煤粉鍋爐衛(wèi)燃帶的布置

賈洪彬

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶163714）

以某電廠400 MW鍋爐機(jī)組的熱負(fù)荷分布曲線為依據(jù)，選取衛(wèi)燃帶的敷設(shè)位置，衛(wèi)燃帶被分割為大塊與小塊2種形狀，科學(xué)敷設(shè)在下層燃燒器水冷壁上，有效提高燃燒器噴口附近的溫度，使?fàn)t膛內(nèi)煤粉燃燒穩(wěn)定。下層燃燒器附近敷設(shè)衛(wèi)燃帶能減少結(jié)焦［1］。按照四角切圓鍋爐的燃燒特性，火焰由上層煤粉向下層傳遞，在燃燒器的背火側(cè)敷設(shè)更多的衛(wèi)燃帶，向火側(cè)敷設(shè)的衛(wèi)燃帶相應(yīng)減少，降低衛(wèi)燃帶結(jié)焦，起到提高煤粉燃燒穩(wěn)定性作用［2］。

1 衛(wèi)燃帶布置分析

決定衛(wèi)燃帶布置形式的因素中最主要的是爐內(nèi)溫度和煤粉燃燒情況，在溫度較低的位置多敷設(shè)衛(wèi)燃帶，阻擋熱量過多進(jìn)入水冷壁，保持爐內(nèi)溫度，在溫度較高位置少敷設(shè)衛(wèi)燃帶，避免結(jié)焦［3］。

1.1 爐內(nèi)水冷壁熱負(fù)荷

切圓燃燒鍋爐爐膛的形狀呈長方體，爐膛的橫截面為正方形，爐膛的4角分別布置有燃燒器，燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛內(nèi)燃燒的同時(shí)向上流動，氣流呈螺旋狀，導(dǎo)致4周水冷壁所接觸的熱氣流的量差別很大，與氣流接觸越密切位置溫度越高，不同位置水冷壁所吸收熱量有很大不同［4］。

1.2 基于熱負(fù)荷曲線的布置新思路

在爐膛內(nèi)鋪設(shè)衛(wèi)燃帶適用于燃料質(zhì)量差，使用劣質(zhì)煤的鍋爐，敷設(shè)衛(wèi)燃帶能顯著提高爐內(nèi)溫度，當(dāng)衛(wèi)燃帶降低水冷壁吸收的熱量后，爐內(nèi)溫度上升，促進(jìn)煤粉燃燒穩(wěn)定性。假如衛(wèi)燃帶均勻的敷設(shè)在水冷壁上，雖然也能起到提高爐內(nèi)溫度的作用，但會導(dǎo)致水冷壁的中心位置因較高的熱負(fù)荷使衛(wèi)燃帶產(chǎn)生局部高溫，高溫?zé)煔馀c煤粉與之接觸會結(jié)焦，因此水冷壁中心位置應(yīng)減少衛(wèi)燃帶的敷設(shè)，在燃燒器噴口附近的低溫區(qū)域增加衛(wèi)燃帶敷設(shè)。國內(nèi)鍋爐改造中常采取敷設(shè)衛(wèi)燃帶的方式，通常將大面衛(wèi)燃帶分成若干小塊，每小塊衛(wèi)燃帶間隔一定的距離，即使衛(wèi)燃帶結(jié)渣也無法連成一片，從而起到防止大面積結(jié)渣的作用［5］。

2 衛(wèi)燃帶布置方案及驗(yàn)證分析

2.1 鍋爐概況

此次研究對象為某電廠400 MW鍋爐機(jī)組，采取單爐膛、自然循環(huán)、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，燃燒方式為平衡通風(fēng)狀態(tài)下1次中間再熱，露天布置，爐膛容積9 230 m3。容積熱負(fù)荷qv為78.06 kW/m3。斷面熱負(fù)荷qF為3.59 MW/m2。

2.2 實(shí)施結(jié)果分析

未敷設(shè)衛(wèi)燃帶前，該鍋爐機(jī)組在70%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，并需投油助燃，再熱蒸汽溫度與設(shè)計(jì)指標(biāo)相差15℃。

敷設(shè)衛(wèi)燃帶后該鍋爐基礎(chǔ)燃燒穩(wěn)定性明顯提升，再熱蒸汽溫度也達(dá)到到標(biāo)準(zhǔn)，但大面積敷設(shè)在高熱負(fù)荷區(qū)域，燃帶發(fā)生大面積結(jié)焦，給鍋爐機(jī)組帶來了嚴(yán)重的安全隱患。

對該鍋爐機(jī)組進(jìn)行2次重新敷設(shè)衛(wèi)燃帶，此次敷設(shè)中減少了高熱負(fù)荷區(qū)域衛(wèi)燃帶的面積，經(jīng)運(yùn)行測試，2次改造后該鍋爐機(jī)組再熱汽溫度提升10℃，檢測飛灰與爐渣中的可燃物發(fā)現(xiàn)分別下降4%與13%，整體燃燒效率提升5%，爐膛內(nèi)煤粉燃燒穩(wěn)定，鍋爐機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有所提升，但運(yùn)行一段時(shí)間后衛(wèi)燃帶區(qū)域仍產(chǎn)生了中度結(jié)焦。

在總結(jié)前2次改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，決定對該鍋爐機(jī)組進(jìn)行第3次改造，此次改造進(jìn)一步降低衛(wèi)燃帶總面積，在爐廠內(nèi)敷設(shè)的衛(wèi)燃帶總面積下降到46 m2。此次改造后，該鍋爐機(jī)組未發(fā)生明顯的結(jié)焦現(xiàn)象，爐底渣排出量進(jìn)一步降低，撈渣系統(tǒng)的負(fù)荷大大降低，鍋爐的再熱汽溫提升5℃，鍋爐機(jī)組性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 數(shù)值模擬方法

此次研究中采用Gambit 2.4.6對鍋爐進(jìn)行了建模和有限元分析，為了提高分析效率，對模型進(jìn)行了簡化處理，用平面代替膜式水冷壁及過熱器，將燃燒器簡化為噴口平面，忽略衛(wèi)燃帶厚度的影響，主燃燒區(qū)域采取扇形劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)130×104，使計(jì)算精度與計(jì)算效率達(dá)到平衡［6］。

采用ANSYS 15.0對爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行模擬，此次模擬采用k-e模型進(jìn)行氣流分析，采用P-1模型進(jìn)行輻射分析，采用壁面函數(shù)法單獨(dú)模擬分析了壁面附近流體，采用隨機(jī)軌道模型對煤粉流動進(jìn)行分析，采用雙匹配速率模型對爐內(nèi)的會發(fā)特性進(jìn)行分析，采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)PDF模型對爐內(nèi)揮發(fā)分燃燒進(jìn)行分析，采用動力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率方程模型對爐內(nèi)焦炭燃燒進(jìn)行模擬分析，為了保障計(jì)算效率與計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，此次研究采用SIMPLE算法求解。

3.2 衛(wèi)燃帶變化對溫度場的影響

通過對比可以發(fā)現(xiàn)改造前爐內(nèi)溫度偏低，高溫度范圍也較為狹窄；1次改造后溫度明顯提高，原因是衛(wèi)燃帶的敷設(shè)對爐溫起到了很好的保護(hù)作用，高溫區(qū)范圍也得到了拓寬；2次與3次都采取了適當(dāng)減少衛(wèi)燃帶面積的辦法，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度有所降低，高溫區(qū)范圍也相應(yīng)變窄，印證了衛(wèi)燃帶的敷設(shè)面積對爐溫的影響非常明顯。

3.3 衛(wèi)燃帶的變化對穩(wěn)燃和結(jié)焦的影響

低溫區(qū)位于噴口附近的背火面，高溫區(qū)位于噴口附近的向火面，為了使噴口附近溫度分度更加合理，提高背火面區(qū)域溫度，選擇在背火面敷設(shè)更大面積的衛(wèi)燃帶可以使噴口附近爐溫更加合理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃的目的。

4 結(jié)論

通過模擬分析和現(xiàn)場分析證明，按照鍋爐的水冷壁熱負(fù)荷曲線科學(xué)選擇衛(wèi)燃帶敷設(shè)方案，采取分塊式敷設(shè)能夠起到穩(wěn)定燃燒的作用。建模分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際測得數(shù)據(jù)相吻合，說明在鍋爐改造中采用敷設(shè)衛(wèi)燃帶方案時(shí)，通過模擬分析能夠得到精確設(shè)計(jì)方案，不僅可提高鍋爐改造效率，也能降低改造成本。在某電廠400 MW鍋爐機(jī)組的衛(wèi)燃帶改造中采用了分塊敷設(shè)，參照水冷壁熱負(fù)荷曲線，在低負(fù)荷區(qū)域增加衛(wèi)燃帶面積的辦法，能夠起到穩(wěn)定燃燒、提高再熱蒸汽溫度、提高鍋爐熱效率、爐內(nèi)無明顯結(jié)焦的效果。