1 000 WM超超臨界鍋爐空氣動力場及爐膛溫度試驗研究

鄧文儉，申 旭，王傳帥，劉 銳，劉希健

（山東中實易通集團有限公司，濟南 250002）

0 引言

天津國投津能發(fā)電有限公司2×1 000 MW機組，其1號爐為上海鍋爐廠有限公司引進ALSTOM（美國）技術生產的國內第一臺超超臨界變壓直流煤粉爐，型號為SG-3102/27.46-M532的單爐膛、雙切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型煤粉鍋爐，設計煤種為平朔安太堡煤，校核煤種為晉北煙煤、云峰混煤。

爐膛寬度34 290 mm，爐膛深度15 544.8 mm，水冷壁下集箱標高為7 500 mm，爐頂管中心標高為74 860 mm。爐膛由膜式壁組成。爐底冷灰斗角度為55°，從爐膛冷灰斗進口集箱（標高7 500 mm）到標高51 966.5 mm處爐膛四周采用螺旋管圈，在此上方為垂直管圈。螺旋管圈與垂直管圈過渡采用中間混合集箱。

爐膛上部布置有分隔屏過熱器、后屏過熱器和末級過熱器，后煙井延伸部位布置有高溫再熱器。后煙井采用雙煙道布置，前煙道布置有低溫再熱器和省煤器，后煙道布置有低溫過熱器。

前后煙道省煤器下部布置有煙氣擋板用于調節(jié)再熱器汽溫。

制粉系統(tǒng)為中速磨（MPS275）正壓直吹式制粉系統(tǒng)，正常運行時，制粉系統(tǒng)5套運行，一套備用；48只直流燃燒器分6層布置于爐膛中下部，在爐膛中呈反向雙切圓方式燃燒；每臺磨煤機的出口由4根煤粉管接至布置在鍋爐前后墻的4個分配器，再一分為二接至爐膛8角的同一層8個煤粉噴嘴，鍋爐MCR和ECR負荷時均投5層，1層備用。煤粉細度R90=19%，均勻系數(shù)1.0～1.1。

過熱器汽溫通過煤水比調節(jié)和三級噴水來控制。再熱器汽溫采用尾部煙道擋板和燃燒器擺角調節(jié)來控制，低溫再熱器出口管道上設置有微量事故噴水，微量事故噴水取自給水泵中間抽頭。

1 鍋爐技術參數(shù)

鍋爐的主蒸汽和再熱蒸汽的壓力、溫度、流量等要求與汽輪機的參數(shù)相匹配。鍋爐出口蒸汽參數(shù)為27.46 MPa（g）/605℃/603℃。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為3 102 t/h，與汽輪機的VWO工況相匹配（表1）。

表1 鍋爐主要設計參數(shù)

表2 煤質特性

表3 燃料灰渣特性

2 燃燒系統(tǒng)及其特點

燃燒方式采用從阿爾斯通（美國）能源公司引進的擺動式反向雙切圓方式燃燒技術。

表4 燃燒器的設計參數(shù)（BMCR，設計煤種）

2.1 燃燒器布置

燃燒器主風箱設有6層強化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風（周界風），在每相鄰2層濃煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風噴嘴，其中包括上下2只偏置的CFS噴嘴，1只直吹風噴嘴。在主風箱上部設有2層緊湊型燃盡風（CCOFA）噴嘴，在主風箱下部設有1層火下風（UFA）噴嘴。在主風箱布置5層可水平擺動分離燃盡風（SOFA）噴嘴。

連同煤粉噴嘴的周界風，每角主燃燒器和SOFA燃燒器各有二次風擋板25組，均由氣動執(zhí)行器單獨操作。主燃燒器和SOFA燃燒器均可以上下擺動，以滿足鍋爐汽溫調節(jié)的需要。

2.2 燃燒系統(tǒng)設計特點

燃燒系統(tǒng)的核心是采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNCFS），其主要機理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。二次風射流基本平行進入爐膛，推遲了一、二次風的初期混合，加強了空氣分級的效果，早期混合并不強烈，煤粉火焰是一種邊燃燒邊同二次風混合的擴散火焰，因此形成了一種較長的火焰結構。LNCFS在降低NOx排放的同時，著重考慮提高鍋爐不投油低負荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率，在防止爐內結渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨特的效果。

LNCFS提高在爐膛不同的高度布置CCOFA和SOFA，將爐膛分成三個相對獨立的區(qū)域：初始燃燒區(qū)，NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū)。在每個區(qū)域的過量空氣其系數(shù)由總風量、CCOFA和SOFA風量進行調節(jié)分配，優(yōu)化每個區(qū)域的燃燒，以達到在有效降低NOx排放的同時，最大限度地提高燃燒效率。

通過調整SOFA和煙氣的混合過程，降低飛灰含碳量和一氧化碳含量。

另外，在每個主燃燒器下部設有1層火下風（UFA）噴嘴，通入部分空氣，以降低大渣含碳量。

LNCFS采用預置水平偏角的輔助風噴嘴（CFS）設計，在燃燒區(qū)域及上部水冷壁形成富氧區(qū)，能夠有效地防止爐內結渣和高溫腐蝕。

LNCFS采用可以水平擺動的SOFA噴嘴設計，可以控制爐膛出口煙溫偏差。

3 冷態(tài)空氣動力特性試驗

燃燒器切園找正結果為：兩個切園的安裝直徑均比設計值大。其中1～3號對角的直徑比設計值大138 mm；2～4號方向大121 mm，且向3號偏移；5～7號對角的直徑比設計值大104 mm；2～4號方向大102 mm，位于爐膛中央，不偏斜。

為了摸清該爐的空氣動力特性，為熱態(tài)啟動、調試和運行提供技術數(shù)據(jù)，檢查鍋爐及輔機設備，了解其狀態(tài)和調節(jié)機構、自動裝置及控制儀表的情況，進行了冷態(tài)空氣動力特性試驗。

3.1 試驗條件

測點加工、安裝完畢。試驗儀器齊全、好用。

煙風系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)的各擋板開關方向正確、靈敏，可遠方操作。要求內、外一致，就地與DCS顯示一致。

燃燒器二次風風門開關靈活，指示正確，要求內、外一致，就地與DCS顯示一致。

磨煤機、分離器、原煤倉等設備內部雜物清理完畢。

噴燃器擺動執(zhí)行機構安裝調整結束，每組噴燃器角度與噴燃器實際角度已調整一致。

燃燒器擺角調整到水平位。

爐內平臺安裝完畢。平臺全部鋪實；如果平臺與爐膛四周間隙大，周圍必須有欄桿 。

爐內處有足夠的照明。

在平臺上方1.5 m的位置，用4號鐵絲拉十字線；十字線上每隔500 mm用膠布粘帖，膠布尾長度50 mm。

目前民航機場道面主要采用具有較強的承受豎向沖擊荷載能力的混凝土剛性道面，當前機場道面混凝土板的設計主要采用以規(guī)范為依據(jù)的經驗設計方法[6]。機場道面混凝土板的使用年限為30年，但經常未到使用年限，機場道面混凝土就會出現(xiàn)病害[7]，可能的原因是在計算中未充分估計地基與基礎在沖擊荷載作用下變形與應力。為了探究彈性地基上混凝土板在沖擊荷載作用下的受力及變性特征，本文采用非線性有限元方法，研究了彈性半空間地基上筏板基礎的豎向沖擊作用，可為分析道路或建筑物基礎板在沖擊荷載作用的力學響應提供參考。

燃燒器入口一次風閘板門在全開位。

一、二次風均勻性試驗完成。

3.2 動力場試驗

試驗時2臺空預器、一次風機、送風機、引風機運行。A一次風機開度74.7%，電流167.0 A；B一次風機開度81.4%，電流167.2 A；一次風壓力8.652 kPa；A送風機開度70.8%，電流96.7 A；B送風機開度71.5%，電流98.1 A；送風機出口壓力1.685 kPa；A引風機開度51.7%，電流266.8 A；B引風機開度46.7%，電流271.2 A；維持爐膛負壓-50～-80 Pa。燃燒器傾角在水平位置，二次風檔板開度為100%。

圖1 爐內空氣動力場強風環(huán)示意圖

冷態(tài)空氣動力場試驗結果表明：

1）1～4號強風環(huán)橢圓11.0 m×9.5 m； 強風環(huán)偏前墻約0.5 m。 5～8號強風環(huán)橢圓12.0 m×9.0 m；強風環(huán)位于爐膛中央，不偏斜。

2）1～4號切園無風區(qū)直徑1.5 m×1 m，5～8號切園無風區(qū)直徑2 m×1 m。氣流充滿度良好，有利于鍋爐的穩(wěn)定燃燒。

4）1～4號強風環(huán)偏前墻和后右側墻風速偏高，加之爐膛寬深比太大，極易引起煙溫和汽溫偏差。

4 爐膛溫度測量

爐膛溫度的高低，不但是爐膛燃燒狀況的反映，還反映出爐內的結焦、積渣情況，并進一步會影響到過熱汽和再熱汽溫度。由于在個別的看火孔處發(fā)現(xiàn)有輕微結焦情況，為了了解和研究鍋爐的燃燒和爐內結焦狀況，對燃燒器區(qū)域及分隔屏下部的看火孔處的爐膛溫度進行了測量。

4.1 分割屏進口處煙氣溫度測量

分別在600 MW、800 MW和1 000 MW負荷工況下，測量了分割屏入口處的煙氣溫度。

表5 爐膛及過熱器處煙氣設計溫度 ℃

曲線1分割屏進口處煙氣溫度

根據(jù)分隔屏進口處煙氣溫度測量的數(shù)據(jù)，在1 000 MW負荷下，分隔屏進口處的煙氣平均溫度為1 132.5℃，與BECR工況下的設計值1 127℃非常接近，左右兩側煙氣溫度偏差在30℃以內，溫度對稱性良好；主汽溫度溫度在600～605℃，沒有出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，所有受熱面的金屬壁溫都在報警值以下。說明爐內的燃燒和換熱正常，肯定沒有發(fā)生較大面積的結焦。但接近爐膛中央位置的第6點、第7點位置溫度較高，達到1 180℃。其溫度較高的原因分析為：由于是雙切園燃燒方式，類似于在爐膛存在兩個“柱狀”火焰中心，而兩個“柱狀”火焰中心對爐膛中間部位均產生輻射傳熱，亦即爐膛的中間部位受到雙重熱輻射，因此爐膛的中間部位的溫度比一般的單爐膛更高，這也是燃燒器區(qū)域爐膛中間某些看火孔處輕微結焦的原因。

圖2 600 MW負荷時SOFA風下層看火孔處的爐膛溫度

4.2 SOFA風下層看火孔處爐膛溫度測量

分別在600 MW、800 MW和1 000 MW負荷工況下，測量了SOFA風下層看火孔處的爐膛溫度。

圖3 800 MW負荷時SOFA風下層看火孔處的爐膛溫度

從圖中可以看出，在SOFA風下層看火孔處，中間位置的爐膛溫度最高。在1 000 MW負荷時，前、后墻中間位置的爐膛溫度高大1 450℃，如此高的溫度，當燃用校核煤種1（晉北煤）或混煤燃燒時，肯定有部分灰渣粘結在水冷壁上，造成輕微結焦。

為了減輕局部結焦，進行了配風調整。如CCOFA的A、B層風門控制由100%調整為50%；SOFA 風的A、B層由35%調整為60%，E、D、F全關；燃料風（周界風）由35%調整為40%，但就地觀察結焦情況變化不大，爐膛溫度也基本沒有變化。其實，局部結焦根本原因是由爐內動力場的狀況和爐膛溫度決定的。

5 結束語

該爐采用的雙切園直流燃燒器、低NOx同軸燃燒系統(tǒng)，在降低爐膛出口煙溫偏差方面具有獨特的效果。主汽、再熱汽溫度均正常，沒有出現(xiàn)超溫、偏差異常等現(xiàn)象，所有受熱面在各種運行工況下的金屬壁溫都在報警值以下。但由于燃燒器安裝的切園直徑均為正偏差，造成空氣動力場強風環(huán)較大，爐墻的貼壁風速較高，再加上雙切園燃燒方式爐膛的中間部位受到兩個“火柱”的熱輻射，使爐膛中間部位的溫度更高，導致局部輕微結焦。建議利用機組大修的機會，按照鍋爐設計要求，對燃燒器的安裝直徑進行重新校正、調整。

圖4 1 000 MW負荷時SOFA風下層看火孔處的爐膛溫度