裘立春，胡 卿，張海丹，李彥猛，張光學(xué)

(1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121； 2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311121； 3.浙江浙能富興燃料有限公司，杭州 310052； 4.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江舟山 316131； 5.中國計量大學(xué) 能源工程研究所，杭州 310018)

隨著國內(nèi)大容量機組國產(chǎn)化技術(shù)的快速發(fā)展，火電機組裝機容量日趨增大，針對超超臨界對沖燃燒的鍋爐，國內(nèi)較多采用環(huán)形風(fēng)箱為前后墻對沖的旋流燃燒器進(jìn)行配風(fēng)。環(huán)形風(fēng)箱的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，在其內(nèi)部的流場計算方面國內(nèi)學(xué)者已做了大量工作，包括對內(nèi)部穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬[1-2]，內(nèi)部流場計算及配風(fēng)方式影響[3-5]等。二次風(fēng)經(jīng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器被加熱時，煙氣中的飛灰顆粒往往會隨換熱元件進(jìn)入到二次風(fēng)中，熱二次風(fēng)經(jīng)風(fēng)道流至環(huán)形風(fēng)箱后，風(fēng)速下降，長時間運行后，在環(huán)形風(fēng)箱的底部會沉積較多灰塵，嚴(yán)重時會影響鍋爐火檢系統(tǒng)的安全性。目前環(huán)形風(fēng)箱清灰的主要方式有停爐后人工清運或環(huán)形風(fēng)箱底部通過排灰管道排放，前者耗時耗力，后者清理效果往往不佳。對于飛灰在爐膛及尾部煙道中的沉積現(xiàn)象，國內(nèi)外已有很多研究報道[6-9]，都涉及到高溫環(huán)境中飛灰中堿金屬元素的化學(xué)反應(yīng)過程。而環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)飛灰的沉積過程與爐膛及尾部煙道不同，屬于飛灰的物理沉積過程，國內(nèi)外少有直接的文獻(xiàn)報道，在建筑、暖通等領(lǐng)域有相關(guān)的研究[10-11]。國內(nèi)有研究通過加裝導(dǎo)流板來防止環(huán)形風(fēng)箱積灰[12]，實際工程效果有待檢驗。

鍋爐環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部積灰，對鍋爐運行存在隱患和危害，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)內(nèi)部長期積灰，會增加環(huán)形風(fēng)箱整體質(zhì)量，導(dǎo)致環(huán)形風(fēng)箱焊口拉裂引起漏風(fēng)；(2)逐漸增多的積灰若到達(dá)燃燒器底部，將影響燃燒器二次風(fēng)的配風(fēng)；(3)內(nèi)部積灰在二次風(fēng)的擾動下，容易對燃燒器火檢信號產(chǎn)生干擾[13-14]；(4)內(nèi)部積灰的清除需要大量工時和費用。筆者提出了一種防止環(huán)形風(fēng)箱積灰的方法，可實現(xiàn)環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)積灰的持續(xù)清掃。

1 環(huán)形風(fēng)箱防積灰技術(shù)路線

1.1 設(shè)備概況

某電廠2臺1 000 MW超超臨界燃煤鍋爐采用直吹式中速磨煤機，前后墻對沖燃燒方式，共分3層，每臺鍋爐配置48個DRB-4ZTM型低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器和16臺NOx噴口。二次風(fēng)配風(fēng)采用環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部不分層，單個燃燒器通過調(diào)節(jié)各自電動調(diào)風(fēng)盤來調(diào)節(jié)二次風(fēng)量。

鍋爐燃燒系統(tǒng)風(fēng)箱采用環(huán)形風(fēng)箱，環(huán)形風(fēng)箱上部設(shè)有隔板將燃燒器區(qū)二次風(fēng)和NOx噴口的供風(fēng)隔開。主燃燒區(qū)二次風(fēng)和NOx噴口的熱風(fēng)風(fēng)量分別由環(huán)形風(fēng)箱兩側(cè)墻處的二次風(fēng)擋板來控制，擋板前裝設(shè)測風(fēng)裝置，以測量進(jìn)入主燃燒區(qū)和NOx噴口的風(fēng)量。

大部分二次風(fēng)通過燃燒器進(jìn)入爐膛，并通過位于燃燒器入口處的電動調(diào)風(fēng)盤分別進(jìn)入燃燒器的內(nèi)、外二次風(fēng)通道內(nèi)，每個燃燒器的電動調(diào)風(fēng)盤可以獨立調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒器的風(fēng)量。

1.2 方案對比

1.2.1 螺旋水冷壁鰭片開孔

在環(huán)形風(fēng)箱底部對應(yīng)區(qū)域的螺旋水冷壁管間扁鋼開圓孔，通過爐膛負(fù)壓將環(huán)形風(fēng)箱底部的灰抽吸至爐膛內(nèi)。

為達(dá)到較好的抽吸效果，需要開孔的數(shù)量多，對材料強度有一定影響，存在安全隱患，故不考慮該方案。

1.2.2 環(huán)形風(fēng)箱底部加裝儲灰室引至冷灰斗

沿爐膛寬度方向在環(huán)形風(fēng)箱底部加裝儲灰室，通過輸灰管連接至冷灰斗，通過爐膛負(fù)壓將環(huán)形風(fēng)箱底部的灰抽至爐膛內(nèi)(見圖1)。該方案對環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)改動大，現(xiàn)場管路布置繁雜，維護難度大，對控制系統(tǒng)要求高，故不考慮該方案。

圖1 二次風(fēng)箱底部積灰引至冷灰斗方案示意圖

1.2.3 引部分熱一次風(fēng)吹掃風(fēng)箱

自兩側(cè)熱一次風(fēng)母管各引一管路(管路上安裝調(diào)節(jié)閥和隔離閥)，穿過側(cè)墻水平布置于前后墻環(huán)形風(fēng)箱上方，環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)的管道上以一定間隔開吹掃孔(見圖2)。

1—熱一次風(fēng)母管；2—一次風(fēng)引出管；3—隔離閥；4—電動閥；5—環(huán)形風(fēng)箱底部；6—吹掃管；7—吹掃孔。圖2 吹掃風(fēng)改造系統(tǒng)示意圖

選擇熱一次風(fēng)為吹掃氣源的主要原因有：即使在較低負(fù)荷下，一次風(fēng)壓仍能維持在較高水平，吹掃風(fēng)剛性強，在環(huán)形風(fēng)箱底部形成吹掃風(fēng)膜，使積灰不易落地，始終處于擾動懸浮狀態(tài)，容易被二次風(fēng)攜帶入爐膛；熱一次風(fēng)溫度與二次風(fēng)溫度相近，不會對二次風(fēng)溫度造成影響。此外，雖然吹掃風(fēng)管與環(huán)形風(fēng)箱壓差較大，但是吹掃風(fēng)風(fēng)量占比很低，基本不會影響環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)的壓力分布。

該方案就地管路布置簡單，工期短，可實現(xiàn)對環(huán)形風(fēng)箱底部區(qū)域的在線吹掃。

2 環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及流場數(shù)值模擬

2.1 環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)

環(huán)形風(fēng)箱由左、右側(cè)進(jìn)二次風(fēng)，燃燒器最上層為燃盡風(fēng)區(qū)域，下三層為主燃燒器區(qū)域。環(huán)形風(fēng)箱高約18 m，寬約32 m，深約3 m(該尺寸為前墻環(huán)形風(fēng)箱深度)。

8個燃燒器水平間距為3 600 mm，上下各層間距為6 000 mm。底層燃燒器中心線位置距環(huán)形風(fēng)箱底部2 400 mm，燃燒器直徑約為680 mm(見圖3)。在距離環(huán)形風(fēng)箱底部一定距離引入吹掃風(fēng)管道，在該管上以一定間隔依次開多個吹掃孔，吹掃孔內(nèi)徑為0.008 m。

圖3 環(huán)形環(huán)形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)

經(jīng)核算，該方案所需的吹掃風(fēng)質(zhì)量流量僅為3～4 t/h，占一次風(fēng)質(zhì)量流量的0.4%～1.0%，對一次風(fēng)系統(tǒng)正常運行無影響，基本不提高廠用電率。典型工況下的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 典型工況下設(shè)計參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

結(jié)合該電廠1 000 MW超超臨界鍋爐環(huán)形風(fēng)箱吹掃風(fēng)改造情況，采用高精度RNGk-ε湍流理論模型，對100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)和50% BMCR 兩個典型工況，進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，幾何模型見圖4，研究了加裝吹掃風(fēng)后，環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力、流速分布規(guī)律，以及吹掃風(fēng)噴口流速情況。

圖4 幾何模型

圖5和圖6分別為100%BMCR、50%BMCR負(fù)荷下，加裝吹掃風(fēng)后環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布情況。由圖5、圖6可見：加裝吹掃風(fēng)后環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布整體均勻性較好。

圖5 100%BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布

圖6 50%BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)壓力分布

圖7和圖8分別為100%BMCR、50%BMCR負(fù)荷下，以環(huán)形風(fēng)箱入口為起點，加裝吹掃風(fēng)后環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)二次風(fēng)流線分布情況。由圖7、圖8可見：吹掃風(fēng)對二次風(fēng)流場影響較小。

圖7 100%BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱流線分布

圖8 50% BMCR工況環(huán)形風(fēng)箱流線分布

圖9和圖10分別為100%BMCR、50%BMCR負(fù)荷下的吹掃風(fēng)流線分布情況(以吹掃風(fēng)噴口為起點)。由圖9、圖10可見：吹掃風(fēng)氣流剛性足夠，流場充滿度好，可有效吹掃風(fēng)箱底部區(qū)域。

圖9 100% BMCR工況吹掃風(fēng)流線分布

圖10 50% BMCR工況吹掃風(fēng)流線分布

以上結(jié)果表明：自熱一次風(fēng)引吹掃風(fēng)，風(fēng)速較高，剛性良好，可持續(xù)吹掃環(huán)形風(fēng)箱底部，有效防治積灰；同時，對環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)流場影響較小，不影響燃燒器正常燃燒。

3 吹掃風(fēng)應(yīng)用效果

環(huán)形風(fēng)箱吹掃風(fēng)技術(shù)目前已在該電廠2臺1 000 MW機組及另一電廠2臺660 MW超超臨界機組上實施技改，均已成功投運2 a以上。

該吹掃風(fēng)系統(tǒng)具體操作方式為：在機組啟動時，投運一次風(fēng)機后，便將4個吹掃閥門打開，防止運行過程中積灰將環(huán)形風(fēng)箱底部的管路掩埋，導(dǎo)致吹掃孔堵塞。機組正常運行時確保吹掃管路投運，起到對環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部進(jìn)行吹掃和清灰的目的。

從現(xiàn)場檢查情況來看，該技術(shù)防治環(huán)形風(fēng)箱底部積灰效果顯著。

以往環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部積灰，均需要在停爐檢修期間通過人力裝袋清掃，工作量大、耗時長、人工成本高、工作環(huán)境差。采用該吹掃風(fēng)在線清灰系統(tǒng)可以避免人員在高塵環(huán)境中工作，社會效益明顯。

該系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益包括：減少了環(huán)形風(fēng)箱積灰引起配風(fēng)不足，從而造成的燃料不完全燃燒熱損失；減少了環(huán)形風(fēng)箱拉裂引起的設(shè)備檢修費用、火檢丟失可能引起的機組非停損失。

實際應(yīng)用證明該吹掃風(fēng)在線清灰系統(tǒng)能夠有效解決前后墻對沖燃燒鍋爐的環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)部積灰問題，為同類型鍋爐提供參考和借鑒。后續(xù)可在水平煙道區(qū)域、脫硝系統(tǒng)前煙道布置同類型吹掃管路，防止煙道局部積灰嚴(yán)重產(chǎn)生煙氣走廊，影響局部傳熱效果，造成受熱面吸熱不均勻。

4 結(jié)語

針對前后墻對沖鍋爐環(huán)形風(fēng)箱易積灰的現(xiàn)狀，利用與二次風(fēng)溫度相近的熱一次風(fēng)為氣源，結(jié)合吹掃風(fēng)的流場數(shù)值模擬理論計算，在不影響燃燒及廠用電率的前提下，實現(xiàn)了環(huán)形風(fēng)箱內(nèi)積灰的熱態(tài)在線持續(xù)清掃，既節(jié)約了成本，又提高了機組運行的安全性。

該吹掃風(fēng)技術(shù)已在多臺超超臨界對沖鍋爐上取得成功應(yīng)用，效果顯著，可為同類型機組提供參考。