超临界压力W火焰锅炉运行方式对炉内热负荷影响的试验研究

周文台，　杨　勇

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

超临界压力W火焰锅炉运行方式对炉内热负荷影响的试验研究

周文台，杨勇

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

摘要：对某600 MW超临界压力W火焰锅炉炉膛水冷壁壁温进行了测量，获得了炉膛水冷壁热负荷分布，调整锅炉运行方式(如磨煤机投运方式、前后墙的总风门挡板开度、煤粉细度和三次风风门挡板开度等)，测量并计算炉内热负荷.结果表明：煤粉细度对炉内热负荷几乎没有影响；前后墙总风门挡板开度会影响炉内火焰行程，应该采用“前墙压后墙”的运行方式；三次风风门挡板开度变化会改变上、下炉膛热负荷的分布；不投运的磨煤机所对应区域的热负荷明显下降.

关键词：超临界压力W火焰锅炉； 水冷壁； 运行方式； 热负荷

我国无烟煤资源储量丰富，但是其挥发分含量较低，着火及燃尽较为困难.而W火焰锅炉下炉膛空间大、火焰行程长，有助于煤粉燃尽，所以在燃用无烟煤时与其他炉型相比有较明显的优势.近年来超临界压力W火焰锅炉在国内相继投运，水冷壁超温和爆管等现象频繁发生，极大地影响了锅炉的安全性.水冷壁的局部超温和爆管均是由锅炉炉内热负荷分布不均而引起的[1]，因此研究超临界压力W火焰锅炉的炉内热负荷分布规律显得尤为重要.

超临界压力W火焰锅炉炉内热负荷的分布受到诸多因素的影响，如燃料种类、炉膛形状和运行方式等.而锅炉完成选型以及确定燃料后，对炉内热负荷影响最大的因素是锅炉的运行方式，笔者以云南华电镇雄发电有限公司某600 MW超临界压力变压运行W火焰直流锅炉为例，对影响锅炉炉内热负荷分布的运行方式进行实炉试验，为今后该类型锅炉的安全运行提供参考依据.

1试验锅炉

在云南华电镇雄发电有限公司某600 MW超临界压力变压运行W火焰直流锅炉上进行试验，该锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π形、露天布置.锅炉燃用无烟煤，采用W火焰燃烧方式，在前后拱上共布置有24 组狭缝式燃烧器，其布置方式如图1所示，燃烧器的喷口布置如图2所示，配备6台BBD4062型双进双出磨煤机.

图1　燃烧器布置图

图2　燃烧器喷口布置图

在锅炉的前后拱上设置了2个燃烧器风箱，每个风箱内又通过隔板分隔成6个独立的小风箱，共计12个小风箱，这些小风箱内各布置一组燃烧器且每个小风箱均设有独立的风门挡板.在锅炉的拱下前后墙各设置了6个三次风箱，共计12个，与拱上风箱一一对应，这些风箱也设有独立的风门挡板，负责三次风的分配.拱上风箱(二次风)与拱下风箱(三次风)相连通.

2测点的布置及热负荷测量方法

2.1测点的布置

在锅炉启动前冷态状态下，在指定的水冷壁管向火面及背火面安装热电偶测点.测点安装示意图如图3所示，其中d为水冷壁管外径，S为管间距.

图3　水冷壁热电偶测点安装示意图

试验测点安装在前墙15.6 m、22.6 m、39.6 m、48.0 m、53.5 m和59.0 m标高处的第36、第101、第166、第231、第296、第361和第439号水冷壁管上；而后墙由于折焰角的存在，试验测点仅安装在15.6 m、22.6 m和39.6 m标高处的第36、第101、第166、第231、第296、第361和第439号水冷壁管上.

2.2热负荷的计算方法

通过采集水冷壁向火面及背火面所有温度测点的壁温，并结合相应的运行参数和膜式水冷壁管的结构参数，通过迭代计算炉膛水冷壁的内壁热负荷[2-4](以下简称热负荷)，计算程序如图4所示，其中β为水冷壁管内外直径比.

3炉膛水冷壁热负荷分布

初始机组负荷为600 MW，贮水箱压力为25.9 MPa，投运ABCDEF磨煤机，磨煤机动态分离器相对转速设定75%运行.前后墙总风门挡板开度均为85%，拱上二次风风门挡板开度为80%，拱下三次风风门挡板开度为50%，前后墙热负荷分布如图5所示，其中横坐标为该面墙某标高处从左到右的温度测点.

从图5可以看出，在600 MW负荷以及上述二次风配风方式下，炉内热负荷呈现以下规律：(1)前后墙的最高热负荷均出现在39.6 m标高处；(2)在下炉膛，前墙热负荷略低于后墙热负荷，在上炉膛，前墙热负荷略高于后墙热负荷，说明在前后墙均等配风方式下，后墙下冲略深于前墙.

图4　计算程序

从水冷壁在线温度测点结果来看，也呈现出前墙壁温高于后墙壁温的特点，且前墙上部水冷壁壁温易超温，这与炉内实测热负荷的分布是一致的.

(a) 前墙

(b) 后墙

3.1前后墙总风门挡板开度对炉内热负荷的影响

在初始运行状态下，前墙上部水冷壁壁温为470 ℃左右，与报警温度(500 ℃)接近，且易出现水冷壁超温状况.针对水冷壁频繁超温现象，对前后墙的总风门挡板开度进行了调节.

在初始运行状态下，前后墙的总风门挡板开度均为85%.针对前墙上部水冷壁频繁超温的问题，在其他条件不变的情况下，采用“前墙压后墙”的运行方式，即前墙总风门挡板开度远大于后墙总风门挡板开度[5]，试验中将前墙总风门挡板开度设置为85%不变，后墙总风门挡板开度关小至60%运行.调节后的风门挡板开度见图6.

总风门60%总风门60%总风门60%总风门60%总风门60%总风门60%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%A3A1E3E1C3C1C2C4E2E4A2A4炉膛F3F1D3D1B3B1B2B4D2D4F2F4二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%二次风80%三次风50%总风门85%总风门85%总风门85%总风门85%总风门85%总风门85%

图6调节后的所有风门挡板开度

Fig.6Opening degree of all air dampers after adjustment

采用“前墙压后墙”的运行方式后，前后墙热负荷分布如图7所示.从图7可以看出，减小后墙总风门挡板开度后，后墙3层标高处实测的热负荷均升高，而前墙下部15.6 m和22.6 m标高处的热负荷变化不大，但39.6 m标高处的热负荷明显下降.从图7还可以看出，减小后墙总风门挡板开度后，前墙上部水冷壁壁温下降明显，而后墙水冷壁壁温小幅上升.这是因为当前后墙配风相当时，炉内的火焰行程如图8中行程1所示，下炉膛火焰在炉膛中心附近相交，由于折焰角的关系，整个烟气流场势必会更加靠近前墙，造成上炉膛前墙的热负荷高于后墙的热负荷，前墙上部水冷壁易超温.当采用“前墙压后墙”的运行方式后，炉内的火焰行程则如图8中行程2所示，由于折焰角的存在，在上炉膛，烟气流场靠近前墙；而在炉膛中下部，烟气流场更加靠近后墙，这样前墙的部分热负荷转移到后墙，能有效解决前墙上部水冷壁超温的问题.

3.2三次风风门挡板开度对炉内热负荷的影响

在实际运行中，三次风对炉内热负荷的影响也较大.在初始工况基础上，将前墙三次风风门挡板开度由50%关小至30%后，炉内热负荷分布见图9.

(a) 前墙

(b) 后墙

Fig.7Heat load distribution on front and rear wall after changing the opening degree of general air dampers

图8　改变总风门挡板开度前后炉内烟气流场示意图

Fig.8In-furnace flue gas flow before and after changing the opening degree of general air dampers

图9前墙三次风风门挡板开度为30%时的炉内热负荷分布

Fig.9In-furnace heat load distribution at 30% opening degree of tertiary air damper on the front wall

从图9可以看出，关小三次风风门挡板开度后，前墙下部15.6 m、22.6 m标高处的热负荷升高，而39.6 m标高处的热负荷下降.究其原因，如图10所示，关小三次风风门挡板开度后，拱上二次风风门挡板开度增大，火焰下冲加剧，使得火焰在下炉膛停留时间延长，火焰行程由图10中的行程1变为行程2，火焰中心下降，部分上炉膛的热负荷转移到下炉膛，下炉膛热负荷升高，上炉膛热负荷降低.

图10　改变三次风风门挡板开度后的火焰行程示意图

3.3煤粉细度对炉内热负荷的影响

煤粉细度依靠磨煤机动态分离器相对转速进行调节.初始工况的动态分离器相对转速为75%，试验中将动态分离器相对转速调至60%，各磨煤机的煤粉细度变化如表1所示.图11给出了改变煤粉细度后炉内热负荷的分布.

表1煤粉细度与动态分离器相对转速的关系

Tab.1Relationship between the fineness of pulverized coal and the relative speed of dynamic separator%

通过对比图11与图5中相同标高处温度测点的热负荷，可见改变煤粉细度前后，炉内热负荷变化不明显，说明影响该锅炉炉内热负荷的不是一次风，而是二次风和三次风.这与该锅炉的设计原理有关，从图2的燃烧器喷口布置形式可以看出，一次风喷口被二次风喷口包围，而一次风的刚度弱于二次风刚度，一次风的下冲深度由携带其下冲的二次风的刚性所决定.因此，改变煤粉细度对炉内热负荷几乎没有影响.

3.4磨煤机投运方式对炉内热负荷的影响

图12给出了600 MW负荷下投运ABCEF磨煤机时的前墙热负荷分布.图13给出了600 MW负荷下投运ABDEF磨煤机时的后墙热负荷分布.由图12和图13可知，磨煤机投运方式对炉内热负荷的影响比较明显.

(a) 前墙

(b) 后墙

图12　投运ABCEF磨煤机时的前墙热负荷分布

图13　投运ABDEF磨煤机时的后墙热负荷分布

通过以上试验不难发现，当某台磨煤机不投运时，该区域热负荷明显下降，而其他区域热负荷则略微上升.

4结论

(1) 在前后墙均等配风的情况下，后墙火焰下冲略深于前墙，致使下炉膛前墙热负荷略低于后墙热负荷，上炉膛前墙热负荷略高于后墙热负荷.

(2) 采用“前墙压后墙”的运行方式后，前墙部分热负荷转移到后墙，使前墙上部水冷壁壁温更加安全.

(3) 关小(或开大)三次风风门挡板开度后，拱上二次风风门挡板开度增大(或减小)，风速增大(或减小)，火焰中心下降，下炉膛热负荷升高(或降低)，上炉膛热负荷降低(或升高).

(4) 煤粉细度对炉内热负荷几乎没有影响，说明火焰的下冲深度是由二次风的刚性决定的.

(5) 在机组负荷不变的情况下，当某台磨煤机不投运时，该区域热负荷明显下降，而其他区域热负荷则略微上升.

参考文献：

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WU Tianhai, YAN Xiaozhong, FU Huilin,etal. Analysis of water wall's tube explosion in 600 MW W-flame supercritical boiler[J]. Journal of Changsha University of Science and Technology(Natural Science), 2013，10(4)：86-92.

[2]杨勇，俞谷颖，陈端雨，等. 超临界压力W火焰锅炉炉膛水冷壁热负荷分布的试验研究[J]. 动力工程学报，2015，35(6):429-436.

YANG Yong, YU Guying, CHEN Duanyu,etal. Experimental study on water wall heat load distribution of supercritical pressure W-flame boilers[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015，35(6):429-436.

[3]俞谷颖，朱才广.电站锅炉水动力研究[J]. 动力工程学报，2011，31(8)：590-597.

YU Guying, ZHU Caiguang. Study on hydrodynamic performance of power plant boilers[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(8):590-597.

[4]杨勇. 1 000 MW超超临界压力直流锅炉螺旋管圈水冷壁的水动力及传热特性试验研究[D].上海：上海发电设备成套设计研究院，2010.

[5]周文台，程智海，金鑫，等. 600 MW超临界W火焰锅炉防超温燃烧调整试验研究[J]. 动力工程学报，2013，33(10)：753-758.

ZHOU Wentai, CHENG Zhihai, JIN Xin,etal. The experimental study of combustion adjustment test of preventing over temperature for 600 MW supercritical pressure W-flame boiler[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2013,33(10):753-758.

吕少昆(通信作者)，男，硕士研究生，电话(Tel.)：15200093685；E-mail: lskmail@163.com.

Effects of Operation Mode on Heat Load Distribution in a Supercritical Pressure W-flame Boiler

ZHOUWentai,YANGYong

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：The heat load distribution in a 600 MW supercritical pressure W-flame boiler was calculated by measuring the temperature of water wall by changing the operation conditions of the boiler, such as the combination mode of mills, opening degree of general air dampers on front and rear wall, fineness of pulverized coal and opening degree of tertiary air damper, etc. Results show that the fineness of pulverized coal has almost no effect on the heat load distribution. The opening degree of general air dampers on front and rear wall would affect the flame travel in the furnace, and it is proposed to adopt the "front wall air suppressing rear wall air" mode. Changing the opening degree of tertiary air damper would alter the heat load distribution in the upper and lower furnace. Low heat load would appear in the area where corresponding coal mill is out of service.

Key words：supercritical pressure W-flame boiler; water wall; operation mode; heat load

文章编号：1674-7607(2016)04-0253-05中图分类号：TK227.1

文献标志码：A学科分类号：470.30

收稿日期：2015-06-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51076045)

作者简介：高正阳(1972-)，男，河北保定人，副教授，博士，主要从事燃煤过程污染物控制和燃烧过程数值模拟方面的研究.