超臨界W火焰鍋爐性能研究與實(shí)踐總結(jié)

石尚強(qiáng)

（貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州遵義 563200）

0 引言

為了更好的利用貧煤和無(wú)煙煤發(fā)電，我國(guó)在20世紀(jì)80年代末引進(jìn)了300MW等級(jí)的W火焰鍋爐。運(yùn)行實(shí)踐表明[1～4]，燃用低揮發(fā)份煤種時(shí)，W火焰鍋爐在燃燒穩(wěn)定性、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、可用率、帶負(fù)荷性能等方面都比較好，保證了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)各大鍋爐廠引進(jìn)不同流派技術(shù)推出了600MW等級(jí)的W火焰鍋爐。珙縣#1爐為東鍋生產(chǎn)，采用FW型雙旋風(fēng)筒燃燒技術(shù)；合山#3爐為上鍋制造，采用雙旋風(fēng)筒燃燒器、乏氣做燃盡風(fēng)的技術(shù)；貴州塘寨電廠#1爐為哈鍋生產(chǎn)，采用百葉窗式燃燒器等等。與300MW相比，600MW等級(jí)的W火焰鍋爐燃燒效率更高，飛灰可燃物普遍在3%～5%；NOx排放大幅降低[1]，部分鍋爐的排放量?jī)H有700mg/Nm3；結(jié)焦垮焦的現(xiàn)象也得到緩解。

1 600MW超臨界W火焰爐設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化

600 MW超臨界W火焰鍋爐是將拱式燃燒技術(shù)、超臨界汽水參數(shù)系統(tǒng)技術(shù)和垂直管圈低質(zhì)量流速技術(shù)三者結(jié)合起來(lái)的新型鍋爐，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)煙煤的高效利用，比同等級(jí)的亞臨界W火焰爐可更有效的降低煤耗和污染物排放。超臨界W火焰鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于爐膛選型、燃燒系統(tǒng)和水動(dòng)力設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的優(yōu)化內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）爐膛選型優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要對(duì)爐膛周界尺寸和熱力指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足布置需求，控制爐膛寬度，留有足夠的燃盡空間，最終實(shí)現(xiàn)高效燃燒、防止結(jié)焦和高溫腐蝕。

（2）燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在拱上引入燃盡風(fēng)系統(tǒng)，在不影響燃料著火和燃盡的條件下降低NOx的排放；對(duì)F層二次風(fēng)下傾進(jìn)行改造[2]，有效解決高負(fù)荷加風(fēng)困難的問(wèn)題，煙氣中飛灰可燃物降低，鍋爐的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性都得到了提升。

（3）防結(jié)焦設(shè)計(jì)。在翼墻水冷壁三個(gè)不同高度上增加防焦風(fēng)，為翼墻部位營(yíng)造氧化氣氛，并在拱上角部引入防焦風(fēng)，減少結(jié)焦的發(fā)生。

（4）爐膛溫度分布。采用三維爐膛燃燒過(guò)程大型CFD模擬軟件，在熱態(tài)工況下，對(duì)W型火焰鍋爐爐內(nèi)燃燒時(shí)的爐內(nèi)溫度，氧量和流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，并跟蹤顆粒軌跡[3]。改善水冷壁的高溫腐蝕和超溫現(xiàn)象。

（5）磨煤機(jī)增加動(dòng)態(tài)分離器。在原有靜葉分離的基礎(chǔ)上，增加動(dòng)態(tài)分離器，實(shí)現(xiàn)煤粉細(xì)度的可調(diào)，降低鍋爐飛灰可燃物。

從已投產(chǎn)電廠運(yùn)行情況來(lái)看，上述優(yōu)化措施確實(shí)起到了較好的效果。尤其是燃盡風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置，使NOx排放從原設(shè)計(jì)1090 mg/Nm3降低到617 mg/Nm3，脫硝系統(tǒng)的初投資和日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都得到大幅降低。

表2 B電廠1#爐部分負(fù)荷段效率和NOx排放

2 W火焰鍋爐運(yùn)行情況

通過(guò)對(duì)西南地區(qū)W火焰鍋爐的調(diào)查，A電廠1#爐在ECR工況下的主要運(yùn)行參數(shù)：主汽壓力24.2MPa，主再熱汽溫566℃/566℃。B電廠1#爐在試運(yùn)期間水冷壁管屏出現(xiàn)超溫拉裂受損現(xiàn)象，所以運(yùn)行參數(shù)適當(dāng)降低：主汽壓力22.8MPa，主再熱汽溫566℃/566℃。

表1 A電廠#1爐部分負(fù)荷段效率和NOx排放

從鍋爐效率的變化來(lái)看，鍋爐效率的變化與煤質(zhì)的低位發(fā)熱量變化趨勢(shì)基本一致。在煤質(zhì)低位熱量大于18MJ/kg的情況下，鍋爐效率一般可保證在90%以上。其中A電廠#1爐上布置了燃盡風(fēng)系統(tǒng)，NOx排放大幅度下降。

3 超臨界W爐的癥結(jié)—水冷壁系統(tǒng)

3.1 問(wèn)題現(xiàn)狀

對(duì)于超臨界W火焰鍋爐，從整個(gè)鍋爐系統(tǒng)上看，垂直管圈優(yōu)化內(nèi)螺紋管超臨界鍋爐除水冷壁系統(tǒng)之外的其它子系統(tǒng)采用的均是目前已經(jīng)相當(dāng)成熟的超臨界技術(shù)，和現(xiàn)在大量采用的螺旋管圈超臨界鍋爐是相同的。因此水冷壁系統(tǒng)的安全運(yùn)行是該型鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵。

從已投運(yùn)的600MW超臨界W火焰爐運(yùn)行情況看，水冷壁系統(tǒng)均出現(xiàn)了一些異常情況，包括變形、拉裂、泄露、超溫等現(xiàn)象；而且這是一個(gè)共性問(wèn)題，不同爐型均有類(lèi)似情況發(fā)生。

3.2 原因分析

究其原因，主要有：1）拱下?tīng)t膛較寬，寬度普遍在27～35m，燃燒器統(tǒng)一布置在拱上，單排布置，這樣極易引起輸入熱負(fù)荷沿爐膛寬度方向分布不均，從而引起水冷壁壁溫偏差；2）水冷壁型式方面，超臨界W火焰爐均使用低質(zhì)量流速，具有正流量相應(yīng)特性，即受熱越強(qiáng)的管子工質(zhì)流量越大；受爐膛結(jié)構(gòu)的限制，各種爐型均采用了垂直管圈水冷壁，方便布置。這樣的布置型式使得單根水冷壁管回路始終處于熱負(fù)荷高的區(qū)域或熱負(fù)荷低的區(qū)域，不像螺旋管圈布置，單根水冷壁管回路會(huì)經(jīng)過(guò)高熱負(fù)荷區(qū)和低熱負(fù)荷區(qū)。垂直管圈的布置型式更加劇了水冷壁的壁溫偏差。以上兩種特性，導(dǎo)致超臨界W火焰爐水冷壁上部壁溫呈現(xiàn)中間高、兩邊低的不均勻分布；水冷壁上部壁溫對(duì)熱負(fù)荷極為敏感，在啟停磨煤機(jī)、升降負(fù)荷、切換燃燒器等變工況過(guò)程中更會(huì)加劇水冷壁上部壁溫偏差，部分爐型最高可達(dá)200℃。壁溫偏差導(dǎo)致水冷壁管屏間產(chǎn)生應(yīng)力，積累到一定程度后便可能發(fā)生水冷壁鰭片拉裂、水冷壁管泄露等現(xiàn)象。因此，提高水冷壁的安全性成為發(fā)展超臨界W火焰鍋爐亟需解決的問(wèn)題。

3.3 案例分析

某電廠1、2號(hào)爐在試運(yùn)和投產(chǎn)后共計(jì)發(fā)生過(guò)3次水冷壁鰭片拉裂的現(xiàn)象，此外還出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重的大面積水冷壁超溫現(xiàn)象。水冷壁鰭片拉裂和超溫如圖1～圖3所示。

圖1 水冷壁管排變形

圖2 水冷壁鰭片拉裂現(xiàn)象

圖3 水冷壁超溫時(shí)前墻溫度分布

前墻水冷壁上部測(cè)點(diǎn)平均溫度為537.68℃，其中6～36號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為593.48℃。上述現(xiàn)象發(fā)生的原因主導(dǎo)因素并不一樣。超溫與水煤比失調(diào)、熱負(fù)荷分布不均有很大關(guān)系，而鰭片拉裂則主要是由于水冷壁沿爐膛寬度方向溫度分布不均、熱偏差過(guò)大造成的。

3.4 超溫問(wèn)題的解決辦法

隨后電廠組織了各方力量集中攻關(guān)，現(xiàn)在超溫問(wèn)題已基本解決，壁溫可控，鍋爐實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。其主要解決措施如下：

（1）關(guān)閉兩側(cè)墻水冷壁出口控制閥，將兩側(cè)墻的水壓向前墻；

（2）降低中間點(diǎn)溫度，降低主汽壓力，降低過(guò)熱度。600MW負(fù)荷下中間點(diǎn)溫度在400℃左右，500MW負(fù)荷下中間溫度在394℃左右；

（3）給水和燃料的協(xié)調(diào)配合，嚴(yán)禁水煤比失調(diào)；（4）水冷壁溫度正常時(shí)盡量平均各磨出力，若有超溫現(xiàn)象發(fā)生時(shí)減少對(duì)應(yīng)側(cè)磨煤機(jī)出力；

（5）配風(fēng)采用前墻壓后墻的方式，加強(qiáng)煙氣對(duì)后墻的換熱，降低前墻熱負(fù)荷。

采用前墻壓后墻的燃燒方式，通過(guò)爐膛溫度的測(cè)試，可以看出后墻側(cè)平均溫度要高于前墻側(cè)平均溫度約200℃。溫度廠測(cè)量結(jié)果如下：

圖4 #1爐430MW時(shí)爐膛溫度分布情況

在電廠目前的燃煤條件下，這樣的工況是比較穩(wěn)定的一種，前墻水冷壁壁溫偏差也可控制在50℃以?xún)?nèi)，最高點(diǎn)溫度不超過(guò)440℃，應(yīng)該說(shuō)壁溫已經(jīng)控制的非常不錯(cuò)了。580MW時(shí)前墻水冷壁溫度分布曲線如圖5所示。

3.5 水冷壁拉裂問(wèn)題的解決辦法

水冷壁拉裂主要還是由于熱負(fù)荷輸入不均，熱應(yīng)力過(guò)大引起的。水冷壁溫度未超溫，但偏差卻較大，尤其在停運(yùn)1臺(tái)磨機(jī)后，偏差往往有80～100℃。目前主要采取的措施如下：

圖5 #1爐580MW時(shí)前墻水冷壁溫度分布情況

（1）在下部和上部水冷壁出口增設(shè)壁溫測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)爐膛水冷壁溫度，為運(yùn)行調(diào)整提供依據(jù)。

（2）前墻上部水冷壁增設(shè)應(yīng)力釋放孔。將前墻工況最?lèi)毫犹?，易出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題的水冷壁區(qū)域管子之間的鰭片打孔，使其原有的內(nèi)應(yīng)力和由于熱偏差產(chǎn)生的應(yīng)力能在此處得以釋放。

（3）增設(shè)水冷壁中部混合集箱。珙縣和鎮(zhèn)雄都沒(méi)設(shè)水冷壁中部混合集箱，這樣下水冷壁出口的熱偏差會(huì)帶到上水冷壁，加劇熱偏差的程度。增設(shè)混合集箱后會(huì)消除下水冷壁的偏差，約有10～20℃的幅度，可在一定程度上減緩上水冷壁的熱偏差。

目前只實(shí)施了第（1）、（2）項(xiàng)措施，由于在已投產(chǎn)的鍋爐上進(jìn)行增設(shè)中間混合集箱的改動(dòng)工作量很大，周期長(zhǎng)，第3項(xiàng)措施并未實(shí)施。前兩項(xiàng)措施的具體效果還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

從600MW超臨界W爐在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，可以看出我國(guó)幾乎包含了當(dāng)前世界上全部W火焰鍋爐爐型，走在了世界前列。一方面在燃燒效率上，600MW機(jī)組比300MW亞臨界W爐有大幅提高，飛灰、底渣可燃物有明顯降低。另一方面600MW超臨界W爐在結(jié)焦方面的控制好于亞臨界爐型；布置燃盡風(fēng)后，氮氧化物排放大幅降低。另外提高水冷壁的安全性成為發(fā)展超臨界W火焰鍋爐亟需解決的問(wèn)題。而此問(wèn)題需要從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等多方面來(lái)考慮[4]。

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[1]李爭(zhēng)起，任楓，劉光奎，等.W火焰鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30（9）：645～651.

[2]劉鵬遠(yuǎn)，廖永浩，吳桂福，等.二次風(fēng)下傾對(duì)W火焰鍋爐燃燒特性影響的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31（9）：22～26.

[3]高正陽(yáng)，郭振，胡佳琪，等.基于支持向量機(jī)與數(shù)值法的W火焰鍋爐多目標(biāo)燃燒優(yōu)化及火焰重建[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（5）：13～19.

[4]王東明，劉曼立.W型火焰鍋爐概述及前景分析[J].鍋爐制造，2011，7（4）：21～22.