燃盡區(qū)較長。從燃燒及傳熱理論可知，要想減小減溫水量，需增加爐膛吸熱量，在現(xiàn)有條件下，只有通過強化燃燒，縮短燃燒前的準備時間，使煤粉進入爐膛后快速著火，以達到降低火焰中心的目的［3］。

在600MW負荷時，通過提高磨煤機出口風溫、增加一次風濃度、降低一次風風速以及降低煤粉細度等試驗，具體措施為：

1）將磨煤機出口風溫提高。由初始的70～80℃提高至90℃，提高一次風粉溫溫度后，能夠對煤粉的預熱提供能量［4］。

2）關小各臺磨容量風的開度。初始各臺磨容量風開度均是100%，通過觀察磨煤機電流及進出口壓力，保證不堵磨的情況下，適當減少一次風量，以保證煤粉的濃度以及減小進入爐膛的初速度。

3）降低煤粉細度。調整磨煤機出口動態(tài)分離器轉速或磨煤機出口折向擋板，將煤粉的R90從35%降至20%左右。

4）調節(jié)內二次風風量，增加燃燒器出口的煙氣卷吸量，以縮短煤粉的著火時間。

通過上述強化燃燒的相關試驗，過熱器減溫水量下降約10～20t／h，再熱器減溫水量下降約5～10t／h。說明通過強化燃燒以后，火焰中心略有下降，但不能從根本上解決問題。

考慮到實際燃燒的煤質與設計煤種差異較大，且煤質是對燃燒最重要的影響因素，因此，對6臺磨煤機全燒煙煤（平時摻燒貧煤）進行試驗，以測試燃用較高揮發(fā)分的煤質，能保證煤粉快速著火及燃燒的情況下，鍋爐減溫水量的變化，并與燃用摻陪煤質（簡稱配煤）的減溫水量進行比較。如圖1所示。

圖1 不同煤種的減溫水量

通過對配煤與煙煤減溫水量的統(tǒng)計比較，從圖1可見，下四臺磨煤機全燒煙煤的情況下，過熱器減溫水量減小約30t／h，再熱器減溫水量減少約15t／h。約在以前的減溫水量基礎上，減少了20%左右。

3.2.4 爐壁面積

爐壁面積是直接影響爐膛換熱量的重要因素。爐壁面積與鍋爐的長度、寬度、高度、冷灰斗布置型式、屛過布置型式以及衛(wèi)燃帶等關系密切。通過計算，6號鍋爐與山西某電廠1號爐、廣東某電廠1號爐爐膛的有限容積如表5所示。

表5 不同電廠爐膛有限容積比較

由表5可見，廣安電廠6號鍋爐的爐膛有限容積明顯偏小，這反映出了爐壁面積設計偏小。

通過對爐膛換熱公式各個參數(shù)的分析，得知本爐型減溫水偏大的直接原因是鍋爐爐膛吸熱量的不足所致，而爐膛吸熱量不夠是爐膛水冷壁面積偏小與燃燒推遲共同引起的。因此，通過改變受熱面的比例（尤其是增加水冷壁的面積）是解決減溫水量偏高的較為有效的方法。

4 解決方案

通過前文分析，過再熱器減溫水量過大的原因是鍋爐水冷壁（含省煤器）換熱比例設計偏小。由于增加水冷壁吸熱面積的可行性不大，因此，可以通過減小低溫過熱器和低溫再熱器的面積、增加省煤器的面積，達到重新調整各受熱面換熱比例的目的。如圖2所示

圖2 改造方案思路

由于省煤器本身所占的換熱比例不大（一般不大于5%），所以通過增加省煤器的面積雖能較大幅度的降低減溫水量，但還是難以完全達到設計水平。此外，增加省煤器面積后，水冷壁入口工質的欠焓減少，水冷壁的安全性也要加以考慮。

5 結語

（1）四川廣安6號鍋爐過再熱器減溫水量過大的主要原因是由于水冷壁（含省煤器）受熱面設計偏小所致。

（2）實際燃用煤質偏差及運行方式不合理進一步加大了減溫水量。

（3）通過將部分低溫再熱器及低溫過熱器改造成省煤器是較為切實可行的方案。

［1］ 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安：西安交通大學出版社，1994.

［2］ 丁立新.電廠鍋爐原理［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］ 高正陽，崔偉春，楊毅櫟，等.火焰中心高度對W型火焰鍋爐燃燒影響的數(shù)值模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2009（11），23-27.GAO Zheng-yang，CUI Wei-chun，YANG Yi-li，et al.Study on numerical simulation concerning influence of flame centre height upon combustion in W-shaped flame boiler［J］.Thermal Power Generation，2009，38（11）.

［4］ 程智海.w火焰鍋爐的燃燒調整［J］.動力工程，2009（2）：129-133.CHENG Zhi-hai，JIN Xin，ZHANG Fu-xiang，et al.Combustion adjusting of W flame boilers［J］.Power Engineering，2009，29（2）.