高海拔地區(qū)660 MW超超臨界鍋爐及輔機選型研究

劉學軍，雷步紅，陳曉文，雷曉明，王桂芳，張喜來

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075 ；2.青海黃河上游水電開發(fā)有限公司，青海 西寧 810003；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032 )

1 概述

國內(nèi)在高海拔地區(qū)建設燃煤火電機組已經(jīng)有一定的工程實踐，但機組容量均小于300 MW。高海拔低氣壓下空氣密度減小、氧含量低，對鍋爐燃燒產(chǎn)生負面影響。目前國內(nèi)投入運行的高海拔機組表明，其運行特性與平原地區(qū)有明顯的差異，若不能采取科學的技術措施，會出現(xiàn)鍋爐排煙溫度高、效率降低、廠用電率偏高、全廠供電煤耗高等問題，進而影響電廠整體的安全性、經(jīng)濟性。類似的研究結(jié)果表明海拔高度對煤粉的著火、燃燼均有較大影響。國內(nèi)黃必重等針對1501 m海拔高度燃用高灰分煙煤的660 MW機組鍋爐燃燒進行了研究，提出了初步的意見，對于本項目研究具有借鑒意義。李東鵬等對2900 m海拔高度下660 MW機組鍋爐熱負荷參數(shù)選擇進行了數(shù)模研究，給出了熱負荷參數(shù)的選取范圍，也可供本次研究參考。

中電投西寧火電擬在海拔高度2484 m區(qū)域建設兩臺660 MW超超臨界煙煤機組，高參數(shù)、大容量機組在類似高原環(huán)境進行工程實踐，在中國乃至世界為第一次，因此沒有成功的經(jīng)驗可供借鑒。本文針對該項目建設，對項目煤粉燃燒特性變化進行了試驗室研究，并分析了高海拔低氣壓對主要輔機設備的影響，提出了鍋爐主要爐膛熱負荷參數(shù)及鍋爐主要輔機的選型方案。

2 試驗方法與設備

2.1 試驗大氣環(huán)境條件

本文依托工程廠址地形標高2473～2495 m，大氣壓約為海平面標準氣壓的72.8%。本文選取鍋爐實際海拔2484 m(大氣壓74.88 kPa)進行研究，同時對海拔高度414 m(大氣壓96.63 kPa)、海拔高度1891 m(大氣壓80.61 kPa)時煤粉燃燒特性進行了測試，以便于進行對比分析。

2.2 試驗煤質(zhì)

本文以中電投西寧電廠鍋爐設計煤為典型煤樣進行研究，基本煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1，可見試驗煤樣為典型的煙煤。

表1 試驗煤樣的基本煤質(zhì)特性

續(xù)表1

2.3 試驗設備及試驗方法

圖1 燃燒試驗臺原理

本文中對燃料特性影響研究在特定的試驗臺上進行，圖1為模擬高海拔低氣壓環(huán)境的燃燒試驗原理圖。該試驗臺由密封艙、羅茨風機、以及放置于密封艙內(nèi)的一維火焰爐與煤粉氣流著火爐燃燒試驗系統(tǒng)組成。一維火焰爐用于研究燃煤的燃燼與結(jié)渣特性，著火爐用于研究燃料的著火特性，相關評價方法已經(jīng)形成了電力行業(yè)標準。

一維火焰爐試驗時，羅茨風機不但作為抽氣裝置，形成并維持密封艙負壓，而且還在燃燒系統(tǒng)中充當引風機，通過羅茨風機將尾部煙道壓力維持和密封艙的壓差為50 Pa左右。在頂部燃燒器設有氣壓平衡孔，保持爐內(nèi)的氣壓和密封艙的壓力相等。試驗人員進入密封艙，關閉艙門后啟動羅茨風機、抽取艙內(nèi)空氣，直至艙內(nèi)氣壓值達到指定值。隨后開啟煙氣系統(tǒng)閥門，并啟動送風機，按要求調(diào)整一、二次風量，并投入煤粉。待燃燒穩(wěn)定后，試驗人員開始進行測量與觀察。

著火爐試驗時，開啟羅茨風機形成設定的氣壓值，通電加熱爐體，至200℃時啟動送、引風機，然后投入煤粉。隨著溫度的升高，氣流產(chǎn)生火花，初期為不穩(wěn)定著火，最后達到穩(wěn)定著火，此時氣流溫度超過壁溫。將氣流溫度與壁溫的交叉點定義為“著火溫度IT。

3 燃燒特性試驗結(jié)果與分析

3.1 著火特性

由圖2所示不同氣壓、不同煤粉細度條件下著火溫度IT的測試結(jié)果可見，常壓下試驗煤樣屬于易－中等著火性能煤種，在77.83 kPa氣壓下著火性能降為中－難等級，高海拔低氣壓環(huán)境下試驗煤的著火溫度明顯提高。這表明低氣壓環(huán)境抑制了煤粉燃燒的反應速度，延長了著火時間，著火溫度上升。

此外試驗結(jié)果也顯示煤粉著火溫度受煤粉細度的影響較大，海拔高度越高影響越為明顯顯著。為保證穩(wěn)定著火，鍋爐煤粉細度R90應在15%左右，同時燃燒器設計上應有一定的穩(wěn)燃措施。

圖2 不同氣壓、不同煤粉細度下煤粉氣流著火溫度

3.2 燃燼特性

由圖3中測試結(jié)果可見，常壓下運行氧量2.5%～4.5%范圍內(nèi)，試驗煤樣燃燼率均在98.5%以上，為“極易”燃燼等級。海拔高度2481 m工況下試驗煤燃燼率在2.5%氧量條件下降低到98%以下，為“易”燃燼等級，略低于常壓環(huán)境條件下的燃盡率，但仍屬于燃盡性能較為優(yōu)異的煤種。

試驗結(jié)果顯示，由于用于試驗煤種本身的燃燒特性好，低壓環(huán)境雖然抑制了煤粉燃燒的反應速度，但是對燃煤的最終燃盡效果影響并不明顯，鍋爐設計中不必過多的考慮煤粉的燃燼率問題，可以采用較為嚴格的低氮分級燃燒技術。

圖3 不同氣壓條件下氧量對煤樣一維火焰爐燃燼率的影響

圖4中為高海拔條件下煤粉細度對燃燼率的影響規(guī)律，與常壓海拔環(huán)境下的規(guī)律相同，采用較細的煤粉細度可提高煤粉的燃燼率。結(jié)合煤粉氣流著火溫度測試結(jié)果，鍋爐煤粉細度R90控制在15%左右是必要的。

圖4 氣壓為74.83 kPa時煤粉細度對煤樣一維火焰爐燃燼率的影響

3.3 結(jié)渣特性

在一維火焰爐上，模擬煤粉氣流在爐內(nèi)的燃燒過程、溫度水平和氣氛等條件，采用硅碳棒作為結(jié)渣源，以反映不同區(qū)域煤粉燃燒的顆粒形態(tài)和粘結(jié)強弱，從而更直觀和實際的反映煤的結(jié)渣趨勢。硅碳棒作為具有較高溫度的結(jié)渣源可直接模擬鍋爐不同部位的結(jié)渣情況。在試驗前調(diào)整各級爐體壁溫，使爐內(nèi)各區(qū)域的火焰溫度處于1000～1500℃間的不同溫度水平。待燃燒穩(wěn)定后，將6個12×8×200的碳化硅棒插入選定的測孔作為結(jié)渣源，在結(jié)渣源上沉積下的灰渣依照其粘結(jié)的緊密程度由強到弱分為熔融、粘熔、強粘聚、粘聚、弱粘聚、微粘聚及附著灰七個等級。對具體的煤種，根據(jù)6個結(jié)渣源上的渣型等級，將煤種的結(jié)渣性用嚴重、高、中等和低四類型標示。

圖5 不同氣壓下渣棒結(jié)渣形態(tài)(1～6級)

試驗模擬各種大氣壓下各個測點的結(jié)渣試驗結(jié)果見表2。

對于本文研究的煤樣，一維火焰爐結(jié)渣工況試驗結(jié)果表明不同氣壓條件下燃煤的結(jié)渣特性均為“中等”等級，煙溫在1300℃以上時僅出現(xiàn)不嚴重的強粘聚渣型，鍋爐設計中不需要過多考慮燃煤的結(jié)渣性。

4 爐膛參數(shù)選取建議

鍋爐爐膛參數(shù)選擇的重要方法是根據(jù)燃煤特性，對比性能類似的煤種在同容量鍋爐的運行特征，以及已有鍋爐的技術特點和關鍵設計參數(shù)，根據(jù)《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》為新建鍋爐推薦適合的技術參數(shù)。圖6、圖7中為我國已投運的少數(shù)幾個高海拔地區(qū)鍋爐爐膛容積熱負荷與截面熱負荷與常壓海拔鍋爐的對比，從實際運行情況看，選用較低熱負荷參數(shù)的鍋爐運行情況較為良好。

圖6、圖7中包括了14個煤質(zhì)特性與本文研究煤樣接近的600 MW 等級機組鍋爐的主要熱負荷參數(shù)，容積熱負荷qv分布區(qū)間為78.036～96.784 kW/m3，斷面熱負荷qF分布區(qū)間為4.176～5.133 MW/m2。

表2 不同大氣壓下工程設計煤一維火焰爐結(jié)渣試驗結(jié)果(O2=3.5%，R90=20%)

圖6 我國高海拔地區(qū)典型電站鍋爐容積熱負荷取值比較

圖7 我國高海拔地區(qū)典型電站鍋爐截面熱負荷取值比較

在研究項目所處的高原地區(qū)，如果爐膛放熱強度特性技術參數(shù)值以及由其導出的爐膛輪廓尺寸仍維持常規(guī)選型標準，則爐內(nèi)煤粉氣流停留時間會過分縮短，導致燃盡度下降，氣壓和密度的降低也會導致燃燒反應速率和傳熱的減緩。因此，此區(qū)域電廠鍋爐爐膛選型應充分考慮低氣壓的影響，并充分考慮設計煤種的燃燒特性。按照《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》的規(guī)定，對較易著火煤(IT＜700℃)，從海拔超過700 m起開始進行爐膛參數(shù)的修正，平原地區(qū)的大氣壓規(guī)定為96 kPa(相應海拔高度450 m)，爐膛選型參數(shù)根據(jù)以下原則進行修正：

(1)高原地區(qū)的爐膛容積熱負荷qv高原

式中：對于褐煤，k的范圍為1.05～1.1；煙煤k≈1，無煙煤k為0.95或更低些；P為實際氣壓，西寧電廠取值為74.88 kPa。

(2)高原地區(qū)的爐膛斷面熱負荷qF高原

式中：k的范圍為0～2/3；當(P/100)＞0.9時選用k=0；當(P/100)＜0.9時選用可考慮k＞0；對于貧煤及無煙煤，尤其是易結(jié)渣煤種，k宜選用相對較大值，但不應超過2/3。

(3)燃燒器區(qū)高原壁面熱負荷qB高原

qB高原仍宜沿用平原地區(qū)選定值，除非對嚴重結(jié)渣煤種可比原選定值適當降低。

(4)高原地區(qū)爐膛燃盡區(qū)高度的修正h1高原

對于切向燃燒及墻式燃燒鍋爐，如采用爐膛燃盡區(qū)高度h1作爐膛選型輪廓特征參數(shù)之一時，則高原地區(qū)的鍋爐h1高原取值應按式(3)修正：

(5)燃燒器區(qū)尺寸一般應按(P/100)－1/2比值放大

表3給出了在標準大氣壓P0狀態(tài)下，以及經(jīng)給定的高海拔修正公式計算后的爐膛特征參數(shù)。同時，表中也根據(jù)本文中的煤質(zhì)特點，并結(jié)合已運行高海拔地區(qū)鍋爐與其他典型600 MW煙煤鍋爐的設計運行實踐給出本文研究的西寧電廠設計推薦值。

表3 新建機組鍋爐爐膛設計參數(shù)推薦值

5 主要輔機選型建議

5.1 制粉系統(tǒng)選型及設計參數(shù)推薦

推薦新機組采用直吹式制粉系統(tǒng)，配6(5+1運行方式)臺中速磨煤機?？紤]到穩(wěn)定著火、促進燃盡以及適應低NOx燃燒的需要，推薦煤粉細度R90為15%左右，磨煤機出口溫度應控制在70℃左右。

為適應煤種的變化、在煤質(zhì)變差時仍能保證良好的燃燒效果，磨煤機選型應考慮一定的裕度，同時應配備動靜結(jié)合的選旋轉(zhuǎn)分離器，以保證制粉系統(tǒng)具有煤粉細度R90達到10%左右，且均勻性指數(shù)n大于1.1的能力。

另外，同樣的質(zhì)量流量下，高海拔地區(qū)由于空氣密度低，體積流量要大很多，制粉系統(tǒng)設備和管道更易發(fā)生磨損，設計選型中應考慮低氣壓對氣流速度的影響，適當控制氣流速度，并考慮采用比平原地區(qū)更強的防磨措施。

5.2 鍋爐附屬煙風、制粉系統(tǒng)設計注意問題

高原地區(qū)氣壓降低，等溫氣體體積將發(fā)生膨脹，對于電廠鍋爐、煙風以及制粉系統(tǒng)的設計主要考慮以下幾個方面：

(1)由于煙氣體積增大而引起爐膛體積增加，煙道斷面尺寸也相應增加，電廠煙風系統(tǒng)擬定時應考慮合適的修正系數(shù)和裕量；空氣壓力和密度的降低會導致燃料燃燒反應速率的降低，因此要求燃燒產(chǎn)物在爐內(nèi)停留的時間比P0條件下適當延長，鍋爐廠爐膛設計時必須給予特別關注。

(2)為維持燃燒器出口的最佳空氣動力學條件，保證入爐煤的穩(wěn)定著火，燃燒器的結(jié)構尺寸應予以必要的放大，使其出口速度、動量比及旋流強度等參數(shù)均能等同于P0的條件?？紤]高海拔影響，燃燒器尺寸一般應按(P/100)－1/2比值放大。海拔愈高，燃燒過程愈趨向化學動力學控制，燃燒的穩(wěn)定性和完全性愈趨脆弱，可采取降低煤粉細度R90、濃淡分離燃燒器、提高二次風溫等措施以消弱其影響。

(3)從傳熱角度，氣壓下降也會促使煙氣的輻射放熱和對流放熱能力有所降低，前者影響微小，后者對流放熱系數(shù)大致與壓力的0.6次冪呈正比，故對流受熱面設計需考慮其影響。

(4)對于煙風流通面積，從對流換熱角度看，對流放熱系數(shù)與煙氣密度的0.6～0.65次冪成正比。高海拔地區(qū)鍋爐尾部豎井中煙、風流速增加(P/100)－1倍，造成磨損和阻力增加。故高海拔地區(qū)鍋爐尾部豎井中各煙、風通流截面積應增加(P/100)－1倍。

(5)對于電除塵器：需注意低氣壓對電場通流面積、煙氣流速、工作電流、極間距的選擇，并考慮低氣壓擊穿電壓降低的特殊條件，采用適當?shù)臉O配形式、極間距，以避免除塵器效率下降。

6 結(jié)論與建議

(1)本文中選用的煤樣在高海拔低氣壓環(huán)境下著火性能中等、極易燃盡，結(jié)渣傾向中等，設計中應注意采取積極的強化燃燒措施以穩(wěn)定著火。

(2)考慮到高海拔低氣壓環(huán)境的影響，推薦新機組鍋爐容積熱負荷qV≤70 kW/m3，截面熱負荷qF約為4.2 MW/m2，燃燒器區(qū)壁面熱負荷qB為1.6～1.8 MW/m2，最上層燃燒器中心到屏底距離不低于22 m。

(3)建議新機組采用直吹式制粉系統(tǒng)，配6(5+1運行方式)臺中速磨煤機，推薦煤粉細度R90為15%左右、磨煤機出口溫度控制在70℃左右。磨煤機選型應考慮一定的裕度，同時應配備動靜結(jié)合的選旋轉(zhuǎn)分離器。

(4)制粉系統(tǒng)設備和管道選型、設計中應考慮低氣壓對氣流速度的影響，適當控制氣流速度，并考慮采用比平原地區(qū)更耐用的防磨措施。