一種電站鍋爐熱力計算的分析與修正方法

陳允馳

（山東能源內(nèi)蒙古盛魯電力有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

目前大型電站鍋爐過熱器和再熱器系統(tǒng)末級受熱面出口集箱的出口導(dǎo)管大都分為左、右兩根通往汽輪機(jī)。由于π 型切圓燃燒鍋爐在爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)大，煙溫、流場等不均勻現(xiàn)象嚴(yán)重影響了受熱面吸熱的均勻性。若兩根出口導(dǎo)管汽溫偏差過大，證明爐內(nèi)受熱面吸熱不均，不利于機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［1-4］。

《鍋爐機(jī)組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》中，沿?zé)煔饬鞒虒κ軣崦嬷鹨挥嬎悖浣Y(jié)果僅能體現(xiàn)某一級受熱面進(jìn)出口煙氣和工質(zhì)的溫度等參數(shù)的平均值［5］。對于普遍產(chǎn)生熱偏差問題的大型鍋爐在使用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱力計算時，實(shí)際計算結(jié)果并不能體現(xiàn)出左、右兩側(cè)的差異，也難以將計算結(jié)果與實(shí)際偏差問題相結(jié)合分析。

圖1 鍋爐主要受熱面布置

某660 MW 超超臨界切圓燃燒鍋爐主要受熱面布置如圖1 所示。末級過熱器布置于爐膛出口，其直接接收從出口煙窗投射的爐膛輻射熱和自身屏間煙氣的對流換熱。對熱換熱計算中的輻射放熱系數(shù)受屏間煙氣黑度影響，而煙氣黑度又直接與飛灰濃度相關(guān)。進(jìn)行假設(shè)性分析，將水平煙道分為左右兩半部分獨(dú)立計算，在對該鍋爐熱力計算基礎(chǔ)上，建立相關(guān)計算和校核模型，分別分析了左、右投射輻射和飛灰濃度差異對末級過熱器出口汽溫偏差的影響。

1 前方投射輻射熱偏差導(dǎo)致的汽溫偏差

實(shí)際運(yùn)行過程中，燃燒切圓組織不當(dāng)和各角一、二次風(fēng)量不均等問題都會導(dǎo)致火焰中心偏斜。當(dāng)投向末級過熱器左、右兩側(cè)的輻射熱不均勻時，由于兩側(cè)吸熱量不同，導(dǎo)致出口汽溫偏差。

1.1 計算及校核模型

假設(shè)認(rèn)為受熱面左、右進(jìn)出口煙氣溫度、煙氣流速和進(jìn)口工質(zhì)溫度等參數(shù)相等，僅前方投射的輻射熱存在偏差。當(dāng)該偏差使蒸汽溫升發(fā)生變化時，必將影響傳熱系數(shù)和傳熱溫壓，對對流換熱量產(chǎn)生影響，進(jìn)而又影響蒸汽實(shí)際溫升。但對于超超臨界鍋爐，由于蒸汽側(cè)熱阻小，蒸汽溫度的微小改變對總傳熱系數(shù)的影響可以忽略。因此，以傳熱溫壓為核心，對溫升偏差計算建立了校核模型，使結(jié)果精確度得到提高。

定義前方投射輻射偏差系數(shù)M，代表左側(cè)偏移到右側(cè)的輻射熱量與輻射熱均勻投射時煙道左半入口截面應(yīng)接受輻射熱量之比。當(dāng)M＞0 時，代表左側(cè)接收輻射熱量小于右側(cè)；當(dāng)M＜0 時，代表左側(cè)接收輻射熱量大于右側(cè)，因此，取-1≤M≤1。

產(chǎn)生輻射偏差后，計算流程如圖2 所示。左側(cè)計算公式如下。

接收輻射熱量為

式中：Qf為原該級受熱面接收前方投射的總輻射換熱量，kJ／kg。

估算總換熱量為

式中：Qdl為原該級受熱面總對流換熱量，kJ／kg。

估算溫升為

式中：t″為原出口蒸汽溫度，℃；t′為原進(jìn)口蒸汽溫度，℃；Qgz為原該級受熱面工質(zhì)總吸熱量，kJ／kg。

圖2 前方投射輻射差異導(dǎo)致汽溫偏差的計算流程

估算出口汽溫為

修正較小溫差為

式中：?″為受熱面出口煙氣溫度，℃。

修正傳熱溫壓為

修正對流換熱量為

式中：A 為該級受熱面總面積，m2；K 為傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；Δtd為較大溫差；Bj為計算燃料消耗量，kg／h。

修正總換熱量

溫升變化后該側(cè)工質(zhì)總吸熱量

式中：D 為該級受熱面工質(zhì)總流量，kg／h；hM″為估算出口溫度下蒸汽焓，kJ／kg；h′為原入口蒸汽焓，kJ／kg。

計算誤差為

若計算誤差大于2%，則返回修正估算溫升，重新校核出口煙氣溫度，再進(jìn)行假設(shè)性分析；若小于2%，則該側(cè)假設(shè)性分析結(jié)束，得到汽溫變化為

左側(cè)計算結(jié)束后，按照上述模型及選定系數(shù)M計算鍋爐右側(cè)汽溫變化值，該次計算中，只需將“接收輻射熱量”的計算公式改為

計算結(jié)束后可得到右側(cè)汽溫變化值tR，則該級受熱面總汽溫偏差為

1.2 相關(guān)計算

在對該660 MW 鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）和75%BMCR 工況的熱力計算基礎(chǔ)上，采用上述計算及校核模型，分析了系數(shù)M 對末級過熱器出口汽溫偏差的影響，結(jié)果如圖3 和表1 所示。

圖3 系數(shù)M 對汽溫偏差的影響

表1 投射輻射熱占總吸熱量份額 %

由圖3 看出，兩種工況下，汽溫偏差均隨M 增加而呈近線性增加，且75%BMCR 工況下偏差大于BMCR 工況。當(dāng)M 為0.4 時，75%BMCR 下偏差水平已接近10 ℃。表1 中列出了末級過熱器接收爐膛輻射熱占總吸熱量的份額，低負(fù)荷時略大于高負(fù)荷。因此份額越大，汽溫偏差對系數(shù)M 越敏感。

實(shí)際運(yùn)行中，由于布置在爐膛上部的分隔屏過熱器和后屏過熱器直接接受爐膛火焰輻射，應(yīng)加強(qiáng)對其汽溫偏差監(jiān)視。火焰中心的偏斜不僅會對水冷壁造成威脅，還會對爐膛上部和水平煙道受熱面汽溫偏差產(chǎn)生一定影響。

2 屏間飛灰濃度差異導(dǎo)致的汽溫偏差

π 型切圓鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，由于燃燒器區(qū)一、二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)上升和分離燃盡風(fēng)（SOFA）的消旋作用，以及折焰角處煙氣被迫轉(zhuǎn)向流動，導(dǎo)致爐膛出口區(qū)域流場較為復(fù)雜。煤粉進(jìn)入爐內(nèi)燃燒形成灰渣，末級過熱器所接收自身屏間煙氣的輻射換熱，主要是煙氣中的飛灰起主要作用。因此，當(dāng)末級過熱器左、右部分屏間的煙氣質(zhì)量飛灰濃度產(chǎn)生差異時，就會導(dǎo)致汽溫偏差。

2.1 計算及校核模型

本次假設(shè)認(rèn)為受熱面左、右進(jìn)出口煙氣溫度、流速、進(jìn)口工質(zhì)溫度等參數(shù)和接收爐膛輻射熱相等，僅飛灰在煙道左、右分布不均，即熱力計算過程中煙氣質(zhì)量飛灰濃度一項(xiàng)存在差異。該偏差將導(dǎo)致兩側(cè)煙氣黑度不同，進(jìn)而影響煙氣側(cè)輻射放熱系數(shù)，最終產(chǎn)生汽溫偏差。計算過程中采用同上文相同的思想對傳熱溫壓進(jìn)行修正，最終確定汽溫偏差值。

定義屏間煙氣質(zhì)量飛灰濃度偏差系數(shù)N，代表左側(cè)每千克煙氣對應(yīng)的飛灰中偏移到右側(cè)的份額。當(dāng)N＞0 時，代表左側(cè)飛灰偏向右側(cè)；當(dāng)N＜0 時，代表右側(cè)飛灰偏向左側(cè)，因此，取-1≤N≤1。

產(chǎn)生質(zhì)量飛灰濃度差異后，計算流程如圖3 所示。左（L）側(cè)計算公式如下。

煙氣質(zhì)量飛灰濃度為

式中：μy為原煙氣質(zhì)量飛灰濃度，kg／kg。

修正煙氣黑度為

圖4 飛灰濃度差異導(dǎo)致汽溫偏差計算流程

式中：kq為三原子氣體輻射減弱系數(shù)，1／（m·MPa）；r 為三原子氣體份額；kh為灰粒輻射減弱系數(shù)，1／（m·MPa）；p 為爐內(nèi)壓力，MPa；S 為末級過熱器間有效輻射層厚度，m。

修正輻射放熱系數(shù)為

式中：α0為條件輻射放熱系數(shù)，W／（m2·℃）。

修正傳熱系數(shù)為

式中：Ψ 為熱有效系數(shù)；αd為煙氣側(cè)對流放熱系數(shù)，W／（m2·℃）；α2為蒸汽側(cè)放熱系數(shù)，W／（m2·℃）。

估算總換熱量為

式中：Qf為原該級受熱面接收前方投射的總輻射換熱量，kJ／kg；A 為該級受熱面總面積，m2；Δt 為原傳熱溫壓，℃；Bj為計算燃料消耗量，kg／h。

估算溫升為

式中：t″為原出口蒸汽溫度，℃；t′為原進(jìn)口蒸汽溫度，℃；Qgz為原該級受熱面工質(zhì)總吸熱量，kJ／kg。

估算出口汽溫為

修正較小溫差為

式中：?″為受熱面出口煙氣溫度，℃。

修正傳熱溫壓為

修正總換熱量為

溫升變化后該側(cè)工質(zhì)總吸熱量為

式中：D 為該級受熱面工質(zhì)總流量，kg／h；hN″為估算出口溫度下蒸汽焓，kJ／kg；h′為原入口蒸汽焓，kJ／kg。

計算誤差為為

若計算誤差大于2%，則返回修正估算溫升，重新校核出口煙氣溫度，再進(jìn)行假設(shè)性分析；若小于2%，則該側(cè)假設(shè)性分析結(jié)束，得到汽溫變化為

左（L）側(cè)計算結(jié)束后，按照上述模型及選定系數(shù)N 計算鍋爐右（R）側(cè)汽溫變化值，該次計算中，只需將“煙氣質(zhì)量飛灰濃度”的計算公式改為

計算結(jié)束后可得到R 側(cè)汽溫變化值tR，則該級受熱面總汽溫偏差為

2.2 相關(guān)計算

在對該660 MW 鍋爐BMCR 和75%BMCR 工況的熱力計算基礎(chǔ)上，采用上述計算及校核模型，分析了系數(shù)N 對末級過熱器出口汽溫偏差的影響，結(jié)果見圖5。

如圖5 所示，隨著系數(shù)N 增加，末過出口汽溫偏差呈近線性增加，與圖3 表現(xiàn)出相同的低負(fù)荷略大于高負(fù)荷的特點(diǎn)。由于該鍋爐設(shè)計煤種為收到基灰分僅為8%左右的低灰分煙煤，煙氣中飛灰濃度較小，因此左、右灰濃度的差異對汽溫偏差影響僅在1～3 ℃左右。對于燃用高灰分煤種的鍋爐，其汽溫受飛灰濃度的影響必然增大。

圖5 系數(shù)N 對汽溫偏差的影響

3 結(jié)語

建立了校核計算模型，分析了投射輻射和屏間飛灰濃度差異對末級過熱器汽溫偏差的影響，其中投射輻射偏差是主要因素。不同負(fù)荷下，汽溫偏差值隨系數(shù)M、N 的增加呈近線性遞增，且低負(fù)荷時略大于高負(fù)荷。將水平煙道分為左、右兩部分的計算思路和采用假設(shè)性分析的計算方法相結(jié)合，為分析熱力計算問題開辟了新途徑。