某電廠350 MW超臨界鍋爐爐膛選型

徐 棟，張延延

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 引言

某熱電聯(lián)產(chǎn)2X350 MW超臨界項(xiàng)目在工程初設(shè)階段設(shè)計(jì)煤質(zhì)為高灰分、高灰熔點(diǎn)、中低熱值的煙煤。由于擔(dān)心煤源市場的不穩(wěn)定性和對運(yùn)行成本的綜合考慮，電廠經(jīng)過多次探討論證，將設(shè)計(jì)煤種進(jìn)行了調(diào)整。最終確定的煤質(zhì)為黑龍江鶴崗洗中煤與內(nèi)蒙古扎賚諾爾煤的混煤。其中鶴崗洗中煤為高灰分，高灰熔點(diǎn)的劣質(zhì)次煙煤;扎賚諾爾煤為高水分，低灰熔點(diǎn)的褐煤。此次煤質(zhì)的變化也引起了鍋爐爐膛的選型變化，本文將簡要說明爐膛的選型原則和本工程前后的爐膛方案。

1 爐膛選型原則

眾所周知大型電站鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，煤質(zhì)的分析是最為基礎(chǔ)的。煤質(zhì)特性是鍋爐燃燒設(shè)備與爐膛設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。鍋爐爐膛尺寸選擇、受熱面的結(jié)構(gòu)形式、數(shù)量及布置位置、制粉系統(tǒng)的型式及磨煤機(jī)的數(shù)量選擇、燃燒設(shè)備和所有輔機(jī)的設(shè)計(jì)都取決于煤質(zhì)的特性。為了能夠設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、可靠性高的煤粉鍋爐，必須要對鍋爐中可能出現(xiàn)的結(jié)渣、沾污、磨損、NOX生成和燃料的充分燃盡等問題充分重視，而上述問題與煤質(zhì)的特性密切相關(guān)。如何解決上述問題，是整個(gè)鍋爐設(shè)計(jì)方案成敗的關(guān)鍵。

鍋爐的方案設(shè)計(jì)基于煤質(zhì)的特性，但是整個(gè)鍋爐的布置方案則基于爐膛的選型。

一是爐膛選型可以根據(jù)煤質(zhì)的特性有效的解決結(jié)渣，沾污，燃盡等問題。

二是爐膛選型可以消除高海拔帶來的不利影響。

三是只有爐膛尺寸確定之后才能進(jìn)行各個(gè)輻射受熱面和對流受熱面的布置，爐膛選型是受熱面布置的基礎(chǔ);所以爐膛選型是鍋爐設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)也是最重要的環(huán)節(jié)。

爐膛的選型包括兩個(gè)重要方面的內(nèi)容，一是爐膛的容積，二是爐膛的截面積。

爐膛容積能保證燃料在爐膛中有足夠的燃盡時(shí)間，并能布置足夠的受熱面，保證爐內(nèi)的燃燒產(chǎn)物得到充分冷卻，使其出口煙溫降低到灰的軟化溫度以下，不至于引起其后受熱面結(jié)渣。正常的鍋爐設(shè)計(jì)中，爐膛出口煙溫一定要低于灰熔點(diǎn)100℃以上。而爐膛出口煙溫的計(jì)算是整個(gè)鍋爐熱力計(jì)算中最精彩的部分，也是最難以計(jì)算準(zhǔn)確的部分，通常爐膛出口煙溫實(shí)際值和計(jì)算值都有50℃左右的偏差。

爐膛截面積能反映燃燒區(qū)域溫度，對燃料的著火燃燒，結(jié)渣有影響。爐膛截面積越小，燃燒區(qū)域溫度越高，對燃料的著火燃燒有利，但容易引起結(jié)渣和較高的NOX生成。反之，則情況相反。

另外，爐膛選擇的大小不僅關(guān)系到爐膛出口煙溫的大小，而且還關(guān)系到整個(gè)一次汽的吸熱比例問題。若爐膛選取較大，則蒸發(fā)吸熱量較大，一次汽將很難達(dá)到額定汽溫。若爐膛選取較小，則一次汽的噴水量較大，不容易到達(dá)額定出力。而一次汽的額定汽溫和額定出力是整個(gè)鍋爐設(shè)計(jì)的最終目的，由此可見，正確的爐膛選型是整個(gè)鍋爐設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵。

《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》中對300 MW及以上等級的煤粉鍋爐的爐膛容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷等熱力參數(shù)做了明確的要求，它是煤粉鍋爐爐膛選型的重要依據(jù)。

2 原設(shè)計(jì)爐膛方案

2.1 綜述和煤質(zhì)

工程原設(shè)計(jì)煤、校核煤種均易著火穩(wěn)燃，只要采取適當(dāng)措施，就可確保著火穩(wěn)定和低負(fù)荷穩(wěn)燃;設(shè)計(jì)煤、校核煤種均易燃盡，只要在爐膛尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，提供足夠的燃盡高度來保證煤粉停留時(shí)間，就可達(dá)到理想的燃盡水平;設(shè)計(jì)煤和校核煤均結(jié)焦傾向輕微，但是由于所含灰分較大，需要選取合適的爐膛及燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)以保證不發(fā)生結(jié)焦。

表1 原煤質(zhì)分析

2.2 燃料著火特性

表2 著火穩(wěn)燃特性判別指標(biāo)

從表2判別指標(biāo)可以看出，設(shè)計(jì)煤、校核煤屬于易著火的煙煤，在爐膛設(shè)計(jì)中只要采用合適的截面熱負(fù)荷，即可保證煤粉的及時(shí)著火和低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒，達(dá)到低負(fù)荷穩(wěn)燃的要求。

2.3 燃料燃盡特性

表3 燃盡特性判別指標(biāo)表

從表3判別指標(biāo)可以看出，設(shè)計(jì)煤、校核煤都屬易燃盡的煙煤，為提高鍋爐投運(yùn)后的經(jīng)濟(jì)性，在爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，只要采取合適的燃盡高度就可保證良好的燃盡率。

2.4 燃料結(jié)焦特性

表4 結(jié)焦特性判別

從表4判別指標(biāo)可以看出，設(shè)計(jì)煤和校核煤均屬結(jié)焦傾向輕微，但考慮到設(shè)計(jì)煤和校核煤的灰分都很大，對結(jié)焦傾向會有所增強(qiáng)，因此在爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用較低的容積熱負(fù)荷。

2.5 爐膛方案

根據(jù)對原設(shè)計(jì)煤質(zhì)的分析，它屬于典型的劣質(zhì)煙煤。根據(jù)熱力計(jì)算它燃燒所產(chǎn)生的煙氣量較小，對尾部的對流換熱影響較大。若采用較低的分離器出口溫度，則尾部的對流受熱面將布置很大。這顯然是不合理也是不經(jīng)濟(jì)的?？紤]到它本身的灰熔點(diǎn)較高，不容易結(jié)焦。根據(jù)《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》的要求，本工程可采取較高的爐膛容積熱負(fù)荷和較高的爐膛出口煙氣溫度來強(qiáng)化尾部的換熱效果，從而使鍋爐輻射受熱面和對流受熱面的吸熱比例維持在一個(gè)合理的水平。本鍋爐原設(shè)計(jì)方案采取的是前后墻對沖的燃燒方式，長方形爐膛，旋流燃燒器配3臺雙進(jìn)雙出鋼球磨，這也是我公司的煙煤爐典型設(shè)計(jì)。

表5 原鍋爐方案

3 現(xiàn)爐膛方案

3.1 綜述和煤質(zhì)

現(xiàn)在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)煤質(zhì)發(fā)生變更，考慮到確定煤質(zhì)的特點(diǎn)仍偏向于結(jié)渣傾向的褐煤，如果采用原來的對沖燃燒和爐膛選型方案，所得的爐膛容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷對此種設(shè)計(jì)煤質(zhì)來講有些偏大，對防結(jié)焦不利，需要降低爐膛容積熱負(fù)荷。而且還考慮鍋爐能具有更好的煤種適應(yīng)性，鍋爐方案做了調(diào)整，燃燒方式則改為了四角切圓燃燒的方案。

工程的設(shè)計(jì)煤質(zhì)為混煤，即劣質(zhì)次煙煤和高水分褐煤的混合。導(dǎo)致混煤的特性兼有二者的特點(diǎn)。它燃燒所產(chǎn)生的煙氣量較煙煤的大，有利于尾部的對流換熱。但是混煤的灰熔點(diǎn)較低，比較容易結(jié)焦，則考慮較低的爐膛容積熱負(fù)荷和較低的爐膛出口煙氣溫度。

表6 現(xiàn)煤質(zhì)分析

3.2 燃料著火特性

表7 著火穩(wěn)燃特性判別指標(biāo)

從表7判別指標(biāo)可以看出，混煤屬于易著火易穩(wěn)定燃燒的偏褐煤，在爐膛設(shè)計(jì)中，只要采取適當(dāng)?shù)慕孛鏌嶝?fù)荷，就可保證煤粉的及時(shí)著火和低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒。

3.3 燃料燃盡特性

表8 燃盡特性判別指標(biāo)

從表8判別指標(biāo)可以看出，混煤屬極易燃盡的偏褐煤。為提高鍋爐的煤質(zhì)適應(yīng)性，在爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，只要采取合適的燃盡高度就可保證良好的燃盡率。

3.4 燃料結(jié)焦特性

表9 結(jié)焦特性判別

從表9判別指標(biāo)可以看出，本工程設(shè)計(jì)煤種為中等結(jié)焦的偏褐煤，但含灰量較大具有一定的結(jié)焦傾向。因此在爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用較低的容積熱負(fù)荷。

3.5 爐膛方案

工程的混合煤種為易著火穩(wěn)燃，易燃盡，但結(jié)焦傾向較嚴(yán)重的偏褐煤。這種混煤與混合前的兩種煤質(zhì)相比著火穩(wěn)定性會有所改善，燃盡特性不會發(fā)生大的改變，但是燃燒產(chǎn)生結(jié)渣的可能性會有所提高。

根據(jù)熱力計(jì)算，混煤雖然結(jié)渣傾向于褐煤，但是燃燒所產(chǎn)生的煙氣量卻比全褐煤時(shí)的小，所以在布置鍋爐的受熱面時(shí)要重點(diǎn)考慮。

如果按照我公司常規(guī)的褐煤爐方案，爐膛斷面選取14.627 3 m×14.627 3 m，則選取的分離器出口溫度較低，過熱器汽溫將很難達(dá)到。同時(shí)由于此種方案下爐膛選取較大，煙氣的流速較全褐煤爐時(shí)較低，導(dǎo)致尾部對流換熱較差，只能布置大量的尾部受熱面來保證再熱器汽溫和過熱器汽溫的達(dá)到，這顯然也是不合理和不經(jīng)濟(jì)的。

另外如果尾部布置較大的對流受熱面積，一則尾部沒有足夠的空間進(jìn)行布置，二則將影響脫硝和預(yù)熱器的布置。此時(shí)尾部環(huán)形集箱將下移，預(yù)熱器的支撐標(biāo)高也將降低，導(dǎo)致預(yù)熱器支撐平臺和運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺錯(cuò)層布置。

本鍋爐現(xiàn)設(shè)計(jì)方案采取的是四角切圓的燃燒方式，正方形爐膛，直流燃燒器配5臺中速磨，這也是我公司的褐煤爐典型設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)的各大電廠均存在著運(yùn)行煤質(zhì)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤質(zhì)的情況，造成此種現(xiàn)象的原因一方面是因?yàn)樵ǖ脑O(shè)計(jì)煤質(zhì)的煤源出現(xiàn)問題，現(xiàn)如今已很難采購得到。但更重要的原因是電廠因?yàn)檫\(yùn)行成本考慮而主動選擇拿劣質(zhì)煤來代替優(yōu)質(zhì)煤。近年來，電煤的價(jià)格一路上漲，但是電網(wǎng)的上網(wǎng)電價(jià)卻基本不變，這就逼迫著電廠摻燒很大比例的劣質(zhì)煤。因此我們可以經(jīng)?？吹胶芏酂熋旱腻仩t現(xiàn)在在全燒褐煤，這就為鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了隱患。

表10 現(xiàn)鍋爐方案

通過文中可以看到鍋爐的設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)煤質(zhì)的密切關(guān)系，煤質(zhì)的變化帶來的燃燒形式和爐膛方案的變化，從而導(dǎo)致整個(gè)鍋爐方案的變化。由此得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)鍋爐產(chǎn)品為單件設(shè)計(jì)產(chǎn)品，針對每個(gè)工程特定的煤質(zhì)、自然條件及有關(guān)要求單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而煤質(zhì)是影響鍋爐設(shè)計(jì)的最主要因素之一。

2)煤質(zhì)的特性直接影響著爐膛的選型，而爐膛的選型又直接影響著受熱面布置、燃燒器型式等整個(gè)鍋爐設(shè)計(jì)方案。因此，一臺鍋爐設(shè)計(jì)的成功與否，爐膛選型至關(guān)重要。

3)雖然鍋爐的方案設(shè)計(jì)有一定的煤質(zhì)適應(yīng)性，允許煤質(zhì)有一定的波動，但是為了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)讓煤質(zhì)在規(guī)定的范圍內(nèi)變化，盡量接近設(shè)計(jì)煤質(zhì)。

［1］馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

［2］馬嘉鵬，薩如拉，袁喜明.燃燒高水分褐煤鍋爐磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)選型分析［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008，26(6):29－36.

［3］大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則，DL/T831－2002中國電力出版社.

［4］孫濤.鍋爐工實(shí)用技術(shù)手冊，江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2002.10.

［5］張愛存.發(fā)電廠燃煤鍋爐運(yùn)行調(diào)整與經(jīng)濟(jì)性分析［D］.華北電力大學(xué)畢業(yè)論文，2003.