煤粉鍋爐低負(fù)荷水冷壁結(jié)焦問(wèn)題研究

于樂(lè)樂(lè), 馮偉忠

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090; 2.上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司, 上海 200137)

2013年的夏季,由于大量水電入滬,上海地區(qū)的大機(jī)組經(jīng)歷了持續(xù)的低負(fù)荷,且沒(méi)有條件及時(shí)吹灰,除外高橋第三電廠(簡(jiǎn)稱“外三”)外,相當(dāng)部分的機(jī)組出現(xiàn)了水冷壁嚴(yán)重塌焦導(dǎo)致的鍋爐跳閘[1].在中國(guó),由于煤電占比較高,基于用戶負(fù)荷的多樣性和調(diào)峰需求,以及最大限度地消納可再生能源,煤電機(jī)組季節(jié)性的長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)荷運(yùn)行已成為常態(tài)[2].此時(shí),進(jìn)入空氣預(yù)熱器的煙溫大幅降低,使空氣預(yù)熱器熱端出口一、二次風(fēng)溫度也相應(yīng)地大幅下降.而一次風(fēng)溫度的降低,會(huì)導(dǎo)致制粉系統(tǒng)的干燥能力及出力下降,進(jìn)入爐膛的煤粉顆粒殘余水分高且粒徑粗,從而推遲煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的著火點(diǎn),加上二次風(fēng)溫的大幅降低,會(huì)減緩煤粉顆粒的燃燒速率.其中較大的未燃燼煤粉會(huì)被甩到水冷壁上而導(dǎo)致結(jié)焦概率顯著增加.對(duì)于燃用神華類易結(jié)焦煤種的鍋爐,未燃燼煤粉粘附效應(yīng)的持續(xù)作用,極易導(dǎo)致嚴(yán)重的水冷壁結(jié)焦和塌焦[1],會(huì)對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行產(chǎn)生極大的威脅.

1 低負(fù)荷水冷壁結(jié)焦問(wèn)題的定性分析

1.1 低負(fù)荷水冷壁結(jié)焦問(wèn)題的定義及現(xiàn)象

本文所討論的低負(fù)荷水冷壁結(jié)焦,是指那些燃用中等含水率且易結(jié)焦類煤種(如神華煤)的鍋爐,在低負(fù)荷運(yùn)行工況下,過(guò)粗且殘余水分較高的煤粉進(jìn)入爐膛后,未能完全燃燒便被甩到水冷壁上并粘附.圖1為四角切圓煤粉鍋爐煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.

注:A,B,C,D為4個(gè)煤粉噴嘴,表示煤粉顆粒從B噴嘴出來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖1四角切圓煤粉鍋爐煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖1中,煤粉顆粒進(jìn)入爐膛后,其運(yùn)動(dòng)軌跡可表現(xiàn)為3種可能:曲線1為粒徑較粗、殘余水分較高而未燃燼的煤粉顆粒撞墻并粘附的運(yùn)動(dòng)軌跡;曲線2為燃燒過(guò)程中煤粉顆粒能否撞墻的臨界運(yùn)動(dòng)軌跡;曲線3為粒徑較小、殘余水分較少、燃燒速率較快的煤粉顆粒遠(yuǎn)離爐墻的運(yùn)動(dòng)軌跡.

1.2 低負(fù)荷水冷壁結(jié)焦的理論分析

1.2.1 煤粉顆粒燃燒分析

通常情況下,煤粉顆粒進(jìn)入爐膛后,先后經(jīng)過(guò)“升溫并繼續(xù)干燥—揮發(fā)分溢出并著火—燃燒并燃燼”3個(gè)過(guò)程[1].事實(shí)上,在煤粉顆粒進(jìn)入爐膛的瞬間,其表面就會(huì)受到火焰中心強(qiáng)烈的熱輻射,其表層的升溫速率遠(yuǎn)比顆粒的內(nèi)部高.即表層揮發(fā)份開(kāi)始溢出并已著火,但并不等于內(nèi)含水分已被除盡.在此情況下,上述的3個(gè)過(guò)程就可能出現(xiàn)交叉[1,3].

內(nèi)水分在被加熱并汽化過(guò)程中所吸收的汽化潛熱會(huì)減緩顆粒的升溫,同時(shí)析出的水蒸氣附著在顆粒的表面上,像一層“保護(hù)膜”,如圖2所示,阻礙了氧氣與顆粒的接觸,減緩了顆粒的燃燒(氧化)速率.顆粒越大,其比表面積反而越小,其內(nèi)水分的析出過(guò)程越慢,對(duì)顆粒燃燒的負(fù)面影響就越大[1].

圖2 顆粒表面附著水蒸氣

1.2.2 煤粉顆粒受力分析

對(duì)于四角切圓鍋爐,一次風(fēng)攜帶煤粉在趨向爐膛中心部位的過(guò)程中,伴之以二次風(fēng),以切圓形式匯合,同時(shí)在爐膛內(nèi)形成一個(gè)自下而上倒寶塔形狀的旋轉(zhuǎn)氣流[3],而位于最低層燃燒器出口處所形成的旋轉(zhuǎn)渦流強(qiáng)度最弱,燃燒強(qiáng)度相對(duì)最低,因此,本文以該處的旋轉(zhuǎn)渦流為研究對(duì)象.

對(duì)于四角切圓鍋爐,一次風(fēng)以初始角及初速度攜帶顆粒進(jìn)入爐膛后,受到爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的橫向沖刷和因卷吸周圍氣體而產(chǎn)生的壓差的作用[4],其運(yùn)動(dòng)軌跡近似一個(gè)圓弧形,這使得顆粒必然受到離心力的作用.同時(shí),還會(huì)受到由旋轉(zhuǎn)氣流所形成的內(nèi)低外高的壓強(qiáng)場(chǎng)所產(chǎn)生的氣壓梯度差引起的向心力的作用[1].顆粒在這兩個(gè)力以及一次風(fēng)的攜帶作用下以爐膛中心為圓心做向心的減速運(yùn)動(dòng).通常情況下,煤粉在一次風(fēng)的攜帶下噴入爐膛后,細(xì)度在合理范圍且燃燒正常的顆粒會(huì)一直做向心的減速運(yùn)動(dòng).但若顆粒的殘余水分較高導(dǎo)致著火點(diǎn)滯后或燃燒速率緩慢,當(dāng)離心力大于向心力時(shí),過(guò)粗未燃燼的顆粒會(huì)在離心力的作用下做加速的離心運(yùn)動(dòng).而且在其他因素相同的情況下,殘余水分越多,向心力不變,而離心力則越強(qiáng)烈,最終未燃燼的顆粒會(huì)撞擊水冷壁且極易粘附.正常工況下?tīng)t膛的截面氣流分布及氣流偏斜如圖3所示.

圖3 正常工況下?tīng)t膛截面氣流分布及氣流偏斜

2 低負(fù)荷水冷壁結(jié)焦問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模分析

如圖1所示,低負(fù)荷工況下,要解決煤粉鍋爐水冷壁結(jié)焦問(wèn)題,關(guān)鍵在于顆粒在燃燒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能撞擊水冷壁,即其運(yùn)動(dòng)軌跡需要在曲線2和曲線3的運(yùn)動(dòng)軌跡之間.現(xiàn)以曲線1代表的運(yùn)動(dòng)軌跡為例進(jìn)行建模分析,并推導(dǎo)出影響曲線2和曲線3之間所代表的運(yùn)動(dòng)軌跡的因素.為易于分析,將顆粒在爐膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分成平面和垂直空間兩方面分別進(jìn)行計(jì)算.

2.1 平面運(yùn)動(dòng)

燃燒器將煤粉顆粒以初速度v噴入爐膛.平面運(yùn)動(dòng)中,以該平面對(duì)應(yīng)的爐膛中心為極點(diǎn),以極點(diǎn)指向該燃燒器對(duì)應(yīng)爐膛角的方向?yàn)闃O軸,以爐膛旋轉(zhuǎn)氣流方向?yàn)檎较?逆時(shí)針?lè)较?,建立極坐標(biāo)系.將做弧線運(yùn)動(dòng)軌跡的顆粒速度矢量分成切向和法向兩個(gè)方向.判斷顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否撞墻取決于其在法向上的運(yùn)動(dòng),因?yàn)橹挥挟?dāng)顆粒在法向上的向心運(yùn)動(dòng)減小到零后,再做離心運(yùn)動(dòng)時(shí),才有可能發(fā)生撞墻并粘附現(xiàn)象.因此,本文假定煤粉顆粒為球形,并著重以顆粒在法向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析.顆粒在法向和切向上的受力分析如圖4和圖5所示.

圖4 顆粒在法向上受力分析示意

圖5 顆粒在切向上受力分析示意

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:R(t)——顆粒的半徑,m;

CD——阻力系數(shù);

ρs——煙氣的密度,kg/m3;

vsn——一次風(fēng)法向分速度,m/s;

vpn(t)——顆粒的法向速度,m/s;

P——壓強(qiáng),Pa;

S(R(t))——顆粒投影面積,m2;

m——顆粒質(zhì)量,kg;

r(t)——顆粒所在位置與爐膛中心之間的距離,m;

vpτ(t)——顆粒切向分速度,m/s;

vsτ(t)——一次風(fēng)切向分速度,m/s.

假定在低負(fù)荷工況下,四角切圓鍋爐燃燒過(guò)程中所形成的空氣場(chǎng)和煙氣場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài).

對(duì)單個(gè)煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的燃燒、運(yùn)動(dòng)情況做如下假定:

(1)一次風(fēng)量與速度由噴嘴處向爐膛中心均勻減少,且到達(dá)爐膛中心時(shí),風(fēng)量和風(fēng)速為零;

(2)單個(gè)煤粉顆粒的燃燒、運(yùn)動(dòng)不受其他煤粉顆粒的影響.

由圖4可列出單個(gè)顆粒的法向上受力方程表達(dá)式為:

F=Fl-(Fp+Ff)=man

(5)

由圖5可列出單個(gè)顆粒的切向上受力方程表達(dá)式為:

Fτ=Ff=maτ

(6)

如圖4中所示,將離心力Fl,向心力Fp,動(dòng)(阻)力Ff的表達(dá)式帶入式(5)可得顆粒的法向運(yùn)動(dòng)加速度an為:

(7)

如圖5所示,將動(dòng)(阻)力Ff的表達(dá)式帶入式(6)可得顆粒的切向運(yùn)動(dòng)加速度aτ為:

(8)

式中:aτ——顆粒在切向上的加速度,m/s2;

s(t)——顆粒在切向運(yùn)動(dòng)位移,m;

ρ(t)——顆粒密度,kg/m3.

因此,聯(lián)立式(7)和式(8)可得顆粒平面運(yùn)動(dòng)方程式為:

(9)

式中:w——顆粒旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;

R0——顆粒初始粒徑,m;

f(x)——顆粒燃燒速率,m/s.

由式(9)可以看出,影響顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的因素有p,w,S(R(t)),R(t),ρ(t)等.其中,p和w的變化取決于爐膛旋轉(zhuǎn)渦流強(qiáng)度;S(R(t)),ρ(t),R(t)的變化取決于顆粒燃燒速率、初始粒徑和初始?xì)堄嗨?因此,影響顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的主要因素為爐膛旋轉(zhuǎn)渦流強(qiáng)度、顆粒燃燒速率、顆粒初始粒徑和顆粒的初始?xì)堄嗨?

2.2 空間運(yùn)動(dòng)

爐膛豎直空間內(nèi),煙氣向上的流速由底層燃燒器處到最高層燃燒器處逐漸(階躍)增加,隨后勻速到達(dá)爐膛出口.而通過(guò)爐膛出口的煙氣流量可得到此處的煙氣速度.如此,假設(shè)由底層燃燒器到最高層燃燒器之間的煙速線性增加,忽略煙氣速度與顆粒速度之差,可得顆粒的垂直分速度分布,即:

(10)

(11)

(12)

A=DW

(13)

式中:vz——顆粒垂直向上分速度,m/s;

az——顆粒垂直向上加速度,m/s2;

t——顆粒在爐膛豎直方向上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,s;

v——F層燃燒器到爐膛出口處的顆粒垂直速度,m/s;

h——D層燃燒器到顆粒所在位置的高度,m;

hc——F層燃燒器到爐膛出口的高度,m;

hzc——D層燃燒器到F層燃燒器的高度,m;

vzc——F層燃燒器對(duì)應(yīng)的顆粒垂直分速度,m/s;

Vg——煙氣量,m3/s;

A,D,W——爐膛出口截面及爐膛深寬尺寸,m.

3 低負(fù)荷工況下水冷壁結(jié)焦問(wèn)題計(jì)算結(jié)果分析

本文以“外三”1 000 MW塔式爐在400 MW工況下單個(gè)顆粒的燃燒情況為例進(jìn)行分析.煤粉顆粒相關(guān)參數(shù)如表1,表2,表3所示.

表1 不同燃燒速率的顆粒參數(shù)

表2 不同初始粒徑的顆粒參數(shù)

將機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)帶入以上數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的顆粒運(yùn)動(dòng)方程,并通過(guò)Excel和Matlab編程計(jì)算,以及CAD和Origiin繪圖工具,得出顆粒在爐膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡.

表3 不同初始?xì)堄嗨值念w粒參數(shù)

圖6,圖7,圖8分別為燃燒速率不同、初始粒徑不同和初始?xì)堄嗨诸w粒運(yùn)動(dòng)的平面軌跡圖;圖9,圖10,圖11為其空間軌跡圖.圖中,曲線2代表煤粉燃燒速率、初始粒徑和初始?xì)堄嗨终Ｇ闆r下的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡;曲線1代表煤粉燃燒速率過(guò)小、初始粒徑過(guò)大和初始?xì)堄嗨州^多的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.從圖6到圖11可以很明顯地看出,曲線2代表的顆粒軌跡運(yùn)動(dòng)正常;而曲線1代表的顆粒被甩至水冷壁上.對(duì)于燃用神華類易結(jié)焦煤種的鍋爐,未燃燼煤粉粘附效應(yīng)的持續(xù)作用,極易導(dǎo)致嚴(yán)重的水冷壁結(jié)焦.與完全燃燒后熔融的灰粒不同,這種狀態(tài)的煤粉顆粒的粘附力較小,當(dāng)堆積到一定厚度后,自重大于粘附力,焦塊會(huì)自行脫落.對(duì)于滑壓運(yùn)行機(jī)組,負(fù)荷由低升高(水冷壁伸長(zhǎng))或降負(fù)荷(水冷壁縮短),因焦塊的熱膨脹系數(shù)與其完全不同,故焦塊亦會(huì)脫落,而在水冷壁上并不一定見(jiàn)到痕跡[5].

圖6 不同燃燒速率的顆粒燃燒平面運(yùn)動(dòng)示意

圖7 不同初始粒徑的顆粒燃燒平面運(yùn)動(dòng)示意

圖8 不同初始?xì)堄嗨值念w粒燃燒平面運(yùn)動(dòng)示意

圖9 不同燃燒速率的顆粒燃燒空間運(yùn)動(dòng)示意

圖10 不同初始粒徑的顆粒燃燒空間運(yùn)動(dòng)示意

圖11 不同初始?xì)堄嗨值念w粒燃燒空間運(yùn)動(dòng)示意

由此可知,在持續(xù)低負(fù)荷下,若顆粒的燃燒速率低、初始粒徑大和初始?xì)堄嗨州^多,則容易導(dǎo)致煤粉鍋爐水冷壁結(jié)焦.因此,要解決持續(xù)低負(fù)荷而導(dǎo)致煤粉鍋爐水冷壁結(jié)焦的問(wèn)題,宜從提高進(jìn)入爐膛煤粉的燃燒速率、煤粉細(xì)度和降低其殘余水分等方面入手.

4 水冷壁低負(fù)荷結(jié)焦問(wèn)題解決方法

廣義回?zé)峒夹g(shù)是將回?zé)岬慕橘|(zhì)從單純的給水拓展至水、風(fēng)、煤粉,其系列技術(shù)之一的可調(diào)式給水恒溫回?zé)峒夹g(shù),大大提高了低負(fù)荷下的給水溫度,從而使省煤器出口煙溫得到顯著提升,進(jìn)而大幅抬高了低負(fù)荷下的熱風(fēng)溫度,不但顯著提升了制粉系統(tǒng)的干燥能力,同時(shí)也顯著改善了鍋爐的燃燒工況.40%負(fù)荷下外三1 000 MW及外二900 MW塔式爐煙風(fēng)溫度對(duì)比如圖12所示.

圖12 40%負(fù)荷下外三1 000 MW及外二900 MW塔式爐煙風(fēng)溫度對(duì)比

送粉回?zé)峒夹g(shù)的應(yīng)用,使磨制后的煤粉進(jìn)一步得到了加熱(磨煤機(jī)出口管道內(nèi)的風(fēng)、粉、水蒸氣混合溫度由原來(lái)的75 ℃上升至130 ℃),大大提升了風(fēng)粉混合物進(jìn)入爐膛的溫度,極大地改善了著火和燃燒條件[1,6-7].

此時(shí),進(jìn)入爐膛前的煤粉顆粒都已充分干燥并預(yù)熱.內(nèi)水分在析出的過(guò)程中形成了大量的微孔,這使得煤粉的孔隙率大大提升,顯著拓寬了氧氣與煤粉顆粒的接觸面積,在煤粉顆粒進(jìn)入爐膛后能迅速著火、升溫并燃燒,且燃燒速率和顆粒質(zhì)量下降速率很快,這從根本上杜絕了低負(fù)荷結(jié)焦的問(wèn)題.

2009年春節(jié)期間,外三經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)荷,出現(xiàn)了水冷壁大面積塌焦,險(xiǎn)釀鍋爐跳閘事故.之后,隨著廣義回?zé)嵯盗屑夹g(shù)的相繼投入,水冷壁大面積結(jié)焦及塌焦事件再未發(fā)生.

鑒于大多數(shù)燃煤電廠并沒(méi)有采用廣義回?zé)峒夹g(shù),根據(jù)上述分析,采用以下措施也能解決低負(fù)荷煤粉鍋爐水冷壁結(jié)焦問(wèn)題.

(1) 調(diào)整中速磨的磨輥加載力或分離器轉(zhuǎn)速等,提高出口煤粉細(xì)度,降低進(jìn)入爐膛顆粒的初始粒徑.

(2) 在雨水過(guò)多的天氣里,盡可能燃燒干煤棚里的燃煤.

(3) 由于長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷會(huì)對(duì)燃煤機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)極大危害,因此應(yīng)盡可能不讓燃煤機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行.而在其低負(fù)荷運(yùn)行一定時(shí)間后,在水冷壁尚未形成大面積結(jié)焦時(shí),適當(dāng)提高負(fù)荷(水冷壁伸展),使已形成的焦塊盡可能脫落.當(dāng)達(dá)到吹灰條件時(shí),可對(duì)爐膛進(jìn)行吹灰.

5 結(jié) 論

(1) 對(duì)于燃用神華類易結(jié)焦煤種的煤粉鍋爐,持續(xù)低負(fù)荷而導(dǎo)致水冷壁結(jié)焦的問(wèn)題,主要原因是此階段進(jìn)入爐膛的煤粉顆粒殘余水分較多、粒徑過(guò)大、燃燒速率過(guò)小等,導(dǎo)致未燃燼的顆粒易被甩到水冷壁上并累積,從而導(dǎo)致結(jié)焦.

(2) 低負(fù)荷工況下,提高熱風(fēng)溫度、煤粉細(xì)度及燃燒速率等相關(guān)因素,盡可能不讓燃煤機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行,對(duì)爐膛進(jìn)行吹灰等可用來(lái)解決煤粉鍋爐在持續(xù)低負(fù)荷工況下水冷壁結(jié)焦的問(wèn)題.

(3) 本文是以四角切圓煤粉鍋爐為研究對(duì)象,但是本文所研究的基本原理對(duì)于對(duì)沖式等煤粉鍋爐也具有重要的參考意義.

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