周 福

中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗研究院

0 引言

二次再熱是目前世界領(lǐng)先的燃煤發(fā)電技術(shù)，能夠有效提高火電機組熱效率，越來越多應(yīng)用于超超臨界660 MW、1 000 MW機組[1,2]。在同等機組容量下，機組熱效率較一次再熱機組提高2%左右[3]。二次再熱機組再熱汽溫主要有煙氣再循環(huán)、尾部煙氣擋板、燃燒器擺動3種調(diào)節(jié)方式，各調(diào)溫方式相互耦合作用[4]。響應(yīng)面法能夠利用有限次試驗，回歸擬合設(shè)計空間內(nèi)各因素與試驗結(jié)果間的函數(shù)關(guān)系，考慮了各因素間的耦合關(guān)系，并計算得出各因素的最優(yōu)水平與預(yù)測最優(yōu)響應(yīng)值。響應(yīng)面分析法最初應(yīng)用于擬合分析物理試驗，近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對響應(yīng)面分析法進行了大量研究，已逐漸發(fā)展為一種廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境、機械工程、化工、制藥等領(lǐng)域的優(yōu)化方法[5,6]。

本文以某1 000 MW超超臨界二次再熱π型鍋爐為研究對象，采用現(xiàn)場試驗方法研究各調(diào)溫方式對再熱汽溫的影響，并在此基礎(chǔ)上建立響應(yīng)面分析模型，研究各調(diào)溫方式的交互作用，以設(shè)計再熱汽溫為目標，尋找最佳的再熱汽溫優(yōu)化調(diào)整方案。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司研制開發(fā)的1 000 MW等級超超臨界二次再熱鍋爐。該鍋爐為二次中間再熱、超超臨界壓力變壓運行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流、單爐膛雙切圓、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置的π型鍋爐。

鍋爐采用螺旋管圈水冷壁，兩級再熱器出口蒸汽溫度均為623℃，尾部采用雙煙道布置形式，采用新型低NOx燃燒器+高位SOFA風(fēng)布置反向雙切圓燃燒方式，過熱器系統(tǒng)為三級布置，分別為分隔屏、后屏、末級過熱器，均布置在爐膛上部，采用煤水比調(diào)節(jié)汽溫，高、低壓再熱器系統(tǒng)均采用兩級布置，水平煙道分別布置高壓末級再熱器和低壓末級再熱器，尾部前煙道布置高壓低溫再熱器，尾部后煙道布置低壓低溫再熱器。再熱器系統(tǒng)采用煙氣再循環(huán)+尾部煙氣擋板+燃燒器擺動的組合式調(diào)溫方式，煙氣再循環(huán)為取自省煤器出口的熱煙氣再循環(huán)，不影響鍋爐效率及運行，為保證全負荷脫硝，采用省煤器分級的布置方案，預(yù)熱器采用兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

2 單因素試驗分析

針對某國內(nèi)首臺1 000 MW超超臨界二次再熱π型鍋爐，展開再熱汽溫調(diào)節(jié)手段影響的試驗研究，試驗采用單因素法，分別研究了煙氣再循環(huán)率、煙氣調(diào)節(jié)擋板開度、燃燒器擺角三個關(guān)鍵影響因素變化對主、再熱汽溫的影響，試驗在1 000 MW、750 MW、500 MW三個典型負荷點工況下進行。

2.1 煙氣再循環(huán)對蒸汽溫度的影響

根據(jù)試驗要求，結(jié)合機組實際運行經(jīng)驗，在1 000 MW、750 MW和500 MW三個典型負荷點，分別探究再循環(huán)風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速下鍋爐蒸汽參數(shù)的變化，即不同煙氣再循環(huán)率對鍋爐蒸汽參數(shù)影響試驗。試驗中，在各典型負荷下，煤質(zhì)、氧量、配風(fēng)方式、燃燒器擺角、煙氣擋板等均保持穩(wěn)定，僅調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。

通過控制鍋爐運行參數(shù)，得到機組在100%、75%、50%額定負荷工況下不同煙氣再循環(huán)率對鍋爐蒸汽溫度等參數(shù)的影響。

由圖1～圖3可知，機組在不同負荷下，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，鍋爐主蒸汽溫度不斷下降，一次再熱蒸汽溫度和二次再熱蒸汽溫度不斷上升。試驗結(jié)果表明，在1 000 MW負荷下，煙氣再循環(huán)率每提高1%，主蒸汽溫度降低0.3℃，一次再熱蒸汽溫度升高4.9℃，二次再熱蒸汽溫度升高7.5℃；750 MW負荷下，煙氣再循環(huán)率每提高1%，主蒸汽溫度降低0.6℃，一次再熱蒸汽溫度升高2.3℃，二次再熱蒸汽溫度升高3.7℃；500 MW負荷下，煙氣再循環(huán)率每提高1%，主蒸汽溫度降低0.6℃，一次再熱蒸汽溫度升高2.3℃，二次再熱蒸汽溫度升高2.7℃。負荷越高，煙氣再循環(huán)對一、二次再熱蒸汽的汽溫的影響越顯著。

圖1 不同煙氣再循環(huán)率對主、再熱蒸汽溫度的影響（500 MW）

圖3 不同煙氣再循環(huán)率對主、再熱蒸汽溫度的影響（1 000 MW）

圖2 不同煙氣再循環(huán)率對主、再熱蒸汽溫度的影響（750 MW）

各負荷下，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，主蒸汽溫度基本無變化。因為在實際運行中，煙氣再循環(huán)率較低時，為避免過熱器超溫，通過增大水冷壁流量及過熱器減溫水流量，維持過熱器出口蒸汽溫度。

2.2 再熱煙氣擋板對蒸汽溫度的影響

實際運行過程中，要求一、二次再熱煙氣擋板開度之和不低于120%，試驗中保持一、二次再熱煙氣擋板開度之和為120%，在1 000 MW、750 MW、500 MW三個典型負荷點，分別探究不同一次再熱煙氣擋板開度下（20%～100%）鍋爐蒸汽參數(shù)的變化，試驗中，在各典型負荷下，煤質(zhì)、氧量、配風(fēng)方式、燃燒器擺角、再循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速等均保持穩(wěn)定，僅調(diào)節(jié)煙氣擋板開度。試驗結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 不同一次再熱煙氣擋板開度對主、再熱蒸汽溫度的影響(500 MW）

圖5 不同一次再熱煙氣擋板開度對主、再熱蒸汽溫度的影響（750 MW）

圖6 不同一次再熱煙氣擋板開度對主、再熱蒸汽溫度的影響（1 000 MW）

在機組不同負荷下，隨著一次再熱煙氣擋板開度的提高，鍋爐主蒸汽溫度基本不變，一次再熱蒸汽溫度不斷上升，二次再熱蒸汽溫度不斷下降。由于隨著一次再熱煙氣擋板開度的提高，二次再熱煙氣擋板開度相應(yīng)下降，流經(jīng)一次再熱煙氣量提高，二次再熱煙氣量減小，但總的煙氣量基本不變，主汽溫度基本不變，一次再熱吸熱比例提高，二次再熱吸熱比例下降。

試驗結(jié)果表明，在1 000 MW負荷下，一次再熱煙氣擋板開度每提高10%，一次再熱蒸汽溫度升高2.5℃，二次再熱蒸汽溫度降低2.3℃；750 MW負荷下，一次再熱煙氣擋板開度每提高10%，一次再熱蒸汽溫度升高0.9℃，二次再熱蒸汽溫度降低1.3℃；500 MW負荷下，一次再熱煙氣擋板開度每提高10%，一次再熱蒸汽溫度升高1.9℃，二次再熱蒸汽溫度降低1.6℃。不同負荷下，一次再熱擋板變化對再熱汽溫的影響程度基本一致。

2.3 燃燒器擺角對蒸汽溫度的影響

鍋爐設(shè)計中，以水平位置為基準，燃燒器擺動角度范圍為-20°～20°，TRL及BMCR工況燃燒器置于水平位置，其他工況燃燒器上擺，負荷越低，燃燒器上擺角度越大。實際運行過程中，燃燒器上擺一定角度對主、再熱汽溫控制有利。在1 000 MW、750 MW、500 MW三個典型負荷點，分別探究不同燃燒器擺角下（0°～20°）鍋爐蒸汽參數(shù)的變化，試驗中，在各典型負荷下，煤質(zhì)、氧量、配風(fēng)方式、煙氣擋板開度、再循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速等均保持穩(wěn)定，僅調(diào)節(jié)燃燒器擺角。試驗結(jié)果見圖7～圖9。

圖8 不同燃燒器擺角對主、再熱蒸汽溫度的影響（750 MW）

圖9 不同燃燒器擺角對主、再熱蒸汽溫度的影響（1 000 MW）

試驗結(jié)果表明，在1 000 MW負荷下，燃燒器擺角每上擺10°，一次再熱蒸汽溫度升高5.4℃，二次再熱蒸汽溫度升高2.2℃；750 MW負荷下，燃燒器擺角每上擺10°，一次再熱蒸汽溫度升高6.1℃，二次再熱蒸汽溫度升高3.5℃；500 MW負荷下，燃燒器擺角每上擺10°，一次再熱蒸汽溫度升高9.5℃，二次再熱蒸汽溫度升高10.6℃。低負荷下，燃燒器擺角對再熱器吸熱量的影響更加明顯，對再熱汽溫的調(diào)節(jié)性能更佳。

3 響應(yīng)面試驗分析

3.1 多項式回歸模型建立

在單因素試驗基礎(chǔ)上，充分考慮各因素之間的相互作用，以一次（t1）、二次再熱出口汽溫（t2）為響應(yīng)值，煙氣再循環(huán)率（A）、一次再熱煙氣擋板開度（B）、燃燒器擺角（C）為自變量對再熱汽溫調(diào)整過程進行3因素3水平的響應(yīng)面試驗分析，5次重復(fù)試驗，進行17組試驗。試驗因素水平見表1，試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面變量因素水平表

表2 1 000 MW工況再熱汽溫響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

響應(yīng)面分析使用Design-Expert軟件進行繪圖和試驗數(shù)據(jù)分析，通過對模型顯著性檢測、相關(guān)性檢驗的數(shù)據(jù)進行對比，得到再熱汽溫與各單因素之間的響應(yīng)面二次多項式回歸模型為：

各因素相互間影響如圖10和圖11所示。圖中，固定某一因素不變，觀察再熱汽溫隨另一因素的變化情況。

由圖10可見，對一次再熱出口汽溫而言，煙氣再循環(huán)率對其影響最顯著，一次再熱煙氣擋板開度影響次之，燃燒器擺角影響相對較小，這與回歸模型（1）各變量系數(shù)大小一致。因此，對一次再熱出口汽溫而言，顯著性排序：煙氣再循環(huán)率＞一次再熱煙氣擋板開度＞燃燒器擺角＞煙氣再循環(huán)率×燃燒器擺角＞煙氣再循環(huán)率×一次再熱煙氣擋板開度＞一次再熱煙氣擋板開度×燃燒器擺角（其中“×”表示交互作用）。

圖10 各因素交互作用對一次再熱出口汽溫的影響

與此類似，從圖11可以得到，對二次再熱出口汽溫而言，顯著性排序：煙氣再循環(huán)率＞一次再熱煙氣擋板開度＞燃燒器擺角＞煙氣再循環(huán)率×一次再熱煙氣擋板開度＞煙氣再循環(huán)率×燃燒器擺角＞一次再熱煙氣擋板開度×燃燒器擺角。

圖11 各因素交互作用對二次再熱出口汽溫的影響

采用類似的辦法，分別構(gòu)建750 MW及500 MW工況響應(yīng)面二次多項式回歸模型：

3.2 再熱汽溫調(diào)整尋優(yōu)

依據(jù)各負荷工況響應(yīng)面二次多項式回歸模型，以各工況一次、二次再熱汽溫設(shè)計值為優(yōu)化目標，建立愿望函數(shù)（desirability function）優(yōu)化，得到再熱汽溫最優(yōu)調(diào)整方案并預(yù)測一次、二次再熱出口汽溫值。各負荷工況優(yōu)化結(jié)果見表3～表5，表中愿望值越接近1，方案越好，結(jié)果越可靠。

表3 1 000 MW負荷工況優(yōu)化結(jié)果

表5 500 MW負荷工況優(yōu)化結(jié)果

為驗證預(yù)測結(jié)果準確性，在1 000 MW、750 MW、500 MW負荷下分別開展平行工況驗證試驗。以1 000 MW負荷試驗為例加以說明，試驗中開展3次平行試驗，煙氣再循環(huán)率10%，一次再熱煙氣擋板開度50%，燃燒器擺角20°，3次試驗結(jié)果一次再熱出口汽溫均值623.8℃，二次再熱出口汽溫均值621.5℃，誤差在1℃以內(nèi)。750 MW及500 MW負荷下再熱汽溫預(yù)測值與試驗值偏差均在2℃以內(nèi)，表明各負荷工況響應(yīng)面二次多項式回歸模型能夠比較可靠地優(yōu)化再熱汽溫調(diào)整方案，并能夠有效預(yù)測達到的一次、二次再熱汽溫。

在機組隨AGC響應(yīng)的負荷段，建立響應(yīng)面試驗分析數(shù)據(jù)集，以設(shè)計一次、二次再熱出口汽溫為目標值，應(yīng)用愿望函數(shù)優(yōu)化，提供可供選擇的再熱汽溫優(yōu)化調(diào)整方案指導(dǎo)運行調(diào)整，提高機組運行經(jīng)濟安全性。

4 結(jié)論

從現(xiàn)場試驗的角度，采用單因素及響應(yīng)面分析方法，分析煙氣再循環(huán)、再熱煙氣擋板、燃燒器擺角等關(guān)鍵因素對一次、二次再熱汽溫的影響，得出以下結(jié)論：

1）隨著煙氣再循環(huán)率的提高，鍋爐主蒸汽溫度不斷下降，一次再熱蒸汽溫度和二次再熱蒸汽溫度不斷上升。負荷越高，煙氣再循環(huán)對一、二次再熱

汽溫的影響越顯著。

表4 750 MW負荷工況優(yōu)化結(jié)果

2）隨著一次再熱煙氣擋板開度增大，主汽溫度基本不變，一次再熱出口汽溫提高，二次再熱出口汽溫下降。

3）隨著燃燒器擺角上擺，一次、二次再熱汽溫升高。在低負荷下，燃燒器擺角對再熱器吸熱量的影響更為明顯，對再熱汽溫的調(diào)節(jié)性能更佳。

4）利用Design expert軟件，對試驗數(shù)據(jù)處理、分析，建立再熱汽溫響應(yīng)面二次多項式回歸模型，并以再熱汽溫設(shè)計值為優(yōu)化目標，得到最優(yōu)再熱汽溫調(diào)整方案，指導(dǎo)運行調(diào)整。