嚴林博, 何伯述, 孟建國, 元懷全, 許 堯, 張愛軍

(1.北京交通大學機械與電子控制工程學院,北京100044;2.河北大唐國際王灘發(fā)電有限責任公司,唐山063611;3.內蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司,呼和浩特010206;4.華北電力科學研究院有限責任公司,北京100045)

電力工業(yè)在整個國民經濟中占有十分重要的地位,至 2008年底,全國發(fā)電裝機容量已達792 530 MW,同比增長10.34%.2008年全國發(fā)電量增長5.18%,用電量增長5.23%,當年共新增發(fā)電裝機容量90 510 MW.國內燃煤電站鍋爐以300MW和600 MW大型機組為主,并有1 000 MW機組已經投產.但是,在運行過程中存在各種影響大型機組可靠性、經濟性、可調性和環(huán)保性能的因素,包括運行管理方面的因素,設計、制造與安裝質量方面的因素,以及實際燃燒煤質與設計煤質相差太大等[1-3].針對實際工程中出現的問題,一些研究者進行了大量深入的研究,并取得了實效.

某電廠三期工程安裝的2×600 MW國產燃煤機組自投運以來,2臺鍋爐都存在過熱器減溫水嚴重過量的問題,對機組運行的安全性和經濟性構成威脅,急需對其進行優(yōu)化改造.國內其他電廠也出現過過熱器減溫水過量的問題[4-8].

1 設備簡介

某電廠三期工程采用2×600 MW直接空冷燃煤發(fā)電機組,其中鍋爐為東方鍋爐集團股份有限公司與三井巴布科克公司合作生產的亞臨界參數、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、倒U型布置、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構架的 Π型汽包爐,型號為DG-2070/17.5-II4.鍋爐設計煤種為準格爾煙煤,校核煤種為準格爾礦劣質煤和東勝煤.鍋爐的縱剖面圖及過熱器和再熱器的流程圖見圖1.

圖1 鍋爐縱剖面圖及尾部對流受熱面布置示意圖Fig.1 Schematic of longitudinalsection of the boiler structu re and arrangement of the tail convective heat-absorbing surfaces

鍋爐的過熱系統(tǒng)由頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器組成.其中,低溫過熱器共有3組,每組有178片;屏式過熱器共有2×16片,分為前屏和后屏;高溫過熱器懸吊在爐膛折焰角上方,共有32片.

2 5號鍋爐存在的主要問題及分析

該電廠三期工程5號鍋爐自投產以來,一直存在過熱器減溫水量大大超出設計值的問題,滿負荷時過熱器減溫水量達到330～350 t/h,遠遠超過設計值77.8 t/h(100%汽機熱耗驗收工況(THA)),直接影響機組的安全與經濟運行.

針對鍋爐減溫水量過大的問題,前期已經進行了大量的試驗和嘗試,包括校準燃燒氧量、調整燃燒氧量、調整燃盡風(OFA)配風方式、改變燃燒器中心風門運行方式、改變一次風率、調整煤粉細度、調整燃燒器燃燒強度等,但都沒有從根本上解決該問題.部分調整措施及調整后的結果見表1～表5[9].定性理論分析指出,鍋爐減溫水量過大的根本原因是：鍋爐蒸發(fā)受熱面面積相對于鍋爐過熱受熱面面積偏小,造成鍋爐蒸發(fā)出力相對不足,從而使鍋爐減溫水量嚴重超出設計值[10-12].

從表1中可以看出,爐膛氧量對過熱器減溫水量的影響很小.當爐膛氧量較低時,燃料燃燒不完全,導致燃料量增加,煙氣量增加,從而使過熱器和再熱器減溫水量增加.隨著爐膛氧量的增加,燃料燃燒越來越充分,燃料量也相應減少,過熱器和再熱器減溫水量有所下降.當爐膛氧量增加到一定程度時,由于煙氣量增加,過熱器和再熱器減溫水量又呈增加趨勢.

表1 爐膛氧量變化對減溫水量的影響Tab.1 Influence of changes in oxygen content in the furnace on theamount of desuperheater water

表2 一次風率變化對減溫水量的影響Tab.2 In fluence of changes in the primary air ratio on theamount of desuperheater water

從表2中可以看出,改變一次風率對減溫水量的影響很小,在爐膛氧量能保證燃料充分燃燒的前提下,隨著一次風率的升高,煙氣量增加,過熱器和再熱器減溫水量相應增加.

表3 煙氣調節(jié)擋板開度變化對減溫水量的影響Tab.3 Inf luence of changes in the flue gas baffle opening on the amount of desuperheater water

從表3中可以看出,隨著煙氣調節(jié)擋板開度的減小,再熱器和過熱器減溫水量都減小,低溫再熱器側煙氣調節(jié)擋板開度對再熱器減溫水量的影響較大,而低溫過熱器側煙氣調節(jié)擋板開度對過熱器減溫水量的影響很小,而且低溫過熱器煙氣調節(jié)擋板開度不能過小,否則會嚴重影響鍋爐的正常工作.

從表4中可以看出,磨煤機組合方式對減溫水量的影響很小.

從表5中可以看出,燃盡風量與二次風比例變化對減溫水量的影響比較明顯：在爐膛氧量一定的條件下,當增大燃盡風量、減小二次風量時,減溫水量呈上升趨勢;當減小燃盡風量、增大二次風量時,減溫水量呈下降趨勢.但燃盡風量與二次風量的配比關系不是影響減溫水量的主要因素.

表4 磨煤機組合方式對減溫水量的影響Tab.4 In fluence of the combination mode of them ills on the amount of desuperheater water

表5 燃盡風量與二次風比例變化對減溫水量的影響Tab.5 Influence of changes in the ratio of the amount of over-fire air to thato f the secondary air on the amount of desuperheater water

3 改造方案及其分析

3.1 改造方案簡介

要解決過熱器減溫水過量的問題,主體策略應是增加蒸發(fā)受熱面面積及減少過熱受熱面面積.根據兩者面積變化的情況設置圖2所示的4種改造方案.改造方案A(圖2(a))：水平低溫過熱器換熱面積減少1/3,所減少的原低溫過熱器面積布置省煤器,即將第3組水平低溫過熱器改為省煤器.改造方案B(圖2(b))：水平低溫過熱器換熱面積減少4/9,所減少的空間布置1/3原低溫過熱器面積的省煤器;水平低溫再熱器換熱面積減少1/2,所減少的空間布置1/3原低溫再熱器面積的省煤器;所增加的省煤器面積大致與原布置省煤器的面積相當.改造方案C(圖2(c))：水平低溫過熱器換熱面積減少2/3,所減少的空間布置1/3原低溫過熱器面積的省煤器;水平低溫再熱器換熱面積減少2/3,所減少的空間布置1/3原低溫再熱器面積的省煤器.與改造方案B相比,方案C進一步去除了第2組水平低溫過熱器和第2組水平低溫再熱器,僅保留1組水平低溫再熱器和1組水平低溫過熱器.改造方案D(圖2(d))：水平低溫過熱器換熱面積減少2/3,所減少的空間布置1/2原低溫過熱器面積的省煤器;水平低溫再熱器換熱面積減少2/3,所減少的空間布置1/2原低溫再熱器換熱面積的省煤器(增加的省煤器面積暫定為原低溫再熱器面積的1/2).與改造方案C相比,方案D進一步增加了前后煙道省煤器的布置量.

圖2 改造方案示意圖Fig.2 Schematic of the retrofit scheme

3.2 熱力校核計算結果及分析

根據鍋爐熱力計算的原理,編寫熱力校核計算程序[9]對鍋爐進行了全面的熱力校核計算.為了使改造前后鍋爐的主要熱力參數更具可比性,所使用的參數(包括校核工況下的各個參數)全部為程序的熱力計算結果,而并不是將改造后的計算結果與改造前的實際運行結果進行比較.為節(jié)省篇幅,僅列出校核工況(其受熱面布置示意圖見圖1(b))和改造方案A的部分熱力計算結果.在熱力計算中,煤種為設計煤種準格爾礦煙煤,預熱器進風溫度為19.85℃.在100%THA下,校核工況和改造方案A鍋爐關鍵熱力參數的計算結果見表6和表7.

對比表6和表7可以看出,將部分尾部煙道低溫過熱器的受熱面去掉,并為防止排煙溫度過高而增加一定省煤器受熱面積后,鍋爐的過熱器減溫水量有一定程度的減少.根據熱力校核計算下各個改造方案對鍋爐經濟性和過熱器減溫水量的影響以及改造工程量的大小等因素,最終決定在5號鍋爐上首先實施改造方案A,即在保證鍋爐水動力安全的情況下,將低溫過熱器的1/3受熱面積改為省煤器,以在降低一次汽系統(tǒng)對流吸熱份額的同時,提高省煤器出口水溫度、降低排煙溫度、增加鍋爐蒸發(fā)量,進而達到減少過熱器減溫水量的目的.

表6 在100%THA下,校核工況的熱力參數計算結果Tab.6 Resu lts of therma l calculation under checking operational condition at100%THA

表7 在100%THA下,改造方案A的熱力參數計算結果Tab.7 Results of thermal calculation of scheme A at 100%THA

4 改造效果

為了比較改造前后鍋爐的運行狀況,分別采集了改造前后600 MW、450 MW以及300MW負荷工況下的鍋爐表盤參數,并對改造前后鍋爐的主要運行參數進行了對比與分析.

4.1 改造的安全性

在改造前進行了詳細的熱力計算和水動力計算,以保證改造后鍋爐水動力運行的安全性.改造前后不同負荷下省煤器出口平均水溫及其不飽和度見表8.

表8 改造前后不同負荷工況下省煤器出口平均水溫及其不飽和度Tab.8 The average water temperature and its unsaturation at the economizer outlet under different loads before and after retrofit

由表8可知,在不同負荷工況下,改造后低溫再熱器側省煤器出口不飽和度基本在58～60 K,與改造前基本一致;在450 MW 負荷以下,改造后低溫過熱器側(即省煤器面積增加側)省煤器出口不飽和度基本在24 K左右,在600MW 負荷下為21 K,而改造前低溫過熱器側省煤器出口不飽和度基本在48 K左右.低溫再熱器側與低溫過熱器側省煤器出口混合后進入汽包的給水溫度有所降低,最終進入汽包的給水不飽和度大于30 K.東方鍋爐廠還對改造后的鍋爐進行了水循環(huán)校核計算,結果見表9.由表9可知,水循環(huán)系統(tǒng)未喪失自補償能力,是安全的.

表9 鍋爐水動力循環(huán)的校核計算結果Tab.9 Checking calcu lation results for the boiler hydrodynam ic circulation

4.2 改造對鍋爐效率的影響

改造前后不同負荷工況下的鍋爐效率見表10.由表10可知,改造后,5號鍋爐的鍋爐效率較改造前在600 MW和300MW負荷下都有所上升,在450MW負荷下有所下降(由于改造后機組在450 MW負荷下運行時間不長,因此該負荷下的統(tǒng)計結果不具代表性),從整體上看,改造后鍋爐的效率有所提高.

由于改造后鍋爐效率提高,使得供電煤耗下降,按平均負荷率為70%、鍋爐效率提高0.71%計算,改造后由于排煙溫度下降使得發(fā)電和供電煤耗分別下降2.51 g/(kW?h)和2.66g/(kW?h).

表10 改造前后不同負荷工況下的鍋爐效率Tab.10 Boiler efficiencies under dif ferent loads before and after retrofit

4.3 改造對減溫水量的影響

改造后,由于一次汽系統(tǒng)受熱面積減小,使得過熱器減溫水量明顯下降,從而大大提高了機組的安全運行能力.通過對改造前后負荷和煤質接近的穩(wěn)定工況進行比較,來分析改造前后減溫水量的變化.表11給出了改造前后不同負荷工況下過熱器減溫水量的對比.由11表可見,在不同負荷下,改造后的過熱器減溫水量比改造前減少了約100 t/h(由于改造后機組在450MW負荷下運行的時間不長,故其減溫水量的代表性不強).

表11 改造前后不同負荷工況下的減溫水量Tab.11 Flow rates of desuperheating water under different loads before and after retrofit

按平均負荷率為70%、改造后過熱器減溫水總量下降約100 t/h計算,改造后發(fā)電和供電煤耗分別下降0.33 g/(kW?h)和0.35 g/(kW?h).

4.4 改造對排煙溫度的影響

改造后,排煙溫度較改造前有了較大幅度下降(表12).由于省煤器受熱面積增加、吸熱增加,使得空氣預熱器入口煙溫下降,從而使排煙溫度下降約13 K,當不考慮改造前后飛灰可燃物的影響時,在600 MW負荷下鍋爐效率提高1.16%,在450 MW和300MW負荷下鍋爐效率約提高0.73%.

表12 改造前后不同負荷工況下排煙溫度的對比Tab.12 Comparison of exhaust flue gas temperatures under different loads before and a fter retro fit

4.5 改造前后鍋爐其他運行參數的對比

改造前后鍋爐其他運行參數的對比見表13.從表13中可以看出,改造后,低溫過熱器側與低溫再熱器側省煤器出口水溫的偏差有所上升,這是將部分低溫過熱器改為省煤器造成的.這個偏差可能導致低溫過熱器側省煤器出口欠焓過低,甚至沸騰,從而影響鍋爐水動力循環(huán)的安全性.但是,從改造后鍋爐長期運行的結果來看,雖然在滿負荷下低溫過熱器側省煤器出口欠焓較低(表8),低溫再熱器側和低溫過熱器側省煤器出口混合后進入汽包的給水溫度欠焓有所降低,但最終進入汽包的給水不飽和度仍大于30 K,鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)尚未失去自補償能力,因此可認為水循環(huán)系統(tǒng)是安全的.此外,改造后空氣預熱器入口煙氣溫度有所下降,使一、二次風溫略有下降,但從改造后的鍋爐效率、燃燒狀況及制粉系統(tǒng)的運行情況看,改造后一、二次風溫下降對爐膛燃燒無明顯影響.改造后,鍋爐其他主要熱力參數無明顯變化.

表13 改造前后鍋爐其他運行參數的對比Tab.13 Comparison o f other operation parameters of the boiler before and after retrofit

5 結 論

針對某電廠5號鍋爐實際運行過程中存在的過熱器減溫水過量的問題,提出了4種改造方案,并最終選擇方案A對5號鍋爐的尾部受熱面進行了初步改造.改造后的實際運行和性能試驗數據表明,不同負荷工況下過熱器減溫水總量明顯下降,平均下降約100 t/h.改造后省煤器出口欠焓在允許范圍內,保證了鍋爐水循環(huán)的安全性.機組整體的經濟性、安全性及可調性都得到了提高,改造取得了圓滿成功,所取得的經驗值得借鑒推廣.

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