混煤對二次再熱鍋爐汽溫特性的影響

于汭民， 龐力平， 段立強

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院， 北京 102206)

0 引 言

為應(yīng)對國家節(jié)能減排政策的實施，傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，二次再熱超超臨界機組在國內(nèi)火電建設(shè)中開始應(yīng)用。二次再熱鍋爐相比于一次再熱機組，增加了一級二次再熱器，提高了發(fā)電循環(huán)的平均溫度，從而提高了機組的發(fā)電效率[1]。與一次再熱鍋爐相比，二次再熱鍋爐的再熱級數(shù)和再熱蒸汽吸熱量都有所增加，張小玲[2]指出，由于引入二次再熱，過熱蒸汽吸熱比例降低，再熱蒸汽吸熱比例升高。如常規(guī)的1000MW超臨界一次再熱機組，過熱蒸汽和再熱蒸汽的吸熱比為81∶19[3]，而1000MW超超臨界二次再熱鍋爐主、再熱蒸汽吸熱比例為72∶28，這使得二次再熱鍋爐的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，一、二次再熱蒸汽溫度的協(xié)同調(diào)控也變得更加困難，可能會導(dǎo)致機組在運行時出現(xiàn)再熱蒸汽溫度低于設(shè)計值的現(xiàn)象，降低了機組運行經(jīng)濟(jì)性。所以，二次再熱鍋爐的汽溫調(diào)控備受關(guān)注。

近年來，隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，火電廠機組的裝機容量越來越大。我國雖作為能源大國，但是能源的分布不均，燃料供應(yīng)能力和運輸能力不足，時常存在供應(yīng)緊張的局面。為改善供應(yīng)緊張的現(xiàn)狀，降低發(fā)電成本，提高機組運行的經(jīng)濟(jì)性，各電廠通常會摻燒多種煤[4]。摻燒比例的改變，意味著煤種的改變，進(jìn)而會影響著機組汽溫的穩(wěn)定。所以，在混煤燃燒下維持汽溫的穩(wěn)定、保證機組的經(jīng)濟(jì)性尤為重要。

由于蒸汽側(cè)汽溫調(diào)整的手段會影響機組的發(fā)電效率，所以機組汽溫的調(diào)控主要集中在煙氣側(cè)。目前比較成熟的二次再熱蒸汽調(diào)溫手段有煙氣再循環(huán)+尾部雙煙道擋板調(diào)節(jié)方式、擺動燃燒器和尾部三煙道擋板調(diào)節(jié)。針對二次再熱技術(shù)以及二次再熱鍋爐出現(xiàn)的再熱蒸汽溫度偏低的問題，近年來許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。殷亞寧等[5]提出了二次再熱鍋爐多種汽溫調(diào)節(jié)耦合策略，結(jié)合二次再熱實際工程分別研究和論證了煙氣再循環(huán)與煙氣擋板協(xié)調(diào)控制和燃燒器擺角對汽溫的影響，表明煙氣再循環(huán)能明顯改善再熱蒸汽汽溫，而且隨著煙氣再循環(huán)率的增加，對輻射式受熱面的蒸汽溫度影響不大，對再熱蒸汽溫度影響相對明顯；燃燒器擺角的角度對汽溫影響明顯，并且上擺時汽溫的影響要明顯于向下擺動[6]，建議在向上擺時的擺動角度應(yīng)較小，防止對鍋爐產(chǎn)生劇烈的影響。張金營等[7，8]分析了某1 000和660MW超超臨界二次再熱鍋爐不同汽溫調(diào)節(jié)手段對再熱汽溫的影響;郭馨等[9，10]針對某660MW機組，采用電站工程系統(tǒng)仿真軟件EBSILON和計算流體動力學(xué)軟件 FLUENT 耦合的數(shù)值計算及現(xiàn)場試驗方法，研究了不同負(fù)荷下煙氣再循環(huán)量對于蒸汽參數(shù)的影響情況，并確定了660、550、330MW的最佳煙氣再循環(huán)率。張昊等[11]針對泰州公司3號機組(1000MW機組)引起再熱汽溫偏差的原因進(jìn)行分析與探討，為同類型機組燃燒調(diào)整及消除、二再汽溫偏差提供運行參考。姚向昱等[12]針對我國二次再熱鍋爐的主要調(diào)溫方式進(jìn)行研究，分析各調(diào)溫方式的主要特點，從鍋爐給水溫度、鍋爐效率和運行電耗等方面，研究不同調(diào)溫方式對于機組經(jīng)濟(jì)性的影響情況。王桂玲、郭蕾[6]通過試驗和設(shè)計數(shù)據(jù)分析擺動燃燒器對再熱汽溫的調(diào)節(jié)特性，總結(jié)出擺動燃燒器調(diào)溫方式存在的主要問題，為擺動燃燒器應(yīng)用提供了理論依據(jù)。此外，還有相關(guān)學(xué)者和科研機構(gòu)對二次再熱汽溫的瞬態(tài)響應(yīng)、控制邏輯展開了研究。

二次再熱鍋爐普遍存在著中低負(fù)荷工況下再熱蒸汽欠溫欠焓的情況，這將對超超臨界二次再熱鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性造成極為不利的影響。因此，有必要了解變煤種下不同調(diào)溫方式對二次再熱鍋爐汽溫的影響，確保二次再熱鍋爐在各負(fù)荷下運行容易達(dá)到額定汽溫，從而對二次再熱鍋爐汽溫調(diào)整方案和控制邏輯提供策略設(shè)計思路。

本文基于電廠已有的4種基準(zhǔn)煤種，改變摻燒的比例，與設(shè)計煤種進(jìn)行比較。本文采用火電廠熱力仿真軟件Thermoflow，研究燃用不同摻燒煤種情況下，擺動燃燒器、煙氣再循環(huán)和煙氣擋板開度對超超臨界二次再熱鍋爐蒸汽溫度的影響。掌握鍋爐不同煤種和負(fù)荷下，二次再熱鍋爐煙氣再循環(huán)比例和煙氣擋板開度情況對汽溫的影響，降低由于負(fù)荷變動對二次再熱鍋爐汽溫造成的波動情況，研究擺動燃燒器、煙氣再循環(huán)和煙道擋板三種調(diào)溫手段耦合調(diào)整，對汽溫溫度影響規(guī)律。

1 研究對象建模和驗證

1.1 研究對象和模型

該機組為某660MW超超臨界二次再熱發(fā)電機組，二次中間再熱螺旋管圈直流爐，變壓運行方式、采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)和半露天布置。鍋爐燃用煙煤，采用組合式高溫受熱面，兩級高溫再熱器采用并列布置，每級高溫再熱器分為冷段和熱段，高溫過熱器在冷段與熱段之間布置。按煙氣流程：受熱面依次經(jīng)過低溫過熱器、組合式高溫受熱面，之后煙道被一分為二，一次低溫再熱器和前煙道省煤器布置于前煙道，二次低溫再熱器與后煙道省煤器布置于后煙道，爐后尾部煙道出口布置SCR 脫硝反應(yīng)裝置，SCR 下方布置三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，該二次再熱鍋爐熱力系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 二次再熱鍋爐熱力系統(tǒng)圖Fig. 1 Thermal system diagram of a secondary reheat boiler

1.2 模型驗證

為研究燃用不同摻燒煤種情況下，擺動燃燒器、煙氣再循環(huán)和煙氣擋板開度對二次再熱鍋爐蒸汽溫度的影響情況，本文按照圖1所示熱力系統(tǒng)圖，結(jié)合鍋爐廠所給熱力計算數(shù)據(jù)，以設(shè)計煤種為基準(zhǔn)，以火電廠熱力仿真軟件Thermoflow性能分析工具。

為驗證Thermoflow軟件搭建模型的可靠性，本文選取鍋爐廠所給75%THA和100%THA兩個工況下的參數(shù)，將模擬結(jié)果與鍋爐廠設(shè)計值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1。數(shù)據(jù)表明，Thermoflow軟件搭建的模型的計算值與基準(zhǔn)電站設(shè)計值參數(shù)基本一致，計算出的75%THA和100%THA兩種工況下機組發(fā)電功率分別為495.193MW和660.248MW，主蒸汽、再熱蒸汽壓力、溫度、流量與熱力計算書內(nèi)所給設(shè)計值基本相符，模擬的最大誤差為5.09%，大部分誤差小于1%，在一定程度上認(rèn)為建立的模型具有一定的精確性。

表1 某660MW機組鍋爐變工況模擬參數(shù)對比Tab.1 Comparison of variable operating conditions and design parameters of a 660MW secondary reheat boiler

表2 四種基準(zhǔn)煤種成分對比Tab.2 Comparison of common coal types in power plants

2 數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 摻燒比例改變下煤種的變化情況

由于我國能源的分布不均，燃料供應(yīng)能力和運輸能力不足，電廠在實際運行時時常會摻燒一些煤種，而不同的摻燒比例所折算出的煤種成分又大不相同。為研究摻燒比例改變時煤種的變化情況，本文選取4種該電廠常用基準(zhǔn)煤種，按照一定的摻燒比例，折算出新的煤種來與設(shè)計煤種進(jìn)行比對，分析煤種的變化情況。所摻燒的基準(zhǔn)煤種成分及摻燒比例分別如表2和表3所示，各煤種成分之間的對比如圖2所示。

表3 四種基準(zhǔn)煤種的摻燒比例Tab.3 Burning ratio of four benchmark coal types(%)

圖2 摻燒后形成的各煤種成分對比Fig. 2 Composition comparison of each coal

從圖2可以看出，7種煤種中，設(shè)計煤種具有最高比例的灰分和硫分?；曳值拇嬖诓粌H使單位燃料量的發(fā)熱量減少，而且影響燃料的著火和燃盡，也是造成鍋爐受熱面積灰、結(jié)渣、磨損的主要因素。同時，硫分的燃燒產(chǎn)物SO2和SO3會造成鍋爐金屬的腐蝕并污染大氣。所以，燃用設(shè)計煤種時應(yīng)對受熱面多加檢查；煤種1具有最高比例的水分，水分的增加會造成爐內(nèi)溫度下降，影響燃料的著火，同時過多的水分會增大排煙損失，影響鍋爐效率，也會加劇尾部受熱面的腐蝕和堵灰；揮發(fā)分是煤在加熱過程中有機質(zhì)分解而析出的氣質(zhì)物體，它的燃點低，容易著火然繞，對鍋爐的工作影響較大。在7種對比煤種中，煤種1的揮發(fā)分成分含量最高。

煤種1具有較高的水分和揮發(fā)分，所以其相對可燃成分(碳、氫)的含量相應(yīng)減少。煤種1的低位發(fā)熱量最低，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，為18 019 kJ/kg；煤種6具有最高的低位發(fā)熱量，為20 872 kJ/kg。

2.2 二次再熱鍋爐汽溫特性

2.2.1 變摻煤比下擺動燃燒器對二次再熱鍋爐汽溫影響特性

本文采用前蘇聯(lián)1998年熱力計算標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)計煤種為基礎(chǔ)，通過熱力計算得出不同工況下擺動燃燒器的擺角改變對蒸汽溫度的影響情況，找出兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而通過改變煤種成分，分析煤種的改變對于擺動燃燒器調(diào)節(jié)特性的影響情況。

從圖3數(shù)據(jù)可以看出，以設(shè)計煤種為例，單一煤種、不同負(fù)荷下的主蒸汽溫度不同。負(fù)荷越低，主蒸汽溫度越高。同一工況下，隨著擺動燃燒器向上擺動，主蒸汽溫度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。設(shè)計煤種下大概上擺20°時，主蒸汽溫度下降6～8℃。設(shè)計煤種下，當(dāng)機組處于75%工況時，擺動燃燒器擺角對于主蒸汽溫度的影響情況最大，大概上擺20°時，主汽溫下降8.29℃。這是由于隨著擺動燃燒器擺角的增加，所有工況下的主蒸汽對流吸熱量均增加，輻射吸熱量均減少，但對流吸熱量增加得較少，輻射吸熱量下降得較多，且總吸熱量呈下降趨勢，所以主汽溫隨燃燒器擺角的增加而降低。

通過改變所燃燒的煤種情況，擺動燃燒器擺角變化對于主蒸汽溫度的影響情況與設(shè)計煤種時沒有較大區(qū)別，均呈現(xiàn)擺動燃燒器上擺20°，主汽溫大概下降6～8℃情況。這是由于擺動燃燒器通過調(diào)節(jié)鍋爐輻射吸熱量和對流吸熱量的比例來進(jìn)行調(diào)溫，煤種的改變雖然對于燃煤量的影響較大，但是對于擺動燃燒器的調(diào)節(jié)特性影響很小。

圖3 不同煤種、不同工況下擺動燃燒器擺角變化對于主汽溫的影響情況Fig. 3 Influence of swing angle of swing burner on main steam temperature under different coal blending and operating conditions

從圖4和圖5可以看出，以設(shè)計煤種為例，單一煤種、不同負(fù)荷下的再熱蒸汽溫度不同。負(fù)荷越高，一次、二次再熱汽溫越高。同一工況下，隨著擺動燃燒器向上擺動，再熱溫度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。設(shè)計煤種下大概上擺20°時，一再汽溫上升4～6℃，二再汽溫上升5℃。設(shè)計煤種下，當(dāng)機組處于75%工況時，擺動燃燒器擺角對于再熱蒸汽溫度的影響情況最大，大概上擺20°時，一再汽溫上升6.36℃，二再蒸汽上升5.3℃。這是由于燃燒器噴嘴上擺, 提高了爐膛中心火焰位置, 減少了爐膛受熱面的吸熱量, 從而使?fàn)t膛出口溫度升高, 增加了后面各級受熱面的傳熱溫壓和與煙氣之間的熱交換, 促使各級受熱面的吸熱量增大, 相應(yīng)整個再熱器的溫升幅度也增大。同時從圖4、圖5可以看出，同一工況下，擺動燃燒器向上擺動對于一次、二次再熱汽溫的影響情況大于向下擺動。

圖4 不同煤種、不同工況下擺動燃燒器擺角變化對于一次再熱汽溫的影響情況Fig. 4 Influence of swing angle change of swing burner on primary reheat steam temperature under different coal types and different working conditions

圖5 不同煤種、不同工況下擺動燃燒器擺角變化對于二次再熱汽溫的影響情況Fig. 5 Influence of swing angle change of swing burner on secondary reheat steam temperature under different coal types and different working conditions

通過改變所燃燒的煤種情況，擺動燃燒器擺角變化對于再熱蒸汽溫度的影響情況與設(shè)計煤種時沒有較大區(qū)別。這是由于擺動燃燒器通過調(diào)節(jié)鍋爐輻射吸熱量和對流吸熱量的比例來進(jìn)行調(diào)溫，煤種的改變雖然對于燃煤量的影響較大，但是對于擺動燃燒器的調(diào)節(jié)特性影響很小。

2.2.2 變摻煤比下二次再熱鍋爐煙氣再循環(huán)溫度調(diào)節(jié)特性

根據(jù)Thermoflow數(shù)值模擬的計算結(jié)果，圖6給出了機組燃用不同煤種時，為保持主蒸汽、一次再熱和二次再熱汽溫為設(shè)計值時，各負(fù)荷下的煙氣再循環(huán)率變化情況。

結(jié)果表明：同一煤種下，在50%THA負(fù)荷以上，為了保持主蒸汽溫度和一次、二次再熱蒸汽溫度在額定值范圍內(nèi)運行，中高負(fù)荷時，建議采用較低的煙氣再循環(huán)率，較高的循環(huán)率適用于低負(fù)荷工況。在50%THA～60%THA之間的煙氣再循環(huán)率達(dá)到了最高值。在50%THA下，為機組最為惡劣的運行工況，此時再熱蒸汽的溫度已達(dá)不到額定值，再循環(huán)率呈現(xiàn)急劇下降的趨勢。若此時強行增大煙氣再循環(huán)率，可能會導(dǎo)致省煤器的汽化。同時，可以看出燃用不同煤種時機組煙氣再循環(huán)率的變化情況：同一工況下，機組的煙氣再循環(huán)率隨著所燃煤種低位發(fā)熱量的增加而增加。這是由于當(dāng)機組燃用發(fā)熱量較高的煤種時，機組燃煤量減少，相應(yīng)產(chǎn)生的煙氣量也減少，而機組為維持汽溫穩(wěn)定，需要增大再循環(huán)的煙氣量來增加對流換熱器的換熱，這就需要在總煙氣量減少的情況下增大再循環(huán)率，以滿足換熱要求。

圖6 不同煤種下的煙氣再循環(huán)率變化情況Fig. 6 Flue gas recirculation rate change under different coal types

2.2.3 變摻煤比下煙氣擋板溫度調(diào)節(jié)特性

由于煙氣分隔擋板調(diào)節(jié)位于尾部豎井煙道中，只改變流過高壓低溫再熱器和低壓低溫再熱器之間的煙氣量的分配情況，從而實現(xiàn)一次再熱與二次再熱器蒸汽之間汽溫平衡，而對于分隔擋板之前的高溫過熱器溫度無法進(jìn)行調(diào)整，所以如圖7所示煙氣擋板對主蒸汽溫度沒有影響。

圖7 不同煤種、不同工況下煙氣擋板開度變化對于主汽溫的影響情況Fig. 7 Influence of flue gas baffle opening degree change on main steam temperature under different coal blending conditions

從圖8可以看出，以設(shè)計煤種為例，各負(fù)荷工況下，隨著煙氣分隔擋板開度(以一次側(cè)為基準(zhǔn))的不斷增大，一次再熱蒸汽出口溫度在不斷上升，二次再熱蒸汽溫度在不斷下降。同時，隨著負(fù)荷的不斷升高，煙氣擋板調(diào)整蒸汽溫度的變化范圍越大。通?？紤]將煙道分隔擋板作為一種再熱汽溫的細(xì)調(diào)手段，來保證再熱汽溫符合要求。

圖8 不同煤種、不同工況下煙氣擋板開度變化對于再熱汽溫的影響情況Fig. 8 Effect of flue gas baffle opening on primary and secondary reheat steam temperature under different coal blending and operating conditions

2.3 變摻煤比下多種調(diào)溫方式的運行特性

根據(jù)擺動燃燒器、煙氣再循環(huán)和煙氣擋板的調(diào)溫特性，給出了在各負(fù)荷下調(diào)溫手段的優(yōu)先使用建議，如圖9所示。

圖9 不同負(fù)荷下為維持汽溫穩(wěn)定的調(diào)溫手段使用情況Fig. 9 The use of temperature regulation means to maintain stable steam temperature under different loads

當(dāng)機組處于90%～100%THA情況下，機組的煙氣再循環(huán)率變化情況很小，如果采用煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)手段可能存在超調(diào)情況，導(dǎo)致機組超溫。而且90%～100%THA情況下，雖然改變的輸入的煤種成分，但是對于擺動燃燒器的調(diào)整情況影響很小，此工況下通過擺動燃燒器擺角大小都能將汽溫穩(wěn)定在設(shè)計工況下，所以此時可以優(yōu)先考慮擺動燃燒器調(diào)節(jié)手段調(diào)節(jié)汽溫；隨著負(fù)荷的減少，不難發(fā)現(xiàn)在50%～90%THA負(fù)荷下，雖然通過改變擺動燃燒器擺角大小對于汽溫變化情況很明顯，但是由于負(fù)荷低，機組再熱蒸汽溫度無法達(dá)到設(shè)計值，若此時單純?yōu)檎{(diào)高再熱汽溫，容易導(dǎo)致主蒸汽溫度過高，同時擺角過大也會造成擺動燃燒器的諸多安全問題，這對機組的安全運行極其不利。而在50%～90%工況下，煙氣再循環(huán)的變化情況較為明顯，可以在此工況下優(yōu)先考慮采用煙氣再循環(huán)調(diào)溫主調(diào)、輔以煙氣擋板微調(diào)的手段來調(diào)節(jié)汽溫。此時應(yīng)注意對于煤種的改變情況，若所燃煤種低位發(fā)熱量很高，應(yīng)增大其煙氣再循環(huán)率，以保證蒸汽溫度符合要求。當(dāng)負(fù)荷處于50%THA以下時，煙氣再循環(huán)率呈現(xiàn)出明顯下降趨勢。若增大煙氣再循環(huán)率，非但不能調(diào)整汽溫，反而會可能導(dǎo)致省煤器汽化，這對于機組運行的安全性會造成很大問題。所以，50%以下的工況，很難避免汽溫過低情況的出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1) 煤種摻燒會影響機組的煙氣再循環(huán)率，并且同一工況下，煤種的低位發(fā)熱量越高，為維持設(shè)計蒸汽溫度所需的煙氣再循環(huán)率就相對大一些。

(2) 煤種摻燒對于擺動燃燒器的影響情況較小，主蒸汽汽溫隨擺動燃燒器上擺而下降，而再熱汽溫呈現(xiàn)相反的趨勢；擺動燃燒器在中高負(fù)荷的溫差調(diào)節(jié)范圍大于滿負(fù)荷情況，并且擺動燃燒器上擺時溫度的變化情況要靈敏于向下擺動的情況。

(3) 煤種的改變對于煙氣擋板調(diào)溫手段的影響不大，均表現(xiàn)為隨著負(fù)荷的升高，煙氣擋板對于再熱蒸汽溫度的影響程度變大。同時隨著一次再熱擋板開度的增加，一再蒸汽溫度上升，二再蒸汽溫度下降，主蒸汽溫度基本不變。

(4) 在90%THA及以上負(fù)荷情況下采用擺動燃燒器調(diào)節(jié)汽溫；50%THA～90%THA采用煙氣再循環(huán)主調(diào)、輔以煙氣擋板調(diào)節(jié)，這種耦合調(diào)溫方式能更好的改善汽溫過低、遲滯等現(xiàn)象；50%THA以下負(fù)荷為機組運行的惡劣工況，很難避免汽溫過低的情況出現(xiàn)。