鄂州电厂W型火焰锅炉的燃烧流场与运行研究

鄂州电厂W型火焰锅炉的燃烧流场与运行研究 王笃奎1,曾汉才2,柳朝辉2,程俊峰2 (1. 湖北省电建一公司,湖北 武汉 430061; 2.华中理工大学,湖北 武汉 430074) 摘 要 介绍了鄂州电厂引进美国FW公司的1 072 t?h W型火焰锅炉的燃烧系统及其炉内流 场和燃烧模拟结果,分析了目前运行效果及问题,着重指出了炉内正确的配风方式的重要性,对于今后 运行有重要的指导意义。 关键词 W型火焰炉;燃烧流场;运行 中图分类号 TK227. 1 文献标识码 A 文章编号 100623986(1999)0220011204 Combustion Flow Field and Operation Performance of W Type Flame Boiler of Ezhou Power Plant WAN G Dou2kui1 ZEN G Han2cai2 L I U Zhao2hui2 CHEN G Jun2feng2 (1, H ubei E lectric Pow er Construction N O. 1Eng ineering Company,W uhan H ubei430061; 2.H uazhong U niversity of S cience and T echnology,W uhan430074,China) Abstract:The paper introduced the combustion system, flow field inside boiler and combustion i m itation results of 1072 t?h W type flame boiler i mported from U. S in Ezhou pow er plant, analyzed the operation effects and problem s and pointed out the i mportance of correct airing type. The content has i mportant significance to the future operation. Key words: W type flame boiler;combustion flow field; operation 鄂州电厂是湖北省首家利用外资向国外招标的 大型电站项目。所选用的锅炉是美国福斯特惠勒 (FW)公司生产的自然循环燃煤汽包炉,采用W型 火焰炉,双进双出球磨机,正压直吹燃烧系统。锅炉 容量1 072 t?h, 18. 17 M Pa, 541,一次再热,配 300MW机组。 锅炉设计燃用60%晋城无烟煤和40%临汾烟 煤的混煤,其工业分析成分: Vdaf= 11% , FC = 57. 72,W ar= 8. 3% , A ar= 22. 98% , Q netar= 22 553 kJ? kg,校核煤为100%无烟煤。 1 燃烧系统特点 采用W型火焰炉,在下炉膛的炉拱和下炉膛四 周均敷设了卫燃带,具有较高的辐射热强度(qV= 0. 115 MW?m 3, qF= 2. 544 MW?m 2 ), 煤粉在炉内 的停留时间可达3. 5 s左右,因而具有较高的燃烧 效率,设计保证未燃烬损失2. 46% ,锅炉热效率 91. 37%。 (1)在拱顶设置了煤粉喷口。一次风煤粉流经 分配器分成两股分别切向引入两个并列的旋风筒, 一股为顺时针旋转,另一股为逆时针旋转。 经离心分 离的大部分煤粉由喷嘴向下送入炉膛,含粉较少的 乏气则从旋风筒中心被引出经乏气喷口送入炉膛。 乏气喷口靠近炉膛中心部位。 调节乏气挡板开度,可 以调节一次风煤粉浓度和一次风速,因而可以适应 煤种的变化。 (2)采用双进双出球磨机正压直吹系统,其可 靠性高(99. 17% ),煤粉细(R90 15% )。虽然初投资 大,但维修费极低,通风电耗最少,按年费用则比钢 球磨仓储制热风送粉系统低。从每台磨煤机分离器 出来的细煤粉被分成三股,对应三个燃烧器组,故四 台磨对应有24只燃烧器,前后拱上各12只。 每台磨 对应的燃烧器沿炉宽均匀分布,使锅炉沿炉宽方向 的输热量一致,因此,炉膛出口的烟温偏差小。 (3)煤粉燃烧器出口段有消旋叶片,由调节棒 控制叶片位置。在最低位置时,气流不旋转,煤粉均 匀分布,向下射程长,再加上是用圆形喷口,火焰能 穿透烟气,保证火焰充满度,防止火焰短路。部分二 次风从乏气喷口及煤粉喷口周围的环形喷口送入, 大部分二次风则从前后墙上分上、 中、 下三层送入, 它们均设有风门挡板加以控制。 其中,拱顶二次风挡 板WH1、WH2及前后墙二次风挡板WV1、WV 2可用来 11 Vol . 23. 2 Jun. 1999 湖 北 电 力 第 23卷第2期 1999年6月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 按煤种控制着火和稳燃;下层二次风挡板WV3主要 用来平衡风量,控制火焰转弯和燃料燃烬。 各二次风 箱均是独立的,由于燃烧器调节手段多,故可适应煤 种和负荷大幅度变化。 据FW公司称Vdaf可在6% 19%内变化,本炉燃用设计和校核煤种时的最低不 投油稳燃负荷分别为25%BM CR和40%BM CR。 (4)该炉采用高浓度煤粉燃烧和分级燃烧,而 且分级程度大。 改变前后墙上、 中、 下层二次风,并使 上、 中二次风减少时,在煤粉着火区形成比较明显的 高温富燃区域,可使NOx生成量减少。FW公司保 证本炉NOx0. 25 g?GJ。 2 W型锅炉容易出现的运行问题 上述燃烧器调节手段多,能方便地调节以适应 煤种的变化。但如果调节不好,配风不佳,则不但会 影响着火和燃烬,而且会引起结渣、 高温腐蚀和过热 器、 再热器超温等安全问题1,具体表现在: 2. 1 火焰短路和燃料燃烬问题 本炉在前后墙上分别布置有上、 中、 下三层二次 风口,虽然便于进行调节,实现分级燃烧,又能保证 炉壁附近氧化性气氛。 但当一次风速过小,拱顶二次 风动量过小,而前后墙上二次风动量过大(或设计时 风口位置偏高)时,则会使火焰过早转向上方,使向 下穿透行程过短,火焰充满度降低,导致燃料燃烬度 降低,炉膛出口烟温升高,过热器、 再热器超温,也会 加剧炉拱顶转弯角结渣及风咀烧坏;反之,若一次风 速过大,拱顶二次风动量远大于前后墙二次风动量 时,火焰直冲冷灰斗,则冷灰斗处结渣。前后墙下层 二次风量占总二次风量比例较大,它直接影响煤粉 后期燃烬,因此该风量不能偏低,但又不能偏大,以 免造成火焰短路。 2. 2 炉膛结渣和炉膛出口烟温超过设计值 本 炉 下 炉 膛 的 截 面 热 负 荷 为qF= 2. 544 MW?m 2 (上炉膛截面热负荷qF= 4. 688MW?m 2 ), 低于常规推荐值。为使下部炉膛着火区域保持较高 的温度水平,下炉膛水冷壁敷设有较多卫燃带,在一 般情况下不会引起炉壁结渣。但当炉内空气动力场 恶化,炉壁附近存在烟气回流缺少氧化性气氛,以及 回转式空气预热器漏风严重或炉内送风量减少时, 会导致炉内缺氧和还原性气氛增加,容易引起结渣。 此外,由于W型火焰炉炉膛高度较矮,火焰中心位 置改变的影响较大,如负荷升高时,炉膛出口烟温升 高较明显,超温时应增加拱顶二次风动量,压低火焰 中心。 2. 3 煤种变化 煤种变化在实际运行中是经常会发生的。在燃 用混煤时,如混合不均匀,则也等于煤种在变化。若 燃煤灰分增加,煤的发热值降低,则为了维持锅炉出 力,势必要增加燃煤量。对于正压直吹系统来说,这 时必须增加一次风量,导致一次风速增加,煤粉变 粗,因而使煤粉着火延迟,影响燃烧稳定性。此时应 开大乏气挡板,提升调节棒以及改变配风等等来强 化着火。 因此,要注意煤种变化,并采取相应措施,特 别是要注意燃用煤质较差时着火稳定性问题。当燃 煤的煤质较设计煤种发热值高时,因投运的磨煤机 台数减少,有的燃烧器没有煤粉送入,会导致沿炉宽 度方向热负荷不均匀而产生热偏差,对煤粉着火稳 定性产生影响。 3 W型炉炉内燃烧流场的研究分析 3. 1 炉内冷态空气动力场试验 试验时,四台磨投运,乏气挡板全关,拱顶二次 风挡板WH1、WH2、WH3全关,改变拱顶风与前后墙二 次风之间的动量比,观察炉内所扎飘带运动方向。 表1 试验工况 名 称单位工况1工况2工况3工况4工况5工况6 消旋叶片位置底部底部底部中部中部中部 一次风速?ms- 122. 65 27. 06 23. 21 23. 21 23. 21 23. 21 前后墙 二次风 速 上层 中层 下层 ?ms- 1 ?ms- 1 ?ms- 1 5. 60 5. 60 5. 60 5. 62 5. 62 5. 88 6. 06 6. 06 7. 61 5. 32 5. 32 5. 65 4. 54 4. 54 4. 84 0 0 0 一、 二 次风动 量比 上层 中层 下层 4. 74 4. 73 1. 49 6. 71 6. 70 2. 11 4. 25 4. 24 1. 34 5. 51 5. 50 1. 23 7. 57 7. 56 2. 09 气流分布情况 气流 向下 ,穿 透不 够 气流 向下 ,穿 透不 够 气流 向下 ,穿 透不 够 火咀 出口 有旋 转, 使向 下穿 透不 够 气流 向下 ,穿 透明 显增 强 拱顶 风直 冲冷 灰斗 试验结果表明,工况5是比较理想的配风工况, 由此推算出热态条件下拱顶风与前、 后墙上、 中二次 风动量比应控制在3. 8151,拱顶风与前、 后 墙下层二次风的动量比应控制在1. 4121范 围内。 3. 2 炉内燃烧流场的计算机模拟 (1)数学模型2 完整的煤粉炉内燃烧过程数值模型应至少包括 21 第23卷第2期 1999年6月 湖 北 电 力 Vol . 23 . 2 Jun. 1999 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 以下子过程:气体湍流颗粒弥散、 热解、 气相燃烧、 焦 碳燃烧、 辐射传热等。 锅炉炉内的气体流动为三维湍流反应流,其平 均流可视为稳态流,可用通常的守恒方程描述。 对于 湍流则采用标准的KE湍流模型,气体流动模型 包括三维的连续性方程、 动量方程及K和E的两个 输运方程。 颗粒运动的计算运用拉格朗日法,已知气体的 流场,就可以按时间积分求出各个颗粒的运动轨迹。 煤的热解过程采用双平行反应模型来模拟,用 混合分数模型描述气体相混合燃烧。 对于煤焦燃烧, 假设颗粒直径不变而密度减小。采用离散传播法来 计算辐射传热,求得炉内温度分布。 数值计算程序分为两部分,一是Eulenian计 算,包括气相的u、v等一些参数及辐射传热计算,另 一是L agraugian方法,包括煤粉颗粒轨迹、 温度及 燃烧过程计算。 (2)计算结果 煤种成分: Car= 60. 17% ,Har= 2. 68% , N ar= 0. 67% , Sar= 0. 28% Oar= 4. 92% ,W ar= 8. 30% ,A ar= 22. 98% ,Q net. ar= 22 553kJ?kg 表2 100%、50%负荷锅炉实物风口及设计工况入口参数 名 称风口尺寸风温? 风速?ms- 1风量?m3s- 1 一次风 253mm 48个 F= 0. 0503m2 93?70 15. 2?7. 44 36. 5?17. 9 乏 气 253mm 48个 F= 0. 0503m2 93?70 15. 2?7. 44 36. 5?17. 9 煤粉喷口 周界二次风 330? 273 48个 F= 0. 027m2 326?294 48. 3?22. 85 125. 2?59. 3 乏气喷口 周界二次风 330 ? 273 48个 F= 0. 027m2 326?294 48. 3?22. 85 125. 2?59. 2 前后 墙二 次风 上层 中层 下层 F= 0. 13m2 24个 F= 0. 13m2 24个 F= 0. 38m2 24个 326?294 326?294 326?294 15. 9?7. 57 20. 6?9. 73 26. 6?12. 54 49. 9?23. 6 64. 1?30. 4 242. 2?114. 4 为减少计算工作量,考虑到W型火焰炉炉膛结 构和炉内空气动力场的对称性,计算中仅取炉膛的 四分之一为计算对象,计算中使用7029250的 计算网格,并在燃烧器区域将网络局部密化,以便更 好地反映燃烧器附近空气动力特性。辐射传热计算 采用132436的粗网格,每迭代计算,有五次气 相场和计算一次颗粒运动轨迹。通过计算得到如下 几点结论: (1)拱顶主气流喷入炉内后,下冲到炉膛一定 深度后转折向上,与前后墙的二次风气流汇合后形 成向上的中央主气流,体现了W型火焰炉内W形 状走势。在50%负荷下,气流速度分布与满负荷时 相似,只是相应的速度值稍小些。 拱部主气流和前后 墙气流的动量配比对于炉内气场的结构有决定性的 影响。计算也发现,若动量比过大,则主气流将冲刷 灰斗,且对煤粉气流的着火不利;若动量比过小,则 主气流容易在前后墙气流的横向冲刷下形成短路, 对燃料燃烬不利。 经过各种不同动量配比的计算,拱 部主气流与前后墙上、 中两层气流动量的最佳比值 为4. 251,拱部主气流与前后墙下层气流动量的 最佳比值为1. 40 1 ( 与国内报导数据基本吻 合3)。此时,一次风率r1= 20% ,二次风率r2= 80%。 其中拱顶二次风占26% ,前后墙二次风占 74% ,前后墙二次风中的上、 中、 下层分别为14%、 28%、68% ,一次风速15. 2 m? s, 周界风速48. 3 m? s, 乏气风速15. 2 m?s。此时一次风煤粉浓度u1= 0. 87kg? kg,乏气中煤粉浓度 0. 153 kg?kg。 (2)无论是在满负荷下还是在50%负荷下,下 炉内煤粉着火区域都保持较高的温度,约1 700K 1 900K之间,对于煤粉着火和燃烬有利。 (3)在上述最佳动量配比下,炉内气流比较理 想,在下炉膛各喷口附近和冷灰斗附近基本上无燃 烧。 拱顶含粉气流下冲后,由于挥发分、 焦碳的燃烧, 氧浓度迅速降低。经计算得到: 100%负荷下的燃料 燃烬率为92. 0% , 50%负荷下的燃烬率为91. 2%。 表明低负荷下由于炉温变化不大,但停留时间延长, 因而也能保持较高的燃烬率。 表3 运行实测数据 负荷300MW 蒸汽量908 t?h 主汽压力16. 6M Pa 蒸汽温度536 再热器汽温进口? 出口332?534 过热器减温水量 ? 级 级 A31 t?h B49 t?h A11. 8 t?h B24 t?h 给水温度278 省煤器出口烟温289?295 过剩O2量4. 5% 给煤机出力20 t?h 磨煤机出口温度100 一次风风量 风温 48 t?h 250 排烟温度130 飞灰含碳量8. 25% 炉渣含碳量21. 05% (下转第20页) 31 Vol . 23. 2 Jun. 1999 湖 北 电 力 第 23卷第2期 1999年6月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 网薄弱、 城市电网老化、 农村电网复盖面小、 损耗大 的局面,扩大用电增长点。全国今后3年要拿出 2300亿元用于城市电网和农村电网的建设,充分发 挥和提高大电网的整体优势和效益,提高电力工业 资源综合利用、 调峰、 节电、 降耗水平。 3. 2 国家鼓励发展的节能节电技术 (1)推广热电联产、 集中供热,提高热电机组的 利用率,发展热能梯级利用技术,热、 电、 冷联供技术 和热、 电、 煤气三联供技术,提高热能综合利用率。 (2)逐步实现电动机、 风机、 泵类设备和系统的 经济运行,发展调速节电和电力电子节能技术,开 发、 生产、 推广质优、 价廉的节能器材,提高电能利用 效率。 (3)发展和推广适合国内煤种的流化床燃烧、 无烟燃烧和气化、 液化等洁净煤技术,提高煤炭的利 用效率并减轻对环境的污染。 (4)发展和推广其他技术成熟、 效益显著的通 用节电技术。 (5)各行业应当制定行业节能技术政策,发展、 推广节能新技术、 新工艺、 新设备和新材料,限制或 淘汰能耗高的老旧技术、 工艺、 设备和材料。 3. 3 节能技术监督与管理 加强电力节能技术监督工作,加强全行业节能 意识和电力节能法制建设。各级电力部门要建立节 能检测中心,加强节能检测员的培训考核,强化对各 电力企业的能源利用状态和供能质量的检测,推动 节能技术进步和节能技术改造。按照统一调度和分 级管理,公正、 公平、 公开,竟价上网的原则,加强电 网优化经济运行调度及发电机组安全经济运行管 理,使各电力企业真正做到节能降耗,提高企业经济 效益和社会效益。 4 电力节能潜力 根据湖北省电力公司和湖北省 “九五” 及2010 年 “科技节能规划纲要” 规定及动态测算,我省电力 工业的供电煤耗率2000年有望达到388 g?kW h, 2010年有望达到360 g?kW h。输变电线损率2000 年有望达到8% , 2010年有望达到7. 5%。6000 kW 及以上火电机组厂用电率2000年可望达到8% , 300MW及以上机组达到6. 0%。到2010年厂用电 率可望达到7% , 300 MW及以上机组可望达到 5. 4%。 同时调峰能力和运行可靠性将达到全国先进 水平。2010年以后,已开发的可再生清洁能源将在 我国及我省逐步占有一席之地,我国和我省的环境 污染和生态恶化将会逐步得到有效的遏制和根本改 善。再过50100年,一个能源可持续发展的富强、 文明、 民主的社会主义中国和高效洁净型的中国电 力工业将屹立在世