大型CFB锅炉低负荷再热汽温稳定特性

杨中智1,卢啸风1,角加艺2,蒙保胜 2,王鹏程3

(1.重庆大学 能源与动力工程学院,重庆 400044;2.吉利百矿集团有限公司,广西 百色 533099;3.山西河坡发电有限责任公司,山西 阳泉 045000)

摘 要：作为灵活发电的关键环节之一,长期稳定低负荷运行技术在可再生能源并网规模不断扩大的过程中发挥着重要作用。循环流化床(CFB)锅炉负荷调节过程中,为降低污染物排放或调平床温,常采用不均匀给煤的运行方式,这对CFB锅炉的设计和运行提出了更高要求。同时,低负荷时CFB锅炉炉膛出口烟气温度较低,如何保证再热蒸汽参数达到额定值是实现CFB锅炉灵活性运行亟待解决的问题之一。针对2台350 MW超临界CFB锅炉断煤低负荷运行工况参数进行深入计算分析,研究了低负荷时稳定再热汽温措施。研究发现,锅炉在部分给煤点中断的断煤工况下运行时,床温、炉膛出口烟温、炉膛出口氧量、高温再热器管屏出口蒸汽温度的变化趋势与各给煤口的给煤量基本呈正相关。但由于超临界CFB锅炉水冷壁具有正流动响应特性,给煤偏差及床温偏差对水冷壁的出口汽温偏差影响不大。基于上述研究,提出了一种针对长期调峰与低负荷运行超临界CFB锅炉稳定炉内高温再热器出口汽温的锅炉改造与运行优化技术方案。在低负荷下可保证高温再热器出口汽温基本稳定。

关键词：超临界循环流化床锅炉;高温再热器;低负荷;蒸汽温度;断煤

0 引 言

循环流化床(CFB)锅炉是一种清洁高效的燃烧技术,具有燃料适应性强、燃烧效率高、污染物控制成本低、负荷调节灵活等优点[1-3]。近年来,随着污染排放标准日益趋严以及电网接入可再生能源发电机组不断增加,对大型 CFB 锅炉调峰性能提出更高要求。因此,为配合可再生能源发电负荷不可控变化,CFB锅炉需经常参与调峰或长时间处于低负荷运行工况[4-6]。截至2022年,全球已有50多台超临界CFB锅炉投入运行,由于具有更好的经济性,90%以上的超临界CFB锅炉选择将末级受热面以悬吊屏的方式布置在炉膛内部。随着CFB锅炉的大型化发展,即将投运的660 MW超超临界CFB锅炉的蒸汽参数进一步提升,过热器和再热器出口温度将达605/623 ℃[7]。但大型CFB锅炉的炉内燃烧温度仅800～900 ℃[8],尤其在低负荷条件下,给煤量和总风量均减少,外循环灰量减少,炉膛出口烟温可能降至700 ℃以下[9]。此时,由于传热温差较小,很可能会出现末级再热汽温无法达到额定值的情况,汽轮机排汽参数会进入干度较小的湿蒸汽区,易损坏末级叶片,有必要对其进行深入研究。

有关CFB锅炉低负荷再热汽温稳定问题已有较多研究。通常,CFB锅炉制造厂可保证锅炉在50%或60%～100%负荷时,再热汽温达到保证值(-5～ 3 ℃)。锅炉负荷低于50%时,再热汽温无法控制在设计保证值范围内。张思海等[10]对比了有、无外置床的CFB锅炉再热汽温分布,发现低负荷时,通过将高温再热器布置在外置床中,可在较宽负荷范围内维持再热汽温。SUN等[7]提出了一种固体内循环过热和再热的技术,该技术利用炉膛下部高温高浓度的固体循环换热,提升过再热汽温,并在自行设计的试验台上验证了其可行性。王虎等[11]采用实炉测试方法,对比研究了有、无外置床对超临界CFB锅炉受热面吸热分配特性的影响,结果表明在低负荷下,带外置床的锅炉炉膛出口烟气温度比不带外置床高约110 ℃,其锅炉受热面传热温差更大,低负荷再热汽温特性更好。蔡晋等[12]分析了某超临界350 MW CFB锅炉变负荷过程蒸汽参数的变化,发现在40%～60%低负荷运行时,高温再热器出口汽温基本稳定在540～560 ℃,波动较小。陈生斌等[13]针对某300 MW CFB锅炉低负荷再热汽温不足的问题,提出了增加再热器面积的改造方案,并基于实际运行数据进行热力分析,验证了该方案的可行性。宋晓童等[14]通过热力计算分析了再热系统的换热效果,结果表明,采用收到基低位发热量接近设计煤种的燃料能减小煤质对炉内受热面换热效果的影响,可适当提高再热汽温。

上述有关再热汽温的研究,主要针对带外置床CFB锅炉的再热汽温控制特性,针对不带外置床CFB锅炉炉内屏式受热面再热汽温保证方法的研究较少。笔者以2台结构相似的350 MW超临界CFB锅炉为研究对象,分析给煤线路中断的低负荷工况的参数变化,根据实际床温、烟气温度及受热面出口蒸汽温度分布,深入讨论了断煤工况对于炉内换热均匀性和受热面温度偏差的影响,进而提出通过给煤偏置和再热器偏置等措施,保证低负荷再热蒸汽温度的运行和设计改造方案。相关研究可为CFB锅炉规模化发展及实际运行调整提供参考。

1 试 验

350 MW超临界CFB锅炉(分别称为锅炉A和锅炉B)的结构如图1所示。锅炉为单炉膛单布风板,M型布置,平衡通风,两侧进风的方式。炉膛采用全膜式水冷壁,炉内靠近前墙布置了3片水冷隔墙,中间水冷隔墙约占炉膛深度的50%。给煤口在炉膛前墙水冷壁下部收缩段布置。炉膛与尾部竖井之间,布置3台汽冷式旋风分离器,每台分离器下部布置一个“U”型回料阀,每个回料器的循环灰分两路返回炉膛。锅炉A和锅炉B的主要设计参数及煤种分析见表1和表2。

表1 锅炉A和锅炉B的主要设计参数
Table 1 Main design parameters of boiler A and boiler B

表2 锅炉A和锅炉B燃料的主要性质
Table 2 Main parameters of the fuel of boiler A and boiler B

图1 350 MW超临界CFB锅炉结构示意
Fig.1 Schematic of the 350 MW supercritical CFB boiler

1.1 测点分布

为深入研究锅炉低负荷下再热蒸汽温度的变化特性,主要利用原锅炉炉内各温度测点,通过DCS画面得到所需计算参数。主要测点如下:在炉膛密相区,锅炉A和锅炉B分别均匀布置了12个和16个热电偶,用以测量锅炉A和锅炉B的床温分布,相邻2个测温测点的距离分别为4.7和3.9 m。锅炉A(锅炉B)的水冷壁和高温再热器出口分别安装有6(6)个和8(6)个汽水温度测点,分别用于测量锅炉A和锅炉B水冷壁和高温再热器出口蒸汽温度。锅炉A和锅炉B给煤口和床温测点分布如图2所示,将炉膛给煤口从左到右编号,记为x号(人站在炉前,面向锅炉)。不同受热面出口温度测量点具体位置如图3所示。

图2 密相区给煤口以及床温测点分布
Fig.2 Distribution of coal feeding ports and bed temperature measuring ports in the dense phase zone

图3 受热面出口温度测点分布
Fig.3 Distribution of the outlet temperature measuring ports of heating surfaces

1.2 低负荷断煤运行工况

锅炉正常运行条件下,部分给煤线路中断以后,锅炉负荷降低。燃烧稳定时,炉膛内将处于新的平衡状态,在这种稳定低负荷运行状态下,锅炉A和锅炉B各给煤口具体的给煤量分布见表3。发现断煤运行工况中,锅炉A属于炉膛右侧4个给煤口完全断煤的运行工况(50%给煤口断煤)。锅炉B连续经历3个断煤工况,分别称为工况1、2和3。工况1是两侧各2个给煤口断煤(40%给煤口断煤),随后发生的工况2和3分别有6个给煤口断煤(60%给煤口断煤)。

表3 低负荷运行时各给煤口给煤量分布
Table 3 Coal feeding rates of each coal feeding port at low loads

断煤稳定运行时,锅炉A与锅炉B主要运行参数见表4。由表4可知,锅炉A和锅炉B均运行在(30%～78%负荷)亚临界直流工况,此时水冷壁出口为有一定过热度的过热蒸汽。

表4 低负荷测试期间主要运行参数
Table 4 Main operation parameters during tests at low loads

2 结果分析与讨论

2.1 床温分布

锅炉A和锅炉B给煤线路中断前后床温和炉膛出口氧量随时间变化如图4、5所示。断煤后床温和氧含量基本保持恒定时,可将断煤工况视为一定时间内的稳态工况。

图4 锅炉A前墙和后墙床温及氧量分布
Fig.4 Distribution of bed temperature and oxygen content on front wall and rear wall of boiler A

图5 锅炉B连续3个断煤工况时前墙和后墙床温及氧量分布
Fig.5 Distribution of bed temperature and oxygen content on front wall and rear wall of boiler B under three continuous coal cut-off conditions

锅炉A右侧给煤线路全部中断,炉膛床温仅靠左侧扩散来的燃料及高温床料维持,导致该侧床温大幅降低,最大温降达133 ℃,断煤后F6和R6测点床温低至692 ℃。正常给煤的左侧前后墙1号和2号给煤口附近温度降低10～30 ℃,由于3号正常给煤口靠近中隔墙,且在未断煤的炉膛一侧,前后墙区域温度降低30～50 ℃,幅度高于1号和2号给煤口附近区域。断煤后密相区温度不均匀性明显增大,前、后墙最大温差分别由64 ℃(测点F2与F6)和45 ℃(测点R3和R6),增至191 ℃(测点F2与F6)和60 ℃(测点R3和R6)。前墙温差增大更明显,主要是由于中隔墙水冷壁的存在,炉膛左侧前墙附近的燃料无法及时、充分扩散至右侧断煤区域燃烧。

通过分析锅炉A和B的断煤工况发现,部分线路给煤中断导致燃料在密相区放热量降低,给煤量偏差造成床温分布不均,断煤口附近床温迅速下降。炉膛一侧给煤口中断较多时,该侧氧气相对于燃料过剩,正常给煤一侧氧量较低。这说明炉内氧量的横向扩散很弱,密相区的风、煤均匀性是影响床温分布的重要因素。此外,发现断煤后(30%～78%负荷)的亚临界直流工况下,炉内流化仍较强,颗粒混合较强,最低床温在650 ℃以上,高于无烟煤流化床燃烧的燃点[15-17],断煤侧给煤恢复后,投煤即可燃烧。

2.2 给煤中断对水冷壁出口汽温的影响

断煤前后水冷壁出口温度与锅炉负荷的关系如图6所示。给煤线路中断前,锅炉A水冷壁出口温度最大值为395 ℃(测点5),最小值为389.2 ℃(测点4)。锅炉B水冷壁出口温度最大值为391.2 ℃(测点6),最小值为388.1 ℃(测点2)。即无论是锅炉A还是锅炉B,给煤中断前水冷壁出口温度的偏差不大,最大偏差值小于6 ℃。给煤中断后,所有水冷壁出口蒸汽温度均随锅炉负荷的降低而降低,锅炉A和锅炉B各自6个测点水冷壁出口温度降低幅度相近,均在20～50 ℃。

图6 锅炉A和锅炉B水冷壁出口温度随负荷变化
Fig.6 Variation of water-wall outlet temperature of boiler A and boiler B with load

炉膛两侧出口烟气温度随锅炉负荷变化如图7所示,可知对于锅炉A而言,断煤后两侧烟气温度偏差大幅增加,由68 ℃增至207 ℃,但断煤工况下,锅炉A炉膛中心线左右两侧水冷壁出口壁温最大值为371.3 ℃(测点1),最小值为357.4 ℃(测点6),相差13.9 ℃,最大偏差比正常运行时高7.1 ℃。这说明由于采用低质量流率水动力原理[18-20],水冷壁内的工质流量具有正的自偿特性,受热强的水冷壁管内汽水流量比受热弱的管内汽水流量更大,因此在锅炉A右侧完全断煤运行工况下,尽管床温及两侧烟温偏差较大,水冷壁出口平均汽温偏差并未大幅升高,水冷壁运行基本安全。

图7 锅炉A和锅炉B炉膛出口烟气温度随负荷变化
Fig.7 Variation of flue gas temperature at furnace outlet of boiler A and boiler B with load

锅炉B断煤工况运行期间,水冷壁最大偏差仅14.6 ℃,随后锅炉负荷升高,水冷壁最大偏差减小至12.4 ℃。说明断煤运行工况下,由于水冷壁工质流量的自偿特性,水冷壁出口温度的最大偏差与正常运行时偏差相差不大。

2.3 给煤中断对炉内屏式再热器出口汽温的影响

给煤中断前后,锅炉A和锅炉B的炉内屏式高温再热器的出口蒸汽温度与负荷随时间变化如图8所示。由图8(a)可知,给煤中断后0～25 min,锅炉A右侧高温再热器出口温度测点5～8温度迅速下降,且温度降低幅度从左向右依次增加,分别为31.9、56.5、60.6和64.7 ℃,测点8最低值仅491.4 ℃,与测点1相差86.5 ℃。这主要是由于给煤中断,锅炉负荷降低,给风量随之降低,气速减小,气流对颗粒的携带能力减弱,被携带到炉膛上部的颗粒量减小,屏式受热面附近的传热系数降低。同时,炉膛右侧给煤中断导致炉膛右侧烟温(图7)大幅下降,而左侧正常给煤,烟气温度降低幅度很小。屏式受热面的传热量与传热系数、传热温差及受热面积呈正比,因此,断煤发生后,炉膛右侧的高温再热器出口蒸汽温度迅速下降,且距离正常给煤线路越远,温度越低。此后,负荷仍降低,为维持断煤一侧(右侧)再热蒸汽温度,运行中锅炉自动调节尾部双烟道烟气挡板开度从而增加低温再热器出口蒸汽温度。调节过程中会导致右侧高温再热器出口温度比断煤前升高,因此出现一个峰值(图8(a))。

图8 锅炉A和锅炉B高温再热器出口温度随负荷变化
Fig.8 Variation of high-temperature reheater outlet temperature of boiler A and boiler B with load

然而,在正常给煤的左侧炉膛,4个高温再热器出口温度在断煤后不降反升,60% BMCR工况下,出口温度稳定在580 ℃左右,比额定值高11 ℃,超过再热汽温控制要求(-5～ 3 ℃)。锅炉B测试中发现同样现象,约50% BMCR断煤工况1下,位于炉膛两侧断煤口1号、2号和9号、10号附近再热蒸汽出口温度分别仅522和513 ℃,比正常运行时降低10～30 ℃,但正常给煤口附近,测点3和测点4再热汽温达573 ℃,高于设计值。锅炉B随后发生的断煤工况2和工况3,负荷降至40% BMCR附近,由于9号、10号恢复正常给煤,测点6附近蒸汽温度有所回升,断煤口附近的高温再热器汽温则进一步降低,正常给煤口附近汽温波动不大(图8(b))。

分析上述现象导致的各再热屏出口再热汽温的变化与偏差可知,给煤线路中断后,由于燃料分布不均,造成的燃料释放热量偏差导致炉膛屏式再热器受热面的传热与温度分布不均。而由于锅炉蒸汽温度控制系统的自动控制作用,需保证最后平均再热蒸汽温度达到额定值,断煤时正常给煤一侧的再热蒸汽温度比正常运行时的再热蒸汽温度更高。说明高温再热器均匀布置在炉膛两侧时,在给煤偏差较大的情况下,会有超温风险,如锅炉A高温再热屏出口测点1所测管屏温度,第47 min达582 ℃(图8(a))。与相同断煤工况下水冷壁出口汽温偏差变化相比,高温再热器出口蒸汽温度的偏差大得多,与对应的给煤口给煤量密切相关。

2.4 低负荷炉内高温再热器汽温稳定方法

根据前述对断煤后水冷壁出口汽温变化和偏差分析可知,由于水冷壁内的工质流量具有正自偿特性,锅炉给煤偏置或部分断煤的工况,对水冷壁出口汽温均匀性影响不大,至少在40%～60%负荷时影响不大。但给煤偏置或部分给煤口断煤工况下,断煤口上方对应的炉内高温再热器出口汽温偏差较大,说明大型CFB锅炉炉膛内由于给煤扩散强度的限制,炉内屏式高温再热器吸热量与对应给煤口的给煤量密切相关。因此,根据炉内屏式高温再热器出口汽温与对应给煤口给煤量的关系,可考虑将其用于锅炉在低负荷时再热汽温控制。在不改变受热面分布的情况下,可在低负荷时,各屏式再热器正下方对应给煤口加大给煤,即人为不均匀给煤,促进再热汽温升高;锅炉设计或改造中,根据给煤口数量和布置位置,将炉内屏式再热器集中布置或偏置布置,如图9(a)和9(b)所示,低负荷时,通过增大再热屏对应给煤口的给煤量(相应二次风量),保证低负荷再热汽温稳定。必要时,还可将尾部前后双烟道布置的低温过热器与低温再热器,改为左右双烟道布置,进一步提高锅炉低负荷时保证再热汽温参数的能力。调节过程影响过热汽温,但过热汽温调节方法较多,可根据实际运行状况,调节过热屏对应给煤口给煤量并结合喷水减温等方式保证过热汽温。同时,针对偏置给煤对于NOx排放的影响,在断煤一侧,无燃料给入也很少产生NOx。正常投煤一侧,煤量相比各给煤口均匀给煤时更多,低负荷运行时有利于减少过剩氧量,有助于抑制NOx产生。即本文提出的偏置运行或布置方案不会明显增加NOx排放。

图9 大型CFB锅炉再热器偏置布置方案
Fig.9 Schemes of reheater offset arrangement in large-scale CFB boilers

3 结 论

1)部分线路给煤中断导致燃料在密相区放热量降低,断煤口附近的床温下降,烟气温度降低。但由于水冷壁的自补偿特性,水冷壁出口温度的最大偏差可控制在15 ℃以内,相较正常运行工况并未明显增加,说明给煤偏差对水冷壁管的安全运行影响不大。

2)通过深入分析断煤口与对应高温再热屏出口汽温关系发现,各再热屏的出口汽温与对应给煤口给煤量呈正相关。(锅炉B)某一给煤口断煤后,其对应上方的再热屏出口汽温显著降低;(锅炉A)一侧给煤口同时断煤时,该侧再热屏出口汽温显著降低,而正常给煤一侧的再热屏出口汽温在锅炉自动调节系统作用下可能会出现超温现象。

3)针对超临界CFB锅炉断煤低负荷运行时,对水冷壁出口汽温偏差影响较小、对床温和再热汽温影响较大的低负荷运行特性,提出了适合超临界CFB锅炉长期调峰和低负荷运行的技术方案:在不改变受热面分布的情况下,低负荷时在各屏式再热器正下方对应给煤口加大给煤,促进再热汽温升高;对锅炉改造,将再热屏偏置布置,并结合偏置给煤方式(二次风也相应偏置),降低负荷的同时保证高温再热蒸汽温度在额定值附近。

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Stability characteristics of reheat steam temperature of large-scale CFB boilers at low load

YANG Zhongzhi1,LU Xiaofeng1,JUE Jiayi2,MENG Baosheng2,WANG Pengcheng3

(1.School of Energy and Power Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.Geely Baikuang Group Co.,Ltd.,Baise 533099,China;3.Shanxi Hepo Power Plant Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China)

Abstract：As one of the key process of flexible power generation, long-term stable low load operation technology plays an important role in the continuous expansion of renewable energy grid connection. It is very common to adopt the operation mode of uneven coal feeding in order to reduce pollutant emissions or adjust bed temperature in the process of load regulation of circulating fluidized bed (CFB) boiler, and this mode put forward higher requirements for the design and operation of CFB boilers. At the same time, the flue gas temperature at the outlet of CFB boiler is low at low load. How to ensure that the steam parameters reach the rated value is one of the urgent problems to be solved to realize the flexible operation of CFB boiler. The parameters of two 350 MW supercritical CFB boilers under coal cut-off and low load operation conditions were deeply calculated and analyzed, and the methods to stabilize the reheat steam temperature at low load were studied. The results show that when the boiler operates under coal cut-off conditions with partial coal feeding ports interrupted, the bed temperature, furnace outlet flue gas temperature, furnace outlet oxygen content and high-temperature reheated steam temperature are basically positively correlated with the coal feeding rate at each coal feeding port. However, the coal feeding deviation and bed temperature deviation have little effect on the outlet steam temperature deviation of water-wall because of the positive flow response characteristics of the water-wall of supercritical CFB boilers. Based on the above research, a boiler transformation and operation optimization technical scheme for stabilizing the outlet steam temperature of high-temperature reheater in supercritical CFB boiler under long-term peak shaving and low load operation was proposed, which could ensure the basic stability of steam temperature at the outlet of high-temperature reheater at low load.

Key words：supercritical CFB boiler;high temperature reheater;low load;steam temperature;coal cut-off

中图分类号：TK227

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2023)06-0032-08

收稿日期：2022-04-13;

责任编辑：白娅娜

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.SD22041301

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(52176101)

作者简介：杨中智(1996—),男,河南南阳人,博士研究生。E-mail:ZhongzhiYang@cqu.edu.cn

通讯作者：卢啸风(1962—),男,四川泸县人,教授,博士。E-mail:xfluke@cqu.edu.cn

引用格式：杨中智,卢啸风,角加艺,等.大型CFB锅炉低负荷再热汽温稳定特性[J].洁净煤技术,2023,29(6):32-39.

YANG Zhongzhi,LU Xiaofeng,JUE Jiayi,et al.Stability characteristics of reheat steam temperature of large-scale CFB boilers at low load[J].Clean Coal Technology,2023,29(6):32-39.