阳城电厂fw“W”火焰锅炉性能分析

增刊 1 ( 总第105期) 2002年7月 山 西 电 力 SHANX I EL ECTR IC POW ER Supp1 1( Ser1 105) July12002 收稿日期:2002203218,修回日期:2002205210 作者简介:武卫红(19662 ), 男,山西乡宁人, 1985年毕业于太原理工大学热 能动力专业,锅炉室副主任,高级工程师; 高志成(19632 ), 男,山西浑源人, 2000年毕业于华北电力大学热 能动力专业,工程硕士,工程师。 阳城电厂FW“W”火焰锅炉性能分析 武卫红1,高志成2 (1 1 山西电力科学研究院,山西 太原 030001;21 山西省电建三公司,山西 太原030006) 摘要:根据阳城电厂机组的调试情况,介绍了FW“W” 火焰锅炉燃烧调整诸手段的作用及调整思路,分析了高负 荷下燃烧不稳定及飞灰可燃物含量高等问题产生的根源,对FW“W”火焰锅炉设备性能作一评价,并就今后运行 及设备改进提出了建议。 关键词:“W”火焰锅炉;燃烧问题;性能评价;改进 中图分类号: TK22 文献标识码 :B 文章编号: 167120320(2002)增刊120035203 “W”火焰锅炉作为燃烧无烟煤的锅炉、近年来在我国 得到较大的发展,仅在我省就有阳泉二电厂4台300MW (2 台FW技术东方锅炉厂生产、2台北京巴威生产)相继投 产。现阳城电厂的6台美国FW 350MW“W”火焰锅炉即 将全部投入商业运营。FW“W” 火焰锅炉在燃烧无烟煤方面 确有其独特之处,但其仍存在高负荷燃烧不稳、灰渣可燃物 含量高等问题,笔者就阳城电厂锅炉机组调试及运行中积累 的经验,介绍锅炉燃烧调整诸手段的作用及调整思路,分析 高负荷下燃烧不稳定及灰渣可燃物含量高等问题产生的根 源,对FW“W”火焰锅炉性能作一简单评价和建议。 1 设备概况 111 设备简述 阳城电厂锅炉为FW提供的亚临界、一次中间再热、拱 型单炉膛“W” 火焰燃烧、平衡通风、固态排渣、露天布置、 自然循环汽包型燃煤锅炉。 锅炉风烟系统配有2台三分仓回 转式空气预热器、2台动叶可调轴流式送风机、2台动叶可 调轴流式引风机;二次风采用分级送风方式,由二次风箱内 的不同挡板(A , B, C, D, E, F)控制风量。制粉系统为 双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统,配有4台D10D 磨粉机、2台入口导叶调节离心式一次风机,煤粉燃烧器采 用双旋风筒煤粉分离式燃烧器,每台磨煤机对应6个燃烧 器,每台炉共24只燃烧器,每个燃烧器由2个煤粉喷嘴、2 个乏气管、2个乏气挡板、2个消旋叶片组成。 112 主要设计参数 见表1。 113 锅炉燃烧系统特点 a)双拱型绝热炉膛,下炉膛敷设大量的卫燃带,并利用 前后拱使上下炉膛分离,使燃烧区温度提高,利于稳燃。 b)燃烧器布置在前后墙拱上,火焰先下后上,延长了煤 粉在炉内的停留时间,利于燃烬,高温烟气回流至火焰根部, 利于煤粉的着火和稳燃。 表1 主要设计参数 参 数BM CR100 %50 % 蒸汽流量?th- 11 188101 0581851112 过热器压力?M Pa171361712310123 过热蒸汽温度? 541105411054110 汽包压力?M Pa181761813610177 再热蒸汽流量?th- 1966158661243814 给水温度? 290102821024310 排烟温度(修正)? 121116102 燃料消耗量?th- 112812117146114 投运磨的数量? 台432 干烟气热损失?%512251044123 不完全燃烧损失?%218821882188 散热损失?%011501150128 灰渣物理热损失?%013501350135 锅炉效率?%911329113292106 c)二次风分级设计,拱上风少,利于煤粉着火,而拱下 风则及时补充燃烧后期所需氧量,利于煤粉燃烬。 d)独特的双旋风煤粉浓缩型燃烧器,使主喷口煤粉浓 度提高,流速降低,利于煤粉着火;乏气靠近高温区送入,既 易着火又补充了氧量。 e)配用双进双出磨煤机,负荷越低,煤粉越细,利于低 负荷稳燃。 2 燃烧问题分析 211 基本问题 调试初期,锅炉燃用阳城当地小窑煤,在高负荷运行时 燃烧不稳定,主要表现为火检闪烁,炉膛负压波动大,不能 进行正常的吹灰工作,设计3台磨煤机能带满负荷,实际仅 能带280MW。 212 采用的调整手段及调整思路 锅炉前后拱共布置有24个双旋风分离式煤粉喷燃器, 每个燃烧器有6个二次风调节挡板,拱上布置有乏气喷口环 型二次风(A)、煤粉喷口环型二次风(B)、油枪助燃风 (C ), 拱下垂直墙自上而下布置着上二次风(D)、中二次风 (E)、下二次风(F ), 另外还有燃烧器的乏气挡板、消旋叶 片和防焦风挡板共同构成了FW双旋风分离式煤粉喷燃器 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 赖以自豪的众多的调整手段。调节这些挡板的开度,可以改 变火焰中心的高度、炉膛的温度场、火焰的行程、二次风率 等。我们发现随锅炉负荷的增加,燃烧逐渐恶化,二次风也 越来越难以加入,火焰根部的温度越来越低,分析认为火焰 根部的风量随着锅炉负荷的增加而不断增加,影响了高温烟 气的回流,且着火所需吸热量增加,是燃烧不稳定的一个重 要原因,故调整的主要思路是提高火焰根部的温度,尽量减 少火焰根部的用风,大量燃烧所需风量从拱下风口送入,这 也符合FW的设计思路。 A挡板为一不可调节的挡板,它为旋流燃烧器的乏气喷 嘴提供燃烧所需的二次风 ; B 挡板为一手动挡板,它为煤粉 喷嘴提供环型助燃风。分析锅炉燃烧不稳定、火焰根部温度 低的问题,我们认为二次风虽是热风 (350 左右 ), 但它 相对于喷嘴出口区域的温度 (900 1 100)来讲仍是一 股冷风,所以应尽量减小其对火焰根部温度场的影响,为此 我们在A挡板上加装了堵板,使其通流面积缩小为原来的 1?2, B挡板也只保持20 %30 %的开度 。 D, E, F为炉膛拱下垂直水冷壁上的三组挡板,从上到 下实现对火焰的分级送风。D, E挡板控制火焰根部和中段 的风量,建议其开度分别为10 %和20 %。F挡板是一电 动挡板,其进风量最大,占总二次风量的65 % ,它除了为 火焰提供助燃风外,还可以改变火焰的行程,开大F挡板可 以托住下冲的火焰,缩短火焰行程,关小F挡板可以保持火 焰有足够的下冲力度,同时可降低火焰中心的高度, FW建 议开度为30 %。经过冷态风速测试和热态氧量测试,发现 同样的F挡板的开度,中间的进风量偏小,因此,将F挡板 沿炉膛宽度作拱形分布,即中间大、两头小,开度为15 % 45 %。 消旋叶片作用是改变主喷嘴火焰的旋流强度。 拉起消旋 杆,煤粉气流的旋流强度大,能卷吸周围的高温烟气,但火 焰下冲力度小,火焰易短路上飘,使火焰中心上移,炉膛出 口烟温升高,而下炉膛火焰充满度较差;放下消旋杆,火焰 下冲力度大,下炉膛火焰充满度较好,火焰折而向上,到喉 部正是最高温,有利于煤粉的着火。 乏气挡板可以调节主喷嘴的煤粉浓度,乏气挡板开大, 煤粉浓度高,有利于煤粉的着火,是为FW燃烧无烟煤的一 个主要调整手段,乏气设计送入炉膛高温区,利于燃烬。但 乏气含粉率低,不易着火,而且影响主火焰对高温烟气的卷 吸,基于此将乏气挡板置于25 %的开度。 煤粉细度对燃烧的影响极大,但直吹式制粉系统的设计 使得锅炉的出力取决于磨煤机的一次风量,而磨煤机的一次 风量决定了煤粉细度。为了改善燃烧,增加了磨煤机的装球 量,刚开始加球量为64 t,后装到了设计最大装球量71 t , 可以看出,加入钢球后,磨煤机的出力及细度有明显的提高, 燃烧也有了明显的改善。 213 煤种试烧试验情况 尽管进行了许多调整工作,但燃烧状况依旧未得到根本 的转变,为了彻底搞清问题,验证锅炉的性能,我们用三种 煤进行了多次的试验,即阳城当地小窑煤、 高平煤和成庄煤, 这几种煤与设计煤种的特性分析见表2。 同设计煤种相比主要是挥发分和可磨系数的区别,按挥 发分从低到高排列顺序依次是设计煤、阳城煤、成庄煤、高 平煤;按可磨系数相比从低到高排列依次是阳城煤、 成庄煤、 设计煤、高平煤。 值得说明的是,设计煤种基本等同于阳城无烟煤,但设 计煤种的可磨系数55并不是一个真实值,而是根据晋东南 地区的典型煤样分析得出的,可以说,并无设计煤种这样的 煤。设计存在着失误。 表2 试运煤种与设计煤种特性对照表 特性设计煤 阳城煤 高平煤 成庄煤 Mt?%5167514610717616812618612 Mad?%3183118121612161 Car?%701987312770184671556910573149681874199 Har?%218213215321232122213213213 Nar?%0197112811131115 Oar?%3111218631362196 Sar?%01340145015001420141013601330135 Aar?%17199181341519618129171621610617192 15191 Vdaf?%7102712511101111411110771977148128 Qnet? MJkg- 1 25153241182617825157261062613925192 26118 HGI?%5538697170484848 从燃烧上述几种煤种的试验情况看,高平煤情况最好, 成庄煤次之,阳城煤最差,正好与挥发分及煤质可磨系数的 情况相吻合。见表3、表 4 ( 以阳城煤为例)。 表3 试验情况一览表 项 目阳城煤 阳城煤 成庄煤 成庄煤 高平煤 高平煤 投运磨煤机台数343423 不投油最大负荷?MW280330330350260380 稳定负荷(可吹灰)?MW240280280310240350 最低稳燃负荷?MW180200160200150200 煤粉细度符合设计 R75= 15时的负荷?MW 200260220300 飞灰可燃物含量(高负荷 下较好的数据)?% 4218 3515 2913 2411 1513 表4 飞灰可燃物与煤粉细度关系 负荷?MW磨煤机? 台 煤粉细度R75燃烧状况飞灰可燃物?% 260415稳定17 330422稳定但不能吹灰36 350425投2支油枪40155 250325稳定但不能吹灰5014 214 根本原因 燃用煤质与设计煤质严重偏离是影响锅炉稳定燃烧的 主要原因。 阳城电厂提供给FW设计煤种的可磨系数为55, FW据此设计配4台D- 10D双进双出磨煤机, 3台磨煤机 可带350MW的额定负荷,但实际运行煤种阳城当地煤的 可磨系数一般为3841,最低时仅为31,可磨系数低,直接 导致磨煤机出力降低,煤粉变粗,影响锅炉燃烧。据FW资 料介绍,可磨系数从55降到40,磨煤机出力降低20 %。运 行中为了锅炉负荷的需要,必须要增加磨煤机的一次风量, 必然的结果是以牺牲煤粉细度为代价,进入锅炉的煤粉过 粗,并且由于磨煤机的一次风量的增加,使得煤粉浓度变低, 一次风速过大,都对燃烧造成了不利的影响。 设计上先天不足是影响锅炉稳定燃烧的另一主要原因, 燃用煤种的干燥无灰基挥发分一般在6 %8 %之间,最 63山 西 电 力 2002年增刊1 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 低曾达到5 % ,要烧这样的煤种,需要采取较为特殊的措施, 而此锅炉仅仅作了热力校核计算,未充分考虑煤种的干燥无 灰基挥发分偏低对燃烧的不利影响,整个设计同FW其它 电厂的300MW“W”火焰锅炉没有什么区别。 3 锅炉性能评价 311 稳燃性能 高负荷稳燃特性较差。锅炉在高负荷时,燃烧不稳。以 燃烧可磨系数为38左右的阳城当地小窑煤为例, 4台磨煤 机运行,燃烧较为稳定的负荷约在220MW280MW之 间,此阶段可进行正常的吹灰操作, 280MW320MW负 荷锅炉尚能勉强运行,但燃烧已较前脆弱,吹灰时需油枪助 燃。320MW以上负荷燃烧非常脆弱,燃烧器下部的炉膛温 度从稳燃状态的1 100 1 200 降至900 左右,此 时,锅炉已不能保证安全运行,需投入2只以上油枪助燃。 燃烧接近设计煤种的成庄煤,锅炉满负荷时可以不投油枪, 但燃烧状况较差,不能安全地进行吹灰操作是不容置疑的。 低负荷的稳燃特性好。 锅炉不投油3台磨煤机可以稳定 运行在160MW左右,此时,锅炉燃烧状况仍相当稳定,影 响锅炉负荷进一步降低的因素有二次风量的降低受到诸多 手动风门的限制,相对比较二次风量大;受磨煤机的低风量 保护的限制。 312 燃烬性能 锅炉的燃烬性能较差,灰渣可燃物含量较高,且随着锅 炉负荷的升高,呈显著上升趋势。 即使是燃烧较高挥发分,较 高可磨系数的高平煤,最好的结果是灰可燃物含量8114 % , 飞灰可燃物含量是15128 % ,距设计要求相差较远。对于高 平煤,经过较精细的调整,灰渣可燃物含量可能会有所降低, 向设计值靠扰,而象燃烧阳城当地小窑煤时,可燃物约为 40155 % ,大渣可燃物2716 % ,显然不是经过一般的调整所 能解决的。成庄煤同设计煤种比较,干燥无灰基挥发分 Vdaf= 9178较设计偏高近两个百分点,利于燃烧可磨系数接 近为48,磨煤机出力及细度可以达到设计要求;飞灰可燃物 含量约为24109 %(一电场 ), 是为较客观的数据。 分析锅炉燃烬性能差原因有以下几点:高负荷时磨煤机 出力增加,煤粉变粗;炉膛高度偏低,煤粉在燃烧区停留时 间短;运行氧量偏低,燃烧不充分;煤质挥发份低,着火晚。 313 省煤器出口氧量 省煤器出口氧量偏低。锅炉设计过剩空气系数为113, 省煤器出口氧量为418% ,实际运行中,往往达不到设计值, 一般仅在2 %左右,煤质较差时尤其如此,加风会引起锅炉 的波动。负荷越高,氧量偏离设计值越多。 314 汽温特性 锅炉在50 %100 %负荷运行,过热汽温及再热汽温 均能满足额定汽温的要求。 低负荷时尤其是启动首台磨煤机 时锅炉尾部受热面有超温现象,此阶段,锅炉汽温上升较快 而汽压上升降慢,为保护屏过及高过受热面不超温,需投入 减温水,但投入减温水使低过蒸汽流量降低,低过受热温现 象加剧。所以应采取控制风量、提高给水温度、加快带负荷 速度等手段,使该阶段快速过渡。 315 减温水量 锅炉减温水量较设计值偏离较大。 设计满负荷时减温水 总量为281 8 t ? h, 而实际运行约在70 t?h130 t?h之间,炉 膛吹灰会有所改善,吹灰后,减温水量一般约下降40 t? h, 但 很快减温水量就又增加了,炉膛的吹灰周期约为4次?d6 次?d。风量增加,减温水量明显上升,这也是制约锅炉加风 的一个重要因素。 316 磨煤机配置 锅炉设计配有4台FW公司D- 10 D双进双出磨煤 机,同国内其他一些300MW机组配用D- 11 D甚至 D- 10 D磨煤机相比, 显然选型偏小,尤其是燃烧阳城当地煤, 挥发分较低,煤的着火性能和燃烬性能均较差,这样的煤要 想安全经济运行,应该达到设计的煤粉细度R7515 %或更 低,而由于煤的可磨系数较设计值偏低,在运行中,磨煤机 的磨制能力达不到,往往使高负荷时煤粉变粗,燃烧状况变 差,并造成恶性循环。 317 锅炉炉膛 该炉炉膛尺寸及容积和已运行的阳泉二电厂1号、2 号,上安电厂3号、4号,鄂州电厂1号、2号(额定出力 300MW)完全相同,上炉膛深度为7 239mm, 宽度24 765 mm,高度为23 520mm; 下炉膛深度为13 345mm,宽度 为24 765mm ,高度为15 420mm。设计谈判时,我方曾要 求FW增加炉膛的高度,但FW没有接受。 炉膛容积热负荷 约为140 kW?m 3 (BM CR ), 是全国目前投入运行的“W” 火 焰锅炉中的最高值(其他厂为108 kW?m 3 125 kW?m 3 ), 炉 膛过小,燃烧产物停留短,炉膛出口烟温高,这是造成飞灰 可燃物偏高和减温水量偏高的主要原因。 318 卫燃带 为提高燃烧区的温度,下炉膛敷设了大量的卫燃带。 319 整体设计评价 阳城电厂“W” 火焰锅炉是FW公司的一个传统的锅炉 设计,同国内其他电厂FW 300MW级别的“W”火焰锅炉 相比,几无差别,只是使用煤质的不同。可以看出,它有着 同类锅炉低负荷稳燃性能好、调峰能力强等优点,也有着高 负荷稳燃性能较差,飞灰可燃物较高,减温水量偏大等缺点, 甚至有过之而无不及。 据了解, FW公司W火焰锅炉并无燃 烧Vdaf在10 %以下煤种的优良业绩。针对阳城这种较难燃 烧的煤种,锅炉并无采取特殊的加强稳燃、燃烬的措施(例 如增大卫燃带的面积,减少过热器的传热面积、提高炉膛高 度、配置大容积的磨煤机、提高磨煤机出口风粉混合物的温 度等)。 且由于阳城煤的可磨系数较设计值偏低、 磨煤机的选 型偏小及煤粉细度偏大使锅炉高负荷稳燃性能更差。 4 结论与建议 411 改善煤质 煤质成为制约电厂正常运行的一个关键性因素,阳城当 地煤挥发分较低,较难烧,且由于小窑煤煤质的不确定因素 使得锅炉运行安全难以保证。希望电厂加强进煤渠道管理。 鉴于锅炉目前的总体设计已难以改变,大的改动已不现实, 燃烧现有煤种难以满足设计要求,建议利用混煤,使燃用煤 (下转第58页) 73 2002年7月 武卫红,等:阳城电厂FW“W”火焰锅炉性能分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4 角度误差和电流幅值的关系 试,方法如下。 首先关闭主汽内,将励磁降低大约为发电机额定视在功 率的013倍(此时发电机从系统吸收无功)测得P3,Q3。 增加励磁大约为发电机额定视在功率的013倍及016 倍(此时发电机向系统发出无功)分别测得P2,Q2;P1,Q1 则tg1 = ( P3-P2)?(Q3-Q2 ) , tg2 = ( P1-P2)?(Q1-Q2 ) , 求出W1,W0后输入保护装置。 5 零功率保护 在阳城电厂1号机向华东电网送电前,意识到这样一个 问题:当500 kV线路某处跳开,而阳城侧未跳时。 热控DCS 认为机组仍在并网状态,按至少30MW的功率向主汽门供 汽。将造成汽轮机严重超速。加装电力系统稳定装置会延误 工期。山西电力科学研究院系统室调试人员经过研究,并经 有关方面同意,决定利用现有发变组保护装置的某些功能进 行组合联结,加了一套发电机零功率保护。 其动作逻辑为:发 电机有功功率在1 s内由大于10 %PN降到小于4 %PN, 同时发电机电压大于80 %UN,且主汽门未关闭。保护动作 于全停。该保护在试运期间正确动作一次。 6 结论 阳城电厂西门子发变组保护装置具有运行稳定,保护逻 辑丰富全面,故障自动录波等优点。但整定项目和配置参数 过于繁多,使用不方便。 参考资料: 1 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用M .北京:中国电力业版 社,1996:254- 261. 2 山东工学院.电力系统继电保护M .济南:山东省电力工业局, 1979: 166- 172. Conf iguration and Analysis of Yangcheng International Power Generation Company L i m ited Generator Transformer Protection WANGW en-quan, YANGL i-feng, WANGW ei-hua (Shanxi Electric Power Research Institute, Ta iyuan, Shanxi 030001, China) Abstract: Besed on actuality, it introduces configuration rules and features of Yipcos generator transformer protection, analysis the special characteristic of the protection, and presents some practical testing methods . Keywords: phase adjust;differential;stator earth fault;zero active power;relay protection (上接第37页) 种的可磨系数升至50左右,Vdaf升至9 %左右,接近成庄煤 的性能。这样锅炉可以保证4台磨煤机运行350MW的满 负荷,不需油枪助燃。 412 锅炉设计改进方向 a)对于燃用挥发分较低的煤种,可以考虑选用较大的 磨煤机,出力相同的情况下,煤粉变细,利于煤粉的着火和 燃烬。 b)改进现磨煤机出口分离器,提高分离器的分离效率, 提高磨煤机出力。 c)可以考虑配套传统的中间储仓式制粉系统,用热风送 粉,提高一次风温度,成功的经验见阳泉二电厂3号、4号 北京巴威锅炉。 d)炉膛加高,延长煤粉停留时间,降低飞灰可燃物含 量;