超臨界直流鍋爐冷態空氣動力場研究

汪潮洋，崔育奎

(1.河北省電力研究院，河北 石家莊 050021;2.華北電力大學，河北 保定 071003;3.河北國華定洲發電廠，河北 定州 073000)

0 引言

目前，我國新投超臨界600 MW等級及以上機組的鍋爐有相當一部分采用四角切圓燃燒技術。運行實踐表明，在這些鍋爐的水平煙道上普遍存在煙溫偏差，致使高溫過熱器、高溫再熱器不斷發生超溫爆管事故，嚴重威脅電站的安全、經濟運行。

多年來，對大容量鍋爐水平煙道中煙溫偏差(以下簡稱煙溫偏差)進行了許多研究，煙溫偏差有所改善。然而，由于對煙溫偏差產生的原因認識不足，煙溫偏差至今仍是電力安全生產中存在的主要問題，有必要總結分析有關研究成果，認識其規律，以便進一步改善四角切圓燃燒時的煙溫偏差。

1 系統概況

河北國華定洲發電廠二期工程2×660 MW機組所采用的鍋爐為上海鍋爐廠生產的SG－2150/25.4－M976型超臨界參數變壓運行直流爐，四角切向燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、半露天布置、全鋼構架、Π形布置。采用低NOx同軸燃燒系統LNCFS(Low NOxConcentric Firing System)。低NOx煤粉燃燒系統設計的主要任務是減少揮發分氮轉化成NOx，主要方法是建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術。LNCFS的主要組件為緊湊燃盡風(CCOFA)噴嘴、可水平擺動的分離燃盡風(SOFA)噴嘴、預置水平偏角的輔助風(CFS)噴嘴及強化著火(EI)煤粉噴嘴。

主風箱設有6層強化著火(EI)煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(周界風)。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風噴嘴，其中包括上、下2個偏置的CFS噴嘴及1個直吹噴嘴。在主風箱上部設有2層CCOFA噴嘴，在主風箱下部設有1層UFA噴嘴。在主風箱上部布置有SOFA燃燒器，包括5層可水平擺動的分離燃盡風(SOFA)噴嘴。連同煤粉噴嘴的周界風，每組主燃燒器和SOFA燃燒器各有二次風擋板25組，均由電動執行器單獨操作。為滿足鍋爐汽溫調節的需要，主燃燒器噴嘴采用擺動結構，由內、外連桿組成1個擺動系統，由1個電動執行器集中帶動做上、下擺動，二次風噴嘴的擺動范圍為±30°，煤粉噴嘴的擺動范圍為±20°。SOFA燃燒器同樣由1臺電動執行器集中帶動做上、下擺動，SOFA噴嘴可水平擺動調節爐膛出口煙溫偏差，水平擺動范圍為±15°。

燃燒器的主要設計參數(MCR工況):單個煤粉噴嘴輸入熱量，308.2×106kJ/h;爐膛寬度×深度，18816 mm ×18816 mm;一次風噴嘴偏置角度，4°;二次風噴嘴偏置角度，26°;二次風速度，56.8 m/s;二次風溫度，343℃;二次風率，75.7%;SOFA，30%;CCOFA，10%;周界風，10%;一次風速度(噴口速度)，25.4 m/s;一次風溫度，76.7℃;一次風率，18.4%;燃燒器一次風阻力，0.5 kPa;燃燒器二次風阻力，1.0 kPa。

2 冷態試驗及研究目的

爐內動力場組織的好壞，直接影響鍋爐的燃燒效率及爐膛出口煙氣分布情況，進而影響鍋爐的整體性能，因此，在開展動力場研究前對關鍵環節進行了深入的研究。

3 試驗過程及分析

3.1 一次風調平及結果

為使鍋爐同層一次風速相同，從而保證鍋爐熱態時燃燒中心居中，通過調整一次風管上的可調縮孔進行了同層一次風速調平試驗。調平前、后的試驗結果見表1，偏差均在±3%以下，優于質量標準規定值(≤±5%)。在準備一次風速調平試驗的過程中，盡可能減少冷態試驗和熱態時的偏差，在設計安裝調平測孔時，同層安裝位置均距離燃燒器較近且距離相等，保證測孔后到燃燒器的阻力一樣，減少了熱態時的偏差。

表1 冷態一次風速調平結果

3.2 燃燒器二次風擋板特性的測定

在大風箱風壓為1016 Pa時，選取A1，AB層進行了二次風擋板特性的測定(在二次風擋板開度分別為 0%，25%，50%，75%，100%開度下進行測定)。由二次風擋板特性數據曲線可以看出，二次風擋板工作正常，擋板開度的線性度較好，而且各風門擋板特性基本相似。在擋板全關的情況下，風速為5～15 m/s，仍有一定量的風在擋板全關時送入爐膛，驗證了在熱態試運時不投入燃燒器的情況下對應風門擋板全關而不會燒壞燃燒器噴口的設計理念，從而保證了燃燒調整時各風門擋板的同步性。

3.3 爐膛內空氣動力場的測定

由測量結果可以看出，在測量平面上，爐膛中心存在一個無風區或低風速區(以爐膛中心為圓心，半徑為3.8 m左右，風速在3 m/s以下)。而十字拉線上測得的最大風速處距爐膛中心距離分別為爐前7.2 m，爐后7.2 m，爐左6.6 m，爐右6.8 m，切圓居中，沒有偏心，平均切圓半徑為6.95 m，保證了熱態燃燒合理。

3.4 爐墻貼壁風速測量

為了摸清爐膛燃燒器區域是否存在貼壁、刷墻等現象，進行了貼壁風速的測定。由測定結果可以看出:爐墻貼壁風速較大處基本位于四面水冷壁的中心區域，基于中心區域呈正態分布。

3.5 爐膛出口水平煙道速度場分布的測定

此次動力場試驗重點進行爐膛出口氣流分布情況的測試，因此，在試驗過程中分3個工況對爐膛出口水平煙道速度場的分布進行了測定。

(1)工況1。將消旋二次風擋板全開，SOFA水平擺角為順時針15°，SOFA風射流角度與二次風旋流方向一致，左側平均風速為3.372 m/s，右側平均風速為3.051 m/s，左右偏差為0.321 m/s。速度分布如圖1所示。

圖1 爐膛出口風速分布圖(工況1)

(2)工況2。改變SOFA水平擺角至0°，爐膛出口左右偏差明顯變小，左側風速為3.346 m/s，右側風速為3.233 m/s，左右偏差為0.113 m/s。速度分布如圖2所示。

(3)工況3。改變 SOFA水平擺角至逆時針15°，爐膛出口左、右側風量基本平衡，左側風速為3.119 m/s，右側風速為 3.036 m/s，左右偏差為0.083 m/s。速度分布如圖3所示。

通過該項試驗可以看出:將SOFA水平擺角從順時針15°調整至逆時針15°，可以改變爐膛出口的旋流強弱，從右旋至基本平衡;在正常運行時，通過改變二次風的配比可以實現熱態偏差調整。

爐膛出口水平煙道速度場分布的測量結果見表2。

表2 爐膛出口水平煙道速度場分布的測量結果(從下往上)

4 結論

(1)通過新的技術手段，使冷態一次風調平試驗能有效地減少熱態時的偏差，鍋爐熱負荷均勻。

(2)通過試驗證明了鍋爐切圓大小合適，充滿程度好，無刷墻、貼壁現象。

(3)通過改變SOFA的風量及反切角度能有效改變爐膛出口氣流的分布，反切最大時，爐膛出口氣流分布均勻，能有效地調節熱態偏差。

(4)從表2可以看出，在爐膛出口垂直截面上，從下往上風速逐漸增加，爐右側增加幅度明顯大于爐左側，第6層以下左側平均風速高于右側，第6層以上右側風速基本高于左側。