300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐變工況運行特性分析

高建強(qiáng)，張 晨

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

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300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐變工況運行特性分析

高建強(qiáng)，張 晨

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

富氧煤粉燃燒鍋爐燃燒、換熱特性與常規(guī)空氣鍋爐不同，為研究不同工況下富氧燃燒鍋爐的運行特性，利用某300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐仿真模型，分別進(jìn)行燃煤量、給水溫度、氧濃度和水分變動試驗。結(jié)果表明：隨著富氧燃燒鍋爐燃煤量的增加，爐膛出口煙溫升高，爐內(nèi)總輻射量增加，水冷壁產(chǎn)汽量增多。由于富氧鍋爐輻射換熱強(qiáng)，過熱蒸汽溫度隨燃煤量增加而增加。隨著爐內(nèi)燃燒氣氛中氧濃度增加，鍋爐產(chǎn)汽量大幅度增加，主汽溫度快速下降。由于鍋爐設(shè)計煤種水分含量高且不穩(wěn)定，水分變化對鍋爐運行參數(shù)影響比較大，主要表現(xiàn)在煤質(zhì)變壞，導(dǎo)致爐膛出口溫度升高，過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和排煙溫度也隨之升高。

富氧燃燒鍋爐；運行特性；燃煤量；給水溫度

0 引 言

在控制和減緩電廠CO2排放的各種技術(shù)中，富氧燃燒技術(shù)有良好的發(fā)展前景。它是在現(xiàn)有電站鍋爐系統(tǒng)基礎(chǔ)上，用高純度的氧氣代替助燃空氣，同時輔助以煙氣再循環(huán)的燃燒技術(shù)，可獲得富含80%體積濃度CO2的煙氣，從而實現(xiàn)CO2的永久封存或資源化利用，同時降低有害氣體的排放[1-5]。富氧燃燒鍋爐的運行過程十分復(fù)雜，因為其燃燒受到多種因素的影響，使得其自動控制比一般鍋爐更加復(fù)雜和困難。分析與研究富氧燃燒鍋爐運行特性，掌握了解各變量間的相互關(guān)系，對富氧燃燒鍋爐自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試以及可靠運行都至關(guān)重要。

目前國內(nèi)建成的富氧燃燒鍋爐試驗臺有300 kW富氧中試試驗臺和3 MW全流程富氧燃燒實驗平臺，此外還有35 MW工業(yè)示范項目已經(jīng)處于工業(yè)實驗階段。世界范圍內(nèi)最新的富氧示范項目有韓國Yongdong 100MWe 2016示范項目和美國FutureGen 200MWe 2016示范項目等[6]?？梢钥闯龈谎跞紵仩t技術(shù)仍處于中試階段，對較大容量的鍋爐運行經(jīng)驗比較缺乏，因而對于大容量富氧燃燒鍋爐，可以通過仿真手段對其運行特性進(jìn)行研究。本文以某300 MW富氧自然循環(huán)燃燒鍋爐為例，研究鍋爐燃料量、O2/CO2(即氧濃度)、給水溫度和煤質(zhì)水分等參數(shù)變動時，富氧燃燒下的鍋爐理論燃燒溫度、爐膛出口煙溫、蒸汽溫度和鍋爐排煙溫度等運行參數(shù)的變化規(guī)律，對日后富氧燃燒鍋爐的運行控制等設(shè)計研究有重要意義。

1 模型介紹及研究方法

本文以某300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐為研究對象[7]，整個鍋爐系統(tǒng)流程如圖1所示，爐膛為單爐膛Π型布置、四角切向燃燒，機(jī)組采用中間一次再熱、自然循環(huán)、噴水調(diào)節(jié)過熱汽溫，空氣分離系統(tǒng)向鍋爐供給純氧。鍋爐尾部設(shè)有煙氣(主要是CO2)再循環(huán)，維持爐內(nèi)的穩(wěn)定燃燒[8]。其中，再循環(huán)煙氣有兩處，一處是從爐膛尾部除塵器后抽取部分煙氣；另一處是從冷凝器后抽取干燥煙氣作為中速正壓直吹式制粉系統(tǒng)的干燥介質(zhì)。

圖1 300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 The system flow diagram of 300 MW pulverized coal oxygen-enriched combustion boiler

對于實際運行中的機(jī)組，其工況總是處于不斷的變化之中，例如煤質(zhì)、給水溫度和鍋爐負(fù)荷等都不可能始終維持設(shè)計值。鍋爐參數(shù)和運行指標(biāo)都會隨著工況的變動發(fā)生相應(yīng)的變化，這些變化的方向和大小可以由鍋爐的運行特性加以描述[9]。利用某300 MW富氧燃燒汽包鍋爐仿真模型[10]，通過仿真試驗對建立的設(shè)備的精度進(jìn)行驗證，進(jìn)而研究富氧煤粉燃燒鍋爐的運行特性。

2 變工況計算結(jié)果及分析

機(jī)組穩(wěn)定工況下進(jìn)行仿真試驗，得到靜態(tài)仿真結(jié)果如表1。仿真結(jié)果與設(shè)計值的相對誤差在2%以內(nèi)，證明該仿真模型滿足仿真的精度要求。

表1 計算數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果

2.1 燃煤量變動

富氧鍋爐運行中，其負(fù)荷必須跟隨電網(wǎng)要求不斷變化，燃料量則與負(fù)荷成比例。通過改變給煤機(jī)轉(zhuǎn)速即可對燃煤量進(jìn)行間接擾動實驗，下面分析燃煤量變化對爐內(nèi)傳熱、煙氣及工質(zhì)溫度等的影響。對于中速磨配正壓直吹式制粉系統(tǒng)，運行中制粉系統(tǒng)出力由給煤量調(diào)節(jié)。在穩(wěn)定工況下，保證機(jī)組足夠通風(fēng)量，改變其給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，得到實驗結(jié)果如圖2所示：富氧燃燒鍋爐燃煤量增加時，水冷壁產(chǎn)汽量增加，爐膛出口煙溫升高，排煙溫度升高。但與一些常規(guī)空氣燃燒鍋爐不同，隨著燃煤量的增加，過熱蒸汽溫度不升高反而下降，再熱蒸汽溫度升高，應(yīng)引起工作人員的特別注意。

圖2 燃煤量變動實驗結(jié)果Fig.2 The experimental results of fuel quantity

由頂棚過熱器、水平低溫過熱器、立式低溫過熱器、前屏過熱器、后屏過熱器和末級過熱器組成的整個過熱器的熱平衡得[9]

由D·rs=Bj·Qs代入公式(1)，得

式中：Bj為燃料量，kg/s；Qs為每kg煤用于蒸發(fā)給水的熱量(省煤器吸熱量和水冷壁吸熱量之和)，kJ/kg；Qgr為每kg煤傳給過熱器的熱量(包括輻射式和對流式，kJ/kg；rs為每kg給水加熱到飽和蒸汽所吸收的熱量，kJ/kg；D為水冷壁產(chǎn)汽量，kg/s；△hgr為過熱器出口比焓與飽和汽比焓之差，kJ/kg。

由屏式再熱器和末級再熱器組成的整個再熱器的熱平衡得

式中：d為再熱蒸汽流量份額，d=Dzr/D；Qzr為每千克煤傳給再熱器的熱量(包括輻射式和對流式)；△hzr為過熱器出口比焓與飽和汽比焓之差，kJ/kg。

由公式(2)可以看出，定壓下近似認(rèn)為rs不變，當(dāng)燃料量變化時，過熱汽溫只決定Qgr/Qs。表2是燃料量變動時，給水吸熱量等數(shù)據(jù)的分配?？梢钥闯霎?dāng)燃煤量增加時，Qgr/Qs減少，因而該富氧燃燒鍋爐過熱蒸汽溫度下降。由公式(4)可以看出，定壓下近似認(rèn)為rs不變，當(dāng)燃料量變化時，再熱蒸汽溫度決定于Qzr/Qs。由表2可以看出當(dāng)燃煤量增加時，△hzr/rs增加，因而再熱蒸汽溫度上升。

表2 燃煤量擾動實驗熱量分配數(shù)據(jù)

2.2 氧氣濃度擾動

常規(guī)空氣燃燒鍋爐，其氧氣濃度一定。然而，對于富氧燃燒鍋爐，爐內(nèi)燃燒介質(zhì)由三部分組成，分別是空氣分離提純技術(shù)提供的氧氣、鍋爐尾部干燥冷卻的一次再循環(huán)煙氣和省煤器后的二次再循環(huán)煙氣。由于送入爐膛的氧氣量、一次再循環(huán)煙氣和二次再循環(huán)量都是過程變量，因而爐內(nèi)燃燒氣氛中氧氣濃度容易發(fā)生變動。在空氣分離系統(tǒng)提供的氧氣量和燃煤量保持不變的情況下，對再循環(huán)煙氣量進(jìn)行擾動，討論不同氧氣濃度(O2/CO2)下該富氧燃燒鍋爐的運行情況。其中實驗結(jié)果如表3所示，繪制成曲線如圖3所示。

表3 氧氣濃度(O2/CO2)擾動實驗結(jié)果

圖3 O2/CO2擾動實驗結(jié)果Fig.3 The perturbation experimental results of oxygen concentrations

實驗結(jié)果表明：在實驗變動范圍內(nèi)，由圖3可以看出，隨著氧氣濃度提高，理論燃燒溫度升高，且富氧率每增加1 %，理論燃燒溫度升高約25～40 ℃。作為爐內(nèi)傳熱過程的起點，這將使?fàn)t膛出口煙溫升高。但是，隨著氧氣濃度升高，理論燃燒溫度劇烈升高，使?fàn)t內(nèi)單位輻射量增大，加之再循環(huán)煙氣量減少，爐膛產(chǎn)生的總煙氣量減少，爐膛出口煙溫降低。過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫和鍋爐排煙溫度降低。以上結(jié)果可以看出，對于富氧燃燒鍋爐，空氣壓縮供應(yīng)的氧氣穩(wěn)定的情況下，再循環(huán)煙氣量對鍋爐運行情況影響很大，因而監(jiān)控一二次再循環(huán)煙氣十分重要。

2.3 給水溫度變動

機(jī)組在穩(wěn)定工況下，改變其給水溫度，分析給水溫度變化對工質(zhì)蒸發(fā)量和溫度等的影響，實驗結(jié)果如表4所示。對于亞臨界參數(shù)富氧燃燒汽包鍋爐，給水溫度變化主要影響主過熱蒸汽。當(dāng)給水溫度降低時，由于1 kg給水加熱成為飽和蒸汽的汽化熱增加，在未進(jìn)行燃料量調(diào)整情況下，爐內(nèi)總輻射熱量幾乎不變，因此水冷壁質(zhì)量含汽率減小，汽包產(chǎn)汽量下降。并且給水溫度每降低10 ℃(升高10 ℃)，汽包產(chǎn)汽量降低2.4%左右(升高2.4%左右)，過熱蒸汽溫度升高8 ℃左右(降低8 ℃左右)。因而在實際運行中，對于過熱器而言，需要通過變動減溫水量來保持額定汽溫，并且減溫水量隨給水溫度降低而增加。

表4 給水溫度擾動實驗結(jié)果

Tab.4 The perturbation experimental results of feed-water temperature

給水溫度tgs/℃250260270282.9290質(zhì)量含汽率w0.52300.54460.56810.60110.6221過熱汽溫tgr/℃564.5555.9549.3541.1536.3出口煙溫θ″0/℃1060.51060.51060.21060.31060.3再熱汽溫tzr/℃541.9541.8541.4541.1540.9排煙溫度θexg/℃145.7146.1146.6147.3147.7

2.4 煤質(zhì)變化

鍋爐燃料性質(zhì)變化，尤其是煤質(zhì)變化是不可避免的，發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分和水分等煤質(zhì)的變化對鍋爐運行工況影響較大。設(shè)計煤種是高水分低硫褐煤，水分含量較大且不穩(wěn)定。并且原煤水分變動，煤質(zhì)特性也隨之發(fā)生改變。由于煤的揮發(fā)分、發(fā)熱量、成分等主要指標(biāo)與優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)成分間有較好可加性，因而采用文獻(xiàn)[11]這種最簡便的動力煤數(shù)學(xué)模型來預(yù)測變質(zhì)煤的煤質(zhì)特性。

機(jī)組在穩(wěn)定工況下，原煤中外在水分含量變化，即1 kg原煤含量中水分質(zhì)量發(fā)生變化△Mar。保持給煤機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，分析原煤水分含量變化對爐內(nèi)傳熱、煙氣及工質(zhì)溫度等的影響，如對單位質(zhì)量輻射熱、理論燃燒溫度、爐膛出口煙溫、過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度等參數(shù)的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 原煤水分變動實驗Fig.4 The perturbation experimental results of raw coal moisture

隨著燃煤水分增加，單位質(zhì)量燃煤發(fā)熱量減少，為了保持汽包蒸發(fā)量，必須增加燃煤量。爐膛理論燃燒溫度顯著下降，但是內(nèi)部產(chǎn)生煙氣流量大，爐內(nèi)輻射換熱量降低，導(dǎo)致爐膛出口溫度升高，過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和排煙溫度也隨之升高。

3 結(jié) 論

(1) 由于富氧鍋爐爐內(nèi)輻射換熱強(qiáng)度大，當(dāng)給煤量增加時，過熱蒸汽溫度不下降反而升高，再熱蒸汽溫度下降，這與常規(guī)空氣燃燒鍋爐不同，應(yīng)引起工作人員的特別注意。

(2) 空氣分離系統(tǒng)提供的氧氣量一定的情況下，對再循環(huán)煙氣量進(jìn)行擾動，得到了不同氧濃度下鍋爐的運行工況。根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著爐膛內(nèi)氧濃度增加，單位輻射換熱量增大，水冷壁蒸發(fā)量增加，爐膛出口煙溫降低，過熱蒸汽溫度降低，且各參數(shù)變化劇烈，因而實際運行中需要嚴(yán)格監(jiān)控一、二次再循環(huán)煙氣量。

(3) 給水溫度每升高10 ℃(降低10 ℃)，過熱蒸汽溫度降低8 ℃左右(升高8 ℃左右)。在實際運行相同發(fā)電負(fù)荷下，減溫水量隨給水溫度降低而增加。

(4) 運行中煤質(zhì)水分增加，會使?fàn)t膛出口溫度升高，過熱汽溫升高，單位爐內(nèi)輻射換熱減小；反之若運行中煤質(zhì)較好，則都會使?fàn)t膛出口溫度和過熱汽溫降低，單位爐內(nèi)輻射熱增加。

(5) 通過研究燃煤量、給水溫度、氧濃度和水分變動試驗，可為的富氧燃煤鍋爐電廠提供鍋爐運行主要參數(shù)的變化情況，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造有利條件。

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Study on Operating Characteristic of a 300 MW Oxy-fuel Combustion Boiler in Variable Conditions

GAO Jianqiang, ZHANG Chen

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Unlike normal air combustion boiler, oxygen-enriched combustion boiler has different combustion and heat transfer characteristics. To study the operating characteristics under different conditions, the simulation model of a 300MW pulverized coal oxygen-enriched combustion boiler was utilized. And experiments respectively for disturbances of coal quantity, feed water temperature, O2/CO2and coal quality were finished. Results reveal that: with the increment of coal quantity, furnace outlet gas temperature and radiation heat exchange unit of quality in furnace increase, and evaporation rate of water wall reduces. Because radiation heat transfer capability of oxy-fuel combustion boiler is strong. On the contrary, superheated steam temperature rises. As the feed water temperature decreases, superheated steam temperature and evaporation rate of water wall reduce. Variation of lignite quality changes mainly reflects in variation of moisture content, and variation of moisture has more influence on boiler operation parameters. The influence is mainly that as the coal quality gets worse, furnace outlet gas temperature and superheated steam temperature rises, and the radiation subsides.

oxy-fuel combustion boiler; operating characteristic; coal quantity; feed water temperature

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.13

2015-12-09.

TK 227

A

1007-2691(2016)05-0083-05

高建強(qiáng)(1966-)，男，教授，主要從事熱力系統(tǒng)建模及仿真技術(shù)的教學(xué)與研究。