某“W”火焰超臨界鍋爐結焦原因分析及對策

奉 林，熊顯巍，徐金苗

(1. 越南永新一期電力有限公司，越南 永新；2. 上海發電設備成套設計研究院，上海 200240；3. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

0 引言

目前很多燃煤電站鍋爐存在結焦現象，結焦使得鍋爐受熱面吸熱減少、排煙溫度升高、燃燒效率下降，嚴重時甚至影響機組安全穩定運行。

國內針對鍋爐結焦問題研究較多，李升明[1]等人對含硫量較高的煤粉鍋爐進行研究，發現鍋爐燃燒時的還原性氣氛能夠促進爐膛結焦，并針對規律適當提高了爐膛氧量。 肖建新[2]等人從運行操作以及氧量角度分析研究了鍋爐結焦原因，發現良好的空氣動力場、合適的氧量以及一次風率均能夠改善鍋爐結焦。安思科[3]等人利用數值模擬方法對遼寧某電廠進行了鍋爐結焦研究，發現燃煤的煤質變化對鍋爐結焦有很大影響。

某燃煤電廠建設—經營—轉讓(buildoperate-transfer，BOT)項目建設2×620 MW超臨界機組，采用某公司的生產超臨界“W”火焰鍋爐，每爐配6臺雙進雙出鋼球磨煤機，采用正壓冷一次風直吹式系統，燃用越南北部無煙煤。在機組運行過程中，受熱面結焦嚴重，多次造成停爐事件，本文針對該電廠結焦問題，從衛燃帶敷設合理性方面進行研究，得到最佳的衛燃帶敷設方位，保證機組安全、經濟、穩定運行。

1 鍋爐結焦情況

鍋爐燃用極難著火和極難燃盡的越南北部產的無煙煤，煤質情況見表1。

表1 煤質情況

設計的不投油最低穩燃負荷為不大于40 %鍋爐最大連續出力(boiler maximum continue rate，BMCR)，出于加強煤粉著火和燃盡的考慮，并且盡可能降低不投油穩燃負荷水平，在爐內水冷壁拱部燃燒器區域敷設有一定面積的衛燃帶，以保證無煙煤的穩定燃燒和高效燃盡。在爐內拱部區域敷設有 924 m2衛燃帶，布置位置如圖1所示。

圖1 鍋爐衛燃帶布置圖

超臨界“W”火焰鍋爐普遍容易結焦，調研國內的同類型機組，尤其是翼墻和靠近翼墻的側墻非常容易結焦。該處水冷壁規格為Φ31.8×5.5 mm，材質為SA-213T12，在#1爐投運期間兩次造成#1爐冷灰斗水冷壁泄漏，在停爐檢修時發現在灰斗四角的位置均有多處管子減薄，最大減薄到達2 mm以上必須更換。對爐膛檢查主要結焦區域為翼墻三層防結焦風口位置，焦塊體積大而且硬度大部分呈現玻璃態，該位置正對管子受傷區域，可以判定是由于焦塊落后刮擦冷灰斗水冷壁管造成水冷壁管減薄乃至泄漏。

2 鍋爐結焦原因分析

2.1 煤質分析

該電廠燃用越南北部無煙煤，根據大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則，對于雙拱燃燒“W”火焰鍋爐的最低不投油穩燃負荷率(boiler minimum stable Load without auxiliary fuel support rate，BMLR)的推薦值見表2[4]：本期工程設計煤種 Vdaf=10.8，校核煤種 Vdaf=8.03；比較導則的推薦值，機組設計的40%BMCR最低穩燃負荷難以達到。

表2 不同揮發分下鍋爐最低穩燃負荷推薦值

對煤的燃燒穩定性能分析：C=0.045×8.03+0.52=0.881 35，對照表3著火特性分類，該煤種屬于極難穩定燃燒煤種。

表3 煤的著火特性分類[1]

對煤的燃燒穩定性能分析M=1.34+0.048×8.03=1.725 44對照表4，該煤種處于極難穩定區。

表4 煤的燃燒穩定性分類

煤種堿性金屬含量也較高，這加劇了受熱面沾污結焦的情況。

2.2 衛燃帶分析

大型電站鍋爐爐內燃燒過程十分復雜，其中涉及到氣相湍流流動，氣固兩相流耦合流動傳熱、輻射傳熱、揮發分析出與燃燒、碳顆粒燃燒等物理化學過程。因此，要想對“W”型火焰鍋爐爐內燃燒過程進行比較準確的數值模擬，需要選擇適合的數學模型和準確的化學參數。對氣相和顆粒采用不同的處理方法：將氣相作為連續性介質，用歐拉法來描述；將煤粉顆粒相作為離散相物質，用拉格朗日法來描述。采用非預混燃燒模型，用帶旋修正Realizable k-ε模型模擬氣相湍流運輸；采用特有的輻射模型計算輻射傳熱，對固體顆粒相的求解則采用隨機顆粒軌道模型。由于鍋爐爐膛內氣流的流動為紊流流動，所以本文采用的控制方程為三維不可壓縮黏性流體定常流動的雷諾時均方程與Realizable k-ε模型。由于標準k-ε模型用于強旋流時會出現失真，因此本文采用了帶旋流修正的Realizable k-ε模型。方程組的通式為：

表5 具體方程組

各通用常數的取值為：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0， σε=1.2， 表 6 為 該 燃 煤 電 廠2×620 MW超臨界機組鍋爐BMCR工況時的設計參數，即為模擬計算時的邊界 條件；表7為模擬計算時速度邊界條件；表8為壁面邊界條件設定值。

表6 該鍋爐BMCR工況時設計參數

表7 速度邊界條件

表8 壁面邊界條件設定

通過對衛燃帶原設計方案、去掉翼墻衛燃帶、去掉全部衛燃帶三種工況采用數學模擬計算方法對爐內燃燒過程進行了計算分析。在鍋爐結構已經決定的情況下，與結焦有關的主要是觀察爐內溫度分布。所以在計算結果中主要列出爐內溫度分布[5-6]。通過對三種衛燃帶布置形式在24 m截面溫度場的分布可以看出，隨著衛燃帶面積的減小，爐內高溫區域逐漸縮小，截面平均溫度也相應隨之減小。對比后發現工況除去翼墻衛燃帶爐內整體溫度分布合理，不易引起嚴重結渣的風險，并且比去掉全部衛燃帶能夠提高機組運行熱效率，所以在工程實際中應根據現場條件、安全性以及經濟性綜合考慮敷設衛燃帶。

圖2 原衛燃帶(平均溫度1 770 K)

與敷設衛燃帶相比，去掉翼墻衛燃帶后，高溫區域減小明顯，且往爐膛中心靠攏，整體上溫度分布更為均勻，貼邊溫度較敷設衛燃帶相比降低約100℃，如圖2、圖3所示。

圖3 拆除翼墻(平均溫度1 724 K)

全部去掉衛燃帶后，爐內高溫區進一步減小，貼邊區域溫度比工況2降低約 100℃，如圖4所示。但是溫度過低影響水冷壁吸熱，主蒸汽溫度跟再熱蒸汽溫度達不到設定值，使得機組效率下降。

圖4 無衛燃帶(平均溫度1 651 K)

3 改造效果分析

3.1 采取措施

爐膛拱部水冷壁具有獨特的結構特點，其中翼墻水冷壁節距為 64.924 mm，相比下爐膛除翼墻外其它水冷壁節距49.8 mm，其節距更大，扁鋼寬度更寬，容易出現扁鋼超溫。在設計上采取了將翼墻扁鋼的厚度由 6.4 mm 增加到9.0 mm，并且在翼墻水冷壁敷設衛燃帶，避免翼墻水冷壁直接參與爐膛高溫輻射換熱，以降低翼墻管子及扁鋼的溫度水平。

在考慮鍋爐運行安全的同時結合必須滿足電網調度要求的鍋爐最低穩燃負荷≥60%BMCR的情況。最終采取了圖5的衛燃帶優化方式，共分為4個帶狀區以便現場施工和逐步調整，由于結焦區域主要為區域一，該處溫度最高，煙氣回流液最嚴重，因此首先對區域一進行了施工。其它區域在根據運行結焦情況和工期進行處理。為了使得焦塊容易脫落不形成大焦塊，將衛燃帶間隔700 mm，同時對與翼墻相連的側墻采取棋盤格子的方式。

圖5 衛燃帶優化方式

3.2 取得實際效果

#2爐在2018年10月份安排對區域一的衛燃帶拆除后，連續半年滿負荷運行未發生垮大焦情況，對比#1爐爐膛溫度降低明顯，大大緩解了結焦情況。同時翼墻水冷壁也未發生超溫和拉裂問題。取得了很好的效果。表9和表10為兩臺爐在2019年3月同一時間滿負荷工況時24 m處觀火孔溫度測量對比。

表9 #1爐爐溫測量結果(未改造)

表10 #2爐爐溫測量結果(已改造)

4 結論

本文通過對某“W”火焰超臨界鍋爐結焦原因分析，采取調整翼墻和側墻的衛燃帶的措施，發現將衛燃帶按照數值模擬的結果進行局部處理后，取得優異的改造效果。但衛燃帶處理也需要注意以下幾點：

1)“W”火焰鍋爐的衛燃帶要根據機組的實際運行工況來確定穩燃的負荷，確保機組運行經濟性。

2)對于拆除衛燃帶的面積，要考慮對管屏熱偏差最小和結焦最小，建議采取棋盤形狀的衛燃帶。

3)對于“W”型火焰鍋爐，合理敷設衛燃帶可防止局部高溫，使得溫度分布更加均勻，能夠解決超溫引起的結焦問題。

4)根據#2機組衛燃帶改造效果，建議該廠#1機組也進行相應改造，解決#1機組結焦問題。