電站鍋爐燃燒系統(tǒng)和設(shè)置特性探究

...wd......wd......wd...電站鍋爐燃燒系統(tǒng)與設(shè)備引言：煤粉的燃燒設(shè)備包括煤粉燃燒器、點火裝置和爐膛。煤粉燃燒器也稱為噴燃器，它是煤粉燃燒設(shè)備的主要組成局部。其作用是：將攜帶煤粉的一次風和助燃的二次風送入爐膛，并組織一定的氣流構(gòu)造，使煤粉迅速穩(wěn)定著火；及時供應(yīng)空氣，使燃料和空氣充分混合，到達煤粉在爐內(nèi)迅速完全燃燒。燃燒器的性能對燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性有很大的影響。本文將主要探究四角切圓燃燒鍋爐的有關(guān)特性關(guān)鍵詞：四角切圓鍋爐燃燒調(diào)節(jié)四角切圓燃燒鍋爐的爐膛特性1.1煤粉鍋爐的爐膛爐膛是供煤粉燃燒的空間，也稱為燃燒室。煤粉燃燒過程的進展不僅與燃燒的構(gòu)造有關(guān)，而且在很大程度上決定于爐膛的構(gòu)造，決定于燃燒器如何在爐膛中布置及其所形成的爐內(nèi)空氣動力場的特性。爐膛既是燃燒空間，又是鍋爐的換熱部件，因此它的構(gòu)造應(yīng)能保證燃料完全燃燒，同時又應(yīng)使煙氣在到達爐膛時已被冷卻到對流受熱面不結(jié)渣的溫度。所以爐膛的構(gòu)造應(yīng)能滿足如下要求：應(yīng)具有足夠的空間和合理的形狀，以便組織燃燒，減小不完全燃燒熱損失；要有合理的爐內(nèi)溫度場和良好的爐內(nèi)空氣動力特性，既能保證燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定著火和完全燃燒，又要防止火焰沖撞爐墻，或局部溫度過高，防止爐膛水冷壁結(jié)渣；應(yīng)能布置足夠數(shù)量的輻射受熱面，將爐膛出口煙溫降到允許的數(shù)值，以保證爐膛出口及其后的受熱面不結(jié)渣；本文設(shè)定鍋爐為單爐膛,四角布置擺動式直流燃燒器，切向燃燒，正壓直吹式系統(tǒng)，每角燃燒器為六層一次風噴口，燃燒器可上下擺動，爐膛上部布置墻式輻射再熱器和大節(jié)距的過熱器分隔屏以增加再熱器和過熱器的輻射特性。墻式輻射再熱器布置于上爐膛前墻和二側(cè)墻。分隔屏沿爐寬方向布置六大片,起到切割旋轉(zhuǎn)的煙氣流以減少進入水平煙道沿爐寬方向的煙溫偏差。在鍋爐的尾部豎井下集箱裝有容量為5%的啟動疏水旁路。鍋爐啟動時利用此旁路進展疏水以到達加速過熱器升溫的目的。此5%容量的小旁路可以滿足機組冷熱態(tài)啟動的要求。爐膛每角燃燒器由風箱風道、燃燒器護板、燃燼風室及水平擺動機構(gòu)、空氣風室、煤粉風室、油風室、擋板風箱、擺動機構(gòu)及連桿、點火裝置、風箱前軟管等部件組成。1.2燃燒器的布置:采用四角切圓燃燒的單切圓布置方式，即四角燃燒器一、二次風口的幾何軸線相切于爐膛中心同一個假想圓(如圖2-4)。大型電站煤粉鍋爐一般采用三種燃燒方式:四角切向燃燒、前后墻對沖旋流式燃燒和W型火焰燃燒。由于四角切圓燃燒方式可在爐膛內(nèi)形成一個大型旋轉(zhuǎn)火柱，灰粒子與煙氣間的混合強烈，同時也延長了粒子在爐膛內(nèi)的停留時間，使得碳的燃盡效率較高，燃料適應(yīng)性好，因而被我國電站煤粉鍋爐廣泛采用。由于切圓燃燒中火焰相互支持，一、二次風混合便于控制等特點，其煤種適應(yīng)性很強，可以隨意地燃用各種高灰分和低揮發(fā)份的煤種，適合我國燃煤鍋爐煤質(zhì)逐漸變差和煤種多變的特點，因而采用直流燃燒器切圓燃燒方式更適合我國的國情。在燃燒器高度方向上,根據(jù)燃燒器可擺動的特點,考慮到燃燒器下擺時保證火焰充滿空間和煤粉燃燒空間,從燃燒器下排一次風口中心線到冷灰斗拐角處留有較大的距離5560mm,為了保證煤粉的充分燃燒,從燃燒器上層一次風口中心線到分割屏下沿設(shè)計有較大的燃燼高度18959nmI,燃燒器在爐膛高度方向布置見圖2-5四角切圓燃燒方式的傳統(tǒng)做法是使一、二次風射流在爐內(nèi)同向正切或反切于同一假想圓,形成一股一、二次風旋轉(zhuǎn)上升的氣流。但在實際運行中,由于爐膛出口處的氣流存在剩余旋轉(zhuǎn),從而造成了水平煙道兩側(cè)煙氣的溫度場和速度場分布不均,過熱器的熱偏差較大,甚至引起爆管;假設(shè)假想切圓直徑過大,那么火焰太靠近爐墻,易引起水冷壁結(jié)渣和燃燒器燒損變形;假設(shè)假想切圓直徑過小,那么著火不穩(wěn)定,爐內(nèi)氣流擾動強度差,而且還不利于燃料的燃盡。在實際運行過程中,容易發(fā)生氣流偏斜,導(dǎo)致火焰貼墻、結(jié)渣及燃燒不穩(wěn)定。所以，燃燒器、爐膛、制粉系統(tǒng)以及一二次風系統(tǒng)的布置決定了煤粉的燃燒是否穩(wěn)定。二、制粉系統(tǒng)的選擇與布置制粉系統(tǒng)共分為兩類，第一類是中間倉儲式制粉系統(tǒng)，磨煤機的制粉量不需與鍋爐燃煤量一直，磨煤機的運行方式在鍋爐運行過程中有一定的獨立性，并可經(jīng)常保持在經(jīng)濟負荷下運行。第二類是直吹式系統(tǒng)，磨煤機磨制的煤粉全部直接送入爐膛內(nèi)燃燒，因此，制粉量隨鍋爐符合的變化而變化。由此可見，對于電廠而言，當然是需要經(jīng)常保持在經(jīng)濟負荷下運行，所以對于四角切圓燃燒方式，我傾向于選擇中間倉儲式制粉系統(tǒng)。倉儲式制粉系統(tǒng)四角切圓鍋爐是燃煤鍋爐中比較典型的爐型,其混煤摻燒方式的選取與摻混煤種的特性、粉倉與燃燒器連接方式、粉倉之間的聯(lián)絡(luò)方式等密切相關(guān)。2.1粉倉與燃燒器分層連接湖南華潤某發(fā)電300MW機組1,2號鍋爐,倉儲式制粉系統(tǒng)、四角切圓鍋爐,配4套制粉系統(tǒng),A,B制粉系統(tǒng)和C,D制粉系統(tǒng)分別對應(yīng)1,2號2個粉倉,1號粉倉對應(yīng)A,B層燃燒器和C1,C3燃燒器,2號粉倉對應(yīng)D,E層燃燒器和C2,C4燃燒器。湖南大唐某發(fā)電300MW機組1,2號鍋爐,湖南經(jīng)投某發(fā)電300MW機組1,2號鍋爐,其粉倉與燃燒器的分層相接方式那么是1號粉倉對應(yīng)A,C層火嘴和E2,E4燃燒器,2號粉倉對應(yīng)B,D層和E1,E3燃燒器。這種管道布置方式復(fù)雜,一次風速調(diào)平工作量大,一次風管阻力損失也較大,但對混煤摻燒方式的適應(yīng)性較強,幾乎可適用于各種混煤摻燒方式。2.2倉儲式制粉系統(tǒng)粉倉與粉倉的聯(lián)絡(luò)方式輸粉褲叉管是一種方便簡單、可靠性高的新裝置。湖南大唐某發(fā)電1,2號鍋爐、湖南華電某發(fā)電3,4號鍋爐,選取離2個粉倉相近的B,C制粉系統(tǒng),將細粉別離器粉篩下的原單根落粉管設(shè)計為褲叉管并裝設(shè)調(diào)節(jié)檔板,使B,C制粉系統(tǒng)可單獨或同時向1,2號粉倉輸粉,見示意圖1。輸粉褲叉管裝置能較好地實現(xiàn)不同制粉系統(tǒng)所制煤粉的倉內(nèi)摻混,并保證混合基本均勻。此外,通過調(diào)節(jié)擋板位置,還可實現(xiàn)粉位調(diào)節(jié),防止頻繁啟停磨煤機。2.3粉倉與燃燒器分層連接時混煤摻燒方式的選取在粉倉與燃燒器分層連接系統(tǒng)中,如果混煤的可磨性差異不大、又能保證摻混基本均勻,可優(yōu)先采用“爐前摻混、爐內(nèi)混燒〞,如大唐湖南某發(fā)電1,2號鍋爐就長期使用該混煤摻燒方式。如果混煤的可磨性差異大、又裝設(shè)有輸粉褲叉裝置,建議采用“分磨制粉、倉內(nèi)摻混、爐內(nèi)混燒〞。如華電湖南某發(fā)電3,4號鍋爐就采用該混煤摻燒方式成功地摻燒了晉城無煙煤,使飛灰含碳量由“爐前摻混,爐內(nèi)混燒〞的20%降到了10%以下。如果混煤的可磨性差異大、又沒有裝輸粉褲叉裝置,建議采用“分磨制粉、分倉儲存、爐內(nèi)摻燒〞,此時,某2層半火嘴燒好煤、另外2層半火嘴燒差煤,可根據(jù)各自煤種的燃燒特性采用不同的煤粉細度和配風方式,上下層之間的火焰支持力度也很大,鍋爐燃燒較穩(wěn)定。湖南華潤某發(fā)電1,2號鍋爐、湖南經(jīng)投某發(fā)電1,2號鍋爐就長期采用“分磨制粉、分倉儲存、爐內(nèi)摻燒〞的方式。三、一二次風系統(tǒng)的布置采用均等配風的直流煤粉燃燒器，布置方式如圖，燃燒時，要求一次風中的煤粉著火后，應(yīng)盡快和二次風混合以保證進一步燃燒所需的氧氣。在每一個一次風噴口的上下方都設(shè)有二次風噴口，而且噴口間距較小。燃燒器最高層布置上二次風噴口，其作用除供應(yīng)上排煤粉燃燒器所需空氣外，還可以提供爐內(nèi)未燃盡的煤粉繼續(xù)燃燒所需空氣。燃燒器底層布置下二次風噴口，除了供應(yīng)所需空氣還可以將粗煤粉托起，減少不完全燃燒熱損失。一次風管每一層都要布置，而且四個角都要布置。在風箱中，二次風管對角布置，兩個二次風噴口中夾著一個一次風噴口。四、大型化方面的問題與開展趨勢：隨著鍋爐容量增加,爐膛容積會相應(yīng)增加,爐膛寬度與深度亦隨之增加,但是它會受到燃燒器射流要保證爐內(nèi)火焰充滿度、爐膛中央形成切圓的限制,一般為了保證爐內(nèi)火焰形成切圓,爐寬和爐深的上限尺寸為22～24m。我國外高橋電廠900MW單爐膛的截面尺寸為21.48m×21.48m。運行情況說明,其燃燒器火焰穿透能力及燃燒組織上未出現(xiàn)問題。隨鍋爐容量增加,爐膛橫截面比容積增加得慢,故爐膛截面熱負荷(qf)是隨鍋爐容量而增大,所以大型鍋爐的爐溫高,同時煙氣上升速度增加,使燃燒器射流上翹,為保證燃燒器射流有足夠的穿透深度、不影響氣流旋轉(zhuǎn)強度,要求增加燃燒器一、二次風速和燃燒器出口截面積,亦即增加單個燃燒器熱功率?？墒?一次風速會影響著火,噴口截面太寬會影響煤粉均勻分布與均勻混合,因此燃燒器出口氣流穿透深度的提高是有限度的。而且單個燃燒器熱效率提高,還會因局部熱負荷太高而影響結(jié)渣,NOx增加及超臨界參數(shù)下水冷壁管局部超溫爆管等,因此單個燃燒器熱功率是一個比較重要的參數(shù),必須慎重選擇。由于單個熱功率的限制,必須增加燃燒器只數(shù)和層數(shù),以使火焰分散,降低壁面熱負荷,也有利于爐內(nèi)火焰充滿度的提高。隨著鍋爐的大型化，常用的直流燃燒器出現(xiàn)了一些問題:鍋爐爐膛變大，四角布置方式的燃燒器的射流剛性不夠。隨著鍋爐容量的增加，爐膛截面也相應(yīng)增大，爐內(nèi)溫度場、空氣動力場的不均勻性更加突出，由于燃燒組織不當，一次風煤粉氣流貼壁，特別是在燃煤中含硫量較高及壁面呈現(xiàn)復(fù)原性氣氛時，常常出現(xiàn)水冷壁嚴重結(jié)渣、高溫腐蝕及鍋爐煙溫偏差等問題，直接危害鍋爐運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。五、燃燒方面的問題〔如何調(diào)節(jié)〕5.1負荷下降時：一、二次風均勻配風：四角射流的相互支撐對切圓燃燒煤粉爐低負荷運行顯得尤其重要。假設(shè)一、二次風配風不均勻，將使火焰偏斜，四角射流的相互引燃作用減弱，汽溫煙溫偏差增大，嚴重時會使火焰沖刷水冷壁，造成結(jié)焦、高溫腐蝕等后果。一次風風率、風速，及煤粉濃度：低負荷時為使鍋爐穩(wěn)定燃燒，在保證煤粉管道不積粉、堵管前提下，應(yīng)適當降低一次風比例。但一次風風速不宜過低，原因在于：使煤粉氣流剛性削弱，氣流穩(wěn)定性變差，擾動減弱，火炬容易擺動，切圓形成不佳；卷吸周圍高溫煙氣量減少，降低了煤粉著火前的加熱強度；易產(chǎn)生氣粉分層和氣粉分布不均、堵管等不良現(xiàn)象；著火點距離噴嘴較近，容易燒環(huán)噴嘴。因此對燃燒煙煤的四角切圓燃燒鍋爐應(yīng)該有一個比較適宜的一次風速范圍，一般在25~35m/s范圍，低負荷運行時擇低限來調(diào)試。鍋爐總風量：鍋爐總風量在于保證燃燒所需的氧量，一定的過量空氣對煤粉燃燒和燃盡是必須的。燃用煙煤時，爐膛出口過量空氣系數(shù)α在1.15~1.25范圍內(nèi)。低負荷時，為保證過熱器、再熱器蒸汽溫度以及排煙溫度維持在較好水平，可適當增大鍋爐運行的總風量，爐膛出口的空氣過量系數(shù)一般控制在1.25~1.4范圍內(nèi)，對應(yīng)的氧量在4.2%~6%之間。一、二次風溫：低負荷時，由于爐膛出口溫度降低、煙氣量減少，故二次風溫比高負荷時要低，必要時可以通過熱風再循環(huán)及投入暖風器等措施來提高二次風溫度。二次風配風方式:低負荷時二次風的配風方式應(yīng)根據(jù)火嘴的投停方式作相應(yīng)調(diào)整。適當減少投運火嘴之間的二次風量，有利于煤粉的著火和穩(wěn)燃；為提高蒸汽溫度及排煙溫度，可采用“正寶塔〞形配風方式，適當抬高火焰中心。煤粉細度：盡可能使煤粉磨得更細。5.2煤質(zhì)變差時由于正常運行中入爐煤不能保證設(shè)計煤種,入爐煤煤質(zhì)偏離設(shè)計煤質(zhì)很多,給鍋爐的正常安全運行,尤其是低負荷的穩(wěn)定運行構(gòu)成很大威脅。通過對強化燃燒問題的探討,從運行角度系統(tǒng)分析了影響穩(wěn)定燃燒的各種不利因素,并對涉及燃燒系統(tǒng)的有關(guān)運行方式進展了優(yōu)化,使鍋爐的穩(wěn)燃能力和抗干擾能力大大提高協(xié)調(diào)方式下的總風量控制：在總風量增加不十分顯著的情況下,人為改變氧量設(shè)定值,通過氧量修正回路減少總風量。而當調(diào)至氧量修正回路無效或不明顯時,可適當開大運行給粉機的入口插板,提高煤粉濃度(一次風煤粉濃度),從而降低給粉機轉(zhuǎn)速,減少總風量至正常范圍內(nèi),相對提高爐內(nèi)燃燒溫度。一次風煤粉濃度的增加又促進了穩(wěn)定著火和強化燃燒。在低負荷階段,盡量減少制粉系統(tǒng)的運行套數(shù)：燃用低揮發(fā)分貧煤的煤粉鍋爐,為保證煤粉的燃盡,設(shè)計的制粉系統(tǒng)煤粉細度均較小,故不可防止的造成三次風帶粉偏大的問題。在鍋爐低負荷時制粉系統(tǒng)運行套數(shù)的減少,即減少了進入爐膛的三次風帶粉量。由于三次風著火放熱減少,相對增加了運行給粉機的轉(zhuǎn)速和進入爐膛的一次風煤粉量,使整個爐膛的斷面熱負荷增加,爐膛溫度提高,有利于一次風火嘴的著火和火焰?zhèn)鞑?強化了鍋爐的燃燒穩(wěn)定性。優(yōu)化給粉機運行方式,進一步提高鍋爐的斷面熱負荷：優(yōu)化措施是對總風量進展控制,同時盡可能地減少給粉機的運行臺數(shù)。一般在不投油200MW負荷以下,保持下三層(A、B、C、D層)給粉機運行,即給粉機的運行臺數(shù)不超過12臺。給粉機運行臺數(shù)的減少,可有效增加運行給粉機的給粉量,進而提高燃燒器區(qū)域的溫度水平和斷面熱負荷,從而大幅度提高火焰中心的溫度、絕熱燃燒溫度的提高,又促進燃燒反響的反響速度,增強著火的穩(wěn)定性和增加火焰的傳播速度。降低一次風率,減少著熾熱量：由于爐內(nèi)煤粉氣流著火需要一定的預(yù)熱時間和著熾熱量,而煤粉的著熾熱量Q正比于一次風量,因此,通過適當降低一次風壓,來降低一次風率,從而降低了煤粉著火需要的熱量,促使煤粉提前著火。由于一次風率的降低,一次風中的煤粉濃度增加,對于不同的煤質(zhì)和不同的燃燒器都存在一個最正確著火煤粉濃度的問題,而揮發(fā)分含量較低的貧煤和無煙煤,最正確著火煤粉濃度往往較高。因此,煤粉濃度在一定范圍內(nèi)的適當提高,對煤粉氣流的著火燃燒更有利。熱偏差大時：將局部二次風改為反切圓布置，通常在燃燒器頂部的燃盡風噴嘴上做文章。其實爐內(nèi)火球旋轉(zhuǎn)方向取決于動量矩較大的主射流，反切布置的噴嘴射流進入爐內(nèi)后，受主射流的引射作用，改變旋轉(zhuǎn)方向，匯入主射流中，不可能出現(xiàn)既有順時針方向旋轉(zhuǎn)氣流、又有逆時針方向旋轉(zhuǎn)氣流在爐內(nèi)共存，爐內(nèi)煙氣旋轉(zhuǎn)方向只能有一個。四角切圓燃燒技術(shù)的一個顯著優(yōu)點就是利用火球旋轉(zhuǎn)，加強爐內(nèi)混合，增加煤粉顆粒的燃燒行程。如果為了降低爐膛出口煙溫偏差，從而削弱或取消爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。結(jié)渣嚴重時：結(jié)渣嚴重時，會發(fā)生傳熱惡化，因為溫度的不均勻，更嚴重的后果是發(fā)生超溫爆管。在鍋爐運行時，假設(shè)爐膛出現(xiàn)結(jié)渣，應(yīng)提高一次風溫、延遲二次風混入的時間以降低著熾熱，在鍋爐停爐檢修時把結(jié)渣處清理干凈。q4大時：q4〔機械不完全燃燒損失〕是由于灰中含有未燃盡的碳造成的熱損失。所以要通過調(diào)節(jié)工況使煤燃盡。升高一次風溫：升高一次風的溫度可以使煤中的水分蒸發(fā)，降低煤燃燒所需的著熾熱。增加磨煤機出力：通過增加磨煤機出力可以使煤粉磨得更細，增大燃燒反響的外表積。Nox過高時：NOx過高時，在一樣負荷、維持總空氣量不變的條件下，根據(jù)分級燃燒原理，將配風方式從均等配風改為縮腰配風，主燃燒區(qū)域的氧濃度降低，既能降低主燃燒區(qū)域的火焰溫度，又能抑制燃料中氮形成的中間產(chǎn)物與氧化產(chǎn)物，可以在鍋爐熱損失不變的情況下降低NOx的濃度。六、過熱器金屬壁溫偏差方面問題：計算過熱器熱偏差時作以下假設(shè)：不考慮沿聯(lián)箱長度方向靜壓的變化，即滿足△P=△P0=△Pp各并列管子的尺寸〔長度、直徑〕、受熱面和阻力系數(shù)完全一樣，即Kp=K。蒸汽在進入計算級過熱器前經(jīng)過充分混合，即各管圈進口工質(zhì)的溫度一樣，在這種情況下，熱偏差將導(dǎo)致出口工質(zhì)的焓和溫度的不同。熱負荷沿管長不變，工質(zhì)物性〔比定壓熱容Cp等〕不隨溫度變化。過熱蒸汽被看作是理想氣體。受熱面并聯(lián)管組中個別管子的焓增△hp與并聯(lián)管子的平均焓增△h0的比值稱為熱偏差系數(shù)ψ：ψ=△hp/△h0△h0=Q0F0/G0△hp=QpFP/Gp所以ψ=(Qp/Q0)·〔Fp/F0〕/〔Gp/G0〕=ηqηF/ηG式中Qp、Q0——偏差管、并聯(lián)管平均的單位面積吸熱率，KJ/〔㎡·s〕Fp、F0——偏差管、并聯(lián)管每根管子的平均受熱面積，㎡；Gp、G0——偏差管、并聯(lián)管每根管子的平均流量，kg/s；Ηq、ηF、ηG——熱力不均系數(shù)，構(gòu)造不均系數(shù)和流量不均系數(shù)。當這些系數(shù)的數(shù)值