超临界锅炉运行性能计算

超临界锅炉运行性能计算

近年来，尽管rv在中国得到了广泛应用，但rv和sv通常比设计值低。对此,通常认为造成排烟温度高的原因是实际燃烧煤质与设计燃用煤质存在偏差,设计时对管壁沾污估计不足,省煤器受热面或者空气预热器受热面偏小,尾部受热面吹灰器布置不合理或作用不明显等。表1为部分电厂超临界和超超临界机组锅炉排烟温度的设计值与实际运行值的比较。由表1可以看出,运行排烟温度均偏高10℃以上,最高达到20℃。计算分析表明,排烟温度升高10℃,锅炉效率降低约0.5%～0.7%,增加机组发电煤耗1.7～2.2g/(kW·h)。1锅炉设备在烟气运超临界和超超临界机组锅炉尾部受热面均为省煤器与回转式空气预热器单级布置,空气预热器出口的热一次风(占20%～30%)直接送至制粉系统,制粉系统运行中需要调节送入磨煤机的热风温度,因此均设置掺冷风管及自动控制门(图1)。锅炉省煤器出口至空气预热器出口的烟气热量必须由流经空气预热器的空气吸收,空气吸收的这部分热量中的20%～30%要与制粉系统所需要的干燥热量相匹配。如果在实际运行中出现不匹配,则制粉系统本身要通过开大或关小冷风门进行自适应调整,从而可能造成设计与运行参数的偏差。因此,锅炉尾部受热面的设计与制粉系统的热力平衡相关。表2为在不同压力等级下锅炉给水温度的取值。超临界机组锅炉的给水温度最高达到300℃以上,比超高压机组锅炉的给水温度高50～70℃。按前苏联《锅炉机组热力计算标准方法》,需要维持省煤器出口烟温与给水温度最小温差为80℃。表3为超临界和超超临界机组锅炉的省煤器设计数据。由表3可以看出,省煤器出口烟温与给水温度的差值最大为98℃,最小为67℃,大部分在75～80℃以上,极个别低于70℃,基本遵循文献推荐值。显然,蒸汽压力越高,给水温度越高,省煤器出口烟气温度也就越高。因此,如果锅炉的排烟温度维持不变,则省煤器后需要空气预热器回收的烟气热量也就越多。但是,即使机组参数提高,如果燃烧的煤质变化不大,制粉系统的设计与运行参数也不会发生大的变化。因此,就会出现省煤器后热空气回收的热量与制粉系统所需热量不匹配的情况。制粉系统运行最主要的控制温度是磨煤机出口风粉混合物温度,按我国电力行业标准《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》,为了保证制粉系统的安全运行,对不同的煤种,磨煤机出口温度的限制值如表4所示。如果空气预热器出口热风温度过高而造成磨煤机出口温度超限,则在制粉系统实际运行中必须掺入冷风,自动控制系统将自动开大冷风门。同时,根据炉膛出口氧量定值的要求,减少空气预热器的进风量,造成空气预热器吸热减少,将使锅炉排烟温度升高。空气预热器出口的二次风直接送入炉膛,使锅炉实际运行时的空气预热器吸热量少于锅炉热力设计时计算的空气预热器吸热量,所以锅炉排烟温度升高程度会随锅炉压力的提高更加明显。2煤粉系统设计结果某超临界600MW机组锅炉的给水温度为286℃,设计排烟温度为127℃(未修正)、122℃(修正);配HP中速磨煤机正压直吹式制粉系统,一次风率25%,一次风入口风温25℃,出口风温320℃;二次风入口风温20℃,出口风温332℃;炉膛出口过量空气系数α=1.14;设计煤种为烟煤,元素分析如表5所示;原煤水分为13.33%,干燥后的煤粉水分为3.8%(按文献取值)。工业分析的干燥无灰基挥发分Vdaf=36.04%<40%,按文献规定的中速磨煤机出口最高允许温度tM2=77±5℃,即终端干燥剂的温度t2=tM2=77±5℃。2.1出和消耗的总热量qof制粉系统热平衡是指在制粉系统起始断面输入的总热量与终端断面带出和消耗的总热量相等,即qin=qout,热平衡计算的主要目的之一是干燥出力计算,即对燃用的原煤求出干燥剂的初温t1。制粉系统干燥磨制1kg煤输入的总热量qin(kJ/kg)按下式计算:qin=qag1+qrc+qmac+qs(1)qin=qag1+qrc+qmac+qs(1)制粉系统干燥磨制1kg煤带出和消耗的总热量qout(kJ/kg)按下式计算:qout=qev+qag2+qf+q5(2)qout=qev+qag2+qf+q5(2)其中蒸发原煤中水分消耗的干燥热量:qev=ΔΜ(2500+C″Η2Οt2-4.187trc)干燥掉的水分为:ΔΜ=Μar-Μpc100-Μpc热平衡方程:qin=qout即qag1+qrc+qmac+qs=qev+qag2+qf+q5(3)带入数据求得干燥剂的初温t1。若计算所得到的干燥剂初温t1<320℃(即本例中空气预热器设计的一次风出口温度)时,则需要掺入冷风(20℃),即可以求出一次风中冷风份额x,从而也就得到了被排挤的空气预热器进风量。式中:qag1为干燥剂的物理热,kJ/kg;qrc为原煤物理热,kJ/kg;qmac为磨煤机工作时产生的热,kJ/kg;qs为密封风的物理热,kJ/kg;qev为蒸发原煤中水分消耗的热量,kJ/kg;C″H2O为水蒸气平均定压比热容,kJ/(kg·℃);trc为进入系统的原煤温度,℃;ΔM为每kg原煤被干燥所蒸发的水量,kg/kg;Mar为原煤收到基水分,%;Mpc为煤粉水分,%;qag2为干燥剂带出的热量,kJ/kg;qf为加热煤消耗的热量,kJ/kg;q5为设备的散热损失,kJ/kg。2.2压力及烟气空气预热器的热平衡为烟气的放热量等于空气的吸热量(并考虑漏风),其计算见式(4),空气预热器设计受热面积的传热量满足烟气的放热量与空气的吸热量。φ(h′y-h″y+Δαh0lf)=(β″+Δα2)(h0″k-h0′k)(4)式中:φ为保热系数,φ=0.994;h′y,h″y分别为空气预热器的进、出口烟焓,kJ/kg;Δα为空气预热器的漏风系数,Δα=0.07;h0lf为漏风焓,kJ/kg;β″为空气预热器出口实际空气量与理论空气量的比值;h0″k,h0′k分别为空气预热器进出口空气的焓,kJ/kg。烟气在空气预热器的放热量取决于进、出口烟温与烟气侧过量空气系数,空气在空气预热器的放热量取决于进、出口风温与空气侧过量空气系数。当制粉系统干燥剂初温低于一次风出口热风温度,且得到一次风中冷风份额时,可以求得空气预热器的实际通风量及β″。掺冷风越多,流经空气预热器的风量越少,β″越小。省煤器出口烟温(即空气预热器入口烟温)由与给水温度的传热温差确定,则空气预热器进口烟焓确定;空气进口温度与β″确定,且近似取一、二次风出口温度相同,则空气的进出口焓值确定。由式(4)计算得到空气预热器出口烟焓,最后得到空气预热器出口烟温(即排烟温度)。本文还采用表6所示煤进行了计算,该煤无灰基挥发分Vdaf=15.0%,性质接近贫煤,采用双进双出钢球磨煤机,磨煤机的出口最高允许温度tM2=100℃,干燥后的煤粉水分为0.63%(按文献取值)。与烟煤的主要区别是需要干燥掉的水分要少得多,但磨煤机出口的温度较高。一次风风率取20%,其它参数基本保持不变。2.3磨煤机出口温度表7所示为锅炉分别燃用烟煤或贫煤时按制粉系统干燥出力与空气预热器热平衡计算方法计算所得的结果。由表7可以看出,燃用Vdaf=36.04%烟煤时,随磨煤机出口温度升高,排烟温度下降。在省煤器出口烟温与给水温度差为80℃时,即使磨煤机出口温度维持在上限值,仍然高于该锅炉的设计排烟温度。制粉系统实际运行中,由于煤质多变且出于防爆安全,通常将磨煤机出口温度控制在下限值,因此实际排烟温度偏高。在省煤器出口烟温与给水温度差为70℃时,即相同给水温度下,省煤器出口烟温下降10℃,则计算的排烟温度与设计的排烟温度比较接近。燃用Vdaf=15%的贫煤并采用双进双出钢球磨煤机时,磨煤机出口最高允许温度为100℃,但是由于贫煤的水分较低,因此干燥原煤水分消耗的热量相对较少,增加了掺冷风的比例。因此,燃用较低水分贫煤时,即使磨煤机出口最高允许温度达到100℃,排烟温度也比燃用烟煤(磨煤机出口维持较低温度)要高。3酶种元素分析某电厂超超临界1000MW机组锅炉给水温度为294℃,设计排烟温度为125.6℃(未修正)、121.7℃(修正);配中速磨煤机正压直吹式制粉系统,一次风率25%,一次风入口风温23℃,出口风温322℃;二次风入口风温23℃,出口风温334℃;炉膛出口过量空气系数α=1.15,空气预热器的漏风系数Δα=0.053;设计煤种元素分析如表8所示;干燥后的煤粉水分为3.5%(按文献取值)。工业分析的干燥无灰基挥发分Vdaf=34.08%<40%,按文献规定的中速磨煤机的出口最高允许温度tM2=80±5℃,故终端干燥剂的温度t2=tM2=80±5℃,计算结果如表9所示,计算的排烟温度与实际运行的排烟温度比较接近,排烟温度依然偏高。4提高磨煤机出口温度及水冷壁温度随锅炉给水温度提高,如果维持锅炉排烟温度不变,则需要空气预热器回收的烟气热量增加,会出现大于制粉系统所需干燥热量的工况,造成排烟温度偏高。制粉系统出口温度控制越低,燃煤水分越低,制粉系统掺冷风份额越大,则排烟温度升高越明显。对此,建议采取以下技术措施:(1)与国外同类型机组锅炉及其燃用煤质相比,我国锅炉制粉系统出口控制温度普遍较低,因此可以适当提高磨煤机出口温度。(2)随超临界机组锅炉给水温度提高,省煤器出口的烟温与给水温度的温差相应减小,相当一部分超临界机组锅炉的温差在80℃左右,如果将该温差取在70℃以下,适当增加省煤器受热面并部分牺牲省煤器的传热效率,也能部分抵消给水温度升高的影响,有效地降低排烟温度。(3)超临界机组锅炉炉膛水冷壁受热面内不存在汽水混合物受热管段,在水温升至临界点温度时将全部转化为蒸汽,在近临界区域,极易发生传热恶化。因此,水冷壁的进口水温必须维持在合适的范围,使易发生传热恶化的管段避开炉内最大热负荷区域。对某超临界600MW机组锅炉水冷壁的计算表明,给水温度为290℃,水冷壁进口水温为318℃时,其临界转变点大致位于主燃烧区上部。所以,如果采用增加省煤器吸热量来降低排烟温度的方法,则必须考虑水冷壁管的安全