某“W”火焰超臨界鍋爐結(jié)焦原因分析及對(duì)策

奉 林，熊顯巍，徐金苗

(1. 越南永新一期電力有限公司，越南 永新；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240；3. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

0 引言

目前很多燃煤電站鍋爐存在結(jié)焦現(xiàn)象，結(jié)焦使得鍋爐受熱面吸熱減少、排煙溫度升高、燃燒效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)針對(duì)鍋爐結(jié)焦問(wèn)題研究較多，李升明[1]等人對(duì)含硫量較高的煤粉鍋爐進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鍋爐燃燒時(shí)的還原性氣氛能夠促進(jìn)爐膛結(jié)焦，并針對(duì)規(guī)律適當(dāng)提高了爐膛氧量。 肖建新[2]等人從運(yùn)行操作以及氧量角度分析研究了鍋爐結(jié)焦原因，發(fā)現(xiàn)良好的空氣動(dòng)力場(chǎng)、合適的氧量以及一次風(fēng)率均能夠改善鍋爐結(jié)焦。安思科[3]等人利用數(shù)值模擬方法對(duì)遼寧某電廠進(jìn)行了鍋爐結(jié)焦研究，發(fā)現(xiàn)燃煤的煤質(zhì)變化對(duì)鍋爐結(jié)焦有很大影響。

某燃煤電廠建設(shè)—經(jīng)營(yíng)—轉(zhuǎn)讓(buildoperate-transfer，BOT)項(xiàng)目建設(shè)2×620 MW超臨界機(jī)組，采用某公司的生產(chǎn)超臨界“W”火焰鍋爐，每爐配6臺(tái)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，采用正壓冷一次風(fēng)直吹式系統(tǒng)，燃用越南北部無(wú)煙煤。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，受熱面結(jié)焦嚴(yán)重，多次造成停爐事件，本文針對(duì)該電廠結(jié)焦問(wèn)題，從衛(wèi)燃帶敷設(shè)合理性方面進(jìn)行研究，得到最佳的衛(wèi)燃帶敷設(shè)方位，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鍋爐結(jié)焦情況

鍋爐燃用極難著火和極難燃盡的越南北部產(chǎn)的無(wú)煙煤，煤質(zhì)情況見表1。

表1 煤質(zhì)情況

設(shè)計(jì)的不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷為不大于40 %鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continue rate，BMCR)，出于加強(qiáng)煤粉著火和燃盡的考慮，并且盡可能降低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷水平，在爐內(nèi)水冷壁拱部燃燒器區(qū)域敷設(shè)有一定面積的衛(wèi)燃帶，以保證無(wú)煙煤的穩(wěn)定燃燒和高效燃盡。在爐內(nèi)拱部區(qū)域敷設(shè)有 924 m2衛(wèi)燃帶，布置位置如圖1所示。

圖1 鍋爐衛(wèi)燃帶布置圖

超臨界“W”火焰鍋爐普遍容易結(jié)焦，調(diào)研國(guó)內(nèi)的同類型機(jī)組，尤其是翼墻和靠近翼墻的側(cè)墻非常容易結(jié)焦。該處水冷壁規(guī)格為Φ31.8×5.5 mm，材質(zhì)為SA-213T12，在#1爐投運(yùn)期間兩次造成#1爐冷灰斗水冷壁泄漏，在停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)在灰斗四角的位置均有多處管子減薄，最大減薄到達(dá)2 mm以上必須更換。對(duì)爐膛檢查主要結(jié)焦區(qū)域?yàn)橐韷θ龑臃澜Y(jié)焦風(fēng)口位置，焦塊體積大而且硬度大部分呈現(xiàn)玻璃態(tài)，該位置正對(duì)管子受傷區(qū)域，可以判定是由于焦塊落后刮擦冷灰斗水冷壁管造成水冷壁管減薄乃至泄漏。

2 鍋爐結(jié)焦原因分析

2.1 煤質(zhì)分析

該電廠燃用越南北部無(wú)煙煤，根據(jù)大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則，對(duì)于雙拱燃燒“W”火焰鍋爐的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷率(boiler minimum stable Load without auxiliary fuel support rate，BMLR)的推薦值見表2[4]：本期工程設(shè)計(jì)煤種 Vdaf=10.8，校核煤種 Vdaf=8.03；比較導(dǎo)則的推薦值，機(jī)組設(shè)計(jì)的40%BMCR最低穩(wěn)燃負(fù)荷難以達(dá)到。

表2 不同揮發(fā)分下鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷推薦值

對(duì)煤的燃燒穩(wěn)定性能分析：C=0.045×8.03+0.52=0.881 35，對(duì)照表3著火特性分類，該煤種屬于極難穩(wěn)定燃燒煤種。

表3 煤的著火特性分類[1]

對(duì)煤的燃燒穩(wěn)定性能分析M=1.34+0.048×8.03=1.725 44對(duì)照表4，該煤種處于極難穩(wěn)定區(qū)。

表4 煤的燃燒穩(wěn)定性分類

煤種堿性金屬含量也較高，這加劇了受熱面沾污結(jié)焦的情況。

2.2 衛(wèi)燃帶分析

大型電站鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，其中涉及到氣相湍流流動(dòng)，氣固兩相流耦合流動(dòng)傳熱、輻射傳熱、揮發(fā)分析出與燃燒、碳顆粒燃燒等物理化學(xué)過(guò)程。因此，要想對(duì)“W”型火焰鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行比較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，需要選擇適合的數(shù)學(xué)模型和準(zhǔn)確的化學(xué)參數(shù)。對(duì)氣相和顆粒采用不同的處理方法：將氣相作為連續(xù)性介質(zhì)，用歐拉法來(lái)描述；將煤粉顆粒相作為離散相物質(zhì)，用拉格朗日法來(lái)描述。采用非預(yù)混燃燒模型，用帶旋修正Realizable k-ε模型模擬氣相湍流運(yùn)輸；采用特有的輻射模型計(jì)算輻射傳熱，對(duì)固體顆粒相的求解則采用隨機(jī)顆粒軌道模型。由于鍋爐爐膛內(nèi)氣流的流動(dòng)為紊流流動(dòng)，所以本文采用的控制方程為三維不可壓縮黏性流體定常流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程與Realizable k-ε模型。由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用于強(qiáng)旋流時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真，因此本文采用了帶旋流修正的Realizable k-ε模型。方程組的通式為：

表5 具體方程組

各通用常數(shù)的取值為：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0， σε=1.2， 表 6 為 該 燃 煤 電 廠2×620 MW超臨界機(jī)組鍋爐BMCR工況時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)，即為模擬計(jì)算時(shí)的邊界 條件；表7為模擬計(jì)算時(shí)速度邊界條件；表8為壁面邊界條件設(shè)定值。

表6 該鍋爐BMCR工況時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)

表7 速度邊界條件

表8 壁面邊界條件設(shè)定

通過(guò)對(duì)衛(wèi)燃帶原設(shè)計(jì)方案、去掉翼墻衛(wèi)燃帶、去掉全部衛(wèi)燃帶三種工況采用數(shù)學(xué)模擬計(jì)算方法對(duì)爐內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析。在鍋爐結(jié)構(gòu)已經(jīng)決定的情況下，與結(jié)焦有關(guān)的主要是觀察爐內(nèi)溫度分布。所以在計(jì)算結(jié)果中主要列出爐內(nèi)溫度分布[5-6]。通過(guò)對(duì)三種衛(wèi)燃帶布置形式在24 m截面溫度場(chǎng)的分布可以看出，隨著衛(wèi)燃帶面積的減小，爐內(nèi)高溫區(qū)域逐漸縮小，截面平均溫度也相應(yīng)隨之減小。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)工況除去翼墻衛(wèi)燃帶爐內(nèi)整體溫度分布合理，不易引起嚴(yán)重結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)，并且比去掉全部衛(wèi)燃帶能夠提高機(jī)組運(yùn)行熱效率，所以在工程實(shí)際中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、安全性以及經(jīng)濟(jì)性綜合考慮敷設(shè)衛(wèi)燃帶。

圖2 原衛(wèi)燃帶(平均溫度1 770 K)

與敷設(shè)衛(wèi)燃帶相比，去掉翼墻衛(wèi)燃帶后，高溫區(qū)域減小明顯，且往爐膛中心靠攏，整體上溫度分布更為均勻，貼邊溫度較敷設(shè)衛(wèi)燃帶相比降低約100℃，如圖2、圖3所示。

圖3 拆除翼墻(平均溫度1 724 K)

全部去掉衛(wèi)燃帶后，爐內(nèi)高溫區(qū)進(jìn)一步減小，貼邊區(qū)域溫度比工況2降低約 100℃，如圖4所示。但是溫度過(guò)低影響水冷壁吸熱，主蒸汽溫度跟再熱蒸汽溫度達(dá)不到設(shè)定值，使得機(jī)組效率下降。

圖4 無(wú)衛(wèi)燃帶(平均溫度1 651 K)

3 改造效果分析

3.1 采取措施

爐膛拱部水冷壁具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其中翼墻水冷壁節(jié)距為 64.924 mm，相比下爐膛除翼墻外其它水冷壁節(jié)距49.8 mm，其節(jié)距更大，扁鋼寬度更寬，容易出現(xiàn)扁鋼超溫。在設(shè)計(jì)上采取了將翼墻扁鋼的厚度由 6.4 mm 增加到9.0 mm，并且在翼墻水冷壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶，避免翼墻水冷壁直接參與爐膛高溫輻射換熱，以降低翼墻管子及扁鋼的溫度水平。

在考慮鍋爐運(yùn)行安全的同時(shí)結(jié)合必須滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷≥60%BMCR的情況。最終采取了圖5的衛(wèi)燃帶優(yōu)化方式，共分為4個(gè)帶狀區(qū)以便現(xiàn)場(chǎng)施工和逐步調(diào)整，由于結(jié)焦區(qū)域主要為區(qū)域一，該處溫度最高，煙氣回流液最嚴(yán)重，因此首先對(duì)區(qū)域一進(jìn)行了施工。其它區(qū)域在根據(jù)運(yùn)行結(jié)焦情況和工期進(jìn)行處理。為了使得焦塊容易脫落不形成大焦塊，將衛(wèi)燃帶間隔700 mm，同時(shí)對(duì)與翼墻相連的側(cè)墻采取棋盤格子的方式。

圖5 衛(wèi)燃帶優(yōu)化方式

3.2 取得實(shí)際效果

#2爐在2018年10月份安排對(duì)區(qū)域一的衛(wèi)燃帶拆除后，連續(xù)半年滿負(fù)荷運(yùn)行未發(fā)生垮大焦情況，對(duì)比#1爐爐膛溫度降低明顯，大大緩解了結(jié)焦情況。同時(shí)翼墻水冷壁也未發(fā)生超溫和拉裂問(wèn)題。取得了很好的效果。表9和表10為兩臺(tái)爐在2019年3月同一時(shí)間滿負(fù)荷工況時(shí)24 m處觀火孔溫度測(cè)量對(duì)比。

表9 #1爐爐溫測(cè)量結(jié)果(未改造)

表10 #2爐爐溫測(cè)量結(jié)果(已改造)

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某“W”火焰超臨界鍋爐結(jié)焦原因分析，采取調(diào)整翼墻和側(cè)墻的衛(wèi)燃帶的措施，發(fā)現(xiàn)將衛(wèi)燃帶按照數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行局部處理后，取得優(yōu)異的改造效果。但衛(wèi)燃帶處理也需要注意以下幾點(diǎn)：

1)“W”火焰鍋爐的衛(wèi)燃帶要根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況來(lái)確定穩(wěn)燃的負(fù)荷，確保機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2)對(duì)于拆除衛(wèi)燃帶的面積，要考慮對(duì)管屏熱偏差最小和結(jié)焦最小，建議采取棋盤形狀的衛(wèi)燃帶。

3)對(duì)于“W”型火焰鍋爐，合理敷設(shè)衛(wèi)燃帶可防止局部高溫，使得溫度分布更加均勻，能夠解決超溫引起的結(jié)焦問(wèn)題。

4)根據(jù)#2機(jī)組衛(wèi)燃帶改造效果，建議該廠#1機(jī)組也進(jìn)行相應(yīng)改造，解決#1機(jī)組結(jié)焦問(wèn)題。