1 100 MW反向雙切圓鍋爐蒸汽溫度調(diào)整研究

鞏時尚， 陳 祿， 韓華鋒， 朱 雷， 陳鐵鋒

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗研究院有限公司， 西安 710054；2. 國電浙能寧東發(fā)電有限公司， 銀川 750408)

面對國內(nèi)環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)增長速度放緩的現(xiàn)狀，國家電力系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性更高的超超臨界電站鍋爐勢在必行。目前，國內(nèi)投運(yùn)的1 000 MW及以上超超臨界機(jī)組已有90余臺，其中反向雙切圓鍋爐占四分之一。該類型機(jī)組在實際運(yùn)行過程中，均存在主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度達(dá)不到設(shè)計值、高溫過熱器與高溫再熱器壁溫裕度小且容易超溫等問題，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[1]。

筆者以某1 100 MW機(jī)組反向雙切圓鍋爐為例，在高溫過熱器與高溫再熱器壁溫不超溫的前提下，研究使主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度達(dá)到設(shè)計值的調(diào)整方法。

1 設(shè)備概況

該電廠1 100 MW超超臨界機(jī)組鍋爐采用反向雙切圓燃燒方式、中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺鍋爐配6臺磨煤機(jī)，在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下，5臺運(yùn)行，1臺備用。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1(THA工況為汽輪機(jī)熱耗率驗收工況)。

該機(jī)組鍋爐切圓情況及燃燒器布置見圖1。

圖1 雙切圓鍋爐燃燒器布置圖

主燃燒器(均為擺動式燃燒器)采用前后墻布置，共6層(每臺磨煤機(jī)對應(yīng)1層燃燒器)，每層8個，前后墻各布置4個。一次風(fēng)噴嘴能夠垂直擺動±20°，二次風(fēng)噴嘴能夠垂直擺動±30°。爐膛內(nèi)部形成反向雙切圓，即由3號、4號、5號、6號燃燒器在爐膛左半部分中心形成順時針旋向的假想切圓，由1號、2號、7號、8號燃燒器在爐膛右半部分中心形成逆時針旋向的假想切圓。

屏式過熱器從鍋爐左墻至右墻共有12個大屏，每個大屏從前墻至后墻又分為6個小屏(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ屏)；末級過熱器共有72個屏，從左墻向右墻計數(shù)，1～36號屏在左側(cè)，37～72號屏在右側(cè)；末級再熱器共有126個屏，同樣從左墻向右墻計數(shù)，1～63號屏在左側(cè)，64～126號屏在右側(cè)。

2 機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀及分析

2.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

該機(jī)組鍋爐過熱器和再熱器材料的性能見表2。

表2 鍋爐過熱器及再熱器管材材料的主要性能

2.2 原因分析

機(jī)組負(fù)荷為825 MW，即75%THA工況時，對過熱器與再熱器壁溫進(jìn)行了摸底試驗，結(jié)果見圖2。在75%THA工況下，鍋爐燃煤質(zhì)量流量為380.22 t/h，過熱度為31.8 K，磨煤機(jī)B、C、D、E、F投運(yùn)，每臺磨煤機(jī)的給煤質(zhì)量流量為76.04 t/h，主燃燒器和燃盡風(fēng)燃燒器均為水平位置(擺角幅度均為50%)，過熱器煙氣擋板開度為65%，再熱器煙氣擋板開度為65%，主蒸汽溫度為590.7 ℃，再熱蒸汽溫度為602.0 ℃，蒸汽溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計值。

圖2 末級過熱器及末級再熱器壁溫分布

由圖2可得：在2個切圓中心的末級過熱器和末級再熱器的壁溫相對較高，說明整體上左右燃燒偏差較小，同一層的8個燃燒器熱負(fù)荷較為均勻，但是在運(yùn)行過程中過熱器與再熱器壁溫裕度小，并且過熱蒸汽與再熱蒸汽減溫水閥門動作幅度大。針對該問題可進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，在保證壁溫不超溫的情況下，使主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度達(dá)到設(shè)計值。

3 燃燒優(yōu)化調(diào)整

3.1 燃燒器擺角的影響

該機(jī)組燃燒器均為擺動式燃燒器。一次風(fēng)噴嘴能夠垂直擺動±20°，下擺20°、處于水平位置、上擺20°所對應(yīng)的擺角幅度分別為0%、50%、100%；二次風(fēng)噴嘴能夠垂直擺動±30°，下擺30°、處于水平位置、上擺30°所對應(yīng)的擺角幅度分別為0%、50%、100%。一次風(fēng)噴嘴與二次風(fēng)噴嘴由同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動，同時擺動。在75%THA工況，對燃燒器擺角幅度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，燃燒器擺角幅度分別選擇為50%、55%、60%，試驗結(jié)果見表3(44-16管表示44號屏16號管，下同)。文中表格數(shù)據(jù)列出左右兩側(cè)，用兩側(cè)平均值進(jìn)行分析。

表3 不同燃燒器擺角幅度下鍋爐主要參數(shù)

由表3可得：燃燒器擺角幅度增加10百分點，主蒸汽溫度提高8.55 K，再熱蒸汽溫度提高10.45 K，鍋爐排煙溫度略微升高，脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度同樣略有提升，但是變化不大。這是由于隨著燃燒器向上擺動，火焰中心上移，使過熱器與再熱器吸熱增加；同時，火焰中心上移造成著火側(cè)氧量增加，NOx生成量也增加[2]。

不同燃燒器擺角工況下，末級過熱器和末級再熱器的壁溫見圖3。

圖3 不同燃燒器擺角下的壁溫分布

由圖3可得：隨著燃燒器向上擺動，末級過熱器和末級再熱器的壁溫均升高，且升高趨勢一致，均呈M形分布，尤其是末級再熱器更為明顯，最高壁溫位于25號屏和96號屏附近，最高壁溫是末級再熱器靠爐前方向第1根管的壁溫。

3.2 運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響

為研究運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)對主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的影響，在75%THA工況分別選取運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)為3.2%、3.5%、3.7%進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)下鍋爐主要參數(shù)

由表4可得：運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)由3.2%提高到3.7%時，脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度升高24.65 mg/m3，主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度均呈現(xiàn)升高趨勢；當(dāng)運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)為3.5%時，主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度升高趨勢明顯減弱，鍋爐排煙溫度變化趨勢與主蒸汽溫度一致。這是因為運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)是由總風(fēng)量控制的，增加總風(fēng)量不改變各級空氣比例，只是增加了還原區(qū)和燃燒區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，從而使燃燒更完全，提高了燃盡率，并且增加了過熱器與再熱器吸熱量，有利于提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度[3]，但同時也提高了NOx的生成量。

3.3 燃盡風(fēng)量的影響

在主燃燒器上方布置2組燃盡風(fēng)燃燒器，每組3層，每層8個，第1組的3層燃盡風(fēng)燃燒器分別為LL1、LL2、LL3(下三層)，第2組的3層燃盡風(fēng)燃燒器分別為UU1、UU2、UU3(上三層)。燃盡風(fēng)燃燒器出口射流中心線和水冷壁的夾角分別為55°和64.5°，與主燃燒器的射流方向一致，每個燃盡風(fēng)風(fēng)室布置2個噴嘴。燃盡風(fēng)的設(shè)置有利于減少NOx排放，調(diào)節(jié)火焰中心；同時，為了減弱爐膛內(nèi)空氣氣流的殘余旋轉(zhuǎn)，減少爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差，各燃盡風(fēng)噴嘴還可以水平擺動±10°和垂直擺動±30°。

教材的結(jié)構(gòu)性是指教材內(nèi)容展開要有層次，要符合學(xué)科知識的內(nèi)在邏輯，知識點之間要密切聯(lián)系．譬如，布魯納曾言，教學(xué)不是教知識，而是教知識的結(jié)構(gòu)[12]，美國數(shù)學(xué)委員會在其《呼喚變革：關(guān)于數(shù)學(xué)教師的數(shù)學(xué)修養(yǎng)的建議書》中特別提議未來所有的數(shù)學(xué)老師都要了解數(shù)學(xué)的來龍去脈的知識，并獲得對數(shù)學(xué)中許多重要概念的更深入的理解[13]．教材的結(jié)構(gòu)體系不僅影響學(xué)生學(xué)到了什么知識，還對學(xué)生是否能夠構(gòu)建具有數(shù)學(xué)文化內(nèi)涵的知識結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這樣的結(jié)構(gòu)靠學(xué)習(xí)碎片化的知識是不可能完成的，必須建立在學(xué)習(xí)者對相關(guān)知識及其境脈的深刻理解的基礎(chǔ)上，因此，編寫教材時必須對知識的結(jié)構(gòu)體系慎重把握[14]．一般而

為了進(jìn)一步提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度，在75%THA工況對燃盡風(fēng)風(fēng)門開度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。在下三層燃盡風(fēng)(LL1、LL2、LL3)風(fēng)門全開且UU2和UU3風(fēng)門保持10%開度的情況下， UU1風(fēng)門開度分別選取100%、50%、10%進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同燃盡風(fēng)風(fēng)門開度下鍋爐主要參數(shù)

由表5可得：UU1開度由100%關(guān)小至10%時，主蒸汽溫度提高8.50 K，再熱蒸汽溫度提高4.55 K，脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度升高30.2 mg/m3，鍋爐排煙溫度略微升高。這是由于燃盡風(fēng)減小，相當(dāng)于增加了主燃燒區(qū)域的氧氣體積分?jǐn)?shù)，使燃燒加強(qiáng)，水冷壁吸熱量增加，進(jìn)而提高了主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度[4]。

不同燃盡風(fēng)風(fēng)門開度工況下，末級過熱器與末級再熱器壁溫分布見圖4。由圖4可得：隨著UU1風(fēng)門開度的減小，末級過熱器與末級再熱器的壁溫均升高，且均呈現(xiàn)M形分布，尤其是末級再熱器更為明顯，最高壁溫位于25號屏和96號屏附近，最高壁溫是處于末級再熱器每屏第1根管的壁溫。

圖4 不同燃盡風(fēng)開度下的壁溫分布

3.4 煙氣擋板開度的影響

該鍋爐尾部采用雙煙道，根據(jù)再熱蒸汽溫度的需要，調(diào)節(jié)省煤器出口煙道的煙氣擋板開度，改變通過低溫再熱器和低溫過熱器的煙氣量，從而實現(xiàn)對再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)方法的適用情況為：(1)機(jī)組負(fù)荷≥500 MW時，主蒸汽溫度偏高，且過熱器減溫水投入使用，再熱蒸汽溫度未到額定值且再熱器減溫水閥門全關(guān)；(2)在低負(fù)荷時，主蒸汽溫度較高，再熱蒸汽溫度偏低，且過熱器和再熱器減溫水均未投入。

現(xiàn)以75%THA工況為例，研究煙氣擋板開度對主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的影響，試驗結(jié)果見表6。在調(diào)整煙氣擋板開度前，過熱器煙氣擋板開度為85%且過熱器減溫水投入量較大，主蒸汽溫度接近額定溫度，而再熱器煙氣擋板開度為40%，并且再熱蒸汽溫度較低且再熱器減溫水閥門全關(guān)，此時低溫過熱器側(cè)煙氣流量超過設(shè)計流量，使過熱器側(cè)吸熱量增加，再熱器側(cè)吸熱量減小。在此工況基礎(chǔ)上，緩慢開大再熱器煙氣擋板，關(guān)小過熱器煙氣擋板，在該過程中過熱器減溫水閥門自動投入，隨著過熱器煙氣擋板逐漸關(guān)小，減溫水閥門也逐漸關(guān)小，直至關(guān)至零。

由表6可得：調(diào)節(jié)煙氣擋板開度后，主蒸汽溫度基本未變，末級過熱器壁溫有下降趨勢，再熱蒸汽溫度提高13.35 K，同時能夠節(jié)省減溫水質(zhì)量流量65.4 t/h，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。建議后期運(yùn)行過程出現(xiàn)以上適用情況時，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)蒸汽溫度。

表6 不同煙氣擋板開度下鍋爐主要參數(shù)

3.5 一次風(fēng)量的影響

表7 不同一次風(fēng)量下鍋爐主要參數(shù)

3.6 二次風(fēng)配風(fēng)模式的影響

二次風(fēng)配風(fēng)模式對火焰中心位置及爐內(nèi)燃燒切圓大小至關(guān)重要，當(dāng)減少下層二次風(fēng)量時，能夠減小下層切圓大小，并且減弱火焰剛性[6]。在爐膛負(fù)壓的作用下火焰能夠及早上移，抬高火焰中心，使煤粉主要在爐膛上部燃燒。

在75%THA工況下，磨煤機(jī)B、C、D、E、F投運(yùn)，維持運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)不變，將磨煤機(jī)B、C對應(yīng)燃燒器的二次風(fēng)質(zhì)量流量偏置設(shè)為5%，其余磨煤機(jī)對應(yīng)燃燒器的二次風(fēng)風(fēng)門開度不變，減小下層二次風(fēng)量，試驗結(jié)果見表8。由表8可得：減小B、C磨煤機(jī)對應(yīng)燃燒器二次風(fēng)質(zhì)量流量，有利于提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，同時減少NOx生成量。這是由于減小下層二次風(fēng)質(zhì)量流量后，下層缺氧燃燒，燃料型NOx減少，同時煤粉燃燒上移，爐膛出口煙氣溫度增加，加強(qiáng)了屏式過熱器輻射傳熱，也加強(qiáng)了煙氣與過熱器和再熱器對流傳熱，使主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度升高。

表8 二次風(fēng)量調(diào)整前后鍋爐主要參數(shù)

3.7 鍋爐吹灰方式的影響

合理的吹灰方式不僅能夠減少吹灰蒸汽用量、降低煙道阻力、節(jié)省引風(fēng)機(jī)電耗，更能提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度[7-8]。在75%THA工況下，分別對爐膛、過熱器及再熱器受熱面吹灰前后各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比分析(用長吹灰器對過熱器和再熱器受熱面吹灰，用短吹灰器對爐膛吹灰)，試驗結(jié)果見表9。

表9 吹灰前后鍋爐主要參數(shù)

由表9可得：長吹灰器吹灰后，主蒸汽溫度不變的情況下，過熱器減溫水質(zhì)量流量增加63.1 t/h，再熱蒸汽溫度提高7.9 K。這是由于長吹灰器吹灰后，增加了過熱器、再熱器與煙氣間的傳熱效率，有利于提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度。因此，需要提高再熱蒸汽溫度時，對再熱器受熱面吹灰也是有效手段。短吹灰器吹灰后，主蒸汽溫度基本沒有變化，再熱蒸汽溫度下降7.7 K。這是因為短吹灰器吹灰后增加了水冷壁區(qū)域的吸熱量，降低了爐膛出口煙氣溫度，再熱器的對流傳熱減弱。

當(dāng)高溫再熱器壁溫接近報警溫度，可以對高溫過熱器及屏式過熱器進(jìn)行吹灰。當(dāng)爐膛用短吹灰器吹灰后，主蒸汽溫度較高且過熱器一、二級減溫水質(zhì)量流量達(dá)到100 t/h左右，再熱蒸汽溫度較低時，可以對再熱器進(jìn)行吹灰。

4 調(diào)整效果分析

對燃燒器擺角、運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)、二次風(fēng)配風(fēng)模式、一次風(fēng)量和吹灰方式等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在一定程度上均有利于提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度，但是脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度會有不同程度的增加，同時調(diào)整各參數(shù)時主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度具體結(jié)果見表10。

表10 優(yōu)化調(diào)整后主要參數(shù)

由表10可得：不同負(fù)荷下進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整時，在過熱器和再熱器壁溫保持較大裕度的基礎(chǔ)上，主蒸汽溫度提高到602.4～605.5 ℃，再熱蒸汽溫度提高到621.7～623.3 ℃，均能達(dá)到設(shè)計值。

5 結(jié)語

(1) 主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度主要受限于未對機(jī)組運(yùn)行和燃燒進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，導(dǎo)致壁溫裕度過小。

(2) 對燃燒器擺角、運(yùn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)、燃盡風(fēng)風(fēng)量、煙氣擋板開度、一次風(fēng)量、二次風(fēng)配風(fēng)模式和吹灰方式分別進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，均能起到提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的作用。

(3) 分別在500 MW、825 MW和1 000 MW下對各參數(shù)同時進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，主蒸汽溫度能提高到602.4～605.5 ℃，再熱蒸汽溫度能提高到621.7～623.3 ℃，調(diào)整效果良好，蒸汽溫度均能達(dá)到設(shè)計值，并且過熱器與再熱器的壁溫也保持了較大的裕度。