孫俊威， 蔡 培， 黃啟龍， 閻維平， 戴維葆，陳國慶， 李超凡， 馬 凱

(1．國電南京電力試驗(yàn)研究有限公司，南京 210031；2．華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

為了響應(yīng)當(dāng)前國家探索和推廣高效清潔煤電技術(shù)的要求，超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[1-3]。采用超超臨界二次再熱技術(shù)可使機(jī)組熱效率較超超臨界一次再熱機(jī)組提高約2%[4]。因此，超超臨界二次再熱技術(shù)是公認(rèn)的一種可以提高火力發(fā)電機(jī)組效率的有效方法，是實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能減排的有效途徑。

與一次再熱鍋爐相比，二次再熱鍋爐的再熱級數(shù)和再熱蒸汽吸熱量都有所增加，張小玲[4]指出，由于引入二次再熱，過熱蒸汽吸熱比例降低，再熱蒸汽吸熱比例升高。這使得二次再熱機(jī)組的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，一、二次再熱蒸汽溫度的協(xié)同調(diào)控也變得更加困難，可能會導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)再熱蒸汽溫度低于設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，降低了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

針對二次再熱技術(shù)以及二次再熱機(jī)組出現(xiàn)的再熱蒸汽溫度偏低的問題，近年來許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。黨黎軍等[5-6]采用不同的改造再熱器受熱面積的方法針對某電廠660 MW超超臨界鍋爐再熱蒸汽溫度偏低的問題進(jìn)行了研究。高偉等[7]和范慶偉等[8]分別以某電廠600 MW等級和1 000 MW等級二次再熱塔式鍋爐為例，定性分析了煙氣再循環(huán)調(diào)溫方式的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)。Zhang等[9]分析了煙氣再循環(huán)對某600 MW一次再熱機(jī)組再熱蒸汽溫度等參數(shù)的影響。郭馨等[10]通過模擬分析了煙氣再循環(huán)對660 MW二次再熱鍋爐煙氣溫度和蒸汽溫度的影響，得到機(jī)組各工況下的最優(yōu)煙氣再循環(huán)率。綜上所述，采用燃燒調(diào)整、吹灰優(yōu)化和改變?nèi)紵鲾[角等手段可以在一定程度上解決再熱蒸汽溫度偏低的問題，但是并不能從根本上解決該問題；改造再熱器受熱面積和采用煙氣再循環(huán)可以有效解決再熱蒸汽溫度偏低的問題，但再熱器受熱面積改造受鍋爐結(jié)構(gòu)和布置的影響。

因此，筆者提出在機(jī)組原有的調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度手段(如采用擺動式燃燒器、煙氣擋板)的基礎(chǔ)上，通過煙氣再循環(huán)改善再熱蒸汽溫度。根據(jù)高偉等[7]的研究，把再循環(huán)煙氣通入爐膛底部可以對再熱蒸汽溫度起到良好的調(diào)節(jié)作用。針對再循環(huán)煙氣的不同抽出點(diǎn)，制定以下2種煙氣再循環(huán)方案：(1)方案一，由省煤器出口煙道抽取再循環(huán)煙氣，送入爐膛最底層燃燒器下方；(2)方案二，由引風(fēng)機(jī)出口煙道抽取再循環(huán)煙氣，送入爐膛最底層燃燒器下方。通過鍋爐熱力計(jì)算，分析不同再循環(huán)煙氣量和不同負(fù)荷下煙氣再循環(huán)對鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響，并計(jì)算引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)性能的變化，通過綜合對比得出適合本鍋爐的煙氣再循環(huán)方案，為電廠解決再熱蒸汽溫度偏低的問題提供理論依據(jù)。

1 鍋爐概況

所研究鍋爐為1 000 MW超超臨界壓力參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用單爐膛塔式布置形式、二次再熱、四角切圓燃燒，再熱蒸汽采用“擺動噴嘴+煙氣擋板”的調(diào)溫方式。設(shè)計(jì)煤種為神華煤。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其中BMCR表示鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況，THA表示熱耗考核或熱耗保證工況。

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，BMCR工況和75%THA工況下的一、二次再熱蒸汽溫度和主蒸汽溫度均低于設(shè)計(jì)值(見表2)。

2 煙氣再循環(huán)方案和鍋爐熱力計(jì)算方法

煙氣再循環(huán)調(diào)溫的技術(shù)原理為：利用煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)從省煤器或引風(fēng)機(jī)的出口煙道上抽取一部分低溫?zé)煔馑腿霠t膛，從而降低爐內(nèi)煙氣溫度水平，減

表2 運(yùn)行工況下的蒸汽溫度

少水冷壁等輻射受熱面的吸熱量，增加煙氣總量，強(qiáng)化再熱器等對流受熱面的換熱，提高再熱蒸汽溫度。

2.1 煙氣再循環(huán)方案

針對2種煙氣再循環(huán)方案，不同的煙氣抽出點(diǎn)對應(yīng)不同的再循環(huán)煙氣溫度：從省煤器出口煙道抽取的再循環(huán)煙氣溫度約為379 ℃；從引風(fēng)機(jī)出口煙道抽取的煙氣溫度約為117 ℃。煙氣再循環(huán)方案如圖1所示。

圖1 再循環(huán)煙氣抽取位置示意圖

針對上述煙氣再循環(huán)方案，在BMCR工況、THA工況和75%THA工況下，計(jì)算并分析無煙氣再循環(huán)以及煙氣再循環(huán)率分別為5%、10%和15%，即再循環(huán)煙氣量分別為43.68 m3/s、72.19 m3/s和116.72 m3/s時(shí)對鍋爐運(yùn)行參數(shù)和輔機(jī)的影響。

2.2 采用煙氣再循環(huán)的鍋爐熱力計(jì)算方法

根據(jù)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》(1973年)，按照校核計(jì)算的思路，采用VB編程，通過迭代計(jì)算進(jìn)行鍋爐熱力計(jì)算。由于采用了煙氣再循環(huán)，使得從再循環(huán)煙氣返回點(diǎn)到抽出點(diǎn)的這段煙道的煙氣比體積、煙氣組成和煙氣焓都發(fā)生了變化。在進(jìn)行鍋爐熱力計(jì)算時(shí)，需要重新計(jì)算煙氣特性參數(shù)和煙氣焓。

有煙氣再循環(huán)時(shí)，從返回點(diǎn)到抽出點(diǎn)之間煙道內(nèi)的混合煙氣比體積vr為：

vr=v+r×vc

(1)

式中：v為不考慮煙氣再循環(huán)時(shí)該點(diǎn)的煙氣比體積，m3/kg；r為煙氣再循環(huán)率，%；vc為煙氣再循環(huán)抽出點(diǎn)后的煙氣比體積，m3/kg。

根據(jù)混合煙氣的比體積求解煙氣再循環(huán)后混合煙氣的特性參數(shù)，然后計(jì)算混合煙氣的焓hr：

hr=h+r×hc

(2)

式中：h為不考慮煙氣再循環(huán)時(shí)該點(diǎn)的煙氣焓，kJ/kg；hc為煙氣再循環(huán)抽出點(diǎn)后的煙氣焓，kJ/kg。

最后求解混合煙氣溫度θr：

θr=hr/(vc)r

(3)

(vc)r=(vc)+r×(vc)c

(4)

式中：(vc)r為混合煙氣的合成比熱，kJ/(kg·K)；(vc)為混合前煙氣的合成比熱，kJ/(kg·K)；(vc)c為煙氣再循環(huán)抽出點(diǎn)后煙氣的合成比熱，kJ/(kg·K)。

再循環(huán)煙氣返回點(diǎn)不同，爐膛的熱力計(jì)算有所不同。其中把再循環(huán)煙氣送回爐膛底部燃燒器區(qū)域時(shí)，對爐膛的熱力計(jì)算影響較大。此時(shí)，再循環(huán)煙氣參與了爐膛換熱的全過程，其熱量相當(dāng)于外來熱源，《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》(1973年)中規(guī)定，對應(yīng)于每kg計(jì)算燃料送入爐內(nèi)的總熱量Ql為：

(5)

式中：hzxh為再循環(huán)煙氣的焓，按抽取煙氣處的溫度計(jì)算，kJ/kg；Qr為鍋爐輸入熱量，kJ/kg；q3為化學(xué)未完全燃燒損失，%；q4為機(jī)械未完全燃燒損失，%；q6為灰渣損失，%；Qk為空氣帶入爐膛的熱量，kJ/kg。

后續(xù)對流受熱面的熱力計(jì)算與無煙氣再循環(huán)時(shí)一樣，只是計(jì)算時(shí)應(yīng)注意煙氣量、煙氣流速、煙氣特性和溫焓表等參數(shù)都要以受熱面混合后實(shí)際流通的煙氣為依據(jù)。

2.3 引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)運(yùn)行特性的計(jì)算方法

由于煙氣再循環(huán)對引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)的運(yùn)行特性也存在影響，因此筆者計(jì)算并分析了電除塵器、引風(fēng)機(jī)和再循環(huán)風(fēng)機(jī)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算公式如下。

電除塵器除塵效率η為：

(6)

式中：k為修正系數(shù)，取0.5；A為收塵板面積，m2；qV為煙氣體積流量，m3/s；ωk為表觀驅(qū)進(jìn)速度，cm/s。

引風(fēng)機(jī)電動機(jī)功率N為：

(7)

式中：β3為電動機(jī)功率安全系數(shù)，一般為1.3；qV,x為引風(fēng)機(jī)容量，m3/s；Δhx為引風(fēng)機(jī)壓頭，Pa；ηx為引風(fēng)機(jī)效率，%。

風(fēng)機(jī)葉片磨損壽命經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式如下：

Ln=kn/(ρ×ω3.6)

(8)

式中：Ln為葉片耐磨件壽命，h；ρ為煙氣含塵質(zhì)量濃度，mg/m3；ω為煙氣與葉片相對速度，m/s；kn為耐磨結(jié)構(gòu)壽命系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過對2種煙氣再循環(huán)方案進(jìn)行熱力計(jì)算，得出在BMCR工況、THA工況和75%THA工況下煙氣溫度和蒸汽溫度的變化情況。

3.1 不同負(fù)荷下煙氣再循環(huán)對爐膛出口煙氣溫度的影響

不同工況下煙氣再循環(huán)率對爐膛出口煙氣溫度的影響見圖2。

(a)BMCR工況

(b)THA工況

(c)75%THA工況

由圖2可知，不同負(fù)荷下，2種煙氣再循壞方案的爐膛出口煙氣溫度都會隨煙氣再循環(huán)率的增加而降低。這是由于將低溫的再循環(huán)煙氣通入到爐膛最底層燃燒器下方，會對爐膛內(nèi)的燃燒、換熱產(chǎn)生影響，導(dǎo)致爐膛內(nèi)的煙氣溫度下降，減少了爐膛輻射吸熱量；但同時(shí)煙氣再循環(huán)會導(dǎo)致煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間縮短，從而在一定程度上緩解爐膛出口煙氣溫度的降低幅度，最終導(dǎo)致爐膛出口煙氣溫度略微下降。計(jì)算結(jié)果表明，BMCR工況下，每增加1%煙氣再循環(huán)率，方案一和方案二的爐膛出口煙氣溫度分別下降約0.4 K和0.6 K；THA工況下，每增加1%煙氣再循環(huán)率，方案一和方案二的爐膛出口煙氣溫度分別下降約0.4 K和0.5 K；75%THA工況下，每增加1%煙氣再循環(huán)率，方案一和方案二的爐膛出口煙氣溫度分別下降約0.2 K和0.4 K。

同時(shí)，方案二的再循環(huán)煙氣溫度比方案一低，所以方案二的爐膛出口煙氣溫度下降幅度比方案一更明顯；隨著煙氣再循環(huán)率的增加，方案二的爐膛出口煙氣溫度下降得越明顯；隨著負(fù)荷的降低，方案二的爐膛出口煙氣溫度下降幅度減小。

3.2 不同負(fù)荷下煙氣再循環(huán)對主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的影響

不同工況下煙氣再循環(huán)率對主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的影響見圖3～圖5。

(a)BMCR工況

(b)THA工況

(c)75%THA工況

(a)BMCR工況

(b)THA工況

(c)75%THA工況

(a)BMCR工況

(b)THA工況

(c)75%THA工況

由圖3～圖5可知，2種煙氣再循環(huán)方案的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度都會隨煙氣再循環(huán)率的增加而升高。這是因?yàn)楹罄m(xù)對流受熱面由于煙氣量增加，煙氣流速增加，煙氣側(cè)傳熱系數(shù)提高，對流換熱量增加，最終導(dǎo)致工質(zhì)出口溫度上升。計(jì)算結(jié)果表明，BMCR工況下，每增加1%煙氣再循環(huán)率，方案一和方案二的主蒸汽溫度分別升高約0.6 K和0.4 K，一次再熱蒸汽溫度分別升高約0.8 K和1.2 K，二次再熱蒸汽溫度分別升高約1 K和1.4 K；THA工況下，每增加1%煙氣再循環(huán)率，方案一和方案二的主蒸汽溫度分別升高約0.4 K和0.3 K，一次再熱蒸汽溫度分別升高約1.2 K和1.6 K，二次再熱蒸汽溫度分別升高約1.2 K和1.4 K；75%THA工況下，每增加1%煙氣再循環(huán)率，方案一和方案二的主蒸汽溫度分別升高約0.4 K和0.2 K，一次再熱蒸汽溫度分別升高約2 K和2.2 K，二次再熱蒸汽溫度分別升高約1.8 K和2 K。

同時(shí)，方案二對再熱蒸汽溫度的影響程度比方案一明顯，但對主蒸汽溫度的影響程度沒有方案一明顯；隨著煙氣再循環(huán)率的增加，再熱蒸汽溫度和主蒸汽溫度的升高幅度增大；隨著負(fù)荷的降低，煙氣再循環(huán)對主蒸汽溫度的影響程度降低，對再熱蒸汽溫度的影響程度增大。

綜上所述,2種煙氣再循環(huán)方案可以顯著提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，且由圖3和圖4可以看出，煙氣再循環(huán)率為10%即再循環(huán)煙氣量約為72.19 m3/s時(shí)，鍋爐一、二次再熱蒸汽溫度均升高至設(shè)計(jì)值。

4 煙氣再循環(huán)對鍋爐效率和輔機(jī)的影響

4.1 鍋爐效率

若再循環(huán)煙氣流經(jīng)空氣預(yù)熱器，會使得流經(jīng)空氣預(yù)熱器的煙氣量增加，排煙溫度升高，鍋爐效率降低。方案一是從空氣預(yù)熱器前抽取再循環(huán)煙氣，流經(jīng)空氣預(yù)熱器的煙氣量較無煙氣再循環(huán)時(shí)幾乎沒有變化。而方案二的再循環(huán)煙氣抽出點(diǎn)為引風(fēng)機(jī)出口，流經(jīng)空氣預(yù)熱器的煙氣量比方案一增加了約5.8%，其排煙溫度會隨煙氣再循環(huán)率的增加而明顯升高，從而導(dǎo)致鍋爐效率下降。10%煙氣再循環(huán)率時(shí)方案一和方案二的排煙溫度和鍋爐效率變化見表3。

由表3可以看出，2種煙氣再循環(huán)方案的排煙溫度均上升，鍋爐效率降低。當(dāng)煙氣再循環(huán)率為10%時(shí)，BMCR工況下方案二的排煙溫度比方案一升高約6 K，鍋爐效率比方案一下降了約1%。因此，方案二空氣預(yù)熱器的選型較大且在實(shí)際改造中需要考慮增加額外的手段來降低排煙溫度，保證鍋爐效率。

表3 方案一和方案二排煙溫度和鍋爐效率的變化

4.2 鍋爐輔機(jī)運(yùn)行特性

由于方案一與方案二抽取再循環(huán)煙氣的位置不同，因此進(jìn)入電除塵器和引風(fēng)機(jī)等后續(xù)輔機(jī)的煙氣量也不同，以10%煙氣再循環(huán)率為例，根據(jù)式(6)～式(8)，可以得出煙氣再循環(huán)前后輔機(jī)運(yùn)行特性參數(shù)的變化情況。

方案一的煙氣抽出點(diǎn)為省煤器出口煙道，再循環(huán)煙氣溫度約為379 ℃，進(jìn)入引風(fēng)機(jī)、電除塵器和再循環(huán)風(fēng)機(jī)的煙氣量與無煙氣再循環(huán)時(shí)基本相同，且排煙溫度升高幅度不明顯。因此，方案一的除塵效率、引風(fēng)機(jī)電動機(jī)功率變化不明顯，與無煙氣再循環(huán)時(shí)基本一致，但該方案再循環(huán)風(fēng)機(jī)布置在省煤器后，其煙氣粉塵質(zhì)量濃度較高，再循環(huán)風(fēng)機(jī)的磨損情況較為嚴(yán)重，其葉片壽命較方案二下降了約28%。方案二的煙氣抽出點(diǎn)為引風(fēng)機(jī)出口煙道，再循環(huán)煙氣溫度約為117 ℃，進(jìn)入相關(guān)輔機(jī)的煙氣量會增加，約為方案一的1.1倍，且排煙溫度也會隨煙氣再循環(huán)率的增加而顯著升高，因此方案二的除塵效率較無煙氣再循環(huán)時(shí)下降了約0.03%，引風(fēng)機(jī)電動機(jī)功率增加了約10%，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)的耗電量也增加了約10%，該方案的再循環(huán)風(fēng)機(jī)布置在引風(fēng)機(jī)后，其運(yùn)行環(huán)境與引風(fēng)機(jī)相似，因此磨損情況較輕，風(fēng)機(jī)壽命較長。

綜上所述，方案一煙氣再循環(huán)系統(tǒng)較為簡單，輔機(jī)設(shè)備選型小，但對再循環(huán)風(fēng)機(jī)的要求較高；方案二煙氣再循環(huán)系統(tǒng)較為復(fù)雜且廠用電率比方案一大，但對再循環(huán)風(fēng)機(jī)要求較低。由于筆者研究的1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組本身就很龐大且熱力系統(tǒng)復(fù)雜，因此通過比較得出煙氣再循環(huán)系統(tǒng)簡單、廠用電率小的方案一更適合作為該鍋爐的煙氣再循環(huán)方案。

5 結(jié) 論

(1)通過煙氣再循環(huán)把再循環(huán)煙氣引入爐膛底部，可以顯著提高二次再熱鍋爐的再熱蒸汽溫度和主蒸汽溫度；隨著再循環(huán)煙氣量的增加，鍋爐的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度升高幅度增大，但排煙溫度也隨之升高，鍋爐效率下降；且隨著負(fù)荷的降低，再循環(huán)煙氣對再熱蒸汽溫度的影響程度增大。

(2)方案一與方案二相比：前者的排煙溫度升高幅度較小，鍋爐效率下降幅度不明顯。因此，方案一適合作為本鍋爐的煙氣再循環(huán)方案，且合理的煙氣再循環(huán)率為10%，即再循環(huán)煙氣量約為72.19 m3/s，可以為解決該鍋爐再熱蒸汽溫度偏低問題和機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化提供參考。

(3)從省煤器后抽取再循環(huán)煙氣，對電除塵器除塵效率和引風(fēng)機(jī)耗電量等運(yùn)行特性的影響較小，但對再循環(huán)風(fēng)機(jī)的磨損較嚴(yán)重，其葉片壽命較無煙氣再循環(huán)時(shí)下降了約28%；從引風(fēng)機(jī)后抽取煙氣，電除塵器除塵效率較無煙氣再循環(huán)時(shí)降低了約0.03%，引風(fēng)機(jī)耗電量增加了約10%，而再循環(huán)風(fēng)機(jī)的磨損較輕。