爐底漏風對某600 MW機組鍋爐性能的影響

童家麟，齊曉娟，韓 平，關 鍵，呂洪坤

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，浙江 杭州 310014；3.浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 310007）

風冷式干排渣系統是20世紀80年代意大利MAGALDI公司設計并研發的，在國際上使用比例較低，約占煤電總裝機容量的1%[1]。與濕式排渣系統相比，該系統具有耗水量低、底渣利用率高、對環境影響小等優勢[2]，該系統于1999年首次在河北三河電廠350 MW機組上得到應用，但近年來應用推廣非常迅速，目前國內已有數百臺燃煤機組采用干式排渣系統，尤其在我國西北部缺水地區，新建機組多數以干式排渣機為主要除渣設備[3-4]。但國內多臺機組實際運行經驗表明，干式排渣系統存在明顯的爐底漏風問題，對機組安全運行產生一定影響[5-6]。

趙振寧等[7]采用計算流體力學方法對爐底漏風進入爐膛后火焰形態的變化規律進行了研究，揭示了排煙溫度大幅升高的原因。許華等[8]研究認為干式除渣系統較濕式除渣系統對鍋爐燃燒及效率影響更大。劉泰生等[9]研究了干式除渣系統對鍋爐效率的影響，得出其漏風率過大時會明顯提升鍋爐高溫受熱面壁溫和減溫水量。以往國內學者往往通過現場試驗的方式或者對滿負荷下數值計算研究爐底漏風對鍋爐運行的影響，但現場試驗存在著一定的不可預見性，甚至可能影響機組的安全穩定運行，而數值模擬技術已成為燃燒過程研究的重要方法，并已得到了廣泛的應用[10]。基于此，本文使用計算流體動力學（CFD）技術進行了各典型負荷下爐底漏風對某亞臨界四角切圓燃燒鍋爐溫度場、燃盡率、NOx生成量等全方位影響的數值模擬研究，并從空氣預熱器（空預器）X比變化方面對排煙溫度的影響進行了研究，以期為同類型鍋爐提供參考。

1 鍋爐概況

某電廠1號鍋爐是美國CE公司制造的亞臨界、一次再熱、強制循環、平衡通風、單汽包、半露天2 008 t/h四角切圓燃燒煤粉鍋爐，配置6層共24只上海鍋爐廠有限公司生產的超低NOx燃燒器。為進一步降低NOx排放，鍋爐還在主燃燒器上部設置分離燃盡風（SOFA）噴口。鍋爐燃用設計煤種為晉北煙煤，其煤質分析見表1。

該鍋爐配備6臺HP983型中速磨煤機，并在綜合升級改造中，將原濕式除渣系統改為干式除渣系統。干式除渣系統投運后，1號鍋爐夏季工況運行時，空預器煙氣側進口溫度較去年同期相同負荷時基本持平，而出口溫度較去年同期相同負荷時高約20 ℃，空預器換熱量減小，一定程度上影響了機組的經濟運行。另外，鍋爐在綜合升級改造中對空預器進行了檢查和水沖洗，而改造后短期運行即出現空預器換熱能力下降現象，故可排除空預器換熱元件硫酸氫銨附著原因。分析認為，空預器換熱量下降是由干渣機爐底漏風引起，滿負荷在爐膛壓力控制為-100 Pa的工況下，爐底漏風量可達100 t/h。而干渣機設計最大冷卻空氣量不超過鍋爐總風量的1%，且滿負荷下使用熱線風速儀對各冷卻風口測得的冷卻風量總和約為15～20 t/h。因此，該鍋爐爐底漏風量過大可能與干渣機系統密封不嚴有關，理論上漏風量會隨著鍋爐負荷的降低而下降，但該鍋爐的絕大部分漏風量無法通過關閉冷卻風門進行調節，而受爐膛壓力影響較大，若爐膛壓力控制更低，漏風量則會更大。

表1 鍋爐設計煤種煤質分析Tab.1 Quality analysis results of the design coal

2 數值模擬

圖1 為該鍋爐爐膛整體網格劃分。整個爐膛采用結構化六面體網格進行劃分，其中對燃燒、流動較為劇烈的燃燒器區域和燃盡風區域進行了局部網格加密，總網格數大約為300萬，計算所采用模型的詳細介紹參見文獻[11]。

本文主要對100%ECR（連續經濟出力，economic continuous rating）、75%ECR、50%ECR 3個負荷共9個工況下不同爐底漏風量對鍋爐的影響進行了數值模擬研究，具體計算工況見表2。計算時使用的煤質為鍋爐常用的晉北煙煤，采用均等配煤、均等配風，且相同負荷下各工況爐膛出口氧量保持不變。

圖1 爐膛整體網格劃分Fig.1 Mesh generation of the furnace

表2 數值模擬計算工況Tab.2 The numerical simulation conditions

3 計算結果

3.1 燃燒器區域煙氣溫度

為了定量判斷爐底漏風對鍋爐穩燃能力的影響，分別對9個工況下各燃燒器層中心截面煙氣平均溫度進行比較，沿爐膛高度方向，各燃燒器層排列順序為A—F，燃燒器層中心截面煙氣平均溫度比較結果如圖2所示。

圖2 燃燒器層中心截面煙氣平均溫度比較Fig.2 The average flue gas temperature in cross section of each burner layer

由圖2可以看出：隨著負荷的降低，燃燒器層中心截面煙氣溫度隨之下降，以最下層A燃燒器層為例，工況7該層截面煙氣平均溫度較工況1下降約100 K，鍋爐穩燃能力有所降低；不同爐底漏風量對鍋爐穩燃能力的影響亦有明顯不同，總體上各燃燒器層煙氣平均溫度隨著爐底漏風量的增大而降低，A燃燒器層最為明顯，工況3較工況1該燃燒器層截面煙氣平均溫度下降約70 K，工況2較工況1下降約40 K，這與干渣機漏入空氣溫度較低有關，漏風量越大，對底層燃燒器煙氣溫度影響越明顯；隨著爐膛高度的增加，爐底漏風對煙氣溫度影響程度較弱，至最上層F燃燒器層，工況3和工況2較工況1該燃燒器層截面煙氣平均溫度分別下降約10 K和5 K；不同負荷下，相同漏風量對鍋爐穩燃能力的影響亦有明顯變化，同樣以最下層A燃燒器層為例，工況9較工況7該燃燒器層截面煙氣平均溫度下降約100 K，而在該漏風量下，工況3較工況1下降約70 K，這說明在機組負荷較低時，爐底漏風對鍋爐穩燃能力的影響更明顯。因此，爐底漏風對中下層燃燒器層的穩燃能力影響最大，特別在機組低負荷運行時，更要注意中下層燃燒器煙氣溫度，以免出現影響煤粉穩定燃燒的情況。

3.2 爐膛出口煙氣溫度

圖3 為9個工況下的爐膛出口煙氣溫度比較。由圖3可以看出：隨著爐底漏風量的增大，爐膛出口煙氣溫度呈上升趨勢，這是因為干渣機漏入冷風后，爐內整體煙氣溫度降低，進而導致燃燒器區煤粉燃燒推遲，爐膛內火焰中心上升；不同負荷下，爐底漏風量對爐膛出口煙氣溫度的影響不同，負荷越低，對爐膛出口煙氣溫度的影響越大，漏風量140 t/h工況與漏風量0工況相比，100%ECR負荷時爐膛出口煙氣溫度升高約12 K，50%ECR負荷時爐膛出口煙氣溫度升高可達40 K。這與鍋爐負荷降低，其容積熱負荷下降有關。由上述分析可知，鍋爐容量越小，相同漏風量下對爐膛出口煙氣溫度的影響越大。

圖3 爐膛出口煙氣溫度比較Fig.3 The flue gas temperatures at furnace outlet under different conditions

3.3 煤粉燃盡率

圖4 和圖5分別為9個工況下爐膛出口CO體積分數和固體可燃物質量濃度比較。

圖4 爐膛出口CO體積分數比較Fig.4 The CO volume fractions at the furnace outlet under different conditions

圖5 爐膛出口固體可燃物質量濃度比較Fig.5 The solid combustibles mass concentrations at the furnace outlet under different conditions

由圖4和圖5可以看出：隨著爐底漏風量的增大，爐膛CO體積分數和固體可燃物質量濃度均呈上升趨勢，這與爐底漏風量增大后煤粉燃燒推遲、爐膛內火焰中心上升有關，未燃盡的煤粉在爐內停留時間減少，不利于煤粉的燃盡；隨著負荷的降低，爐膛出口CO體積分數呈下降趨勢，但固體可燃物反而有所上升。

爐膛出口CO體積分數主要與過量空氣系數有關，負荷越低，爐膛出口過量空氣系數越大，CO體積分數越低。而爐膛出口固體可燃物質量濃度與爐內燃燒溫度和過量空氣系數密切相關[12]，爐內燃燒溫度越低，爐膛出口固體可燃物質量濃度越高。對該鍋爐而言，爐內燃燒溫度較過量空氣系數對爐膛出口固體可燃物質量濃度的影響更大，爐內燃燒溫度隨著負荷的降低而下降，而爐底漏風的加入，可進一步降低爐內燃燒溫度。因此，低負荷下需要特別關注爐底漏風對爐膛出口固體可燃物質量濃度的影響。

圖6 為9個工況下爐膛底部渣量質量流量比較。

圖6 爐膛底部渣量質量流量比較Fig.6 The slag mass flow rates at boiler bottom under different conditions

由圖6可以看出，爐底漏風量對爐膛底部渣量質量流量的影響較為復雜，總體上，爐膛底部渣量質量流量隨著漏風量的增加而增大。其原因有二：1）與爐底漏風對爐膛出口固體可燃物質量濃度的影響機理相同，漏入的冷空氣降低了煤粉燃盡率，進而提高了爐膛底部渣量質量流量；2）爐底漏風盡管可增大爐膛底部風量，具有改善未燃盡顆粒下沉燃燒的作用[13]，但由于漏入的冷空氣差壓、比熱容較小，而進口面積相對較大，導致漏風風速較低，難以穿透黏稠的火焰，對未燃盡顆粒的承托作用有限。

綜上，隨著爐底漏風量的增加，爐膛出口CO體積分數和固體可燃物質量濃度呈上升趨勢，盡管部分漏風量下爐膛底部渣量可能略有改善，但程度有限，且鍋爐出渣量只占灰渣總量的10%[14]，因此，煤粉不完全燃燒損失會隨著爐底漏風量的增加而增大。此外，由于漏入的冷空氣量一般與爐膛負壓關系較為密切[15]，在相同的爐膛負壓下，負荷越低，冷空氣量占總風量的比例越大，其對煤粉燃盡率的影響也愈加明顯。

3.4 爐膛出口NOx質量濃度

圖7 為9個工況下爐膛出口NOx質量濃度比較。由圖7可以看出，隨著漏風量的增加，折算至6%氧量下，爐膛出口NOx質量濃度總體呈上升趨勢，且在低負荷時，增大幅度更為明顯。究其原因，有以下幾點：1）漏入的冷空氣降低了爐膛溫度水平，但對爐膛溫度的降低作用有限，至爐膛中上部，溫度已相差無幾，因此對熱力型NOx生成作用有限；2）燃燒器區煤粉燃燒推遲，爐膛內火焰中心上升，導致空氣分級燃燒效果下降，一定程度上又會使SOFA對NOx的抑制作用減弱[16]；3）煤粉燃盡的推遲，又使得主燃燒區運行氧量提高，進而促進燃料型NOx的生成。

圖7 爐膛出口NOx質量濃度比較Fig.7 The NOx mass concentrations at the furnace outlet under different conditions

3.5 數值模擬與實測結果對比

為了驗證數值模擬計算結果的準確性，本文在滿負荷、爐膛壓力控制為-100 Pa、此時爐底漏風量約為100 t/h工況下，對爐膛出口CO體積分數和NOx質量濃度的實測值和模擬值進行了比較，結果見表3。由于鍋爐實際運行中未使用設計煤種，表中的N質量分數采用實際運行煤種的加權值。由表3可見，實測值和模擬值偏差在20%內，說明數值模擬結果較為準確。

表3 實測值和模擬值比較Tab.3 The measured and simulated values

4 爐底漏風對排煙溫度的影響

由上文分析結果結合文獻[7]可知，漏風量140 t/h，100% ECR工況下爐膛出口煙氣溫度可升高約12 K，但空預器煙氣側進口溫度與漏風量0時基本持平，而出口溫度則上升約20 K。由此可知，空預器自身的換熱量變化成為影響其出口溫度的主要因素。參考文獻[17]，本文利用空預器X比對上述現象進行研究分析。空預器X比的定義為

式中：ma為空預器入口空氣量，cp,a為空預器空氣側入口溫度至空預器出口溫度之間的空氣平均比熱容，mg為空預器入口煙氣量，cp,g為空預器煙氣側入口溫度至空預器出口溫度之間的空氣平均比熱容。一般可認為cp,a和cp,g均為常數。

若不考慮空預器漏風和散熱等因素，則空預器出口煙氣溫度為

式中，T2為空預器入口煙氣溫度，T11為空預器出口空氣溫度，T22為空預器入口空氣溫度。

若考慮空預器漏風，則空預器最終出口煙氣溫度為

式中，α為空預器漏風率，K為cp,a和cp,g的比值。

一般認為，當爐底漏風產生時，鍋爐運行氧量可保持不變，因此爐底漏風產生后，通過空預器的空氣量相應減小，空預器出口溫度則隨之改變。而爐底漏風產生后，T2、T11、T22、α變化較小，若認為上述變量均不發生變化，則空預器出口煙氣溫度變化僅與X比改變有關。

圖8 為空預器出口煙氣溫度與X比的關系，其中T2，T11，T22均取100%ECR工況鍋爐設計參數，α取漏風率6%。由圖8可以看出，爐底漏風產生后，可導致空預器X比減小，對于該鍋爐而言，在6%漏風率下，爐底漏風量占總風量的比重增加10%，則可提高空預器出口煙氣溫度約27 K，若空預器漏風率增大，其出口煙氣溫度增幅則相應減小。

圖8 空預器出口煙氣溫度與X比的關系Fig.8 The relationship between air preheater outlet flue gas temperature and X ratio

5 結 論

1）干渣機冷空氣漏入后，特別是對于因系統密封不嚴等原因導致的大量冷空氣漏入時，爐內整體溫度水平降低較多，對中下層燃燒器層的穩燃能力影響較大，在機組低負荷運行時，更應注意中下層燃燒器煙氣溫度，以免出現影響煤粉穩定燃燒的情況。

2）干渣機冷空氣漏入后，煤粉不完全燃燒損失會隨著爐底漏風量的增加而增大，負荷越低，其對煤粉燃盡率的影響越明顯；同時爐膛出口NOx質量濃度亦隨著漏風量的增加而增大，特別是鍋爐處于低負荷運行或對于容積熱負荷較小的鍋爐，其影響更為明顯。

3）爐底漏風產生后，可導致空預器X比減小，對于特定鍋爐而言，可通過空預器出口溫度的上升情況判斷爐底漏風情況。