爐底漏風(fēng)對某600 MW機(jī)組鍋爐性能的影響

童家麟，齊曉娟，韓 平，關(guān) 鍵，呂洪坤

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014；3.浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310007）

風(fēng)冷式干排渣系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代意大利MAGALDI公司設(shè)計(jì)并研發(fā)的，在國際上使用比例較低，約占煤電總裝機(jī)容量的1%[1]。與濕式排渣系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有耗水量低、底渣利用率高、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢[2]，該系統(tǒng)于1999年首次在河北三河電廠350 MW機(jī)組上得到應(yīng)用，但近年來應(yīng)用推廣非常迅速，目前國內(nèi)已有數(shù)百臺燃煤機(jī)組采用干式排渣系統(tǒng)，尤其在我國西北部缺水地區(qū)，新建機(jī)組多數(shù)以干式排渣機(jī)為主要除渣設(shè)備[3-4]。但國內(nèi)多臺機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，干式排渣系統(tǒng)存在明顯的爐底漏風(fēng)問題，對機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響[5-6]。

趙振寧等[7]采用計(jì)算流體力學(xué)方法對爐底漏風(fēng)進(jìn)入爐膛后火焰形態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了排煙溫度大幅升高的原因。許華等[8]研究認(rèn)為干式除渣系統(tǒng)較濕式除渣系統(tǒng)對鍋爐燃燒及效率影響更大。劉泰生等[9]研究了干式除渣系統(tǒng)對鍋爐效率的影響，得出其漏風(fēng)率過大時(shí)會明顯提升鍋爐高溫受熱面壁溫和減溫水量。以往國內(nèi)學(xué)者往往通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式或者對滿負(fù)荷下數(shù)值計(jì)算研究爐底漏風(fēng)對鍋爐運(yùn)行的影響，但現(xiàn)場試驗(yàn)存在著一定的不可預(yù)見性，甚至可能影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而數(shù)值模擬技術(shù)已成為燃燒過程研究的重要方法，并已得到了廣泛的應(yīng)用[10]?；诖?，本文使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)進(jìn)行了各典型負(fù)荷下爐底漏風(fēng)對某亞臨界四角切圓燃燒鍋爐溫度場、燃盡率、NOx生成量等全方位影響的數(shù)值模擬研究，并從空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）X比變化方面對排煙溫度的影響進(jìn)行了研究，以期為同類型鍋爐提供參考。

1 鍋爐概況

某電廠1號鍋爐是美國CE公司制造的亞臨界、一次再熱、強(qiáng)制循環(huán)、平衡通風(fēng)、單汽包、半露天2 008 t/h四角切圓燃燒煤粉鍋爐，配置6層共24只上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的超低NOx燃燒器。為進(jìn)一步降低NOx排放，鍋爐還在主燃燒器上部設(shè)置分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴口。鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種為晉北煙煤，其煤質(zhì)分析見表1。

該鍋爐配備6臺HP983型中速磨煤機(jī)，并在綜合升級改造中，將原濕式除渣系統(tǒng)改為干式除渣系統(tǒng)。干式除渣系統(tǒng)投運(yùn)后，1號鍋爐夏季工況運(yùn)行時(shí)，空預(yù)器煙氣側(cè)進(jìn)口溫度較去年同期相同負(fù)荷時(shí)基本持平，而出口溫度較去年同期相同負(fù)荷時(shí)高約20 ℃，空預(yù)器換熱量減小，一定程度上影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。另外，鍋爐在綜合升級改造中對空預(yù)器進(jìn)行了檢查和水沖洗，而改造后短期運(yùn)行即出現(xiàn)空預(yù)器換熱能力下降現(xiàn)象，故可排除空預(yù)器換熱元件硫酸氫銨附著原因。分析認(rèn)為，空預(yù)器換熱量下降是由干渣機(jī)爐底漏風(fēng)引起，滿負(fù)荷在爐膛壓力控制為-100 Pa的工況下，爐底漏風(fēng)量可達(dá)100 t/h。而干渣機(jī)設(shè)計(jì)最大冷卻空氣量不超過鍋爐總風(fēng)量的1%，且滿負(fù)荷下使用熱線風(fēng)速儀對各冷卻風(fēng)口測得的冷卻風(fēng)量總和約為15～20 t/h。因此，該鍋爐爐底漏風(fēng)量過大可能與干渣機(jī)系統(tǒng)密封不嚴(yán)有關(guān)，理論上漏風(fēng)量會隨著鍋爐負(fù)荷的降低而下降，但該鍋爐的絕大部分漏風(fēng)量無法通過關(guān)閉冷卻風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，而受爐膛壓力影響較大，若爐膛壓力控制更低，漏風(fēng)量則會更大。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤種煤質(zhì)分析Tab.1 Quality analysis results of the design coal

2 數(shù)值模擬

圖1 為該鍋爐爐膛整體網(wǎng)格劃分。整個(gè)爐膛采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其中對燃燒、流動(dòng)較為劇烈的燃燒器區(qū)域和燃盡風(fēng)區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)大約為300萬，計(jì)算所采用模型的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[11]。

本文主要對100%ECR（連續(xù)經(jīng)濟(jì)出力，economic continuous rating）、75%ECR、50%ECR 3個(gè)負(fù)荷共9個(gè)工況下不同爐底漏風(fēng)量對鍋爐的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，具體計(jì)算工況見表2。計(jì)算時(shí)使用的煤質(zhì)為鍋爐常用的晉北煙煤，采用均等配煤、均等配風(fēng)，且相同負(fù)荷下各工況爐膛出口氧量保持不變。

圖1 爐膛整體網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh generation of the furnace

表2 數(shù)值模擬計(jì)算工況Tab.2 The numerical simulation conditions

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 燃燒器區(qū)域煙氣溫度

為了定量判斷爐底漏風(fēng)對鍋爐穩(wěn)燃能力的影響，分別對9個(gè)工況下各燃燒器層中心截面煙氣平均溫度進(jìn)行比較，沿爐膛高度方向，各燃燒器層排列順序?yàn)锳—F，燃燒器層中心截面煙氣平均溫度比較結(jié)果如圖2所示。

圖2 燃燒器層中心截面煙氣平均溫度比較Fig.2 The average flue gas temperature in cross section of each burner layer

由圖2可以看出：隨著負(fù)荷的降低，燃燒器層中心截面煙氣溫度隨之下降，以最下層A燃燒器層為例，工況7該層截面煙氣平均溫度較工況1下降約100 K，鍋爐穩(wěn)燃能力有所降低；不同爐底漏風(fēng)量對鍋爐穩(wěn)燃能力的影響亦有明顯不同，總體上各燃燒器層煙氣平均溫度隨著爐底漏風(fēng)量的增大而降低，A燃燒器層最為明顯，工況3較工況1該燃燒器層截面煙氣平均溫度下降約70 K，工況2較工況1下降約40 K，這與干渣機(jī)漏入空氣溫度較低有關(guān)，漏風(fēng)量越大，對底層燃燒器煙氣溫度影響越明顯；隨著爐膛高度的增加，爐底漏風(fēng)對煙氣溫度影響程度較弱，至最上層F燃燒器層，工況3和工況2較工況1該燃燒器層截面煙氣平均溫度分別下降約10 K和5 K；不同負(fù)荷下，相同漏風(fēng)量對鍋爐穩(wěn)燃能力的影響亦有明顯變化，同樣以最下層A燃燒器層為例，工況9較工況7該燃燒器層截面煙氣平均溫度下降約100 K，而在該漏風(fēng)量下，工況3較工況1下降約70 K，這說明在機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，爐底漏風(fēng)對鍋爐穩(wěn)燃能力的影響更明顯。因此，爐底漏風(fēng)對中下層燃燒器層的穩(wěn)燃能力影響最大，特別在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，更要注意中下層燃燒器煙氣溫度，以免出現(xiàn)影響煤粉穩(wěn)定燃燒的情況。

3.2 爐膛出口煙氣溫度

圖3 為9個(gè)工況下的爐膛出口煙氣溫度比較。由圖3可以看出：隨著爐底漏風(fēng)量的增大，爐膛出口煙氣溫度呈上升趨勢，這是因?yàn)楦稍鼨C(jī)漏入冷風(fēng)后，爐內(nèi)整體煙氣溫度降低，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒器區(qū)煤粉燃燒推遲，爐膛內(nèi)火焰中心上升；不同負(fù)荷下，爐底漏風(fēng)量對爐膛出口煙氣溫度的影響不同，負(fù)荷越低，對爐膛出口煙氣溫度的影響越大，漏風(fēng)量140 t/h工況與漏風(fēng)量0工況相比，100%ECR負(fù)荷時(shí)爐膛出口煙氣溫度升高約12 K，50%ECR負(fù)荷時(shí)爐膛出口煙氣溫度升高可達(dá)40 K。這與鍋爐負(fù)荷降低，其容積熱負(fù)荷下降有關(guān)。由上述分析可知，鍋爐容量越小，相同漏風(fēng)量下對爐膛出口煙氣溫度的影響越大。

圖3 爐膛出口煙氣溫度比較Fig.3 The flue gas temperatures at furnace outlet under different conditions

3.3 煤粉燃盡率

圖4 和圖5分別為9個(gè)工況下爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度比較。

圖4 爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)比較Fig.4 The CO volume fractions at the furnace outlet under different conditions

圖5 爐膛出口固體可燃物質(zhì)量濃度比較Fig.5 The solid combustibles mass concentrations at the furnace outlet under different conditions

由圖4和圖5可以看出：隨著爐底漏風(fēng)量的增大，爐膛CO體積分?jǐn)?shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度均呈上升趨勢，這與爐底漏風(fēng)量增大后煤粉燃燒推遲、爐膛內(nèi)火焰中心上升有關(guān)，未燃盡的煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間減少，不利于煤粉的燃盡；隨著負(fù)荷的降低，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢，但固體可燃物反而有所上升。

爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)主要與過量空氣系數(shù)有關(guān)，負(fù)荷越低，爐膛出口過量空氣系數(shù)越大，CO體積分?jǐn)?shù)越低。而爐膛出口固體可燃物質(zhì)量濃度與爐內(nèi)燃燒溫度和過量空氣系數(shù)密切相關(guān)[12]，爐內(nèi)燃燒溫度越低，爐膛出口固體可燃物質(zhì)量濃度越高。對該鍋爐而言，爐內(nèi)燃燒溫度較過量空氣系數(shù)對爐膛出口固體可燃物質(zhì)量濃度的影響更大，爐內(nèi)燃燒溫度隨著負(fù)荷的降低而下降，而爐底漏風(fēng)的加入，可進(jìn)一步降低爐內(nèi)燃燒溫度。因此，低負(fù)荷下需要特別關(guān)注爐底漏風(fēng)對爐膛出口固體可燃物質(zhì)量濃度的影響。

圖6 為9個(gè)工況下爐膛底部渣量質(zhì)量流量比較。

圖6 爐膛底部渣量質(zhì)量流量比較Fig.6 The slag mass flow rates at boiler bottom under different conditions

由圖6可以看出，爐底漏風(fēng)量對爐膛底部渣量質(zhì)量流量的影響較為復(fù)雜，總體上，爐膛底部渣量質(zhì)量流量隨著漏風(fēng)量的增加而增大。其原因有二：1）與爐底漏風(fēng)對爐膛出口固體可燃物質(zhì)量濃度的影響機(jī)理相同，漏入的冷空氣降低了煤粉燃盡率，進(jìn)而提高了爐膛底部渣量質(zhì)量流量；2）爐底漏風(fēng)盡管可增大爐膛底部風(fēng)量，具有改善未燃盡顆粒下沉燃燒的作用[13]，但由于漏入的冷空氣差壓、比熱容較小，而進(jìn)口面積相對較大，導(dǎo)致漏風(fēng)風(fēng)速較低，難以穿透黏稠的火焰，對未燃盡顆粒的承托作用有限。

綜上，隨著爐底漏風(fēng)量的增加，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)和固體可燃物質(zhì)量濃度呈上升趨勢，盡管部分漏風(fēng)量下爐膛底部渣量可能略有改善，但程度有限，且鍋爐出渣量只占灰渣總量的10%[14]，因此，煤粉不完全燃燒損失會隨著爐底漏風(fēng)量的增加而增大。此外，由于漏入的冷空氣量一般與爐膛負(fù)壓關(guān)系較為密切[15]，在相同的爐膛負(fù)壓下，負(fù)荷越低，冷空氣量占總風(fēng)量的比例越大，其對煤粉燃盡率的影響也愈加明顯。

3.4 爐膛出口NOx質(zhì)量濃度

圖7 為9個(gè)工況下爐膛出口NOx質(zhì)量濃度比較。由圖7可以看出，隨著漏風(fēng)量的增加，折算至6%氧量下，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度總體呈上升趨勢，且在低負(fù)荷時(shí)，增大幅度更為明顯。究其原因，有以下幾點(diǎn)：1）漏入的冷空氣降低了爐膛溫度水平，但對爐膛溫度的降低作用有限，至爐膛中上部，溫度已相差無幾，因此對熱力型NOx生成作用有限；2）燃燒器區(qū)煤粉燃燒推遲，爐膛內(nèi)火焰中心上升，導(dǎo)致空氣分級燃燒效果下降，一定程度上又會使SOFA對NOx的抑制作用減弱[16]；3）煤粉燃盡的推遲，又使得主燃燒區(qū)運(yùn)行氧量提高，進(jìn)而促進(jìn)燃料型NOx的生成。

圖7 爐膛出口NOx質(zhì)量濃度比較Fig.7 The NOx mass concentrations at the furnace outlet under different conditions

3.5 數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果對比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文在滿負(fù)荷、爐膛壓力控制為-100 Pa、此時(shí)爐底漏風(fēng)量約為100 t/h工況下，對爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度的實(shí)測值和模擬值進(jìn)行了比較，結(jié)果見表3。由于鍋爐實(shí)際運(yùn)行中未使用設(shè)計(jì)煤種，表中的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用實(shí)際運(yùn)行煤種的加權(quán)值。由表3可見，實(shí)測值和模擬值偏差在20%內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表3 實(shí)測值和模擬值比較Tab.3 The measured and simulated values

4 爐底漏風(fēng)對排煙溫度的影響

由上文分析結(jié)果結(jié)合文獻(xiàn)[7]可知，漏風(fēng)量140 t/h，100% ECR工況下爐膛出口煙氣溫度可升高約12 K，但空預(yù)器煙氣側(cè)進(jìn)口溫度與漏風(fēng)量0時(shí)基本持平，而出口溫度則上升約20 K。由此可知，空預(yù)器自身的換熱量變化成為影響其出口溫度的主要因素。參考文獻(xiàn)[17]，本文利用空預(yù)器X比對上述現(xiàn)象進(jìn)行研究分析?？疹A(yù)器X比的定義為

式中：ma為空預(yù)器入口空氣量，cp,a為空預(yù)器空氣側(cè)入口溫度至空預(yù)器出口溫度之間的空氣平均比熱容，mg為空預(yù)器入口煙氣量，cp,g為空預(yù)器煙氣側(cè)入口溫度至空預(yù)器出口溫度之間的空氣平均比熱容。一般可認(rèn)為cp,a和cp,g均為常數(shù)。

若不考慮空預(yù)器漏風(fēng)和散熱等因素，則空預(yù)器出口煙氣溫度為

式中，T2為空預(yù)器入口煙氣溫度，T11為空預(yù)器出口空氣溫度，T22為空預(yù)器入口空氣溫度。

若考慮空預(yù)器漏風(fēng)，則空預(yù)器最終出口煙氣溫度為

式中，α為空預(yù)器漏風(fēng)率，K為cp,a和cp,g的比值。

一般認(rèn)為，當(dāng)爐底漏風(fēng)產(chǎn)生時(shí)，鍋爐運(yùn)行氧量可保持不變，因此爐底漏風(fēng)產(chǎn)生后，通過空預(yù)器的空氣量相應(yīng)減小，空預(yù)器出口溫度則隨之改變。而爐底漏風(fēng)產(chǎn)生后，T2、T11、T22、α變化較小，若認(rèn)為上述變量均不發(fā)生變化，則空預(yù)器出口煙氣溫度變化僅與X比改變有關(guān)。

圖8 為空預(yù)器出口煙氣溫度與X比的關(guān)系，其中T2，T11，T22均取100%ECR工況鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)，α取漏風(fēng)率6%。由圖8可以看出，爐底漏風(fēng)產(chǎn)生后，可導(dǎo)致空預(yù)器X比減小，對于該鍋爐而言，在6%漏風(fēng)率下，爐底漏風(fēng)量占總風(fēng)量的比重增加10%，則可提高空預(yù)器出口煙氣溫度約27 K，若空預(yù)器漏風(fēng)率增大，其出口煙氣溫度增幅則相應(yīng)減小。

圖8 空預(yù)器出口煙氣溫度與X比的關(guān)系Fig.8 The relationship between air preheater outlet flue gas temperature and X ratio

5 結(jié) 論

1）干渣機(jī)冷空氣漏入后，特別是對于因系統(tǒng)密封不嚴(yán)等原因?qū)е碌拇罅坷淇諝饴┤霑r(shí)，爐內(nèi)整體溫度水平降低較多，對中下層燃燒器層的穩(wěn)燃能力影響較大，在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，更應(yīng)注意中下層燃燒器煙氣溫度，以免出現(xiàn)影響煤粉穩(wěn)定燃燒的情況。

2）干渣機(jī)冷空氣漏入后，煤粉不完全燃燒損失會隨著爐底漏風(fēng)量的增加而增大，負(fù)荷越低，其對煤粉燃盡率的影響越明顯；同時(shí)爐膛出口NOx質(zhì)量濃度亦隨著漏風(fēng)量的增加而增大，特別是鍋爐處于低負(fù)荷運(yùn)行或?qū)τ谌莘e熱負(fù)荷較小的鍋爐，其影響更為明顯。

3）爐底漏風(fēng)產(chǎn)生后，可導(dǎo)致空預(yù)器X比減小，對于特定鍋爐而言，可通過空預(yù)器出口溫度的上升情況判斷爐底漏風(fēng)情況。