張家維，潘繼真，魏海濤

(1．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006;

2．河北國(guó)華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 黃驊 061100)

對(duì)于四角切圓燃燒鍋爐，由于旋轉(zhuǎn)慣性的存在造成爐膛出口區(qū)域普遍存在煙溫和汽溫分布不均衡的現(xiàn)象，并且鍋爐容量越大，這種情況越明顯。造成四角切圓燃燒鍋爐中汽溫、煙溫偏差的原因多是由于爐膛出口處存在煙氣流殘余扭轉(zhuǎn)，在上爐膛及水平煙道中產(chǎn)生煙氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、灰塵顆粒分布場(chǎng)偏差所致。如果這種汽溫偏差和煙溫偏差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致局部管材超溫和減溫水大量投入等問(wèn)題［1］，不但嚴(yán)重影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，更威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。由于再熱蒸汽本身的性質(zhì)決定了其對(duì)熱偏差更為敏感，所以往往再熱器兩側(cè)偏差更為明顯［2］。通過(guò)燃燒調(diào)整試驗(yàn)，對(duì)2號(hào)鍋爐汽溫偏差情況進(jìn)行了測(cè)試和分析，包括反切風(fēng)量及方向、主燃燒器擺角、殘余扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等因素改變對(duì)偏差的影響，對(duì)類(lèi)似問(wèn)題的解決提供參考。

1 設(shè)備概況

鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃用煙煤。鍋爐采用全鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架、呈П型布置，受熱面采用全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐為單爐膛，爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛的高負(fù)荷區(qū)域采用內(nèi)螺紋管的膜式水冷壁。在爐膛上部布置有墻式再熱器、分隔屏、后屏過(guò)熱器。水平煙道中布置有后屏再熱器、末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器和立式低溫過(guò)熱器。后煙道豎井布置水平低溫過(guò)熱器和省煤器。后煙道下部布置2臺(tái)三分倉(cāng)容克式回轉(zhuǎn)空氣預(yù)熱器。爐內(nèi)主要受熱面布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 受熱面布置方式示意圖

爐膛采用擺動(dòng)式直流燃燒器、四角布置、切向燃燒方式。主燃燒器上部設(shè)計(jì)兩層燃盡風(fēng)燃燒器，與主燃燒器所形成的切圓形成反切，用于消除爐膛出口煙氣的余旋。燃盡風(fēng)燃燒器設(shè)計(jì)有垂直方向擺角機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍為－5°～30°。

鍋爐配有中速磨煤機(jī)，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)供同一層四角煤粉噴嘴。燃燒器可上下擺動(dòng)，最大擺角為±30°，表盤(pán)顯示為0%～100%。

過(guò)熱蒸汽溫度采用二級(jí)噴水調(diào)節(jié)，第一級(jí)噴水減溫器設(shè)于低溫過(guò)熱器與分隔屏之間的大直徑連接管上，第二級(jí)噴水減溫器設(shè)于過(guò)熱器后屏與末級(jí)過(guò)熱器之間的大直徑連接管上，減溫器采用笛管式。再熱汽溫的調(diào)節(jié)主要靠燃燒器擺動(dòng)，再熱器的進(jìn)口導(dǎo)管上裝有2臺(tái)霧化噴嘴形式的噴水減溫器，主要用作事故噴水。

2 機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

運(yùn)行中再熱蒸汽母管蒸汽溫度達(dá)額定值541℃時(shí)，右側(cè)再熱器出口集箱引出管的2個(gè)蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)中編號(hào)為T(mén)E0717B的測(cè)點(diǎn)顯示溫度超出設(shè)計(jì)值(541℃)，有時(shí)可以達(dá)到560℃，并且再熱器熱段右側(cè)金屬壁溫測(cè)點(diǎn)顯示值經(jīng)常達(dá)620℃，最高甚至超過(guò)材質(zhì)許用上限溫度 (635℃)。

從安全角度考慮，運(yùn)行人員長(zhǎng)期將再熱汽溫控制在較低水平，母管汽溫有時(shí)僅為520℃。在運(yùn)行工況下雖然保證了鍋爐再熱器受熱面的安全，但較低的再熱汽溫給汽輪機(jī)運(yùn)行也帶來(lái)了不利影響，檢修期間發(fā)現(xiàn)中壓缸葉片出現(xiàn)輕微水蝕現(xiàn)象。

3 汽溫偏差原因及調(diào)整

3.1 汽溫偏差原因

由于切向燃燒方式的鍋爐爐膛出口氣流存在余旋，會(huì)引起在水平煙道左右兩側(cè)產(chǎn)生較大的煙氣流速及溫度偏差，一般情況下流速高的部分對(duì)應(yīng)的煙氣溫度也較高，這就使兩側(cè)受熱面吸熱量出現(xiàn)一定程度的偏差，最終使得右側(cè)受熱面的壁溫及出口汽溫高于左側(cè)［3］。圖2為水平煙道煙氣流速及溫度偏差示意圖。

造成汽溫偏差的主要原因是煙氣側(cè)的偏差，包括煙氣溫度的偏差和煙氣流速的偏差兩部分，所以要減小或消除兩側(cè)汽溫偏差，首要問(wèn)題是消除兩側(cè)的煙氣偏差［4］。

3.2 減小煙溫偏差的方法

圖2 水平煙道煙氣流速及溫度偏差示意圖

煙氣偏差是由爐內(nèi)煙氣余旋造成的，因此降低煙氣余旋強(qiáng)度就成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵，通常是通過(guò)改變爐內(nèi)氣流的流動(dòng)特性來(lái)完成。2號(hào)鍋爐設(shè)計(jì)燃盡風(fēng)作為反切風(fēng)，使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的氣流以降低爐膛出口煙氣余旋強(qiáng)度［5］。一般情況下，用正反向旋轉(zhuǎn)氣流的理論動(dòng)量矩系數(shù)Φ來(lái)判斷爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度變化，氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩系數(shù)計(jì)算公式為

式中 m、n——正向和反向布置的噴口總數(shù);

ρi、fi、Vi——反向各噴口氣流密度、噴口面積和氣流速度;

ρj、fj、Vj——正向各噴口氣流密度、噴口面積和氣流速度;

α1、α2——噴口軸線與爐膛截面對(duì)角線的正向和反向夾角;

A、B——爐膛的寬度和深度。

對(duì)于2號(hào)鍋爐，燃盡風(fēng)燃燒器沒(méi)有水平擺角調(diào)解機(jī)構(gòu)，即α1、α2都是不變的，那么在運(yùn)行中能夠影響爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)的參數(shù)僅有氣流密度和氣流切向速度。氣流密度只有通過(guò)改變溫度可以調(diào)整，氣流溫度受鍋爐整體運(yùn)行條件的影響，因此調(diào)整幅度極其有限。改變氣流切向速度的方法有2種，一是改變?nèi)紵鲊娍跉饬魉俣?二是在保證噴口速度一定的情況下改變噴口射流方向［6］。

4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)負(fù)荷為(300±10)MW，燃料量為170～178 t/h，機(jī)組運(yùn)行氧量為4.0% ±0.2%，采用單變量正交法。由于再熱減溫水調(diào)節(jié)閥線性較差，為保證試驗(yàn)參數(shù)穩(wěn)定可信，運(yùn)行中使減溫水流量固定不變。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度影響

燃盡風(fēng)垂直擺角為10°，主燃燒器擺角為70%。保持相關(guān)運(yùn)行參數(shù)不變，分別在燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度為40%、70%和95%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)間為2～3 h。

5.1.1 金屬壁溫變化情況

燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度從95%關(guān)至70%時(shí)，各受熱面金屬壁溫變化趨勢(shì)不明顯;當(dāng)燃盡風(fēng)門(mén)關(guān)至40%時(shí)，各受熱面金屬壁溫總體平均值上升。說(shuō)明關(guān)小燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)保護(hù)受熱面金屬壁溫是不利的。

燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度從95%關(guān)至40%，與其它受熱面相比，末級(jí)再熱器金屬壁溫總體上升幅度約4℃。左側(cè)平均壁溫下降約8℃，右側(cè)平均壁溫上升約16℃。隨燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度減小，受熱面金屬壁溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，金屬壁溫從開(kāi)始的左側(cè)高于右側(cè)最終轉(zhuǎn)變成右側(cè)高于左側(cè)。

5.1.2 蒸汽溫度及減溫水變化情況

在保證減溫水量不變的情況下，隨燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度減小，高溫再熱器出口兩側(cè)汽溫偏差增大，單側(cè)支管上兩點(diǎn)汽溫偏差變化幅度不大，再熱汽溫升高，與壁溫變化趨勢(shì)相同;一級(jí)、二級(jí)過(guò)熱減溫水流量略有增加。從調(diào)整效果上看，關(guān)小燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)提高再熱汽溫是有利的，但是對(duì)減小再熱器兩側(cè)支管溫度偏差是不利的。

5.2 燃盡風(fēng)擺角影響

主燃燒器擺角為90%，燃盡風(fēng)開(kāi)度為95%。保持相關(guān)運(yùn)行參數(shù)不變，分別將燃盡風(fēng)燃燒器豎直擺角調(diào)至0°、10°、20°及30°時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)間為2～3 h。

5.2.1 金屬壁溫變化情況

隨燃盡風(fēng)擺角上揚(yáng)，末級(jí)再熱器的金屬壁溫及左右兩側(cè)壁溫偏差呈下降趨勢(shì)，且單側(cè)壁溫最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值減小，從20°升至30°對(duì)壁溫的影響幅度與從10°升至20°的壁溫變化幅度相比較小。

燃盡風(fēng)燃燒器擺角上揚(yáng)使得末級(jí)再熱器總體金屬壁溫下降，對(duì)左右兩側(cè)平均壁溫偏差的影響不明顯，但爐內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生變化，煙氣流速重新分布后，金屬壁溫也發(fā)生變化，最高點(diǎn)溫度下降幅度較大，最低點(diǎn)下降幅度較小，因此對(duì)末級(jí)再熱器安全運(yùn)行是有利的，對(duì)降低受熱面金屬壁溫效果也比較明顯。

5.2.2 蒸汽溫度及減溫水變化情況

在保證再熱減溫水量不變的情況下，隨燃盡風(fēng)燃燒器擺角上揚(yáng)，高溫再熱器出口總體汽溫下降，且從20°升至30°時(shí)再熱汽溫的下降幅度大于從10°升至20°。末級(jí)再熱器左右兩側(cè)介質(zhì)溫升均呈下降趨勢(shì)，整體上右側(cè)下降幅度大于左側(cè)，再熱器單側(cè)支管兩點(diǎn)汽溫偏差變化幅度不大;兩側(cè)汽溫偏差變化趨勢(shì)不明顯，過(guò)熱減溫水流量變化不大。

從調(diào)整效果看，燃盡風(fēng)燃燒器擺角上揚(yáng)對(duì)提高再熱汽溫是不利的，但對(duì)降低再熱器金屬壁溫、減小兩側(cè)吸熱偏差是有利的。

5.3 主燃燒器擺角影響

燃盡風(fēng)開(kāi)度為95%，垂直擺角為20°。保持相關(guān)運(yùn)行參數(shù)不變，分別將主燃燒器豎直擺角調(diào)至70%、80%、90%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)間為2～3 h。

5.3.1 金屬壁溫變化情況

主燃燒器擺角上揚(yáng)后，分隔屏、后屏總體金屬壁溫變化幅度不大，末級(jí)再熱器總體壁溫呈上升趨勢(shì)且左側(cè)平均值上升約12℃，右側(cè)變化幅度不大?？梢蕴岣咦髠?cè)受熱面吸熱量，對(duì)減小左右兩側(cè)汽溫偏差是有利的。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:上揚(yáng)主燃燒器擺角對(duì)減小爐膛出口煙氣余旋造成的偏差效果比較明顯。

5.3.2 蒸汽溫度及減溫水變化情況

主燃燒器擺角上揚(yáng)后，高溫再熱器出口總體蒸汽溫度有所升高，基本可以達(dá)到額定溫度，而TE7017B點(diǎn)溫度僅為541℃，且單側(cè)兩點(diǎn)汽溫偏差有所降低。從介質(zhì)溫升來(lái)看，末級(jí)再熱器左側(cè)呈上升趨勢(shì)，右側(cè)呈略微下降趨勢(shì)，說(shuō)明左右兩側(cè)吸熱偏差有下降趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果顯示上揚(yáng)主燃燒器擺角對(duì)提高再熱汽溫、降低左右兩側(cè)吸熱偏差比較有效。

6 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐300 MW負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)燃盡風(fēng)擺角為20°、燃盡風(fēng)門(mén)全開(kāi)、主燃燒器擺角為90%時(shí)，再熱汽溫較調(diào)整前升高約10℃，可達(dá)540℃，兩側(cè)偏差明顯減小，高溫再熱器出口支管汽溫控制在545℃以?xún)?nèi)，受熱面管壁無(wú)超溫現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明:上揚(yáng)主燃燒器和燃盡風(fēng)燃燒器擺角、提高燃盡風(fēng)比例可有效控制受熱面管壁超溫，降低支管及兩側(cè)再熱蒸汽溫度偏差，從而提高再熱蒸汽整體溫度。

［1］ 樊泉桂．鍋爐原理［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．

［2］ 劉叢濤，黃業(yè)勝．HG－2008/186－M鍋爐熱偏差問(wèn)題探討［J］．中國(guó)電力，1996，41(3):3－8．

［3］ 張玉家．平圩電廠2 008 t/h爐過(guò)熱器汽溫偏差的原因初探及防止措施［J］．中國(guó)電力，1991，36(9):38－40．

［4］ 劉 勇，張躍安，黃 月．四角切圓鍋爐爐膛上部冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)的試驗(yàn)研究［J］．電站系統(tǒng)工程，2002，18(4):23－24．

［5］ 馮玉安．鍋爐煤質(zhì)特性和混煤燃燒的應(yīng)用研究 ［D］．南京:東南大學(xué)，1997．

［6］ 撒應(yīng)祿．鍋爐受熱面外部過(guò)程［M］．北京:水利電力出版社，1994．