基于吸熱偏差分析的鍋爐燃燒調(diào)整技術(shù)

項(xiàng)岱軍,王煜偉,王小華,王 衡

(1.國(guó)家能源集團(tuán)江蘇電力有限公司,江蘇 南京 210036;2.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司,江蘇 蘇州 215153;3.上海望特能源科技有限公司,上海 200245)

0 引言

大型燃煤鍋爐無(wú)論何種燃燒方式,都會(huì)發(fā)生燃燒產(chǎn)物的能量不平衡,影響工質(zhì)吸熱的均勻性。尤其對(duì)于切向燃燒方式鍋爐而言,由于殘余旋轉(zhuǎn)的存在,造成沿?zé)煹缹挾确较虻臒熕俸蜔煖仄?當(dāng)與工質(zhì)吸熱偏差迭加后熱偏差進(jìn)一步增大,進(jìn)而引發(fā)高溫受熱面的超溫爆管[1-2]。針對(duì)這一難題,國(guó)內(nèi)的鍋爐廠和相關(guān)研究機(jī)構(gòu),通過(guò)?；囼?yàn)和選擇性地實(shí)爐驗(yàn)證,并采取升級(jí)受熱面管材等級(jí)、上部二次風(fēng)或三次風(fēng)反切、一次風(fēng)反切微偏轉(zhuǎn)和爐膛出口“零旋強(qiáng)”準(zhǔn)則等方式緩解煙氣側(cè)煙速和煙溫偏差。其中,燃盡風(fēng)反切消旋技術(shù)作為調(diào)整偏差的主要手段,獲得了廣泛應(yīng)用和關(guān)注[3-5]。

除上述煙氣側(cè)采取的相關(guān)措施外,上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所的相關(guān)研究人員提出,由進(jìn)口集箱中渦流區(qū)靜壓降低引起的屏間流量不均勻和由受熱面管材受熱長(zhǎng)度、蒸汽流量以及各種輻射和對(duì)流吸熱不均勻引起的同屏各管間的熱偏差等也是造成受熱面管超溫爆管的重要因素[6-10]。針對(duì)這一問(wèn)題,研究人員在設(shè)計(jì)時(shí)采取(1)在同一片管屏中吸熱小的管中加裝節(jié)流圈減小蒸汽流量;(2)同一片屏的一根或幾根外圈管下部短路,縮短受熱長(zhǎng)度,增大蒸汽流量;(3)調(diào)整管屏出口集箱內(nèi)徑和三通在集箱中的位置,減小渦流區(qū)蒸汽靜壓降低對(duì)屏間流量的影響等手段,有效地緩解了汽溫偏差。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,機(jī)組的熱負(fù)荷偏差隨著負(fù)荷、煤種、運(yùn)行參數(shù)、投運(yùn)燃燒器的數(shù)量和位置的變化而變化,給機(jī)組的安全穩(wěn)定調(diào)控造成了一定的難度?，F(xiàn)有常見(jiàn)的煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)調(diào)整方法是機(jī)組遇到熱偏差問(wèn)題時(shí),進(jìn)行冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)和熱態(tài)燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),調(diào)試單位借助專業(yè)儀器儀表測(cè)試的空氣溫度和流量數(shù)據(jù)、煤粉混合物速度、濃度和細(xì)度數(shù)據(jù)、爐膛及尾部煙道煙氣溫度、煙氣成分和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整,短期內(nèi)效果顯著,緩解了兩側(cè)的熱負(fù)荷偏差。但當(dāng)煤種、設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),運(yùn)行人員通過(guò)少量的在線檢測(cè)參數(shù)無(wú)法做出正確的調(diào)整決策,從而導(dǎo)致了受熱面管壁的超溫,危及機(jī)組的安全運(yùn)行。因此,亟需發(fā)展一種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)指導(dǎo)運(yùn)行人員開(kāi)展在線的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整,保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

大容量電站鍋爐過(guò)、再熱器的受熱條件和流動(dòng)工況非常復(fù)雜,爐膛出口煙溫測(cè)點(diǎn)插入深度又太短,同時(shí)還受到冷面輻射的影響,所測(cè)溫度并不能真實(shí)地反映偏差屏位置的煙溫偏差。鍋爐上裝設(shè)的爐外溫度測(cè)點(diǎn)也難以用來(lái)準(zhǔn)確推算偏差管爐內(nèi)各點(diǎn)的壁溫值。因此,將爐外溫度測(cè)量數(shù)據(jù)與運(yùn)行參數(shù)相結(jié)合,在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)計(jì)算出爐內(nèi)壁溫是實(shí)現(xiàn)壁面溫度在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Panel Safeguard Supervisory System,簡(jiǎn)稱PSSS)是基于王孟浩教授及其團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)的鍋爐過(guò)、再熱器熱偏差及爐管壁溫計(jì)算方法并結(jié)合電廠運(yùn)行管理需要而開(kāi)發(fā)的,根據(jù)每臺(tái)鍋爐的具體結(jié)構(gòu)、熱力數(shù)據(jù)結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況專門開(kāi)發(fā)的過(guò)、再熱器安全經(jīng)濟(jì)的專家在線管理系統(tǒng)[11-12]。該系統(tǒng)以在線爐內(nèi)壁溫計(jì)算和在線壽命損耗計(jì)算為核心,采用在線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示技術(shù),從電廠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如DCS、SIS和MIS系統(tǒng))讀取所需數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)計(jì)算,動(dòng)態(tài)顯示爐內(nèi)每根管沿長(zhǎng)度各點(diǎn)的汽溫、壁溫、壽命損耗、高溫管屏的煙溫偏差以及沿?zé)煹缹挾鹊奈鼰崞畹萚13]。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn):(1)根據(jù)新鍋爐的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)受熱面的最大熱偏差管和最高管壁溫度點(diǎn);(2)對(duì)運(yùn)行鍋爐,通過(guò)可視化顯示,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受熱面管壁溫度狀況,特別對(duì)最大熱偏差管及最危險(xiǎn)段的壁溫工況進(jìn)行量化監(jiān)督。

在鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,本文提出一種基于吸熱偏差分析的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整技術(shù),該技術(shù)通過(guò)獲得受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數(shù),指導(dǎo)運(yùn)行人員開(kāi)展在線的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。介紹了鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本計(jì)算原理,進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)切圓燃燒和對(duì)沖燃燒方式下熱偏差系數(shù)的單因素對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算原理

計(jì)算受熱面管是否超溫及壽命損耗的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確計(jì)算受熱面管的爐內(nèi)壁溫,每一點(diǎn)的汽溫和壁溫受到蒸汽流動(dòng)和輻射、對(duì)流傳熱的影響。PSSS系統(tǒng)考慮了實(shí)際運(yùn)行工況的屏間和同屏吸熱偏差、蒸汽流量偏差、屏前、屏后、屏中及屏下的輻射、對(duì)流傳熱偏差以及受熱面管阻力系數(shù)偏差等因素,建立傳熱計(jì)算模型。

管組中任一個(gè)管段i的焓增計(jì)算式為

(1)

式中 Δii——管段i的焓增/kJ·kg-1;

Kr、Kh——寬度和高度吸熱偏差系數(shù);

E0——面積折算系數(shù);

d——管子外徑/m;

li——計(jì)算管段長(zhǎng)度/m;

Di——蒸汽流量/kg·h-1;

qf——屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負(fù)荷/W·m-2;

pi——屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負(fù)荷偏差系數(shù);

qp、qd——屏間輻射和對(duì)流熱負(fù)荷/W·m-2;

ε1i、ε2i——屏間輻射和對(duì)流熱負(fù)荷偏差系數(shù)。

計(jì)算點(diǎn)的汽溫計(jì)算式,可表示為

t=tj+∑Δii/R

(2)

式中t——計(jì)算點(diǎn)的蒸汽溫度/K;

tj——計(jì)算管進(jìn)口溫度/K;

R——蒸汽比熱/kJ·(kg·K)-1。

計(jì)算點(diǎn)的壁溫計(jì)算式為

(3)

式中tb——計(jì)算點(diǎn)的壁溫/K;

β——管徑比;

J——熱均流系數(shù);

α2——管內(nèi)蒸汽對(duì)管壁的放熱系數(shù)/W·(m2·K)-1;

qm——管壁換熱量/W·m-2;

δ——管壁厚度/m;

λ——金屬導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1。

得到每根管的爐內(nèi)壁溫?cái)?shù)據(jù)后,就可以算出沿?zé)煹缹挾鹊臒嶝?fù)荷偏差和同片屏各管熱偏差,并通過(guò)圖像的形式實(shí)時(shí)顯示出來(lái),進(jìn)而指導(dǎo)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。

為指導(dǎo)機(jī)組的燃燒調(diào)整,PSSS系統(tǒng)中以直觀的圖形方式繪制了各級(jí)受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數(shù)Kr曲線,圖1為某電廠PSSS系統(tǒng)中某工況下二級(jí)再熱器吸熱偏差曲線示意圖。圖中的再熱器共計(jì)44片屏,每片屏24根管。從圖1可見(jiàn),受切圓殘余旋轉(zhuǎn)的影響,吸熱偏差曲線呈現(xiàn)不規(guī)則馬鞍型分布,左側(cè)偏差最大屏出現(xiàn)在第2屏,Kr為1.10,右側(cè)偏差最大屏出現(xiàn)在第41屏,Kr為1.08,管組左右側(cè)吸熱量之比為1.01,左右側(cè)最大Kr平均值為1.09,距離控制目標(biāo)值1.20有一定的安全余量,表明受熱面吸熱較均勻。

圖1 二級(jí)再熱器吸熱偏差曲線

2 吸熱偏差分析技術(shù)的應(yīng)用

2.1 切圓燃燒方式的燃燒優(yōu)化調(diào)整

某電廠2×1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的塔式鍋爐。鍋爐采用變壓運(yùn)行螺旋管圈設(shè)計(jì),單爐膛、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)。設(shè)計(jì)燃用神府東勝煤,沿?zé)煔饬鞒痰氖軣崦娌贾庙樞驗(yàn)?一級(jí)過(guò)熱器(逆流)、三級(jí)過(guò)熱器(順流)、高溫再熱器(順流)、二級(jí)過(guò)熱器(逆流)、低溫再熱器(逆流)和省煤器(順流),全部受熱面管水平布置。

在機(jī)組電負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),通過(guò)調(diào)整鍋爐運(yùn)行方式,如改變鍋爐總風(fēng)量(小風(fēng)量:1 700 t/h、大風(fēng)量:2 000 t/h)、調(diào)整SOFA(分離燃盡風(fēng))風(fēng)量(#1和#2角全關(guān)、#1和#2角部分開(kāi)啟)、磨煤機(jī)組合方式(分別停A、B、C、D、E和F磨煤機(jī))、減溫水量(三級(jí)過(guò)熱器減溫水量:20.4 t/h、80.7 t/h)等,考察PSSS系統(tǒng)計(jì)算獲得的三級(jí)過(guò)熱器屏間吸熱偏差系數(shù)的變化趨勢(shì)與燃燒理論分析結(jié)果是否一致,以檢驗(yàn)PSSS系統(tǒng)對(duì)煙氣熱負(fù)荷分布曲線檢測(cè)結(jié)果定性趨勢(shì)的準(zhǔn)確性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 鍋爐總風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

表2 鍋爐SOFA風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

表3 磨煤機(jī)組合方式調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

表4 鍋爐減溫水量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

從表1～表4中,各個(gè)因素的調(diào)整對(duì)三級(jí)過(guò)熱器熱負(fù)荷分布曲線變化趨勢(shì)的影響可以看出,總風(fēng)量和噴水量變化時(shí),煙氣熱負(fù)荷分布曲線變化不明顯;SOFA風(fēng)量和磨煤機(jī)組合方式的調(diào)整對(duì)煙氣熱負(fù)荷分布曲線的影響較大。這是因?yàn)榭傦L(fēng)量和噴水量變化時(shí),并未從根本上改變各級(jí)受熱面管屏間的吸熱份額和管內(nèi)流量的分配狀況,因此,這兩個(gè)因素的調(diào)整對(duì)煙氣熱負(fù)荷分布曲線的影響不大。

由于主燃燒區(qū)氣流為正切,SOFA風(fēng)氣流為反切,隨著SOFA風(fēng)量的增加,燃盡區(qū)消旋的效果加強(qiáng),熱負(fù)荷分布更加均勻,屏間吸熱偏差系數(shù)減小。當(dāng)磨煤機(jī)組合方式發(fā)生變化時(shí),不同磨煤機(jī)出口各個(gè)角的粉量存在著差異,燃燒器區(qū)域的氣流旋度和燃盡風(fēng)的消旋的效果會(huì)發(fā)生變化,對(duì)屏間吸熱偏差系數(shù)影響很大。

可見(jiàn),PSSS系統(tǒng)計(jì)算獲得的屏間吸熱偏差系數(shù)的變化趨勢(shì)與燃燒理論分析結(jié)果基本吻合。根據(jù)它可指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整鍋爐配風(fēng)等運(yùn)行方式,降低屏間吸熱偏差,以減小超溫爆管的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 對(duì)沖燃燒方式的燃燒優(yōu)化調(diào)整

某電廠1 036 MW的DG-3000/26.15-II1型超超臨界鍋爐采用變壓運(yùn)行螺旋管圈設(shè)計(jì),單爐膛П型布置,前后墻對(duì)沖分級(jí)燃燒方式、擋板調(diào)溫、平衡通風(fēng)。鍋爐設(shè)計(jì)燃用神府東勝煤,正壓直吹式制粉系統(tǒng)。配有六臺(tái)中速磨煤機(jī),五臺(tái)投運(yùn)、一臺(tái)備用。

在爐膛前后墻分三層布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃燒器,每層布置8只,共有48只燃燒器。在前后墻距最上層燃燒器噴口—定距離布置燃盡風(fēng)噴口(OAP),每層10只。在爐膛上部和水平煙道中沿?zé)煔饬鞒痰氖軣崦娌贾庙樞驗(yàn)?屏式過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器和高溫再熱器。

試驗(yàn)以電廠2號(hào)鍋爐屏式過(guò)熱器為研究對(duì)象,采集屏式過(guò)熱器前后的蒸汽溫度、燃盡風(fēng)量,驗(yàn)證磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式(停前墻上層A磨和停后墻上層D磨)和OFA風(fēng)量的調(diào)整與屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性。運(yùn)行人員以此為依據(jù),調(diào)整鍋爐運(yùn)行方式,可以有效減小屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱量偏差,避免屏過(guò)系統(tǒng)的大面積超溫。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表5～表6所示。

表5 磨煤機(jī)組合方式調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

表6 OFA風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

說(shuō)明:屏式過(guò)熱器吸熱偏差系數(shù)表征屏式過(guò)熱器前后管屏的平均吸熱偏差,該系數(shù)大于1,表明屏式過(guò)熱器前管屏平均吸熱量大于后管屏,該系數(shù)小于1,表明屏式過(guò)熱器前管屏平均吸熱量小于后管屏。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出,磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式變化時(shí),對(duì)屏式過(guò)熱器前后管屏的吸熱偏差影響很大。停A磨煤機(jī)時(shí),屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)為1.1;停D磨煤機(jī)時(shí),屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱系數(shù)比為0.9。這主要是因?yàn)橥磨煤機(jī)(位于前墻)時(shí),后墻總風(fēng)量高于前墻總風(fēng)量,火焰中心向前墻移動(dòng),屏式過(guò)熱器前管屏平均吸熱量大于后管屏;停D磨煤機(jī)(位于后墻)的規(guī)律則剛好相反。

從表6中 OFA風(fēng)量的變化對(duì)屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱偏差的影響可以看出,當(dāng)前后墻燃盡風(fēng)同時(shí)降低,且后墻燃盡風(fēng)量的降低幅度超過(guò)前墻時(shí),火焰中心往后移,屏式過(guò)熱器前管屏平均吸熱量小于后管屏,屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)由1.0降低至0.8。

PSSS系統(tǒng)計(jì)算獲得的屏式過(guò)熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)的變化趨勢(shì)與燃燒理論分析結(jié)果基本吻合。電廠運(yùn)行人員根據(jù)屏式過(guò)熱器吸熱偏差系數(shù)了解前后管屏的吸熱量分布情況,判斷沿鍋爐深度方向煙氣熱負(fù)荷的偏移,相應(yīng)調(diào)節(jié)鍋爐配風(fēng)等運(yùn)行方式,可以使火焰中心沿爐膛深度方向上分布均勻,避免部分受熱面超溫的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)常規(guī)的燃燒優(yōu)化調(diào)整手段,由于需要借助大量?jī)x表測(cè)試數(shù)據(jù)指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)整緩解鍋爐燃燒的偏差,但無(wú)法滿足日常優(yōu)化調(diào)整的問(wèn)題,本文提出了一種基于鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),獲得受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數(shù),以用于指導(dǎo)運(yùn)行人員開(kāi)展在線的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。

(2)通過(guò)對(duì)切圓燃燒和對(duì)沖燃燒方式下熱偏差系數(shù)的單因素對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱偏差系統(tǒng)可準(zhǔn)確反映爐內(nèi)燃燒的變化,且與燃燒理論分析結(jié)果吻合,能滿足日常優(yōu)化調(diào)整的需要。以鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù),合理調(diào)整鍋爐運(yùn)行方式,可有效降低沿爐膛寬度和深度方向的吸熱偏差,避免運(yùn)行中因管壁溫度偏差過(guò)大而發(fā)生爆管或被迫降參數(shù)運(yùn)行的情況,提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。