項岱軍,王煜偉,王小華,王 衡

(1.國家能源集團(tuán)江蘇電力有限公司,江蘇 南京 210036;2.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司,江蘇 蘇州 215153;3.上海望特能源科技有限公司,上海 200245)

0 引言

大型燃煤鍋爐無論何種燃燒方式,都會發(fā)生燃燒產(chǎn)物的能量不平衡,影響工質(zhì)吸熱的均勻性。尤其對于切向燃燒方式鍋爐而言,由于殘余旋轉(zhuǎn)的存在,造成沿?zé)煹缹挾确较虻臒熕俸蜔煖仄?當(dāng)與工質(zhì)吸熱偏差迭加后熱偏差進(jìn)一步增大,進(jìn)而引發(fā)高溫受熱面的超溫爆管[1-2]。針對這一難題,國內(nèi)的鍋爐廠和相關(guān)研究機構(gòu),通過?；囼灪瓦x擇性地實爐驗證,并采取升級受熱面管材等級、上部二次風(fēng)或三次風(fēng)反切、一次風(fēng)反切微偏轉(zhuǎn)和爐膛出口“零旋強”準(zhǔn)則等方式緩解煙氣側(cè)煙速和煙溫偏差。其中,燃盡風(fēng)反切消旋技術(shù)作為調(diào)整偏差的主要手段,獲得了廣泛應(yīng)用和關(guān)注[3-5]。

除上述煙氣側(cè)采取的相關(guān)措施外,上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所的相關(guān)研究人員提出,由進(jìn)口集箱中渦流區(qū)靜壓降低引起的屏間流量不均勻和由受熱面管材受熱長度、蒸汽流量以及各種輻射和對流吸熱不均勻引起的同屏各管間的熱偏差等也是造成受熱面管超溫爆管的重要因素[6-10]。針對這一問題,研究人員在設(shè)計時采取(1)在同一片管屏中吸熱小的管中加裝節(jié)流圈減小蒸汽流量;(2)同一片屏的一根或幾根外圈管下部短路,縮短受熱長度,增大蒸汽流量;(3)調(diào)整管屏出口集箱內(nèi)徑和三通在集箱中的位置,減小渦流區(qū)蒸汽靜壓降低對屏間流量的影響等手段,有效地緩解了汽溫偏差。

實際運行過程中,機組的熱負(fù)荷偏差隨著負(fù)荷、煤種、運行參數(shù)、投運燃燒器的數(shù)量和位置的變化而變化,給機組的安全穩(wěn)定調(diào)控造成了一定的難度?，F(xiàn)有常見的煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)調(diào)整方法是機組遇到熱偏差問題時,進(jìn)行冷態(tài)空氣動力場和熱態(tài)燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗,調(diào)試單位借助專業(yè)儀器儀表測試的空氣溫度和流量數(shù)據(jù)、煤粉混合物速度、濃度和細(xì)度數(shù)據(jù)、爐膛及尾部煙道煙氣溫度、煙氣成分和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的調(diào)整,短期內(nèi)效果顯著,緩解了兩側(cè)的熱負(fù)荷偏差。但當(dāng)煤種、設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時,運行人員通過少量的在線檢測參數(shù)無法做出正確的調(diào)整決策,從而導(dǎo)致了受熱面管壁的超溫,危及機組的安全運行。因此,亟需發(fā)展一種在線監(jiān)測技術(shù)指導(dǎo)運行人員開展在線的運行優(yōu)化調(diào)整,保證機組的安全運行。

大容量電站鍋爐過、再熱器的受熱條件和流動工況非常復(fù)雜,爐膛出口煙溫測點插入深度又太短,同時還受到冷面輻射的影響,所測溫度并不能真實地反映偏差屏位置的煙溫偏差。鍋爐上裝設(shè)的爐外溫度測點也難以用來準(zhǔn)確推算偏差管爐內(nèi)各點的壁溫值。因此,將爐外溫度測量數(shù)據(jù)與運行參數(shù)相結(jié)合,在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地實時計算出爐內(nèi)壁溫是實現(xiàn)壁面溫度在線監(jiān)測的關(guān)鍵。

鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測系統(tǒng)(Panel Safeguard Supervisory System,簡稱PSSS)是基于王孟浩教授及其團(tuán)隊獨創(chuàng)的鍋爐過、再熱器熱偏差及爐管壁溫計算方法并結(jié)合電廠運行管理需要而開發(fā)的,根據(jù)每臺鍋爐的具體結(jié)構(gòu)、熱力數(shù)據(jù)結(jié)合鍋爐實際運行工況專門開發(fā)的過、再熱器安全經(jīng)濟的專家在線管理系統(tǒng)[11-12]。該系統(tǒng)以在線爐內(nèi)壁溫計算和在線壽命損耗計算為核心,采用在線動態(tài)實時顯示技術(shù),從電廠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如DCS、SIS和MIS系統(tǒng))讀取所需數(shù)據(jù),經(jīng)過計算,動態(tài)顯示爐內(nèi)每根管沿長度各點的汽溫、壁溫、壽命損耗、高溫管屏的煙溫偏差以及沿?zé)煹缹挾鹊奈鼰崞畹萚13]。系統(tǒng)可實現(xiàn):(1)根據(jù)新鍋爐的設(shè)計數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu),預(yù)測受熱面的最大熱偏差管和最高管壁溫度點;(2)對運行鍋爐,通過可視化顯示,實時監(jiān)測受熱面管壁溫度狀況,特別對最大熱偏差管及最危險段的壁溫工況進(jìn)行量化監(jiān)督。

在鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上,本文提出一種基于吸熱偏差分析的運行優(yōu)化調(diào)整技術(shù),該技術(shù)通過獲得受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數(shù),指導(dǎo)運行人員開展在線的運行優(yōu)化調(diào)整。介紹了鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本計算原理,進(jìn)一步開展對切圓燃燒和對沖燃燒方式下熱偏差系數(shù)的單因素對比試驗研究。

1 鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測系統(tǒng)計算原理

計算受熱面管是否超溫及壽命損耗的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確計算受熱面管的爐內(nèi)壁溫,每一點的汽溫和壁溫受到蒸汽流動和輻射、對流傳熱的影響。PSSS系統(tǒng)考慮了實際運行工況的屏間和同屏吸熱偏差、蒸汽流量偏差、屏前、屏后、屏中及屏下的輻射、對流傳熱偏差以及受熱面管阻力系數(shù)偏差等因素,建立傳熱計算模型。

管組中任一個管段i的焓增計算式為

(1)

式中 Δii——管段i的焓增/kJ·kg-1;

Kr、Kh——寬度和高度吸熱偏差系數(shù);

E0——面積折算系數(shù);

d——管子外徑/m;

li——計算管段長度/m;

Di——蒸汽流量/kg·h-1;

qf——屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負(fù)荷/W·m-2;

pi——屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負(fù)荷偏差系數(shù);

qp、qd——屏間輻射和對流熱負(fù)荷/W·m-2;

ε1i、ε2i——屏間輻射和對流熱負(fù)荷偏差系數(shù)。

計算點的汽溫計算式,可表示為

t=tj+∑Δii/R

(2)

式中t——計算點的蒸汽溫度/K;

tj——計算管進(jìn)口溫度/K;

R——蒸汽比熱/kJ·(kg·K)-1。

計算點的壁溫計算式為

(3)

式中tb——計算點的壁溫/K;

β——管徑比;

J——熱均流系數(shù);

α2——管內(nèi)蒸汽對管壁的放熱系數(shù)/W·(m2·K)-1;

qm——管壁換熱量/W·m-2;

δ——管壁厚度/m;

λ——金屬導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1。

得到每根管的爐內(nèi)壁溫數(shù)據(jù)后,就可以算出沿?zé)煹缹挾鹊臒嶝?fù)荷偏差和同片屏各管熱偏差,并通過圖像的形式實時顯示出來,進(jìn)而指導(dǎo)運行優(yōu)化調(diào)整。

為指導(dǎo)機組的燃燒調(diào)整,PSSS系統(tǒng)中以直觀的圖形方式繪制了各級受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數(shù)Kr曲線,圖1為某電廠PSSS系統(tǒng)中某工況下二級再熱器吸熱偏差曲線示意圖。圖中的再熱器共計44片屏,每片屏24根管。從圖1可見,受切圓殘余旋轉(zhuǎn)的影響,吸熱偏差曲線呈現(xiàn)不規(guī)則馬鞍型分布,左側(cè)偏差最大屏出現(xiàn)在第2屏,Kr為1.10,右側(cè)偏差最大屏出現(xiàn)在第41屏,Kr為1.08,管組左右側(cè)吸熱量之比為1.01,左右側(cè)最大Kr平均值為1.09,距離控制目標(biāo)值1.20有一定的安全余量,表明受熱面吸熱較均勻。

圖1 二級再熱器吸熱偏差曲線

2 吸熱偏差分析技術(shù)的應(yīng)用

2.1 切圓燃燒方式的燃燒優(yōu)化調(diào)整

某電廠2×1 000 MW超超臨界機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的塔式鍋爐。鍋爐采用變壓運行螺旋管圈設(shè)計,單爐膛、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)。設(shè)計燃用神府東勝煤,沿?zé)煔饬鞒痰氖軣崦娌贾庙樞驗?一級過熱器(逆流)、三級過熱器(順流)、高溫再熱器(順流)、二級過熱器(逆流)、低溫再熱器(逆流)和省煤器(順流),全部受熱面管水平布置。

在機組電負(fù)荷穩(wěn)定運行時,通過調(diào)整鍋爐運行方式,如改變鍋爐總風(fēng)量(小風(fēng)量:1 700 t/h、大風(fēng)量:2 000 t/h)、調(diào)整SOFA(分離燃盡風(fēng))風(fēng)量(#1和#2角全關(guān)、#1和#2角部分開啟)、磨煤機組合方式(分別停A、B、C、D、E和F磨煤機)、減溫水量(三級過熱器減溫水量:20.4 t/h、80.7 t/h)等,考察PSSS系統(tǒng)計算獲得的三級過熱器屏間吸熱偏差系數(shù)的變化趨勢與燃燒理論分析結(jié)果是否一致,以檢驗PSSS系統(tǒng)對煙氣熱負(fù)荷分布曲線檢測結(jié)果定性趨勢的準(zhǔn)確性。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 鍋爐總風(fēng)量調(diào)整試驗結(jié)果

表2 鍋爐SOFA風(fēng)量調(diào)整試驗結(jié)果

表3 磨煤機組合方式調(diào)整試驗結(jié)果

表4 鍋爐減溫水量調(diào)整試驗結(jié)果

從表1～表4中,各個因素的調(diào)整對三級過熱器熱負(fù)荷分布曲線變化趨勢的影響可以看出,總風(fēng)量和噴水量變化時,煙氣熱負(fù)荷分布曲線變化不明顯;SOFA風(fēng)量和磨煤機組合方式的調(diào)整對煙氣熱負(fù)荷分布曲線的影響較大。這是因為總風(fēng)量和噴水量變化時,并未從根本上改變各級受熱面管屏間的吸熱份額和管內(nèi)流量的分配狀況,因此,這兩個因素的調(diào)整對煙氣熱負(fù)荷分布曲線的影響不大。

由于主燃燒區(qū)氣流為正切,SOFA風(fēng)氣流為反切,隨著SOFA風(fēng)量的增加,燃盡區(qū)消旋的效果加強,熱負(fù)荷分布更加均勻,屏間吸熱偏差系數(shù)減小。當(dāng)磨煤機組合方式發(fā)生變化時,不同磨煤機出口各個角的粉量存在著差異,燃燒器區(qū)域的氣流旋度和燃盡風(fēng)的消旋的效果會發(fā)生變化,對屏間吸熱偏差系數(shù)影響很大。

可見,PSSS系統(tǒng)計算獲得的屏間吸熱偏差系數(shù)的變化趨勢與燃燒理論分析結(jié)果基本吻合。根據(jù)它可指導(dǎo)運行人員調(diào)整鍋爐配風(fēng)等運行方式,降低屏間吸熱偏差,以減小超溫爆管的風(fēng)險。

2.2 對沖燃燒方式的燃燒優(yōu)化調(diào)整

某電廠1 036 MW的DG-3000/26.15-II1型超超臨界鍋爐采用變壓運行螺旋管圈設(shè)計,單爐膛П型布置,前后墻對沖分級燃燒方式、擋板調(diào)溫、平衡通風(fēng)。鍋爐設(shè)計燃用神府東勝煤,正壓直吹式制粉系統(tǒng)。配有六臺中速磨煤機,五臺投運、一臺備用。

在爐膛前后墻分三層布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃燒器,每層布置8只,共有48只燃燒器。在前后墻距最上層燃燒器噴口—定距離布置燃盡風(fēng)噴口(OAP),每層10只。在爐膛上部和水平煙道中沿?zé)煔饬鞒痰氖軣崦娌贾庙樞驗?屏式過熱器、末級過熱器和高溫再熱器。

試驗以電廠2號鍋爐屏式過熱器為研究對象,采集屏式過熱器前后的蒸汽溫度、燃盡風(fēng)量,驗證磨煤機組合運行方式(停前墻上層A磨和停后墻上層D磨)和OFA風(fēng)量的調(diào)整與屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性。運行人員以此為依據(jù),調(diào)整鍋爐運行方式,可以有效減小屏式過熱器前后管屏吸熱量偏差,避免屏過系統(tǒng)的大面積超溫。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5～表6所示。

表5 磨煤機組合方式調(diào)整試驗結(jié)果

表6 OFA風(fēng)量調(diào)整試驗結(jié)果

說明:屏式過熱器吸熱偏差系數(shù)表征屏式過熱器前后管屏的平均吸熱偏差,該系數(shù)大于1,表明屏式過熱器前管屏平均吸熱量大于后管屏,該系數(shù)小于1,表明屏式過熱器前管屏平均吸熱量小于后管屏。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出,磨煤機組合運行方式變化時,對屏式過熱器前后管屏的吸熱偏差影響很大。停A磨煤機時,屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)為1.1;停D磨煤機時,屏式過熱器前后管屏吸熱系數(shù)比為0.9。這主要是因為停A磨煤機(位于前墻)時,后墻總風(fēng)量高于前墻總風(fēng)量,火焰中心向前墻移動,屏式過熱器前管屏平均吸熱量大于后管屏;停D磨煤機(位于后墻)的規(guī)律則剛好相反。

從表6中 OFA風(fēng)量的變化對屏式過熱器前后管屏吸熱偏差的影響可以看出,當(dāng)前后墻燃盡風(fēng)同時降低,且后墻燃盡風(fēng)量的降低幅度超過前墻時,火焰中心往后移,屏式過熱器前管屏平均吸熱量小于后管屏,屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)由1.0降低至0.8。

PSSS系統(tǒng)計算獲得的屏式過熱器前后管屏吸熱偏差系數(shù)的變化趨勢與燃燒理論分析結(jié)果基本吻合。電廠運行人員根據(jù)屏式過熱器吸熱偏差系數(shù)了解前后管屏的吸熱量分布情況,判斷沿鍋爐深度方向煙氣熱負(fù)荷的偏移,相應(yīng)調(diào)節(jié)鍋爐配風(fēng)等運行方式,可以使火焰中心沿爐膛深度方向上分布均勻,避免部分受熱面超溫的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)針對常規(guī)的燃燒優(yōu)化調(diào)整手段,由于需要借助大量儀表測試數(shù)據(jù)指導(dǎo)運行調(diào)整緩解鍋爐燃燒的偏差,但無法滿足日常優(yōu)化調(diào)整的問題,本文提出了一種基于鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測系統(tǒng),獲得受熱面沿爐膛寬度方向屏間熱偏差系數(shù),以用于指導(dǎo)運行人員開展在線的運行優(yōu)化調(diào)整。

(2)通過對切圓燃燒和對沖燃燒方式下熱偏差系數(shù)的單因素對比試驗發(fā)現(xiàn),熱偏差系統(tǒng)可準(zhǔn)確反映爐內(nèi)燃燒的變化,且與燃燒理論分析結(jié)果吻合,能滿足日常優(yōu)化調(diào)整的需要。以鍋爐高溫管屏在線監(jiān)測系統(tǒng)的計算和監(jiān)測結(jié)果為依據(jù),合理調(diào)整鍋爐運行方式,可有效降低沿爐膛寬度和深度方向的吸熱偏差,避免運行中因管壁溫度偏差過大而發(fā)生爆管或被迫降參數(shù)運行的情況,提高了機組運行的安全性和經(jīng)濟性。