1000MW超超临界锅炉机组八角反向切圆燃烧方式特点分析.doc

1000MW超超临界锅炉机组八角反向切圆燃烧方式特点分析杨 磊1 李前宇2 温志强11华北电力科学研究院有限责任公司，2北京京能国际能源股份有限公司，北京 100045The Characteristic of 1000MW Ultra-supercritical Boiler Unit Eight-square reversed double tangential Circle Combustion System AnalysisYang Lei1, LI Qian-yu2, Wen Zhi-qiang11North China Electric Power Research Institute，2Beijing Jingneng International energy Company Limited，Beijing 100045，China摘要：超超临界百万锅炉机组以其节约一次能源，保护环境，减少有害气体排放，降低地球温室效应的特点正在世界火力发电领域广泛应用。本文基于哈锅1000MW超超临界锅炉机组，结合调试中冷态空气动力场试验结论及热态燃烧初调整效果对超超临界1000MW锅炉机组八角反向双切圆燃烧方式的特点进行了详细阐述，为八角反向双切圆燃烧方式的应用及系统优化提供借鉴与参考。关键词：超超临界锅炉；1000MW；八角反向双切圆；燃烧方式；空气动力场试验；燃烧初调整中图分类号: TK223.23 文献标识码： AAbstracts: Ultra-supercritical boiler unit (1000MW) with its primary energy saving, environmental protection, reducing harmful gas emissions and reduce, are widely used in the areas of the worlds thermal power plant. This article is based HBCs 1000MW Ultra-supercritical boiler unit, with cold aero-dynamic field test and burning the beginning of adjustment in debugging describe the characteristics of 1000MW ultra-supercritical boiler unit with eight-square reversed double tangential circle combustion system in detail. And this paper provides reference to the eight-square reversed double tangential circle combustion technology applications and system optimization.Key words: ultra-supercritical unit boiler; 1000MW; eight-square reversed double tangential circle; combustion system; aero-dynamical field; burning the beginning of adjustment1、 百万机组燃烧方式综述近年来我国电源结构调整力度继续加大，除大力扶持其他新能源发电外，火电机组主要向大容量、高参数方向发展，同时对环境保护提出了更高要求，因此为解决工业和未来能源相协调的矛盾，许多国家正在发展高效率、低释放量和低消费的超超临界发电技术，超超临界锅炉以其节约一次能源、保护环境、减少有害气体排放、降低地球温室效应的特点得到世界各国的广泛认同。华能玉环百万锅炉机组、国电泰州百万锅炉机组、华能海门百万锅炉机组、国华宁海百万锅炉机组、大唐潮州百万锅炉机组等都是近年来投产比较有特点的国内组装出厂或具有自主知识产权的百万超超临界锅炉机组，其中有单炉膛八角双切圆燃烧方式浓淡分离直流燃烧器、前后墙对冲燃烧方式低氮氧化物旋流燃烧器、塔式锅炉四角切圆燃烧方式直流燃烧器，对于这些燃烧方式的应用总结对提高百万机组燃烧方式的设计优化提供可借鉴的依据，意义重大。基于此本文主要对八角反向双切圆燃烧方式的特点进行刨析。2、 百万机组八角反向双切圆燃烧方式2.1系统简介1图2图1大唐潮州电厂21000MW超超临界锅炉机组炉膛为长方形结构，其燃烧器采用前后墙布置，共计8只，前后墙各布置四只燃烧器，顺序为No.1No.8。八只燃烧器均为摆动式燃烧器，在炉膛内部形成反向双切圆，即由燃烧器No.3，No.4，No.7，No.8在炉膛左半部分中心形成顺时针旋向的两个直径稍有不同的假想切园；由燃烧器No.1，No.2，No.5，No.6在炉膛右半部分中心形成逆时针旋向的两个直径稍有不同的假想切园，见图1。按照炉膛尺寸，燃烧器出口射流中心线和前后墙水冷壁中心线的夹角分别为 27和37。反向双切圆的燃烧方式，保证了燃烧室良好的空气动力场，并使出口温度场比较均匀，炉膛出口转向室两侧对称点间的烟温偏差小于50。同时，由于反向双切圆的燃烧，使煤粉燃烧器只数增加，降低了单只喷嘴热功率，有效地防止了炉膛结焦和燃烧器喷口烧损。2.2切圆燃烧技术特点高燃烧效率，稳定的热力特性和低排放等关键参数都是切向燃烧技术固有的特点。由于切向燃烧组成独特的空气动力结构，其主要热力特点如下：1) 着火稳定性强燃料从燃烧器喷口喷出，受上游高温烟气加热很快着火，激烈燃烧的射流末尾又冲撞下游邻角的燃料射流，形成切圆的四角射流相互碰撞加热实现能量与物质交换，从而产生燃烧稳定的旋转上升火焰。下一层旋转上升火焰，促进上一层的燃烧强化和火焰稳定；上一层的旋转气流同时加强对下层火焰的扰动，这种角与角和层与层之间的相互掺混扰动，即炉膛内整体而不是局部的强烈的热量和质量交换，保证了煤粉的着火稳定性。由此切向燃烧可认为燃烧是一个整体，各燃烧器的相互配合形成了一个能量源有机体。2) 燃烧效率高图3调平后炉左炉右速度场分布（一次风速29m/s）由于切向燃烧独特的空气动力结构，燃料进入炉内旋转上升，燃料在炉内走过的路程最长，因此在炉内的停留时间较墙式燃烧方式长，炉膛烟气充满度高，能最高效利用炉膛容积，为炭粒燃尽创造良好条件。同时火球的旋转使进入炉膛的煤粉和空气逐渐均匀地在整个炉膛中充分混合，利于燃尽。另外切向燃烧的各股射流组合成一个旋转火球，混合强烈，能适应各股间风量分配的不均匀性，具有适度的抗干扰作用，因此对燃料和空气的精确分配没有过高的要求。这也体现了切圆燃烧器的另一特点煤种适应范围较广，同时具有一定的自调节功能。参见图2：切向燃烧和墙式燃烧空气动力结构，可以看出火焰在炉膛界面内的充满度切圆燃烧方式较墙式对冲燃烧方式好。3) 防止结渣性能好与相同尺寸的墙式燃烧炉膛相比，切向燃烧圆柱型旋转上升的“火球”居于炉膛中部，炉膛充满度好，燃烧热力偏差影响较小，对水冷壁放热较均匀，烟气的尖峰热流及平均温度较低，这一点对燃用低灰熔点的煤特别有利于防止炉膛结渣（在燃烧器经过冷态检验之后）。4) 水冷壁可靠性高由于热负荷的均匀使得水冷壁吸热量在同一截面内和同一刨面较均匀，使得各水冷壁管的水动力特性较一致，与墙式燃烧器比较，可以有效的避免局部过热显现的发生，使得水冷壁寿命和可靠性得到了提高。5) NOx 排放量较低长期的实践经验证明，对大容量燃煤机组来说，切向燃烧技术具有NOx 排放量低的固有特点。切向燃烧NOx 形成量的降低是由于从角部进入炉膛的煤粉和二次风这两股平行气流之间的混合率相对较低的原因所致，因此初始燃烧（挥发分析出及初始碳颗粒燃烧）高温区为还原性气氛，该区域位于炉膛中从燃料喷嘴至射流被炉膛的旋转火球卷吸之处。同时充分燃烧区烟气尖峰热流及平均温度较低，这一点有效抑制了NOx 排放量。因此在利用分段燃烧方法发展先进的低NOx 控制技术时，这种切向燃烧过程一直是个有利的因素。2.3八角反向双切圆冷态空气动力场试验研究结果通过冷态空气动力场试验得到八角双切圆冷态空气动力特性：由图3，B层燃烧器风速分布截面图可以明显的看出，炉膛内一次风的充满度良好，切圆直径相对较大。图7工况四炉右速度场分布（二次风速28m/s）图5工况三炉右速度场分布（一次风速22m/s）图6工况二炉左速度场分布（二次风速32m/s）图4工况二炉左速度场分布（一次风速27m/s）由图4、5我们得到工况二的峰值半径明显较工况三的峰值半径小，切圆区域较小，由于工况三的一次风速已经降到该冷态模化工况的最低值，如再降低一次风速前后墙很可能发生一次风贴壁现象。因此可以看出一次风速的加大，使得切圆有内压缩的趋势，热态时使火焰的刚性加强，火焰中心燃烧强度提高，但同时也要考虑火焰的炉膛充满度。由图6、7可以看出二次风速的增大加大了峰值半径，使得切圆范围扩大，适当降低二次风速可以有效减小烟气刷壁，可以有效保护水冷壁。八角反向双切圆燃烧方式冷态空气动力试验结论：1) 哈锅供百万机组超超临界锅炉两个燃烧切圆独立性很强，只存在能量上的支持，不存在物质上的交换。因此可以证明八角反向双切圆继承了如前所述的切圆燃烧的特点，将其放大化，提高机组的截面热负荷，以适应高参数大容量超超临界锅炉机组的要求是有其理论依据的；2) 设计工况条件下（主要是合理的一二次风动量比），切圆位置合理，既避免了气流刷壁现象，又保证了较好的炉膛充满度；3) 切圆尺寸随着二次风速的减小而逐渐减小，随着一次风速的减小而逐渐增大。热态运行时，应避免燃烧器一次风速低于20m/s(按携带煤粉且一次风温为设计值)，否则易发生气流刷壁问题。2.4八角反向双切圆燃烧方式燃烧初调整实践通过调整试运实践，各个喷口之间的相互引燃效果明显，燃烧状况良好，在煤质接近设计煤种的情况下制粉系统能够达到设计出力，具体调整内容如下：1) 最大/最小给煤量的确定最大给煤量：增加磨煤机出力至磨不堵，且磨煤机电流、本体阻力、磨出口温度、一次风机电流等各参数正常，燃烧稳定时的出力；最小给煤量：降低磨煤机出力至磨不震动，且运行平稳、燃烧稳定时的出力在磨煤机投入运行后。图9针对此种燃烧方式由试运时的试验数据得出单台中速变加载磨煤机最小给煤量约为30t/h（不包括等离子点火时的最低煤量的限制，由于等离子点火需要一定的煤粉浓度所以等离子点火时煤量最好控制在40t/h左右），最大给煤量能够达到磨煤机的额定出力79t/h。2) 着火稳定性及着火距离的调整图8根据切圆燃烧方式的特点以及八角双切圆对锅炉所能提供的截面热负荷，确定合适的着火点应距喷口0.30.5m之间。保证燃烧器喷口不结焦，燃烧不脱火。观察火检配合就地观察燃烧器喷口的着火情况，确定磨出口风粉混合物流速控制在2630m/s左右，能够保证良好的着火稳定性。3) 火焰刚性的调整图10通过改变风箱与炉膛的差压、以及周界风挡板开度来调整火焰的刚性。具有一定刚性的火焰不会“飞边”，不冲刷水冷壁。通过燃烧调整发现5台磨煤机以上运行时，二次风调整以正宝塔形为宜。4) 炉膛出口烟温偏差的调整炉膛出口烟温偏差不可避免的存在，对于配备切圆燃烧方式的锅炉显得尤其明显。但是八角反向双切圆采用反向双切圆设计，较大程度的避免了烟温的偏差。图8为满负荷运行中烟温画面，可以看出在配风良好和燃烧稳定的前提下，炉膛出口烟温偏差在5度以内，效果很好。5) 变换煤种调整变换煤种燃烧调整实际上为了适应来煤煤质不稳定的现实情况，要求充分掌握制粉系统运行特性、出力能力和控制特性。如果煤质变差，灰份骤增，则需要增加磨煤机的出力，满负荷时甚至备用磨也要投入运行。潮州电厂3炉168期间煤质有较大变换，同时，由于吹灰器的投入，煤量有一定的波动，1000MW额定工况下燃煤量在400360t/h左右，与设计煤种额定负荷燃煤量367t/h有较大不同。通过实际运行表明此燃烧方式对于煤质的适应性较好，能够较好适应挥发分、灰分、水分在一定范围内的变化。6) 二次风的调整机组启动时，所有挡板均位于正常燃烧时的位置，从而保证炉膛火焰中心位置为富燃料区，在炉膛上部区域形成富空气区。某些情况下，为保证运行燃烧器的二次风量，未投入运行的燃烧器的周界风应适当关小。一般负荷小于25时，为保证锅炉最低风量要求及所投用燃烧器的适当配风，停用的燃烧器层相应的周界风挡板开启位置一般要大于冷却位置；负荷大于25时，停用的燃烧器层其相应的周界风挡板关至最小冷却风量位置。当某排燃烧器及与之相匹配的磨煤机停运时，该燃烧器的周界风要开到适当位置，以便冷却停运的燃烧器。一般在锅炉高负荷运行时，上层的停运燃烧器需要约25的二次风量作为冷却风，低层的大约需要1015的二次风量。二次风的调整同切圆燃烧方式类似，这从侧面证明了八角双切圆燃烧方式两个切圆相互独立的良好特性。7) 风煤比曲线的确定建立正确的给煤量和一次风量的比率是锅炉安全运行的关键，一次风量与给煤量不匹配将会导致很多问题：一次风量过高则燃烧器喷口一次风速偏大，煤粉气流不易引燃，燃烧变得不稳定，燃尽率下降，锅炉效率下降，严重时导致锅炉灭火；一次风量过低则携带煤粉的能力变差，有可能导致一次风管堵粉和烧损喷口，威胁制粉系统的安全。结合八角反向双切圆燃烧方式特点，调试人员根据磨煤机制造厂提供的数据进行了校核计算，试运过程中通过电厂的煤质分析及飞灰含碳量分析，确定了磨煤机一次风量自动的风煤比曲线，如图 9。8) 加载力曲线的确定磨煤机液压油系统根据给煤机420mA的给煤率电流信号，控制比例溢流阀，改变油站对加载油缸的油压，从而实现变加载。加载力与给煤率对应关系如下2：加载油压：5MPa15MPa（根据比例溢流阀实际情况再调整）加载力指令：25%100出力范围：25100以此变加载曲线为基础，调试人员在燃烧初调整时进行磨煤机加载力自动调节试验，根据磨煤机电流、出力、煤粉细度等参数再进行优化，形成的最终变加载自动调整曲线如图10。9) 通过火检结合就地看火检验燃烧效果由图11可以看到带满负荷时五台磨煤机运行八角反向双切圆燃烧方式火检状态良好。就地看火，炉内燃烧工况良好，火焰成明亮的金黄色，在炉膛的充满度以及火焰的刚性都很理想，无偏斜刷壁及火焰中心偏斜现象，炉膛中心线位置炉膛纵刨面几乎没有物质交换只有能量的传递。3、 结论根据前文所述，得到以下结论1) 通过冷态空气动力场及燃烧初调整得出，八角反向双切圆燃烧方式继承了四角切圆燃烧方式的大部分特点，并能够明显改善烟温偏差；2) 八角反