李國慶,張 綺,王科峰

(1.國電西峽發(fā)電有限公司,河南鄭州 450003;2.北京巴布科克·威爾科克斯有限公司,北京 100043;3.國電滎陽煤電一體化公司,河南滎陽 450003)

“W”型火焰超臨界鍋爐的應(yīng)用研究

李國慶1,張 綺2,王科峰3

(1.國電西峽發(fā)電有限公司,河南鄭州 450003;2.北京巴布科克·威爾科克斯有限公司,北京 100043;3.國電滎陽煤電一體化公司,河南滎陽 450003)

簡要介紹了當(dāng)前我國“W”型火焰超臨界直流鍋爐的應(yīng)用情況及主要特點,并著重分析了先進低質(zhì)量流速技術(shù)在“W”型火焰超臨界鍋爐的具體應(yīng)用,論述了“W”型火焰超臨界直流鍋爐在實踐中需注意和把握的問題。

“W”型火焰鍋爐;低質(zhì)量流速;應(yīng)用研究

0 引言

近年來,我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展,電力行業(yè)的發(fā)電裝機水平迅速提高,據(jù)統(tǒng)計,截至 2009年底,全國發(fā)電總裝機容量達 874.07 G W,且發(fā)電機組向超高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。目前,我國火電機組的整體參數(shù)水平主要受金屬材料、制造技術(shù)和工藝水平的制約。在這一情況下,作為發(fā)電機組最前端的主設(shè)備—鍋爐,其參數(shù)水平原則上決定著整個機組的參數(shù)水平,因為鍋爐還要受燃料品種、品質(zhì)的影響。單機容量為 600～1000MW的超超臨界機組,由于具有節(jié)能、高效、清潔、環(huán)保等特點而被廣泛選用,并且已有多臺機組投入商業(yè)運營,取得良好的效果。但是,燃用揮發(fā)分較低劣質(zhì)煤的火力發(fā)電機組,其發(fā)展相對滯后,目前,我國乃至世界,比較成熟的燃用低揮發(fā)分煤種的火力發(fā)電機組參數(shù)在亞臨界水平,單機容量為 600MW。

為追求節(jié)能、高效、清潔、環(huán)保目標(biāo),各大電力集團對燃用揮發(fā)分較低的劣質(zhì)煤的 600MW超臨界機組都非常重視。大唐金竹山項目采用北京巴·威公司制造的 600MW“W”型火焰超臨界直流鍋爐,已于 2009年投運;國電滎陽煤電一體化項目中“W”型火焰超臨界直流鍋爐,將于今年投運,掀開了600MW超臨界機組的新篇章。因此,探討和研究“W”型火焰超臨界直流鍋爐的特點,使其穩(wěn)定、高效地運行,有著十分重要的意義。

1 低質(zhì)量流速技術(shù)與優(yōu)化螺紋管的應(yīng)用

“W”型火焰鍋爐采用超臨界參數(shù)存在兩個技術(shù)難點:一是鍋爐分上、下爐膛且斷面不同,爐膛結(jié)構(gòu)不宜采用螺旋管圈水冷壁,需要采用垂直管排水冷壁;二是垂直管排水冷壁間的吸熱量受固有熱負荷分布的影響,偏差較大,需解決水冷壁管在各種運行工況下的冷卻問題,有效地避免超溫。

1.1 低質(zhì)量流速技術(shù)

由于結(jié)構(gòu)特點,“W”型火焰鍋爐必須采用垂直的管排水冷壁,但解決水冷壁管在各種運行工況下的冷卻問題比較困難,這也是制約“W”型火焰超臨界鍋爐發(fā)展的瓶頸,究其原因主要有三點:一是同一般鍋爐相比,“W”型火焰鍋爐的下爐膛周界較大,而鍋爐的流量較少,對水冷壁管的冷卻不利;二是雙拱爐膛結(jié)構(gòu)需要一些特殊機械設(shè)計,而一般水冷壁管內(nèi)的中、高質(zhì)量流速冷卻技術(shù)在“W”型火焰超臨界鍋爐上難以適用;三是超臨界鍋爐與亞臨界鍋爐相比,有著完全不同的循環(huán)特性。

一般情況下,循環(huán)倍率越高,鍋爐爐膛越安全。隨著爐膛壓力參數(shù)的提高,水的汽化潛熱減小,循環(huán)倍率隨之而降低。亞臨界以下機組的熱力循環(huán)中存在汽、液兩相飽和蒸發(fā)階段,處于這個階段的工質(zhì)吸熱后溫度并不發(fā)生變化,僅汽水混合物中水與飽和蒸汽的比例 (干度)隨著吸熱而發(fā)生改變。一般亞臨界參數(shù)運行的鍋爐,設(shè)計循環(huán)倍率最小為 2.8,即在爐膛出口的平均含汽率不會高于 35%,還有 65%的工質(zhì)為飽和水。大量水的存在非常有利于水冷壁管子的冷卻,使得水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速即使在較低水平也可以保證較好的傳熱,保證水冷壁不超溫。超臨界鍋爐水系統(tǒng)的循環(huán)中,等溫蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程不復(fù)存在,這使得超臨界鍋爐爐膛中的水在鍋爐高于最低直流負荷以上運行時,爐膛中的水在某個位置就會全部汽化。由于蒸汽的對流傳熱系數(shù)較低,使得水冷壁管的冷卻條件大為惡化。水冷壁管的冷卻條件惡化 (傳熱惡化),在亞臨界參數(shù)下運行的鍋爐也會發(fā)生,也就是水冷壁管中發(fā)生“偏離核態(tài)沸騰”(DNB)現(xiàn)象。對此,技術(shù)上可以采用增設(shè)循環(huán)泵的強制循環(huán)方式提高質(zhì)量流速來強化水冷壁冷卻所必要的傳熱;或采用“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋管(MLR)”,通過改變高含汽率工質(zhì)的流動狀態(tài)來強化傳熱,以解決水冷壁冷卻問題,這種技術(shù)方案使得爐膛的質(zhì)量流速仍然可以維持在較低水平而不發(fā)生安全問題。而超臨界鍋爐由于其具有超高干度 (可接近 100%)和蒸干狀態(tài),無法保證水冷壁管得到必要的冷卻。

研究和試驗表明,用低質(zhì)量流速設(shè)計加標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)螺紋管 (MLR)仍解決不了問題。因此,在超臨界狀態(tài)下,要保證水冷壁的有效冷卻,就必需要有能實現(xiàn)傳熱強化的低質(zhì)量流速水冷壁。

1.2 低質(zhì)量流速水冷壁

低質(zhì)量流速水冷壁是“W”型火焰超臨界鍋爐的核心技術(shù),該技術(shù)課題的解決,對無煙煤及其他劣質(zhì)煤的高效利用提供了最先進的技術(shù)選擇。

水冷壁的制作在當(dāng)今的技術(shù)水平和制造工藝下,是完全可以解決的。實現(xiàn)低質(zhì)量流速便是問題的關(guān)鍵,技術(shù)核心是勢必需要采用具有更高傳熱性能的內(nèi)螺紋管才有可能加以解決。

1.3 優(yōu)化的內(nèi)螺紋管

優(yōu)化的內(nèi)螺紋管 (OMLR)主要是基于改變原有內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù),模擬管子在鍋爐中的運行條件 (壓力、熱負荷等)進行多次有針對性的試驗,以找到在低質(zhì)量流速條件下能滿足傳熱要求的管型結(jié)構(gòu)參數(shù),并得到和管型參數(shù)對應(yīng)的各種傳熱和流動阻力的實驗數(shù)據(jù),再從試驗數(shù)據(jù)中總結(jié)出經(jīng)驗公式,從而得到能滿足低質(zhì)量流速超臨界鍋爐傳熱所需的“優(yōu)化內(nèi)螺紋管”。

優(yōu)化的內(nèi)螺紋管 (OMLR)技術(shù)發(fā)展,從技術(shù)的成功到超臨界、大容量鍋爐的工程應(yīng)用,還要做大量工作。在超臨界鍋爐高速發(fā)展的時期,這種管型還未開發(fā)成功。過去超臨界燃煤鍋爐采用高質(zhì)量流速:多回程垂直爐膛或是螺旋爐膛的設(shè)計,無法解決燃用低揮發(fā)分煤種存在的問題。

1.4 應(yīng)用與實踐

優(yōu)化內(nèi)螺紋管低質(zhì)量流速超臨界技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用,還需要做大量的研發(fā)工作。如:管內(nèi)流動和傳熱特性及爐內(nèi)熱負荷分配試驗、實際性能驗證性的實驗室試驗、實際運行鍋爐上的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱流測試、壓降及傳熱的驗證試驗、傳熱關(guān)系式與實驗數(shù)據(jù)差異的處理、水動力計算程序的修正和擴展、根據(jù)質(zhì)量流速和爐膛熱工參數(shù)確定爐膛幾何特性、規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的實際情況等。

低質(zhì)量流速垂直管圈技術(shù)的超臨界鍋爐綜合了其他鍋爐的優(yōu)點,其強化傳熱的特性使得爐膛水冷壁可維持與亞臨界相當(dāng)?shù)牡唾|(zhì)量流速。通過低質(zhì)量流速優(yōu)化的內(nèi)螺紋管應(yīng)用技術(shù)的研究,既成功解決了“W”型火焰超臨界鍋爐水冷壁的冷卻,又使得其他無法解決的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題也迎刃而解。

2 “W”型火焰超臨界鍋爐

低質(zhì)量流速與優(yōu)化內(nèi)螺紋管技術(shù)的成功應(yīng)用,成就了低質(zhì)量流速的水冷壁,使其具有更高的傳熱性能,既解決了“W”型火焰超臨界鍋爐的技術(shù)難題,又在燃燒技術(shù)上從制粉系統(tǒng)與燃燒器、爐膛設(shè)計、配風(fēng)與調(diào)節(jié)等方面進行了大量的優(yōu)化工作。在滇東已投產(chǎn)的 600MW“W”型火焰亞臨界鍋爐以及已投產(chǎn)常規(guī) 600MW超臨界鍋爐成功的技術(shù)、制造、運行、調(diào)試等經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合大唐金竹山項目和國電滎陽項目的具體情況,分別進行了大量的試驗,使得 600MW“W”型火焰超臨界鍋爐設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試均取得了成功。

2.1 基本結(jié)構(gòu)型式

2.1.1 燃燒系統(tǒng)

低反應(yīng)無煙煤燃燒鍋爐其燃燒技術(shù)的核心在于:有效解決燃料著火難、穩(wěn)燃難、燃燼難的問題,在求得高燃燒效率的同時獲得低的污染排放和高的鍋爐可用率。鍋爐采用了雙進雙出磨煤機正壓直吹系統(tǒng);配備低 NOx濃縮型 EI-XCX雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器,爐膛采用雙拱半絕熱爐膛。根據(jù)燃燒器類型、單個燃燒器容量及燃燒器設(shè)計參數(shù)協(xié)調(diào)確定下爐膛尺寸,并設(shè)置合理的衛(wèi)燃帶敷設(shè)面積及區(qū)域。強調(diào)火焰穿透力與爐膛尺寸相匹配;配風(fēng)方面采用了獨立可控的分級送風(fēng)系統(tǒng),同時系統(tǒng)還提供了各種調(diào)節(jié)手段以提高鍋爐對負荷及燃料的適應(yīng)性。這種結(jié)構(gòu)型式既解決低揮發(fā)份無煙煤的難著火、難穩(wěn)燃和難燃盡的問題,鍋爐具有較高的燃燒效率,而且與同類型鍋爐相比,又具有較低的 NOx排放水平。

2.1.2 爐膛水冷壁

采用垂直水冷壁管圈。優(yōu)化內(nèi)螺紋管、低質(zhì)量流速的應(yīng)用,不僅使水冷壁結(jié)構(gòu)簡單、便于設(shè)計、制造、安裝及維護,而且垂直水冷壁管圈也有利于渣向下流動。鍋爐在臨界壓力以上運行時,循環(huán)回路仍具有正流量特性,水冷壁回路具有類似于自然循環(huán)一樣的自補償特性,有利于水冷壁的安全穩(wěn)定運行。同時由于采用低質(zhì)量流速,與螺旋管圈水冷壁相比具有較低的阻力,可降低給水泵的壓頭,降低了給水泵能耗。

2.1.3 其他

鍋爐設(shè)置帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng),既減少了工質(zhì)和熱量的損失,又避免了機組熱啟動時對省煤器、水冷壁等的熱沖擊,延長了鍋爐的壽命,同時也加快了機組的啟動速度。獨特的過熱器、再熱器結(jié)構(gòu)型式。屏式過熱器采用發(fā)卡式結(jié)構(gòu),末級過熱器和高溫再熱器采用由外到內(nèi)的跳管結(jié)構(gòu),從根本上減輕工質(zhì)側(cè)偏差,因而能降低受熱面壁溫峰值,有利于減輕受熱面管子內(nèi)部的蒸汽側(cè)氧化。

2.2 主要特點

(1)“W”型火焰可使煤粉氣流盡可能多接觸高溫回流煙氣,提高燃燒器出口火焰根部的著火水平。著火條件好,火焰行程長,煤粉在爐內(nèi)停留時間可達3～4 s,比其它燃燒方式增加一倍,燃燒效率高。

(2)負荷調(diào)節(jié)范圍大,改變煤粉濃度、風(fēng)溫、燃燒帶的位置和數(shù)量有助于維護爐內(nèi)較高的溫度水平,燃用無煙煤時可使鍋爐負荷降低至額定負荷的40%～50%。

(3)由于一次風(fēng)中的煤粉濃度較高以及二次風(fēng)的分級送入,使得在爐內(nèi)形成明顯的兩級燃燒區(qū)域,在調(diào)整得當(dāng)時,可減少 NOx的排放。

(4)煙氣在爐內(nèi) 180°轉(zhuǎn)彎,可將 10%～15%的粗灰分離出來,減少受熱面的磨損。煙氣在通過喉口時充分混合,上爐膛深度小,氣流在其中不旋轉(zhuǎn),出口處的煙氣溫度場和速度場比較均勻,減少了過熱器再熱器熱偏差。

(5)空氣和煤粉在燃燒后期混合較差,影響燃盡;爐膛中部設(shè)置中間混合,水冷壁和汽水管道布置復(fù)雜,安裝工作量大;燃燒器垂直向下分布,增加了檢修難度;燃燒器吊掛、爐墻密封、梁柱布置存在不方便;“W”型火焰鍋爐制造周期長,成本高。

2.3 運行中需注意的問題

(1)“W”型火焰鍋爐運行初期及低負荷運行時對水動力循環(huán)要求較高,為避免受熱面超溫,應(yīng)加強運行操作調(diào)整。

(2)超臨界直流鍋爐由于熱容量小,水冷壁易超溫,煤水比失調(diào)極易發(fā)生水冷壁超溫事件。

(3)受熱面沿爐寬方向煙溫、壁溫偏差,由于燃燒器沿爐寬方向布置,左右側(cè)燃燒器的負荷偏差將更容易導(dǎo)致受熱面產(chǎn)生熱偏差。平衡各燃燒器負荷成為減小這種偏差的主要手段。

(4)“W”型火焰鍋爐由于其燃燒區(qū)域包覆圍燃帶,熱負荷高,易結(jié)焦。

3 結(jié)語

優(yōu)化內(nèi)螺紋管技術(shù)的成功應(yīng)用,成就了低質(zhì)量流速的水冷壁,既解決了“W”型火焰超臨界鍋爐水冷壁的冷卻,又使得機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題也迎刃而解,是鍋爐技術(shù)發(fā)展的方向。運用此技術(shù)的“W”型火焰超臨界鍋爐,已在實踐中取得了成功,具有鍋爐效率高,可靠性高,安全性高,能耗低,運行成本低,維護檢修方便,適應(yīng)各種負荷,滿足變壓運行的要求等特點,成為了當(dāng)今業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)的載體。當(dāng)然,結(jié)合具體的設(shè)計、制造、工藝、安裝、調(diào)試、運行,600MW“W”型火焰超臨界鍋爐還需要進一步完善,使其向更高端、深層、完美的方向發(fā)展。

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Application and study for vertical tube furnace supercritical downshot boiler

The current status and m ajor features of Downsho t supercritical boiler in China is briefly introduced.The content focuses on the application of advanced low mass flux technology forDownshot supercritical boiler,and provides some experiences for the engineering practice of this Downshot supercritical boiler.

Downshot supercritical boiler;low m ass flux;application study

TK223

B

1674-8069(2010)05-053-03

2010-07-08;

2010-09-12

李國慶 (1962-),男,山西臨猗縣人,高級工程師,主要從事火電廠管理工作。E-mail:Liguoqing@cgdc.com.cn