超臨界直流鍋爐冷態(tài)空氣動力場研究

汪潮洋，崔育奎

(1.河北省電力研究院，河北 石家莊 050021;2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003;3.河北國華定洲發(fā)電廠，河北 定州 073000)

0 引言

目前，我國新投超臨界600 MW等級及以上機(jī)組的鍋爐有相當(dāng)一部分采用四角切圓燃燒技術(shù)。運(yùn)行實(shí)踐表明，在這些鍋爐的水平煙道上普遍存在煙溫偏差，致使高溫過熱器、高溫再熱器不斷發(fā)生超溫爆管事故，嚴(yán)重威脅電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

多年來，對大容量鍋爐水平煙道中煙溫偏差(以下簡稱煙溫偏差)進(jìn)行了許多研究，煙溫偏差有所改善。然而，由于對煙溫偏差產(chǎn)生的原因認(rèn)識不足，煙溫偏差至今仍是電力安全生產(chǎn)中存在的主要問題，有必要總結(jié)分析有關(guān)研究成果，認(rèn)識其規(guī)律，以便進(jìn)一步改善四角切圓燃燒時(shí)的煙溫偏差。

1 系統(tǒng)概況

河北國華定洲發(fā)電廠二期工程2×660 MW機(jī)組所采用的鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG－2150/25.4－M976型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，四角切向燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架、Π形布置。采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)LNCFS(Low NOxConcentric Firing System)。低NOx煤粉燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是減少揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化成NOx，主要方法是建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)。LNCFS的主要組件為緊湊燃盡風(fēng)(CCOFA)噴嘴、可水平擺動的分離燃盡風(fēng)(SOFA)噴嘴、預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)(CFS)噴嘴及強(qiáng)化著火(EI)煤粉噴嘴。

主風(fēng)箱設(shè)有6層強(qiáng)化著火(EI)煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)(周界風(fēng))。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上、下2個(gè)偏置的CFS噴嘴及1個(gè)直吹噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層CCOFA噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層UFA噴嘴。在主風(fēng)箱上部布置有SOFA燃燒器，包括5層可水平擺動的分離燃盡風(fēng)(SOFA)噴嘴。連同煤粉噴嘴的周界風(fēng)，每組主燃燒器和SOFA燃燒器各有二次風(fēng)擋板25組，均由電動執(zhí)行器單獨(dú)操作。為滿足鍋爐汽溫調(diào)節(jié)的需要，主燃燒器噴嘴采用擺動結(jié)構(gòu)，由內(nèi)、外連桿組成1個(gè)擺動系統(tǒng)，由1個(gè)電動執(zhí)行器集中帶動做上、下擺動，二次風(fēng)噴嘴的擺動范圍為±30°，煤粉噴嘴的擺動范圍為±20°。SOFA燃燒器同樣由1臺電動執(zhí)行器集中帶動做上、下擺動，SOFA噴嘴可水平擺動調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫偏差，水平擺動范圍為±15°。

燃燒器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)(MCR工況):單個(gè)煤粉噴嘴輸入熱量，308.2×106kJ/h;爐膛寬度×深度，18816 mm ×18816 mm;一次風(fēng)噴嘴偏置角度，4°;二次風(fēng)噴嘴偏置角度，26°;二次風(fēng)速度，56.8 m/s;二次風(fēng)溫度，343℃;二次風(fēng)率，75.7%;SOFA，30%;CCOFA，10%;周界風(fēng)，10%;一次風(fēng)速度(噴口速度)，25.4 m/s;一次風(fēng)溫度，76.7℃;一次風(fēng)率，18.4%;燃燒器一次風(fēng)阻力，0.5 kPa;燃燒器二次風(fēng)阻力，1.0 kPa。

2 冷態(tài)試驗(yàn)及研究目的

爐內(nèi)動力場組織的好壞，直接影響鍋爐的燃燒效率及爐膛出口煙氣分布情況，進(jìn)而影響鍋爐的整體性能，因此，在開展動力場研究前對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的研究。

3 試驗(yàn)過程及分析

3.1 一次風(fēng)調(diào)平及結(jié)果

為使鍋爐同層一次風(fēng)速相同，從而保證鍋爐熱態(tài)時(shí)燃燒中心居中，通過調(diào)整一次風(fēng)管上的可調(diào)縮孔進(jìn)行了同層一次風(fēng)速調(diào)平試驗(yàn)。調(diào)平前、后的試驗(yàn)結(jié)果見表1，偏差均在±3%以下，優(yōu)于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值(≤±5%)。在準(zhǔn)備一次風(fēng)速調(diào)平試驗(yàn)的過程中，盡可能減少冷態(tài)試驗(yàn)和熱態(tài)時(shí)的偏差，在設(shè)計(jì)安裝調(diào)平測孔時(shí)，同層安裝位置均距離燃燒器較近且距離相等，保證測孔后到燃燒器的阻力一樣，減少了熱態(tài)時(shí)的偏差。

表1 冷態(tài)一次風(fēng)速調(diào)平結(jié)果

3.2 燃燒器二次風(fēng)擋板特性的測定

在大風(fēng)箱風(fēng)壓為1016 Pa時(shí)，選取A1，AB層進(jìn)行了二次風(fēng)擋板特性的測定(在二次風(fēng)擋板開度分別為 0%，25%，50%，75%，100%開度下進(jìn)行測定)。由二次風(fēng)擋板特性數(shù)據(jù)曲線可以看出，二次風(fēng)擋板工作正常，擋板開度的線性度較好，而且各風(fēng)門擋板特性基本相似。在擋板全關(guān)的情況下，風(fēng)速為5～15 m/s，仍有一定量的風(fēng)在擋板全關(guān)時(shí)送入爐膛，驗(yàn)證了在熱態(tài)試運(yùn)時(shí)不投入燃燒器的情況下對應(yīng)風(fēng)門擋板全關(guān)而不會燒壞燃燒器噴口的設(shè)計(jì)理念，從而保證了燃燒調(diào)整時(shí)各風(fēng)門擋板的同步性。

3.3 爐膛內(nèi)空氣動力場的測定

由測量結(jié)果可以看出，在測量平面上，爐膛中心存在一個(gè)無風(fēng)區(qū)或低風(fēng)速區(qū)(以爐膛中心為圓心，半徑為3.8 m左右，風(fēng)速在3 m/s以下)。而十字拉線上測得的最大風(fēng)速處距爐膛中心距離分別為爐前7.2 m，爐后7.2 m，爐左6.6 m，爐右6.8 m，切圓居中，沒有偏心，平均切圓半徑為6.95 m，保證了熱態(tài)燃燒合理。

3.4 爐墻貼壁風(fēng)速測量

為了摸清爐膛燃燒器區(qū)域是否存在貼壁、刷墻等現(xiàn)象，進(jìn)行了貼壁風(fēng)速的測定。由測定結(jié)果可以看出:爐墻貼壁風(fēng)速較大處基本位于四面水冷壁的中心區(qū)域，基于中心區(qū)域呈正態(tài)分布。

3.5 爐膛出口水平煙道速度場分布的測定

此次動力場試驗(yàn)重點(diǎn)進(jìn)行爐膛出口氣流分布情況的測試，因此，在試驗(yàn)過程中分3個(gè)工況對爐膛出口水平煙道速度場的分布進(jìn)行了測定。

(1)工況1。將消旋二次風(fēng)擋板全開，SOFA水平擺角為順時(shí)針15°，SOFA風(fēng)射流角度與二次風(fēng)旋流方向一致，左側(cè)平均風(fēng)速為3.372 m/s，右側(cè)平均風(fēng)速為3.051 m/s，左右偏差為0.321 m/s。速度分布如圖1所示。

圖1 爐膛出口風(fēng)速分布圖(工況1)

(2)工況2。改變SOFA水平擺角至0°，爐膛出口左右偏差明顯變小，左側(cè)風(fēng)速為3.346 m/s，右側(cè)風(fēng)速為3.233 m/s，左右偏差為0.113 m/s。速度分布如圖2所示。

(3)工況3。改變 SOFA水平擺角至逆時(shí)針15°，爐膛出口左、右側(cè)風(fēng)量基本平衡，左側(cè)風(fēng)速為3.119 m/s，右側(cè)風(fēng)速為 3.036 m/s，左右偏差為0.083 m/s。速度分布如圖3所示。

通過該項(xiàng)試驗(yàn)可以看出:將SOFA水平擺角從順時(shí)針15°調(diào)整至逆時(shí)針15°，可以改變爐膛出口的旋流強(qiáng)弱，從右旋至基本平衡;在正常運(yùn)行時(shí)，通過改變二次風(fēng)的配比可以實(shí)現(xiàn)熱態(tài)偏差調(diào)整。

爐膛出口水平煙道速度場分布的測量結(jié)果見表2。

表2 爐膛出口水平煙道速度場分布的測量結(jié)果(從下往上)

4 結(jié)論

(1)通過新的技術(shù)手段，使冷態(tài)一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)?zāi)苡行У販p少熱態(tài)時(shí)的偏差，鍋爐熱負(fù)荷均勻。

(2)通過試驗(yàn)證明了鍋爐切圓大小合適，充滿程度好，無刷墻、貼壁現(xiàn)象。

(3)通過改變SOFA的風(fēng)量及反切角度能有效改變爐膛出口氣流的分布，反切最大時(shí)，爐膛出口氣流分布均勻，能有效地調(diào)節(jié)熱態(tài)偏差。

(4)從表2可以看出，在爐膛出口垂直截面上，從下往上風(fēng)速逐漸增加，爐右側(cè)增加幅度明顯大于爐左側(cè)，第6層以下左側(cè)平均風(fēng)速高于右側(cè)，第6層以上右側(cè)風(fēng)速基本高于左側(cè)。