1 000 MW電站鍋爐環(huán)形風(fēng)箱積灰防治技術(shù)研究

裘立春，胡 卿，張海丹，李彥猛，張光學(xué)

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121； 2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121； 3.浙江浙能富興燃料有限公司，杭州 310052； 4.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江舟山 316131； 5.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 能源工程研究所，杭州 310018)

隨著國(guó)內(nèi)大容量機(jī)組國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的快速發(fā)展，火電機(jī)組裝機(jī)容量日趨增大，針對(duì)超超臨界對(duì)沖燃燒的鍋爐，國(guó)內(nèi)較多采用環(huán)形風(fēng)箱為前后墻對(duì)沖的旋流燃燒器進(jìn)行配風(fēng)。環(huán)形風(fēng)箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在其內(nèi)部的流場(chǎng)計(jì)算方面國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了大量工作，包括對(duì)內(nèi)部穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬[1-2]，內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算及配風(fēng)方式影響[3-5]等。二次風(fēng)經(jīng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器被加熱時(shí)，煙氣中的飛灰顆粒往往會(huì)隨換熱元件進(jìn)入到二次風(fēng)中，熱二次風(fēng)經(jīng)風(fēng)道流至環(huán)形風(fēng)箱后，風(fēng)速下降，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，在環(huán)形風(fēng)箱的底部會(huì)沉積較多灰塵，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響鍋爐火檢系統(tǒng)的安全性。目前環(huán)形風(fēng)箱清灰的主要方式有停爐后人工清運(yùn)或環(huán)形風(fēng)箱底部通過(guò)排灰管道排放，前者耗時(shí)耗力，后者清理效果往往不佳。對(duì)于飛灰在爐膛及尾部煙道中的沉積現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外已有很多研究報(bào)道[6-9]，都涉及到高溫環(huán)境中飛灰中堿金屬元素的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。而環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)飛灰的沉積過(guò)程與爐膛及尾部煙道不同，屬于飛灰的物理沉積過(guò)程，國(guó)內(nèi)外少有直接的文獻(xiàn)報(bào)道，在建筑、暖通等領(lǐng)域有相關(guān)的研究[10-11]。國(guó)內(nèi)有研究通過(guò)加裝導(dǎo)流板來(lái)防止環(huán)形風(fēng)箱積灰[12]，實(shí)際工程效果有待檢驗(yàn)。

鍋爐環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部積灰，對(duì)鍋爐運(yùn)行存在隱患和危害，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)內(nèi)部長(zhǎng)期積灰，會(huì)增加環(huán)形風(fēng)箱整體質(zhì)量，導(dǎo)致環(huán)形風(fēng)箱焊口拉裂引起漏風(fēng)；(2)逐漸增多的積灰若到達(dá)燃燒器底部，將影響燃燒器二次風(fēng)的配風(fēng)；(3)內(nèi)部積灰在二次風(fēng)的擾動(dòng)下，容易對(duì)燃燒器火檢信號(hào)產(chǎn)生干擾[13-14]；(4)內(nèi)部積灰的清除需要大量工時(shí)和費(fèi)用。筆者提出了一種防止環(huán)形風(fēng)箱積灰的方法，可實(shí)現(xiàn)環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)積灰的持續(xù)清掃。

1 環(huán)形風(fēng)箱防積灰技術(shù)路線

1.1 設(shè)備概況

某電廠2臺(tái)1 000 MW超超臨界燃煤鍋爐采用直吹式中速磨煤機(jī)，前后墻對(duì)沖燃燒方式，共分3層，每臺(tái)鍋爐配置48個(gè)DRB-4ZTM型低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器和16臺(tái)NOx噴口。二次風(fēng)配風(fēng)采用環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部不分層，單個(gè)燃燒器通過(guò)調(diào)節(jié)各自電動(dòng)調(diào)風(fēng)盤來(lái)調(diào)節(jié)二次風(fēng)量。

鍋爐燃燒系統(tǒng)風(fēng)箱采用環(huán)形風(fēng)箱，環(huán)形風(fēng)箱上部設(shè)有隔板將燃燒器區(qū)二次風(fēng)和NOx噴口的供風(fēng)隔開(kāi)。主燃燒區(qū)二次風(fēng)和NOx噴口的熱風(fēng)風(fēng)量分別由環(huán)形風(fēng)箱兩側(cè)墻處的二次風(fēng)擋板來(lái)控制，擋板前裝設(shè)測(cè)風(fēng)裝置，以測(cè)量進(jìn)入主燃燒區(qū)和NOx噴口的風(fēng)量。

大部分二次風(fēng)通過(guò)燃燒器進(jìn)入爐膛，并通過(guò)位于燃燒器入口處的電動(dòng)調(diào)風(fēng)盤分別進(jìn)入燃燒器的內(nèi)、外二次風(fēng)通道內(nèi)，每個(gè)燃燒器的電動(dòng)調(diào)風(fēng)盤可以獨(dú)立調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒器的風(fēng)量。

1.2 方案對(duì)比

1.2.1 螺旋水冷壁鰭片開(kāi)孔

在環(huán)形風(fēng)箱底部對(duì)應(yīng)區(qū)域的螺旋水冷壁管間扁鋼開(kāi)圓孔，通過(guò)爐膛負(fù)壓將環(huán)形風(fēng)箱底部的灰抽吸至爐膛內(nèi)。

為達(dá)到較好的抽吸效果，需要開(kāi)孔的數(shù)量多，對(duì)材料強(qiáng)度有一定影響，存在安全隱患，故不考慮該方案。

1.2.2 環(huán)形風(fēng)箱底部加裝儲(chǔ)灰室引至冷灰斗

沿爐膛寬度方向在環(huán)形風(fēng)箱底部加裝儲(chǔ)灰室，通過(guò)輸灰管連接至冷灰斗，通過(guò)爐膛負(fù)壓將環(huán)形風(fēng)箱底部的灰抽至爐膛內(nèi)(見(jiàn)圖1)。該方案對(duì)環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)改動(dòng)大，現(xiàn)場(chǎng)管路布置繁雜，維護(hù)難度大，對(duì)控制系統(tǒng)要求高，故不考慮該方案。

圖1 二次風(fēng)箱底部積灰引至冷灰斗方案示意圖

1.2.3 引部分熱一次風(fēng)吹掃風(fēng)箱

自兩側(cè)熱一次風(fēng)母管各引一管路(管路上安裝調(diào)節(jié)閥和隔離閥)，穿過(guò)側(cè)墻水平布置于前后墻環(huán)形風(fēng)箱上方，環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)的管道上以一定間隔開(kāi)吹掃孔(見(jiàn)圖2)。

1—熱一次風(fēng)母管；2—一次風(fēng)引出管；3—隔離閥；4—電動(dòng)閥；5—環(huán)形風(fēng)箱底部；6—吹掃管；7—吹掃孔。圖2 吹掃風(fēng)改造系統(tǒng)示意圖

選擇熱一次風(fēng)為吹掃氣源的主要原因有：即使在較低負(fù)荷下，一次風(fēng)壓仍能維持在較高水平，吹掃風(fēng)剛性強(qiáng)，在環(huán)形風(fēng)箱底部形成吹掃風(fēng)膜，使積灰不易落地，始終處于擾動(dòng)懸浮狀態(tài)，容易被二次風(fēng)攜帶入爐膛；熱一次風(fēng)溫度與二次風(fēng)溫度相近，不會(huì)對(duì)二次風(fēng)溫度造成影響。此外，雖然吹掃風(fēng)管與環(huán)形風(fēng)箱壓差較大，但是吹掃風(fēng)風(fēng)量占比很低，基本不會(huì)影響環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)的壓力分布。

該方案就地管路布置簡(jiǎn)單，工期短，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形風(fēng)箱底部區(qū)域的在線吹掃。

2 環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

環(huán)形風(fēng)箱由左、右側(cè)進(jìn)二次風(fēng)，燃燒器最上層為燃盡風(fēng)區(qū)域，下三層為主燃燒器區(qū)域。環(huán)形風(fēng)箱高約18 m，寬約32 m，深約3 m(該尺寸為前墻環(huán)形風(fēng)箱深度)。

8個(gè)燃燒器水平間距為3 600 mm，上下各層間距為6 000 mm。底層燃燒器中心線位置距環(huán)形風(fēng)箱底部2 400 mm，燃燒器直徑約為680 mm(見(jiàn)圖3)。在距離環(huán)形風(fēng)箱底部一定距離引入吹掃風(fēng)管道，在該管上以一定間隔依次開(kāi)多個(gè)吹掃孔，吹掃孔內(nèi)徑為0.008 m。

圖3 環(huán)形環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)

經(jīng)核算，該方案所需的吹掃風(fēng)質(zhì)量流量?jī)H為3～4 t/h，占一次風(fēng)質(zhì)量流量的0.4%～1.0%，對(duì)一次風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行無(wú)影響，基本不提高廠用電率。典型工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 典型工況下設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

結(jié)合該電廠1 000 MW超超臨界鍋爐環(huán)形風(fēng)箱吹掃風(fēng)改造情況，采用高精度RNGk-ε湍流理論模型，對(duì)100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)和50% BMCR 兩個(gè)典型工況，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，幾何模型見(jiàn)圖4，研究了加裝吹掃風(fēng)后，環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力、流速分布規(guī)律，以及吹掃風(fēng)噴口流速情況。

圖4 幾何模型

圖5和圖6分別為100%BMCR、50%BMCR負(fù)荷下，加裝吹掃風(fēng)后環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布情況。由圖5、圖6可見(jiàn)：加裝吹掃風(fēng)后環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布整體均勻性較好。

圖5 100%BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布

圖6 50%BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布

圖7和圖8分別為100%BMCR、50%BMCR負(fù)荷下，以環(huán)形風(fēng)箱入口為起點(diǎn)，加裝吹掃風(fēng)后環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)二次風(fēng)流線分布情況。由圖7、圖8可見(jiàn)：吹掃風(fēng)對(duì)二次風(fēng)流場(chǎng)影響較小。

圖7 100%BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱流線分布

圖8 50% BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱流線分布

圖9和圖10分別為100%BMCR、50%BMCR負(fù)荷下的吹掃風(fēng)流線分布情況(以吹掃風(fēng)噴口為起點(diǎn))。由圖9、圖10可見(jiàn)：吹掃風(fēng)氣流剛性足夠，流場(chǎng)充滿度好，可有效吹掃風(fēng)箱底部區(qū)域。

圖9 100% BMCR工況吹掃風(fēng)流線分布

圖10 50% BMCR工況吹掃風(fēng)流線分布

以上結(jié)果表明：自熱一次風(fēng)引吹掃風(fēng)，風(fēng)速較高，剛性良好，可持續(xù)吹掃環(huán)形風(fēng)箱底部，有效防治積灰；同時(shí)，對(duì)環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)流場(chǎng)影響較小，不影響燃燒器正常燃燒。

3 吹掃風(fēng)應(yīng)用效果

環(huán)形風(fēng)箱吹掃風(fēng)技術(shù)目前已在該電廠2臺(tái)1 000 MW機(jī)組及另一電廠2臺(tái)660 MW超超臨界機(jī)組上實(shí)施技改，均已成功投運(yùn)2 a以上。

該吹掃風(fēng)系統(tǒng)具體操作方式為：在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，投運(yùn)一次風(fēng)機(jī)后，便將4個(gè)吹掃閥門打開(kāi)，防止運(yùn)行過(guò)程中積灰將環(huán)形風(fēng)箱底部的管路掩埋，導(dǎo)致吹掃孔堵塞。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)確保吹掃管路投運(yùn)，起到對(duì)環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部進(jìn)行吹掃和清灰的目的。

從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，該技術(shù)防治環(huán)形風(fēng)箱底部積灰效果顯著。

以往環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部積灰，均需要在停爐檢修期間通過(guò)人力裝袋清掃，工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、人工成本高、工作環(huán)境差。采用該吹掃風(fēng)在線清灰系統(tǒng)可以避免人員在高塵環(huán)境中工作，社會(huì)效益明顯。

該系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益包括：減少了環(huán)形風(fēng)箱積灰引起配風(fēng)不足，從而造成的燃料不完全燃燒熱損失；減少了環(huán)形風(fēng)箱拉裂引起的設(shè)備檢修費(fèi)用、火檢丟失可能引起的機(jī)組非停損失。

實(shí)際應(yīng)用證明該吹掃風(fēng)在線清灰系統(tǒng)能夠有效解決前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐的環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部積灰問(wèn)題，為同類型鍋爐提供參考和借鑒。后續(xù)可在水平煙道區(qū)域、脫硝系統(tǒng)前煙道布置同類型吹掃管路，防止煙道局部積灰嚴(yán)重產(chǎn)生煙氣走廊，影響局部傳熱效果，造成受熱面吸熱不均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)前后墻對(duì)沖鍋爐環(huán)形風(fēng)箱易積灰的現(xiàn)狀，利用與二次風(fēng)溫度相近的熱一次風(fēng)為氣源，結(jié)合吹掃風(fēng)的流場(chǎng)數(shù)值模擬理論計(jì)算，在不影響燃燒及廠用電率的前提下，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)積灰的熱態(tài)在線持續(xù)清掃，既節(jié)約了成本，又提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

該吹掃風(fēng)技術(shù)已在多臺(tái)超超臨界對(duì)沖鍋爐上取得成功應(yīng)用，效果顯著，可為同類型機(jī)組提供參考。