大型电站锅炉的燃烧方式

大型电站锅炉的燃烧方式 西安交通大学(西安 710049) 何伯述 张 强 许晋源 摘 要 对目前国内已投运的300 MW600 MW级的几家大型电站锅炉所使用的典型燃烧方式, 从对煤种的适应性与低负荷稳燃能力、 结渣倾向与高温腐蚀、 热偏差、 经济性与NOx排放方面进行了分 析比较,并提出了可资借鉴的意见。 关键词 电站锅炉 四角切向燃烧 前后墙燃烧 W型燃烧 燃烧方式 大型电站锅炉的燃烧方式大致有三种:四角切向 燃烧、 前后墙对冲旋流燃烧(简称对冲式)和W型火 焰。 对燃烧无烟煤(半无烟煤和贫煤,Vdaf 13 %)的锅 炉,美国的CE,B 燃烧器 区域壁面热负荷qr= 1. 4 MW/ m22. 1 MW/ m2,表1 给出了一些电厂锅炉炉膛热负荷的设计值。qV主要 影响燃尽。 表1 部分电站锅炉概况 项目 上海 吴泾电厂4 石洞口电厂4 华能 福州电厂5 华能 南京电厂6 ,7 华能 南通电厂4 华能 上安电厂8 机组编号11号、12号1号、2号1号、2号1号、2号1号、2号1号、2号 机组额定功率/ MW300600350350350350 锅炉MCR/ th - 1 1 0251 9001 061. 91 0001 085. 11 085 燃烧方式四角切向四角切向四角切向前后墙对冲前后墙对冲W型火焰 炉膛热负荷qv/ kWm - 3 qF/ MWm - 2 qr/ MWm- 2 121 5. 10 1. 83 103. 5 5. 34 1. 48 122. 8 5. 49 1. 24 96. 18 3. 58 1. 01 153 5. 58 1. 62 不投油最低稳燃负荷(设计)35. 7 %MCR35 %MCR40 %MCR30 %MCR65 %MCR50 %MCR40 %MCR45 %MCR 制造厂上海锅炉厂CE/ SULZER日本三菱前苏联TK3厂加拿大B 运行 管理方面:煤质变化过大,磨煤机运行不对称,设备状 况不佳等。 为了预防结渣和高温腐蚀,对四角切向和前后墙 旋流燃烧都可以从两方面着手:一是燃烧器的型式和 布置,二是受热面的配置和调温方式。结渣和高温腐 蚀随着机组的大型化有趋于严重的趋势。 理论分析和机组运行实践发现4 ,8,切向燃烧较 易于避免结渣倾向与高温腐蚀,而前后墙旋流燃烧则 困难一些。如从当前入炉煤的实际结渣性能来看,以 石洞口和吴泾机组的燃煤条件最为不利,但切向燃烧 却显示出了较强的抵御结渣倾向与高温腐蚀的性能。 而前后墙旋流燃烧的大型机组目前多以高挥发分烟煤 为主,尚无长期燃用如神木煤这样的结渣煤种的实践 经验。 切向燃烧炉中摆动式燃烧器下倾时冷灰斗区域的 结渣趋向加重。北仑电厂1号炉的运行事故已充分说 明其严重性。三菱公司将切向燃烧器下倾15,且移 之于四壁中点,认为稳燃作用强,可燃用无烟煤,已兼 有W型火焰的优点而称为CVF技术,但结渣可能性 大小尚不可知。 运行经验证明,无论是哪种燃烧方式,为避免炉膛 沾污结渣,水冷壁的定期吹灰是至关重要的。 3 热偏差 热偏差影响机组的可靠性,尤其对于大容量火电 机组更甚。 对冲式和W型火焰炉的燃烧器都是独立工作的, 沿炉宽方向各燃烧器之间互不干扰,也没有相互配合 作用。如果各燃烧器之间的燃料分配十分均匀,例如 其最大偏差不超过45 % ,那么热偏差就很小。但是如 果各燃烧器之间的燃料分配不均匀,而炉内又不存在 沿炉宽的掺混作用,那么烟气侧将会出现显著的热偏 技术经济综述 热力发电2000(1) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 差。 切向燃烧炉内旋转火焰所形成的大旋涡一直延续 到炉膛上部分隔屏区域,并在那里对烟气流转弯进入 水平烟道的流动和分配造成一定影响。本来切向燃烧 炉四角燃料分配可能存在的(例如10 %以下)分配不 均,通过旋转搅混可得到适当的弥补,这被认为是切向 炉的一项优点。但是因为大容量锅炉上分隔屏现有结 构不能有效地消除残余旋转,相反地因为锅炉各部结 构尺寸加大而使热偏差加大。这种偏差在冷模研究中 测出沿炉宽的烟气流量分布最大偏差系数(定义为先 沿高度方向平均后,沿宽度方向最大流速与平均流速 之比)达2. 22. 3。对此深入研究机理以后已研制出 把最大偏差系数降低到1. 2以下的技术方案。 对大型四角切向燃烧锅炉中存在的热偏差,研究 分析中大致有两种物理模型: (1)残余旋转 这种模型认为四角切向燃烧方式 锅炉炉膛的气流是绕竖直轴的旋转气流,沿炉膛高度 方向气流的旋转流动在不断衰减,在炉膛出口断面仍 有残余旋转存在,使得水平烟道入口沿宽度方向烟气 温度和流量分布不均,从而出现热偏差。 (2)四角射流流动11 这种模型认为随着锅炉容 量增大,断面热负荷增大,断面平均上升气流速度亦增 大,燃烧器的层数增加。四角顶部的一至数层燃烧器 喷出气流的着火和燃烧条件好,膨胀上浮快,在较大的 炉膛断面上升气流速度的作用下来不及卷入主旋转气 流而成为四股半独立的气流。这四股气流相对于水平 烟道入口断面的位置不同,进入水平烟道的路径不同, 位置和范围也不同,这样就引起了水平烟道的热偏差。 在本研究中主要使用残余旋转物理模型,新开发 了涡量修正计算方法进行数值模拟,取得良好的效果, 足以弄清旋涡运动的本质。但在研究三次风射流中细 粉的燃尽时以四角射流运动模型较为方便,如采用残 余旋转模型,还必须考虑射流初始段两侧引起的离散 涡,这对于深入研究是有用的,然而更加复杂,不利于 初步近似分析。 如塔式布置锅炉采用四角切向燃烧方式,炉膛出 口的烟温左右偏差消失,过/再热器热力偏差亦相应改 善4。 也有采用二次风反切以及早制止残余旋转,对减 小偏差收到一定效果,但气流旋转方向是可逆的,反切 制动过甚可能引起反方向的残余旋转。此外,残余旋 转在折焰角以下还是煤粉燃尽的时机,过早制动恐对 燃尽不利。 4 机组的经济性与NOx排放 机组的经济性可用燃烧效率、 锅炉效率、 汽轮机热 耗、 供电煤耗和厂用电率等指标来衡量。当前我国大 机组的经济性还远落后于国际先进水平,原因之一是 汽轮机通流部分效率不高,热耗较大;其次是机组实际 运行中,由于种种原因,运行参数偏低,再热汽温达不 到设计值;第三是炉膛及空气预热器漏风偏大,排烟温 度高,加热器不能正常投入,补给水率高;第四是对燃 料的监督管理不善(质量和数量不准确 ) , 以及机组的 可靠性差和频繁启停等致使煤耗升高。NOx生成量 与温度、 空气量、 燃料氧含量及氮含量有关,表2列出 了部分电厂的NOx排放情况。 表2 电厂经济性及NOx排放情况 项目 宝钢 电厂5 华能大 连电厂5 华能福州 电厂8 华能南通 电厂8 华能上安 电厂5 上海吴泾 电厂14 陡河 电厂5 沙角B 厂8 渭河 电厂 石洞口 二厂16 燃烧方式 四角 切向 四角 切向 四角 切向 前后墙 对冲 前后墙 对冲 四角 切向 前后墙 对冲 前后墙 对冲 四角 切向 四角 切向 机组容量/ MW235023502350235023502300225023503002600 供电煤耗 / g( KW h) - 1 315325340336. 5410325328333319 厂用电率/ %4. 114. 284. 345. 229. 244. 284. 717. 414. 23 NOx排放13 / mgm- 3(标准 状态) 7006001 2001 500541650630 工程上常采用延迟混合、 低氧燃烧、 空气分级和浓淡偏差燃烧等措施实现着火、 稳燃及低NOx燃烧,但 技术经济综述 ? 热力发电2000(1) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 同时必须指出,NOx排放量的降低,常是以降低燃烧 效率为代价的。因此,设计和使用低NOx技术时,应 全面考虑,综合衡量。 B &W公司生产的用于旋流对冲燃烧方式的DRB 双调风旋流燃烧器应用实践表明17,其NOx排放量 介于330 mg/ m3860 mg/ m3之间,而改型的DRB - XCL燃烧器的NOx排放量的实验结果(Vdaf为23 % 和29. 1 %)分别为250 mg/ kg(427 mg/ m3)和236 mg/ kg(403 mg/ m3)。 切向燃烧炉的炉内火焰充满度好,四周水冷壁的 吸热量和热负荷分布比较均匀,燃烧中心的火焰峰值 温度和最大热流密度较低,有利于减少NOx排放。 参 考 文 献 1 高汉襄.国内大型煤粉锅炉的现状.引进大型燃煤锅炉学术 会议论文集.中国电机工程学会火力发电分会锅炉专业委 员会,1993 2 张文宏等.切向燃烧煤粉炉的回顾与展望.锅炉燃烧技术学 术会议论文集.中国动力工程学会锅炉专业委员会,1996 3 何伯述等.着火稳定性及其有关技术发展.中国电力(已录 用) 4 袁 颖等. 300600 MW机组锅炉四角切圆与前后墙对冲 燃烧方式的运行实绩.锅炉燃烧技术学术会议论文集.中国 动力工程学会锅炉专业委员会,1996 5 贾德仁.我国进口火电机组的运行概况.引进大型燃煤锅炉 学术会议论文集.中国电机工程学会火力发电分会锅炉专 业委员会,1993 6 张永福等.华能南京电厂超临界压力锅炉的设计特点.引进 大型燃煤锅炉学术会议论文集.中国电机工程学会火力发 电分会锅炉专业委员会,1993 7 许云松等.华能南京电厂300 MW超临界机组锅炉燃烧设 备及其运行性能.第二届大型火电机组运行技术学术会议 论文集.中国电机工程学会火力发电分会,1996 8 郑泽民.现有大型火电机组锅炉设备及运行情况.引进大型 燃煤锅炉学术会议论文集.中国电机工程学会火力发电分 会锅炉专业委员会,1993 9 周国仁等.大容量UP直流锅炉水冷壁的试验研究.锅炉技 术,1995(5) 10 忻泉涌. 1 025 t/ h控制循环锅炉再热器局部超温原因分析 及改进措施.锅炉技术,1997(6) 11 杨君义.四角切圆燃烧方式锅炉水平烟道中的烟气偏差. 锅炉燃烧技术学术会议论文集.中国动力工程学会锅炉专 业委员会,1996 12 孙恩召等.提高国内大型锅炉机组运行水平的分析.锅炉 燃烧技术学术会议论文集.中国动力工程学会锅炉专业委 员会,1996 13 毕玉森.我国电站锅炉低NOx燃烧器的应用状况及运行 实绩.锅炉燃烧技术学术会议论文集.中国动力工程学会 锅炉专业委员会,1996 14 胡立业.大机组运行情况分析.第二届大型火电机组运行 技术学术会议论文集.中国电机工程学会火力发电分会, 1996 15 吴生来等.上海吴泾热电厂1 025 t/ h锅炉煤粉燃烧器及 同心反切燃烧系统.引进大型燃煤锅炉学术会议论文集. 中国电机工程学会火力发电分会锅炉专业委员会,1993 16 国内外600 MW级火电大机组技术特点运行分析及选型. 湖北省电力局、 湖北省电力试验研究所,1996 17 邬兆春.B &W公司大型电站锅炉的煤粉燃烧器.锅炉燃烧 技术学术会议论文集.中国动力工程学会锅炉专业委员 会,1996 技术经济综述 热力发电2000(1) ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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