基于吸熱偏差分析的鍋爐燃燒調整技術

項岱軍,王煜偉,王小華,王 衡

(1.國家能源集團江蘇電力有限公司,江蘇 南京 210036;2.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司,江蘇 蘇州 215153;3.上海望特能源科技有限公司,上海 200245)

0 引言

大型燃煤鍋爐無論何種燃燒方式,都會發生燃燒產物的能量不平衡,影響工質吸熱的均勻性。尤其對于切向燃燒方式鍋爐而言,由于殘余旋轉的存在,造成沿煙道寬度方向的煙速和煙溫偏差,當與工質吸熱偏差迭加后熱偏差進一步增大,進而引發高溫受熱面的超溫爆管[1-2]。針對這一難題,國內的鍋爐廠和相關研究機構,通過?；囼灪瓦x擇性地實爐驗證,并采取升級受熱面管材等級、上部二次風或三次風反切、一次風反切微偏轉和爐膛出口“零旋強”準則等方式緩解煙氣側煙速和煙溫偏差。其中,燃盡風反切消旋技術作為調整偏差的主要手段,獲得了廣泛應用和關注[3-5]。

除上述煙氣側采取的相關措施外,上海發電設備成套設計研究所的相關研究人員提出,由進口集箱中渦流區靜壓降低引起的屏間流量不均勻和由受熱面管材受熱長度、蒸汽流量以及各種輻射和對流吸熱不均勻引起的同屏各管間的熱偏差等也是造成受熱面管超溫爆管的重要因素[6-10]。針對這一問題,研究人員在設計時采取(1)在同一片管屏中吸熱小的管中加裝節流圈減小蒸汽流量;(2)同一片屏的一根或幾根外圈管下部短路,縮短受熱長度,增大蒸汽流量;(3)調整管屏出口集箱內徑和三通在集箱中的位置,減小渦流區蒸汽靜壓降低對屏間流量的影響等手段,有效地緩解了汽溫偏差。

實際運行過程中,機組的熱負荷偏差隨著負荷、煤種、運行參數、投運燃燒器的數量和位置的變化而變化,給機組的安全穩定調控造成了一定的難度?，F有常見的煙氣側和蒸汽側調整方法是機組遇到熱偏差問題時,進行冷態空氣動力場和熱態燃燒優化調整試驗,調試單位借助專業儀器儀表測試的空氣溫度和流量數據、煤粉混合物速度、濃度和細度數據、爐膛及尾部煙道煙氣溫度、煙氣成分和流量數據進行有針對性的調整,短期內效果顯著,緩解了兩側的熱負荷偏差。但當煤種、設備狀態發生變化時,運行人員通過少量的在線檢測參數無法做出正確的調整決策,從而導致了受熱面管壁的超溫,危及機組的安全運行。因此,亟需發展一種在線監測技術指導運行人員開展在線的運行優化調整,保證機組的安全運行。

大容量電站鍋爐過、再熱器的受熱條件和流動工況非常復雜,爐膛出口煙溫測點插入深度又太短,同時還受到冷面輻射的影響,所測溫度并不能真實地反映偏差屏位置的煙溫偏差。鍋爐上裝設的爐外溫度測點也難以用來準確推算偏差管爐內各點的壁溫值。因此,將爐外溫度測量數據與運行參數相結合,在此基礎上準確地實時計算出爐內壁溫是實現壁面溫度在線監測的關鍵。

鍋爐高溫管屏在線監測系統(Panel Safeguard Supervisory System,簡稱PSSS)是基于王孟浩教授及其團隊獨創的鍋爐過、再熱器熱偏差及爐管壁溫計算方法并結合電廠運行管理需要而開發的,根據每臺鍋爐的具體結構、熱力數據結合鍋爐實際運行工況專門開發的過、再熱器安全經濟的專家在線管理系統[11-12]。該系統以在線爐內壁溫計算和在線壽命損耗計算為核心,采用在線動態實時顯示技術,從電廠的網絡系統(如DCS、SIS和MIS系統)讀取所需數據,經過計算,動態顯示爐內每根管沿長度各點的汽溫、壁溫、壽命損耗、高溫管屏的煙溫偏差以及沿煙道寬度的吸熱偏差等[13]。系統可實現:(1)根據新鍋爐的設計數據和結構,預測受熱面的最大熱偏差管和最高管壁溫度點;(2)對運行鍋爐,通過可視化顯示,實時監測受熱面管壁溫度狀況,特別對最大熱偏差管及最危險段的壁溫工況進行量化監督。

在鍋爐高溫管屏在線監測系統基礎上,本文提出一種基于吸熱偏差分析的運行優化調整技術,該技術通過獲得受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數,指導運行人員開展在線的運行優化調整。介紹了鍋爐高溫管屏在線監測系統的基本計算原理,進一步開展對切圓燃燒和對沖燃燒方式下熱偏差系數的單因素對比試驗研究。

1 鍋爐高溫管屏在線監測系統計算原理

計算受熱面管是否超溫及壽命損耗的基礎是準確計算受熱面管的爐內壁溫,每一點的汽溫和壁溫受到蒸汽流動和輻射、對流傳熱的影響。PSSS系統考慮了實際運行工況的屏間和同屏吸熱偏差、蒸汽流量偏差、屏前、屏后、屏中及屏下的輻射、對流傳熱偏差以及受熱面管阻力系數偏差等因素,建立傳熱計算模型。

管組中任一個管段i的焓增計算式為

(1)

式中 Δii——管段i的焓增/kJ·kg-1;

Kr、Kh——寬度和高度吸熱偏差系數;

E0——面積折算系數;

d——管子外徑/m;

li——計算管段長度/m;

Di——蒸汽流量/kg·h-1;

qf——屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負荷/W·m-2;

pi——屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負荷偏差系數;

qp、qd——屏間輻射和對流熱負荷/W·m-2;

ε1i、ε2i——屏間輻射和對流熱負荷偏差系數。

計算點的汽溫計算式,可表示為

t=tj+∑Δii/R

(2)

式中t——計算點的蒸汽溫度/K;

tj——計算管進口溫度/K;

R——蒸汽比熱/kJ·(kg·K)-1。

計算點的壁溫計算式為

(3)

式中tb——計算點的壁溫/K;

β——管徑比;

J——熱均流系數;

α2——管內蒸汽對管壁的放熱系數/W·(m2·K)-1;

qm——管壁換熱量/W·m-2;

δ——管壁厚度/m;

λ——金屬導熱系數/W·(m·K)-1。

得到每根管的爐內壁溫數據后,就可以算出沿煙道寬度的熱負荷偏差和同片屏各管熱偏差,并通過圖像的形式實時顯示出來,進而指導運行優化調整。

為指導機組的燃燒調整,PSSS系統中以直觀的圖形方式繪制了各級受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數Kr曲線,圖1為某電廠PSSS系統中某工況下二級再熱器吸熱偏差曲線示意圖。圖中的再熱器共計44片屏,每片屏24根管。從圖1可見,受切圓殘余旋轉的影響,吸熱偏差曲線呈現不規則馬鞍型分布,左側偏差最大屏出現在第2屏,Kr為1.10,右側偏差最大屏出現在第41屏,Kr為1.08,管組左右側吸熱量之比為1.01,左右側最大Kr平均值為1.09,距離控制目標值1.20有一定的安全余量,表明受熱面吸熱較均勻。

圖1 二級再熱器吸熱偏差曲線

2 吸熱偏差分析技術的應用

2.1 切圓燃燒方式的燃燒優化調整

某電廠2×1 000 MW超超臨界機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的塔式鍋爐。鍋爐采用變壓運行螺旋管圈設計,單爐膛、四角切向燃燒、擺動噴嘴調溫、平衡通風。設計燃用神府東勝煤,沿煙氣流程的受熱面布置順序為:一級過熱器(逆流)、三級過熱器(順流)、高溫再熱器(順流)、二級過熱器(逆流)、低溫再熱器(逆流)和省煤器(順流),全部受熱面管水平布置。

在機組電負荷穩定運行時,通過調整鍋爐運行方式,如改變鍋爐總風量(小風量:1 700 t/h、大風量:2 000 t/h)、調整SOFA(分離燃盡風)風量(#1和#2角全關、#1和#2角部分開啟)、磨煤機組合方式(分別停A、B、C、D、E和F磨煤機)、減溫水量(三級過熱器減溫水量:20.4 t/h、80.7 t/h)等,考察PSSS系統計算獲得的三級過熱器屏間吸熱偏差系數的變化趨勢與燃燒理論分析結果是否一致,以檢驗PSSS系統對煙氣熱負荷分布曲線檢測結果定性趨勢的準確性。統計數據如表1～表4所示。

表1 鍋爐總風量調整試驗結果

表2 鍋爐SOFA風量調整試驗結果

表3 磨煤機組合方式調整試驗結果

表4 鍋爐減溫水量調整試驗結果

從表1～表4中,各個因素的調整對三級過熱器熱負荷分布曲線變化趨勢的影響可以看出,總風量和噴水量變化時,煙氣熱負荷分布曲線變化不明顯;SOFA風量和磨煤機組合方式的調整對煙氣熱負荷分布曲線的影響較大。這是因為總風量和噴水量變化時,并未從根本上改變各級受熱面管屏間的吸熱份額和管內流量的分配狀況,因此,這兩個因素的調整對煙氣熱負荷分布曲線的影響不大。

由于主燃燒區氣流為正切,SOFA風氣流為反切,隨著SOFA風量的增加,燃盡區消旋的效果加強,熱負荷分布更加均勻,屏間吸熱偏差系數減小。當磨煤機組合方式發生變化時,不同磨煤機出口各個角的粉量存在著差異,燃燒器區域的氣流旋度和燃盡風的消旋的效果會發生變化,對屏間吸熱偏差系數影響很大。

可見,PSSS系統計算獲得的屏間吸熱偏差系數的變化趨勢與燃燒理論分析結果基本吻合。根據它可指導運行人員調整鍋爐配風等運行方式,降低屏間吸熱偏差,以減小超溫爆管的風險。

2.2 對沖燃燒方式的燃燒優化調整

某電廠1 036 MW的DG-3000/26.15-II1型超超臨界鍋爐采用變壓運行螺旋管圈設計,單爐膛П型布置,前后墻對沖分級燃燒方式、擋板調溫、平衡通風。鍋爐設計燃用神府東勝煤,正壓直吹式制粉系統。配有六臺中速磨煤機,五臺投運、一臺備用。

在爐膛前后墻分三層布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃燒器,每層布置8只,共有48只燃燒器。在前后墻距最上層燃燒器噴口—定距離布置燃盡風噴口(OAP),每層10只。在爐膛上部和水平煙道中沿煙氣流程的受熱面布置順序為:屏式過熱器、末級過熱器和高溫再熱器。

試驗以電廠2號鍋爐屏式過熱器為研究對象,采集屏式過熱器前后的蒸汽溫度、燃盡風量,驗證磨煤機組合運行方式(停前墻上層A磨和停后墻上層D磨)和OFA風量的調整與屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數的對應關系的準確性。運行人員以此為依據,調整鍋爐運行方式,可以有效減小屏式過熱器前后管屏吸熱量偏差,避免屏過系統的大面積超溫。統計數據如表5～表6所示。

表5 磨煤機組合方式調整試驗結果

表6 OFA風量調整試驗結果

說明:屏式過熱器吸熱偏差系數表征屏式過熱器前后管屏的平均吸熱偏差,該系數大于1,表明屏式過熱器前管屏平均吸熱量大于后管屏,該系數小于1,表明屏式過熱器前管屏平均吸熱量小于后管屏。

從表5中數據可以看出,磨煤機組合運行方式變化時,對屏式過熱器前后管屏的吸熱偏差影響很大。停A磨煤機時,屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數為1.1;停D磨煤機時,屏式過熱器前后管屏吸熱系數比為0.9。這主要是因為停A磨煤機(位于前墻)時,后墻總風量高于前墻總風量,火焰中心向前墻移動,屏式過熱器前管屏平均吸熱量大于后管屏;停D磨煤機(位于后墻)的規律則剛好相反。

從表6中 OFA風量的變化對屏式過熱器前后管屏吸熱偏差的影響可以看出,當前后墻燃盡風同時降低,且后墻燃盡風量的降低幅度超過前墻時,火焰中心往后移,屏式過熱器前管屏平均吸熱量小于后管屏,屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數由1.0降低至0.8。

PSSS系統計算獲得的屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數的變化趨勢與燃燒理論分析結果基本吻合。電廠運行人員根據屏式過熱器吸熱偏差系數了解前后管屏的吸熱量分布情況,判斷沿鍋爐深度方向煙氣熱負荷的偏移,相應調節鍋爐配風等運行方式,可以使火焰中心沿爐膛深度方向上分布均勻,避免部分受熱面超溫的現象。

3 結論

(1)針對常規的燃燒優化調整手段,由于需要借助大量儀表測試數據指導運行調整緩解鍋爐燃燒的偏差,但無法滿足日常優化調整的問題,本文提出了一種基于鍋爐高溫管屏在線監測系統,獲得受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數,以用于指導運行人員開展在線的運行優化調整。

(2)通過對切圓燃燒和對沖燃燒方式下熱偏差系數的單因素對比試驗發現,熱偏差系統可準確反映爐內燃燒的變化,且與燃燒理論分析結果吻合,能滿足日常優化調整的需要。以鍋爐高溫管屏在線監測系統的計算和監測結果為依據,合理調整鍋爐運行方式,可有效降低沿爐膛寬度和深度方向的吸熱偏差,避免運行中因管壁溫度偏差過大而發生爆管或被迫降參數運行的情況,提高了機組運行的安全性和經濟性。