1 000 MW对冲锅炉倒“N”型粉量分布
0 引 言
由于煤耗低等优势,电站锅炉朝着高容量、高参数趋势发展。受限于占地面积等条件限制,侧煤仓布置成为1 000 MW对冲锅炉常见布置形式[1]。侧煤仓布置带来的粉管长度不均、弯头数量不同、弯头前后直管段长度不同等特征较为突出,容易导致一次粉管的综合阻力偏差大,导致各粉管粉量分布不均,影响炉内燃烧。根据制粉系统试验规程,同层燃烧器各一次粉管一次风速偏差不超过±5%,该要求通过可调缩孔的调整基本能满足。一次粉管粉量偏差不超过±10%的要求在侧煤仓布置或磨煤机出口粉管少时很难满足,容易导致炉内偏烧。
对于粉量分布影响规律及各形式的煤粉分配器研究较多。葛铭等[2]考查了分离器转速、通风量、加载力和煤量对于煤粉细度、粉量分布规律影响。武岳[3]分析对比指爪挡板粉量分配器对粉量分布均匀性的调整效果。刘富爽等[4]分析了煤粉分配器内部结构对分配器出口流动偏差和压降的影响。薛飞宇等[5]研究双可调煤粉分配器不同阀门开度下粉量分布的变化规律。刘定坡等[6]对常见煤粉分配器进行对比分析,提出在深调背景下,机组加装分配器的必要性。王战锋等[7]发现一次风速与粉量偏差关联性小,管路特性对粉量影响作用更大。周文台等[8]认为一次风环各处静压分布的不均导致磨煤机内部流场不均,进而造成粉量分布不均。员盼峰等[9]发现煤粉量偏差是壁温偏差大的根本原因,通过双可调煤粉分配器或紧凑型煤粉分配器可提高粉量分布均匀性。蔡新春等[10]研究六通道低阻力导流式分配器对粉量分布均匀性的效果。学者们也进行针对对冲锅炉偏烧的调整研究。宁志等[11]从燃烧器就地拉杆、整体配风方式和运行氧量等角度缓解了壁温超温、汽温偏差问题。张世宏等[12]从炉内热负荷分布和水动力分配等角度研究水冷壁壁温偏差的原因。马启磊等[13]从二次风箱流量分布角度分析对炉内燃烧的影响。吴寿贵等[14]从炉膛负压、运行氧量、给水脉动、优化吹灰等角度对炉内汽温偏差及往复波动进行调整。傅勇强等[15]对侧煤仓布置的对冲锅炉的粉量偏差进行研究,并针对性给出调整方法。
学者们着重考查粉量分布偏差影响研究,提出各形式的煤粉分配器提高粉量分布均匀性并通过燃烧优化调整解决对冲锅炉的偏烧问题。对于同层燃烧器粉管粉量分布规律研究较少。笔者以侧煤仓布置的1 000 MW对冲锅炉为研究对象,研究其粉量分布规律及其对锅炉燃烧的影响,并在粉量分布规律基础上提出针对性的燃烧调整措施,缓解了粉量分布不均带来的严重偏烧问题。
1 试 验
某电厂1、2号机组为东锅1 000 MW超超临界直流锅炉,单炉膛,一次中间再热,前后墙对冲燃烧,全悬吊结构π型锅炉。制粉系统为中速磨冷一次风正压直吹系统,配备6台上重MW31A/L-Dyn型磨煤机,分离器为弹簧加载的动态分离器。1、2号磨煤机配置不同厂家的动态分离器。磨煤机用侧煤仓方式布置,每台磨煤机出口布置4根煤粉总管,每根总管到锅炉前后墙区域再次分为2根煤粉支管,共8根支管并与每层8个低氮燃烧器一一对应。该型号低氮燃烧器内二风通道中布置有轴向旋流器,叶片角度固定不可调。随着内二风量开大,整体旋流强度增加。外二风通道中布置有径向叶片,其角度随着外二风量改变而改变。外二风量越大,旋流强度减弱。前墙燃烧器由A侧至B侧编号为8-1,后墙燃烧器由A侧至B侧编号为1-8。磨煤机粉管布置如图1所示,炉膛结构布置如图2所示。
图1 一次粉管布置
Fig.1 Layout of powder pipes
图2 炉膛结构布置
Fig.2 Layout of furnace structure
由图1可知6台磨用侧煤仓形式布置,磨煤机出口4根总粉管由后墙至前墙方向分别为12、34、56、78号总粉管。6台磨各总粉管编号、位置完全一致。
由图2可知后墙D、E、F 3台磨12～78号总粉管布置位置为A侧至B侧,12号总粉管距离最长,78号总粉管距离最短。前墙A、B、C3台磨12～78号总粉管布置位置为B侧至A侧,12号总粉管距离最短,78号总粉管距离最长。
2 试验方法
利用AKOMA煤粉取样系统2台机组各4根总支管同一位置处进行等速取样[16]。在每根一次粉管截面上等面积选取32个点,共取粉6 min。统计每次取粉的质量,并使用气流筛分仪测量煤粉细度R90和R200。在6台磨煤机冷热态一次风速偏差均小于±5%的前提下,利用控制变量法对6台磨进行制粉系统试验。依次改变磨煤机通风量、煤量和动态分离器转速等。由于用弹簧加载,运行中加载力不可调,因此未进行变加载力试验。
利用德图350对省煤器出口截面的烟气成分进行测量,分析炉内燃烧情况。德图测量误差在2%以内。
图3 1号机组粉管粉量、煤粉细度分布
Fig.3 Distribution of powder quantity and coal fineness on unit one
利用312MSCU型号红外测温仪对炉膛温度进行测量,其测量误差在±1 ℃内。
3 制粉试验结果
3.1 1号机组制粉试验
进行制粉系统试验时,磨煤机切换至手动模式,依次改变各变量。1号机组制粉试验各工况参数见表1。
表1 1号机组试验工况
Table 1 Test conditions of unit one
每台磨煤机粉量最大偏差和煤粉细度R90最大值见表2。不同工况下,6台磨的粉量分布、煤粉细度分布趋势如图3所示。由于现场测点布置不同,不同粉管测量难易程度不同,因此不同磨煤机其工况数量有所区别。
表2 1号机组制粉系统试验数据
Table 2 Test data of pulverizing system test data on unit one
由图3可知,不同煤量、风量和分离器转速条件,1号机组各总粉管粉量、煤粉细度分布大体呈现倒“N”型分布,即12号总支管大于34号总粉管,56号总粉管大于78号总粉管。磨煤机工况参数的变化并不改变这种分布规律。粉量越大的粉管其煤粉细度越大,粉量越小的粉管其煤粉细度越小,粉量分布与煤粉细度分布呈现正相关。由表2可知,该机组6台磨均存不同程度的粉量偏差问题,其粉量偏差最大达37.7%,最小偏差为19.4%,均大于规程要求的±10%以内。煤粉细度R90最大值27.8%。由于投产时间短,磨辊磨损不严重,煤粉细度除A磨略高,其余磨煤机的煤粉细度均满足规程要求。燃用烟煤时,飞灰含碳量均在0.5%以内。
3.2 2号机组制粉试验
2号机组制粉试验各工况参数表见表3。6台磨的粉量分布、煤粉细度分布趋势如图4所示,每台磨煤机粉量最大偏差和煤粉细度R90最大值见表4。
表3 2号机组工况
Table 3 Test conditions of unit two
续表
续表
续表
表4 2号机组制粉系统试验数据
Table 4 Test data of pulverizing system test data on unit two
图4 2号机组粉管粉量、煤粉细度分布
Fig.4 Distribution of powder quantity and coal fineness on unit two
由图4可知,不同煤量、风量和分离器转速条件,2号机组各总粉管粉量、煤粉细度分布与1号机组类似,也大体呈现倒“N”型分布,即12号总支管大于34号总粉管,56号总粉管大于78号总粉管。但B磨煤机粉量分布趋势略不同。B磨煤机34号总支管的粉量不同工况下均在高水平,仅78号总支管粉量最低。磨煤机工况参数的变化并不改变这种分布规律。粉量越大的粉管其煤粉细度越大,粉量越小的粉管其煤粉细度越小,粉量分布与煤粉细度分布呈现正相关。
由表4可知,2号机组6台磨均存不同程度的粉量偏差问题,其粉量偏差均大于规程要求的±10%以内,粉量偏差最大达88.4%,最小偏差达-36.8%。D、E磨的煤粉细度R90偏大,约34%,远高于实际煤种要求的煤粉细度。对比表2与表4,2号机组磨煤机的粉量偏差远大于1号机组,2号机组的煤粉细度也大于1号机组。在实际燃烧煤种等影响因素一致的前提下,2号机组的动态分离器效果不如1号机组。
后墙12号总支管粉管长度最长,前墙12号总支管粉管长度最短。粉量分布与粉管长度没有必然的联系。由图1可知,每台磨的4根总粉管由后墙到前墙方向依次呈现“大-小-大-小”的分布趋势。现场粉管分布每台磨均不一样,出现这种“大-小-大-小”的分布趋势与粉管的综合阻力有关。
一次粉管布置如图5所示,可知同一台磨煤机,4根总粉管在现场布置完全不同。弯头前后直管段距离、一次粉管长度、弯头数量、弯头角度等均不相同。
图5 一次粉管布置
Fig.5 Layout of powder pipes
以2号机组为例,在热态下,通过测量各燃烧器入口一次粉管的静压可判断各只一次粉管的综合阻力。静压分布如图6所示。
图6 粉管静压分布
Fig.6 Static pressure distribution of powder tubes
由图6可知同一台磨各粉管末端处静压也大体呈现“N”型分布,即12总粉管静压小于34总粉管,56总粉管静压小于78总粉管。在磨出口静压一致的前提下,粉管末端静压小,说明该粉管综合阻力小,其粉量大,煤粉细度大;粉管末端粉管静压大,说明该粉管综合阻力大,其粉量小,煤粉细度小。粉管综合阻力与粉量分布呈负相关。
4 燃烧优化调整
4.1 燃烧优化思路
根据各粉管粉量分布特性和省煤器出口截面烟气成分分布,从制粉系统、燃烧器就地风门开度、燃尽风就地风门开度和摆角、二次风配风、风煤比调整、贴壁风开度等角度,对1、2号机组进行燃烧优化调整试验。燃烧优化主要调整思路和结论包括:
1)粉量大的粉管其内二风量开大,补充燃烧所需氧量;外二风量开小,旋流强度适当加强,强化煤粉气流着火燃烧,避免因氧量不足而导致的火焰中心抬升。
2)粉量大的粉管其燃烧器中心风可适当关小,强化其提前着火。
3)靠侧墙区域的低氮燃烧器其外二风量、内二风量开大,可避免因二次风箱压力特性导致的侧墙区域严重缺氧。
4)靠侧墙区域的燃尽风燃烧器就地中心风、旋流风适当开大;烟道中间区域的燃尽风燃烧器中心风、旋流风适当关小,利于缓解省煤器出口氧量分布不均的问题。该结论与前人研究一致[17]。
5)高负荷下提高运行氧量对于缓解偏烧、缓解省煤器出口氧量分布不均效果明显。
6)燃尽风摆角由中间向两侧摆动有利于缓解侧墙区域缺氧带来的偏烧问题。
7)屏过壁温超温区域所对应垂直方向上燃烧器二次风门开大可有效缓解壁温超温问题。
8)燃尽风挡板开小,二次风挡板开大可降低整体火焰中心,利于缓解偏烧问题。燃尽风开大,反而加剧炉内偏烧问题,与前人研究结论一致[18]。
9)前后墙四角安装的贴壁风开度对于偏烧基本没有影响。
10)磨煤机出力过大,同层燃烧器热负荷偏差加大,不利于缓解偏烧。
11)降低风煤比可有效降低火焰中心,但适当提高风煤比利于解决粉量不均带来的偏烧问题。该结论与前人研究一致[19]。在低负荷下,由于火焰充满度不佳,容易出现汽温烟温偏差,此时应适当提高粉量偏差大的磨煤机的风煤比至1.9～2.0。
12)3台磨运行时,同层磨前后墙粉量、热负荷难平衡,可尝试在单台单侧运行的磨煤机掺烧难燃煤种或降低其分离器转速,适当提高其火焰中心高度来缓解炉内偏烧。
通过燃烧优化调整,该电厂1号机组在各负荷下均不存在偏烧问题,过热汽温、再热汽温的偏差最大值控制在5 ℃以内。2号机组在低负荷、火焰充满度不高时炉内仍存在一定偏烧问题,两侧汽温偏差在15 ℃以内。
4.2 省煤器出口烟气成分对比
2台机组经燃烧优化调整后,1号机组基本不存在偏烧情况,2号机组仍存在一定程度偏烧。利用德图350对省煤器出口烟气成分进行测量,考查不同负荷下,省煤器出口氧量、CO的浓度分布情况。1、2号机组不同负荷下省煤器出口氧量分布如图7所示。不同负荷下省煤器出口CO浓度分布如图8所示。
图7 省煤器出口氧量分布
Fig.7 Distribution of oxygen at economizer outlet
图8 省煤器出口CO分布
Fig.8 Distribution of CO at economizer outlet
由图7可知1、2号机组省煤器出口氧量分布较为均匀,但2号机组B侧最外侧区域的氧量明显下降。与磨煤机粉管粉量分布有关。2号机组B磨12、34、56号总粉管的粉量大,粉量主要集中在炉膛B侧。在相同配风条件,炉膛B侧区域缺氧,煤粉燃烧不完全,导致该处火焰中心抬升,炉内产生偏烧。
由图8可知在高中低负荷下,1号机组省煤器出口CO浓度均在低水平。2号机组在高负荷下,省煤器出口B侧靠侧墙区域CO体积分数高,约500 μL/L,影响锅炉热效率下降。
综合制粉系统结果可知前后墙12号总粉管粉量大,且其靠近两侧墙区域,导致侧墙区域热负荷高,氧量相对不足,燃烧不充分,火焰中心抬升。
燃烧调整后,由于省煤器出口CO浓度均值大幅下降,CO未完全燃烧热损失下降,锅炉热效率较调整前提高。燃用神混5000煤种时,中高负荷下锅炉热效率普遍达95%以上。燃烧调整后,因不过度强调分级燃烧,省煤器出口氮氧化物原始排放值由160 mg/m3升至约180 mg/m3。虽然氮氧化物生成量有所上升,但检修中发现主燃区未发生高温腐蚀,保障了设备运行的可靠性。
4.3 炉膛温度对比
1、2号机组在1 000 MW负荷下,ABDEF磨运行,煤种、氧量、二次风配风等运行参数一致,对其炉内温度场进行测量。由下至上共有5层观火孔,每层观火孔均在燃烧器标高处。1、2号机组的温度场分布分别如图9、图10所示。温度空缺为该观火孔无法打开,未能测量。
图9 1号炉炉内温度分布
Fig.9 Distribution of temperature in furnace of unit one
图10 2号炉炉内温度分布
Fig.10 Distribution of temperature in furnace of unit two
由图9可知1号机组炉膛A、B两侧的烟温不存在偏差。2号机组B侧烟温均高于A侧。炉膛烟温分布表明,2号机组炉膛B侧的热负荷高,与前墙燃烧器尤其是B层燃烧器粉量更集中于B侧有关。1、2号机组下3层主燃区的烟温均存在高于1 400 ℃的测点,下层燃尽风区域烟温也存在1 400 ℃以上测点,但1号机组上层燃尽风区域的整体温度水平较2号机组上层燃尽风区域有所降低,2号炉的火焰中心位置更高。
5 改造建议
针对2号机组粉量偏差大,导致炉内偏烧问题,需改造才能从根本解决问题。改造分为煤粉侧和二次风侧。
煤粉侧:① 安装煤粉分配器。煤粉分配器安装位置可位于2号机组磨出口4根总粉管上,也可安装在总粉管与分粉管连接处。② 从成本及设备耐磨性等角度考虑,目前已有电厂利用可调缩孔替代煤粉均分器且取得较好效果。即磨出口4根总粉管安装可调缩孔调节煤粉浓度,8根分粉管上安装可调缩孔调平一次风速。③ 反向风装置。在磨出口4根总粉管上安装与煤粉气流流向相反的反吹系统,利用气流扰动人为增加个别粉管的阻力,达到调整煤粉浓度的目的。该技术路线避免与煤粉的直接接触,不存在磨损问题。
二次风侧:① 针对二次风箱压力分布特性,对二次风箱进行改造,增加靠侧墙区域燃烧器的进风量。② 侧墙区域燃烧器安装聚风装置,人为增加其二次风进风量。
6 结 论
1)用侧煤仓布置的1 000 MW对冲锅炉,其各层燃烧器粉量、煤粉细度分布大体呈现倒“N”型分布规律,该分布规律主要受粉管综合阻力影响,磨煤机参数的变化不改变这种分布规律。粉管综合阻力呈现“N”型分布,其与粉管长度、弯头数量、弯头角度、弯头前后直管段距离长短等因素有关。不同类型的动态分离器只影响各粉管粉量偏差程度,不影响粉量分布趋势。
2)偏烧问题与粉量分布不均有关,要解决炉内偏烧问题必须摸清粉量分布规律并进行针对性调整。粉量大的燃烧器内二次风量开大、外二风量减小以提高旋流强度;燃尽风开度减小,下层二次风开大;粉量偏差大的磨煤机其风煤比提高等措施可有效缓解炉内偏烧。
3)粉量最大偏差在40%以下时,通过燃烧器就地风门调整、二次风配风调整、风煤比调整、制粉系统优化等措施基本可解决炉内偏烧问题。最大粉量偏差在80%以上,只通过燃烧优化调整无法完全解决偏烧,必须借助煤粉侧和二次风侧的改造才能从根本上解决偏烧。
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Inverted "N" type of power distribution in a 1 000 MW opposed firing boilers
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