鍋爐煙氣再循環(huán)位置對(duì)再熱蒸汽溫度的影響

沈應(yīng)強(qiáng)， 吳華棟， 李永進(jìn)， 陶生智

(武漢鍋爐股份有限公司，武漢 430205)

根據(jù)國(guó)家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》，我國(guó)不斷加快發(fā)展煤炭清潔開(kāi)發(fā)利用技術(shù)，提高煤炭清潔高效開(kāi)發(fā)利用水平。清潔高效的煤電發(fā)展，主要著力于提高煤電的高效發(fā)電比例，以及提高煤電機(jī)組效率。當(dāng)前新建機(jī)組均已是超臨界和超超臨界機(jī)組，由于材料的限制，短期很難在溫度和壓力上有所突破。而在相同的蒸汽參數(shù)下，二次再熱機(jī)組的熱效率比一次再熱機(jī)組提高2%[1-3]，對(duì)應(yīng)二氧化碳減排量約降低3.6%。因此，二次再熱是當(dāng)前一種可行的節(jié)能降耗、清潔環(huán)保的火力發(fā)電技術(shù)。

與一次再熱機(jī)組相比，二次再熱機(jī)組再熱器吸熱比例增加，主蒸汽溫度和一次/二次再熱蒸汽溫度的協(xié)調(diào)更加復(fù)雜，如何調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度成為關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度的主要方式有調(diào)節(jié)燃燒器擺動(dòng)、調(diào)節(jié)煙氣擋板與煙氣再循環(huán)，其中煙氣再循環(huán)由于更加靈活有效得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，將再循環(huán)煙氣引入鍋爐的方式主要有從燃燒器區(qū)域底部引入和從爐膛出口的屏底引入。筆者采用已有廣泛實(shí)際應(yīng)用的熱力計(jì)算模型，分析2種再循環(huán)煙氣引入方案對(duì)爐膛出口煙氣溫度、再熱蒸汽溫度等參數(shù)的影響，以期為二次再熱機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 鍋爐基本參數(shù)

研究對(duì)象為660 MW超超臨界燃煤鍋爐，鍋爐為超超臨界參數(shù)、塔式布置、二次再熱、切圓燃燒直流爐。鍋爐內(nèi)受熱面的基本布置見(jiàn)圖1(一次/二次高溫再熱器簡(jiǎn)稱一次/二次高再、一次/二次低溫再熱器簡(jiǎn)稱一次/二次低再)，煙氣依次流經(jīng)二級(jí)過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器、一次高再、二次高再、二次低再、一次低再、二級(jí)省煤器。從燃燒器區(qū)域底部引入再熱煙氣和從爐膛出口的屏底引入再循環(huán)煙氣的方案分別為方案一和方案二。

圖1 鍋爐內(nèi)受熱面的基本布置

鍋爐主要的熱力參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鍋爐主要的熱力參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 煙氣再循環(huán)對(duì)蒸汽溫度的影響

在超臨界鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)煤水比來(lái)控制和調(diào)節(jié)主蒸汽參數(shù)，所以主蒸汽參數(shù)決定了輸入鍋爐的熱量。為了更好地了解煙氣再循環(huán)對(duì)蒸汽參數(shù)的影響，并且排除煤水比與鍋爐總吸熱量的影響，以方案一為基礎(chǔ)，維持給煤量、燃燒器擺角、送風(fēng)溫度等其他條件不變進(jìn)行計(jì)算。煙氣再循環(huán)對(duì)主要溫度參數(shù)的影響見(jiàn)圖2，各受熱面吸熱量見(jiàn)圖3。

圖2 煙氣再循環(huán)對(duì)主要溫度參數(shù)的影響

圖3 各受熱面吸熱量的變化

由圖2和圖3可得：隨著再循環(huán)煙氣的引入，爐膛出口煙氣溫度逐漸降低，主蒸汽溫度逐漸降低，水冷壁吸熱量逐漸減少。主要原因是煙氣再循環(huán)改變了鍋爐各受熱面的吸熱量，對(duì)于輻射受熱面，二級(jí)過(guò)熱器與高溫過(guò)熱器的吸熱量相應(yīng)減少，尤其對(duì)于以吸收輻射熱為主的水冷壁，吸熱量下降顯著。一次高再在鍋爐結(jié)構(gòu)中作為半輻射半對(duì)流受熱面，吸熱量隨煙氣再循環(huán)量的變化較小。對(duì)于隨后的對(duì)流受熱面(二次高再、二次低再、一次低再)，吸熱量均逐漸增多，越往后，吸熱量增多越明顯，存在煙氣將熱量往后攜帶現(xiàn)象[4]。由于在鍋爐結(jié)構(gòu)布置中，再熱器多布置于對(duì)流受熱面，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和理論分析可知，采用煙氣再循環(huán)對(duì)于提高再熱蒸汽溫度是可行且有效的。

上面的結(jié)果僅給出了煙氣再循環(huán)對(duì)鍋爐整個(gè)吸熱的影響，但是在實(shí)際運(yùn)行中，主蒸汽溫度是必須保證的重要參數(shù)。因此，將根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，保證主蒸汽參數(shù)，在再循環(huán)率相同時(shí)對(duì)比方案一與方案二對(duì)各受熱面吸熱量、蒸汽溫度和鍋爐效率的影響。

2.2 2種方案對(duì)受熱面吸熱量的影響

爐膛各受熱面吸熱量見(jiàn)表2。由表2可得： 2種方案主蒸汽總吸熱量保持不變。采用方案一時(shí)，隨著再循環(huán)率的增加，水冷壁吸熱逐漸降低，省煤器、過(guò)熱器吸熱量均逐漸增加；而對(duì)于方案二，隨著再循環(huán)率的增加，水冷壁吸熱量基本維持不變，省煤器吸熱量增加而過(guò)熱器吸熱量減少。對(duì)于再熱器系統(tǒng)，2種方案均提高了再熱器系統(tǒng)的吸熱。對(duì)于方案一，再循環(huán)率每增加1百分點(diǎn)，一次再熱吸熱量增加約2.4 MW，二次再熱吸熱量增加約1.8 MW；而對(duì)于方案二，再循環(huán)率每增加1百分點(diǎn)，一次再熱吸熱量增加約0.5 MW，二次再熱吸熱量增加約0.4 MW。方案一提高再熱器的吸熱能力優(yōu)于方案二。因此，方案一采用再循環(huán)率為3%時(shí)，再熱蒸汽溫度已達(dá)到額定溫度(623 ℃)，而對(duì)于方案二，達(dá)到同樣的吸熱能力，再循環(huán)率則需要提高至12%。

表2 各受熱面吸熱量

2.3 2種方案對(duì)受熱面蒸汽溫度的影響

圖4為2種方案對(duì)主要溫度參數(shù)影響的對(duì)比。由圖4可得：2種方案均會(huì)降低爐膛出口煙氣溫度，但方案二對(duì)爐膛出口煙氣溫度的影響更加明顯。對(duì)于水冷壁出口蒸汽溫度，2種方案呈相反趨勢(shì)。方案一可以有效降低水冷壁出口蒸汽溫度，而方案二卻增加了水冷壁出口蒸汽溫度。主要原因是方案一在燃燒器區(qū)域進(jìn)行混合可以有效降低整個(gè)爐內(nèi)的煙氣溫度水平，水冷壁吸熱量相應(yīng)減少；而方案二的混合點(diǎn)在爐膛上部，對(duì)爐膛出口煙氣溫度影響較大[5]。2種方案均能提高再熱蒸汽溫度，再熱蒸汽溫度隨著再循環(huán)率的增加基本呈線性提高。再循環(huán)率每增加1百分點(diǎn)，對(duì)于方案一，一次/二次再熱蒸汽溫度分別提高2.2 K、2.0 K；對(duì)于方案二，一次/二次再熱蒸汽溫度均提高約0.44 K。因此，對(duì)于再熱蒸汽溫度的影響， 方案一優(yōu)于方案二，方案一可以很好地對(duì)應(yīng)各受熱面吸熱量的變化趨勢(shì)。

圖4 2種方案對(duì)主要溫度參數(shù)影響的對(duì)比

2.4 2種方案對(duì)效率的影響

對(duì)于鍋爐來(lái)說(shuō)，在保證鍋爐蒸汽溫度的同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮，因此應(yīng)該對(duì)鍋爐的效率變化進(jìn)行對(duì)比。主蒸汽與再熱蒸汽溫度均達(dá)到額定溫度時(shí)，方案一的再循環(huán)率約為3%，方案二的再循環(huán)率約為12%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，方案一的鍋爐效率為93.32%，方案二的鍋爐效率為93.28%，方案一的鍋爐效率稍高于方案二。主要原因是煙氣再循環(huán)將熱量往尾部對(duì)流受熱面進(jìn)行累積，導(dǎo)致煙氣溫度升高?？諝忸A(yù)熱器出口煙氣溫度(即排煙溫度)變化見(jiàn)圖5。方案二的一級(jí)省煤器出口煙氣溫度為357 ℃，方案一為354 ℃，而排煙溫度增加，則排煙損失增加。

圖5 空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度

2種方案的鍋爐效率均基于相同的固體不完全燃燒熱損失，因?yàn)閷?duì)于方案一，加入再循環(huán)煙氣后煙氣量增大，煙氣流速增大，但此時(shí)煙氣溫度有所下降，起到了降低煙氣流速的作用。整體來(lái)說(shuō)，煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間變化并不大，基本不會(huì)對(duì)固體不完全燃燒熱損失有所影響[6-7]。

結(jié)合排煙溫度進(jìn)行分析，采用2種方案對(duì)排煙溫度的影響基本一致。這主要取決于再循環(huán)率，再循環(huán)率的增加均會(huì)提高排煙溫度，增加排煙損失，降低鍋爐效率。因此，建議廠家在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量控制再循環(huán)率，減少排煙損失，避免在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生再循環(huán)煙氣量過(guò)大、蒸汽溫度難以控制、風(fēng)機(jī)磨損嚴(yán)重等相關(guān)問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 采用煙氣再循環(huán)能夠有效降低爐膛出口煙氣溫度，降低輻射受熱面的吸熱能力，提高對(duì)流受熱面的吸熱能力。再熱器一般布置在鍋爐對(duì)流受熱面位置，因此采用煙氣再循環(huán)能夠有效提高再熱器吸熱能力，從而提高再熱蒸汽溫度。

(2) 與方案二相比，采用方案一能夠更加有效地降低輻射受熱面吸熱，尤其是水冷壁吸熱。2種方案均能提高再熱器吸熱能力，方案一提高再熱器吸熱能力更強(qiáng)。

(3) 對(duì)于方案一，再循環(huán)率每增加1百分點(diǎn)，一次/二次再熱蒸汽溫度能提高約2.0 K；而對(duì)于方案二，再循環(huán)率每增加1百分點(diǎn)，一次/二次再熱蒸汽溫度則僅能提高約0.44 K，對(duì)再熱蒸汽溫度改善能力有限。方案一更具有優(yōu)勢(shì)，但是方案二能夠更大程度地降低爐膛出口煙氣溫度，有效降低受熱面結(jié)焦的可能性。

(4) 方案一與方案二對(duì)排煙溫度的影響基本一致，再循環(huán)率的增加均會(huì)較為緩慢地提高排煙溫度，增加排煙損失，不利于鍋爐效率。達(dá)到同樣的再熱蒸汽溫度時(shí)，方案二的鍋爐效率降低的幅度更大。為了保證鍋爐效率，建議在設(shè)計(jì)鍋爐受熱面時(shí)控制再循環(huán)率，減少運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的各種問(wèn)題。

綜上，再熱蒸汽溫度的控制是二次再熱機(jī)組的關(guān)鍵問(wèn)題，采用煙氣再循環(huán)能夠有效調(diào)整再熱蒸汽溫度，并且該技術(shù)可以在今后得到廣泛的應(yīng)用，所研究的結(jié)果對(duì)同類型機(jī)組具有一定的參考意義。