俄國大型(500 MW)燃用高灰分煤電站鍋爐的設計特點及運行特性

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俄國大型(500 MW)燃用高灰分煤電站鍋爐的設計特點及運行特性簡介
    俄國大型(500 MW)燃用高灰分煤電站鍋爐的設計特點及運行特性 黃少鶚福建省電力試驗研究院,福建福州350007 1 概……
俄國大型(500 MW)燃用高灰分煤電站鍋爐的設計特點及運行特性正文
    俄國大型(500 MW)燃用高灰分煤電站鍋爐的設計特點及運行特性 黃少鶚
福建省電力試驗研究院,福建福州350007

1 概述

拔都里斯克機器製造股份公司(зпо)是俄國大型電站鍋爐製造廠家之一。於20世紀70年代初就已建制了燃用厄奇巴斯圖斯克(以下簡稱「厄」煤)高灰分煤、功率500 MW的П-57型固態排渣煤粉爐。當今,計有16台該型爐在運轉,其中2台裝在特羅伊茨克電廠,4台裝在里弗欽斯克電廠,8台在厄奇巴斯圖斯克1號電廠(ЭГPЭC-1),2台在厄奇巴斯圖斯克2號電廠(ЭГPЭC-2)。此外,還為南哈薩克地區電廠研製了相同的鍋爐機組。

首台П-57(П-57-1)型樣品爐於1972年設計製成,裝在特羅伊茨克電廠 ,1974年投產。

    首台爐取得經驗后[1,2],在它基礎上接著又開發了П-57-2及П-57-3型系列鍋爐。這些爐的爐膛水冷壁在結構上作了改進,把「上輻射部」的下垂豎直段水冷壁合併到上輻射部水平受熱面內。2台П-57-2型爐裝在里弗欽斯克電廠。另外,第3台的П-57-3改進型爐把「再生」式換成多管式空氣預熱器 。ЭГPЭC-1電廠的3號至8號爐安裝了П-57-3改進型爐,見圖1(a),該爐把「走廊」區取消,而在此處裝第Ⅱ級省煤器,加大「下輻射」部和「中輻射」部受熱器,焊口在7 m以上,以提高它的工作可靠性。

2 П-57改型鍋爐的結構特點

以上所述的П-57改進型鍋爐均配置帶錘擊磨爐膛側牆二層上的24隻對沖布置的旋流式燃燒器(每套制粉系統供同一層上的3隻毗連燃燒器),鍋爐燃用干基灰分39%的「厄」煤。

除里弗欽斯克電廠鍋爐外,其它爐子都配置裝在空預器「冷」側的一次風機,把乾燥-通風劑輸進錘擊磨。一次風在單獨的(8台空預器中的3台)的「列」型管式空預器內加熱。而里弗欽斯克電廠鍋爐的制粉系統則採用單獨裝在空預器出口「熱」側的熱風機,把空氣輸進磨煤機。

在首台П-57型爐[3,4]燒「厄」煤經驗基礎上研製了改進型的П-57Р型爐,見圖1(b)。設計燃用煤種的干基灰分為48%,最高為55%(純屬劣質燃料)。爐頂結構作了重大改進。雙面裸露的水冷壁與爐膛側牆相連以消除結焦和積灰,撤除沸斯登管,在水平煙道下水冷化。裝用6台中速磨直吹式制粉系統。煤粉輸至燃燒器系統略作改進(每套制粉系統供4隻燃燒器)。П-57P型樣品爐裝在ЭГPЭC-2廠 ,1990年投產。同型的第2台爐1993年投產。第2台爐和第1台爐不同,把爐膛改成配置槽形直流式燃燒器的「雙旋繞」切圓燃燒爐膛,空氣按不同層燃燒分段輸入並從爐膛不同高度分段給進,目的是降低NOx生成。
3 制粉系統的配置
3.1 帶錘擊磨的制粉系統

20世紀70年代初期,燃用「厄」煤大型爐(300 MW)廣泛應用中間儲倉式或直吹式制粉系統[5,6]。在這期間,由於錘擊磨技術上的突破,提高了擊錘和易磨損元件的壽命,所以,在П-57型鍋爐上都配置MMT-2600/2550-590型錘擊磨直吹式制粉系統(П-57P型爐除外)。

全俄熱工研究院烏拉爾分部等有關單位[7~9]對配該型磨的制粉系統進行檢驗,試驗結果表明:在設計通風量Qm″=75 000 m3/h,磨煤出力50 t/h時的單位磨煤電耗為16~17 k W·h/t,煤粉細度R90為15%~18%,磨煤機—粗粉分離器—煤粉分配器的阻力為1.8~2.0 kPa,在磨煤出力變化範圍內,煤粉質量優異(分散性係數n為1.0~1.5)。
3.2 中速磨的應用

國外大型發電機組大量使用帶中速磨的直吹式制粉系統,磨煤構件的使用期相當長(5 000~15 000 h),顯現出該制種粉系統的優點。於是俄方向德國「BaBcoke AG」公司申購了生產MPS2650型中速磨專利,製作該型磨,樣機裝在ЭГPЭC-1電廠5號鍋爐機組上磨製「厄」煤,作工業試驗性檢驗,俄中央機爐研究院科技生產部等單位[10]參與了該磨的長期運行試驗。ЭГPЭC-2電廠頭2台П-57Р型爐,安裝了該型磨磨製高灰分「厄」煤。運行經驗結果表明:儘管該型磨在結構上還有些缺陷,但從磨的使用壽命和磨煤經濟看總體是好的。

制粉系統試驗結果得:磨出力為75 t/h,煤粉細度R90=18%,磨煤單耗為11~12 k W·h/t,帶粗粉分離器磨煤機阻力不超過5.3 kPa[11]

磨灰分w(Ad)>48%煤,在推薦通風量輸進磨時,漏煤量極少(20~60 kg/h),石子煤的灰分w(Ad)為70%~75%,發熱量Qnet,daf為2 100~3 800 kJ/kg。

MPS-2650型中速磨弧形磨盤和輥子抱箍用4 X8H4特殊合金製作,抱箍最初厚度120 mm。弧形磨盤均勻磨損,相應抱箍也磨損均一。制粉系統初期運作所取得的易磨件的磨損數據:2台試驗磨在磨煤出力約57 t/h下,平均運作8 084 h后,輥子抱箍的磨損量為20 mm,弧形磨盤為14 mm,磨損率分別為17%及12%。對於這些易磨元件的磨損,尚待進一步深入研究,它的使用壽命還欠缺具有足夠代表性的數據。
4 煤粉分配器的應用

輸進燃燒器煤粉和乾燥劑的分配技術是保證爐內工況合理的關鍵,煤粉分配器結構型式的選擇,顯得至關緊要。對於裝設錘擊磨爐,採用結構十分簡單的煤粉分配器能滿意解決煤粉和乾燥劑分配。而對於安裝中速磨的П-57Р型爐,燒高灰分「厄」煤時,需加大通風量,這時,需裝煤粉分配器-濃聚器裝置。但在採用旋流燃燒器的П-57Р型爐上,這種煤粉分配器-濃聚器倘若不作專門改進,將難以保證初期運行時煤粉和乾燥劑得到滿意的分配。於是,對煤粉分配器內的煤粉排放管做了切斷處理,使煤粉分配的不均度得到改進,不均度Δδmax=30%。這時,煤粉管的斷面積和燃燒器流道需作相應修正。

對裝直流燃燒器的П-57Р型爐配置的煤粉分配器-濃聚器進行試驗,結果得 :靠邊側的制煤系統輸進「乏氣」燃燒器的乾燥劑為34%,煤粉為13%。而裝在中間的制粉系統輸進「乏氣」燃燒器的乾燥劑為24%,煤粉為5%。輸進主燃燒器煤粉和乾燥劑的分配相當均勻(Δδmax=20%)。
5 一次風系統的應用

在空預器「冷」側裝設一次風機時,在1台爐上風機台數可減少到僅需2台,而且是在合適溫度下運作,並能布置得恰到好處。

另一種方式是在空預器後為每台磨單獨裝配1台一次風機(下稱「熱風機」)。由於熱風機可採用導向器達到高質量調節風量,因而便於實現制粉系統和風道的自動調控。在這種情況下,還能消除在空預器前裝一次風機系統所固有的缺點,即風道的壓力高,空預器需分成一次加二次風區,使調控系統複雜化等弊端。

安裝單獨熱風機的制粉系統不足之處是需配8颱風機,且在高溫空氣條件下運作,風機本體質量和運行可靠性要求高。對於中速磨採用這種系統時,還需製作「非標」熱風機。

在空預器「冷」或「熱」側裝設一次風機,對於它們的應用前景,判據是經濟性對比。這可用消耗於全部風機上的計算電耗評估,雖然有部分電量被制粉系統耗用(克服磨煤機阻力)。

表1示出處理1 t原煤消耗在通風上的計算單耗。
               
    由表1所列的計算數據可以看出,兩種系統消耗於通風的總單位電耗相近。
6 裝旋流式燃燒器П-57型爐的運行經驗

配置旋流式燃燒器的П-57型爐試驗及運行經驗表明:設計的工況及結構參數能最終保證要求條件(具有繞爐膛中心線的反向旋流,氣粉混合物和空氣強烈摻和)是燒「厄」煤粉能提早和穩定著火併有效燃燒的前提。燃燒器保持確定的參數諸如 :一、二次風旋流強度(n1為1.1~1.5,n2為2.5~3.0),一、二次風流速(w1為15~20 m/s,w2為25~30 m/s),它對保證鍋爐基本工況運行極為重要。倘若這些參數低於極限值,燃燒器的空氣動力特性將變差,直至繞爐膛中心軸線旋流區消失為止。一旦缺少旋流燃燒將延遲著火,燃盡惡化。這種要求與二次風為單通道或雙通道的燃燒器有關係。

分析ЭГPЭC-1及ЭГPЭC-2電廠裝旋流燃燒器的П-57-3 M和П-57Р型爐,不同型式磨煤機試驗結果表明:П-57Р爐在低負荷時的固體不完全燃燒損失(q4)較高,原因是一次風率αI較大,燃燒器機構偏離設計工況運作,全部氣粉混合物都輸進燃燒器的主流道,未能取得改進最終效果。這時,燃燒器出口流速增大到21~23 m/s(П-57-3 M爐為15~18 m/s),在鍋爐額定負荷(DN)的70%時,二次風與一次風的速比w2/w1降低到不許可值(17-57-3 M爐改前為1.1,現降到0.55)。

П-57型爐的爐膛為矩形斷面,深21 840 mm,寬9 840 mm。爐牆為整片水冷壁,爐膛容積熱強度qV=481 MJ/(m3·h),斷面面積熱強度qA=21MJ/(m2·h),爐膛出口煙溫θl″=1 208℃(П-57-3 M爐額定負荷時的計算參數)。

ЭГPЭC-1電廠П-57-3M爐燒平均特性Qnet,daf為12 730~16 950 kJ/kg且w(Adaf)為31%~41%的「厄」煤,ЭГPЭC-2電廠П-57Р爐燒Qnet,daf為10 300~17 460 kJ/kg且w(Adaf)為56.7%~35.5%的「厄」煤,燃燒器和爐膛運行工況參數保持接近設計值。可保證著火、燃燒相當穩定(在(0.6~0.65)DN時),燃料燃燒經濟性高,q4為1.0%~1.5%。由爐膛的空氣平衡觀察到能達到這種效果時的數值為:

a)省煤器進口的過量空氣係數α′sm為1.15~1.25;

b)一、二層燃燒器的過量空氣係數αr為1.0~1.05;

c)不運作冷燃燒器中心流道的空氣份額Δαl=0.07;
    d)爐膛漏風率Δαt為0.5~0.07。

ЭГPЭC-1電廠П-57-3 M爐強燃燒區的溫度水準為1 430~1 570℃,位於離第二層燃燒器高1.5~2.0 m處,而ЭГPЭC-2電廠П-57Р爐則離5~7m。這主要決定於爐內的過量空氣係數,與煤粉細度關係不大。這些參數對爐膛出口煙溫影響甚微[11]。ЭГPЭC-2電廠П-57Р爐高溫區移向爐膛高位地帶,這是由於一次風份額過大導致氣粉混合物著火延遲、燃盡拖后的結果。兩爐的爐膛出口煙溫大致相同,保持在1 150~1 200℃水準。

ЭГPЭC-1電廠П-57爐調試經驗說明:運作中的燃燒器燃料和空氣載荷分配較均勻是合理的,對燃料的經濟燃燒和輻射受熱面的運轉條件均有利。
7 裝直流式燃燒器П-57Р型爐的運行經驗

ЭГPЭC-2電廠П-57Р爐裝用豎槽直流式燃燒器(圖2(a))從一側把氣粉混合物射入爐。燃燒器切向安裝,氣粉混合物流道裝在使爐膛氣流產生旋繞的一側(圖2(b)),各燃燒器二次風從2個流道射入,其中一個流道和氣粉混合物流道平行 ,另一個偏向爐牆一側。該爐把燃燒機構改成切圓燃燒系統,從一側把氣粉混合物通過豎槽直流噴嘴射入爐,實質上已構成了「分段」燃燒(即旁側燃燒器,三次風,按層分配燃料)。這種燃燒系統比傳統系統(裝旋流燃燒器)具有一定優點。在燃料穩定著火燃燒以及燃燒經濟性實際相同條件下,爐溫水準較高,NOx生成較少。
                     
    試驗得到的鍋爐運行技術經濟指標如下:在折算鍋爐熱負荷(0.77~0.97)DN範圍變化、省煤器進口最佳過量空氣係數α′sm為1.15~1.18及煤粉細度R90為12%~18%時,熱損失為2.0%~2.5%。改爐調試得到的數據如下:標高25 m處火焰溫度最高,它和裝旋流式燃燒器爐膛火焰中心位置相應。改后鍋爐最高火焰和爐出口溫度比裝旋流燃燒器爐低約100℃[11]。以雙切圓旋繞氣流燒「厄」煤水冷壁受熱面的運作效率極高。在負荷接近額定值(0.91~0.97)DN、投5套制粉系統且靠邊側制粉系統乏氣煤粉管切斷、α′sm=1.18時,爐膛出口煙溫為1 200℃,接近於額定負荷的計算煙溫1 211℃。

投用乏氣煤粉管,燃燒器速度工況額定時,爐出口煙溫約降低40℃。低負荷(0.77 DN)時,投靠邊側4套制粉系統,第一、第二層燃燒器出口溫度比負荷在0.7 DN的溫度1 110℃低約60℃。5套制粉系統聯合運行時,沿爐膛高度基本上是均等輸入燃料,這時,爐膛上部的溫度變化25~50℃。

該型爐膛機構的特徵之一(在調試時觀察到):2套制粉停用1套,會影響燃燒器層火炬形態,特別是下層區間。在負荷(0.93~0.94)DN,α′sm為1.15~1.25且邊側制粉乏氣切斷時,爐膛計算的平均熱有效係數ΨPJ=0.41~0.43,比製造廠作熱力計算時取用的ΨPJ(J)=0.4略高。投乏氣煤粉管,α′sm為1.15~1.18時,在整個運行負荷範圍內,爐膛熱有效利用係數實際為一常量,ΨPJ=0.45。

在負荷為(0.77~0.96)DN時,投4或5套制粉系統,爐內空氣平衡及燃燒器流道 、噴嘴流速特性如表2。
                   
8 氮氧化物(NOx)生成的抑制

表徵爐室特性除了經濟指標和受熱面運作條件下的溫度外,另項是排煙的氮氧化物(NOx)含量水準。所以ЭГPЭC-1,ЭГPЭC-2電廠在開發應用和調試所有П-57型爐時,特別注意這個問題,對排煙的NOx質量濃度進行了實測 。ЭГPЭC-1電廠П-57-3型爐在負荷(0.6~1.0)DN下,制粉系統以不同組合方式運作,得:NOx質量濃度為700~1 100 mg/m3(標準狀態)。伊爾瑪柯夫斯克電廠ПK-39-11爐所測結果與上相同。

對ЭГPЭC-1電廠裝二次風為雙流道旋流式燃燒器的П-57-3 M爐進行了該問題的詳細探討。試驗結果(圖3)表明:負荷0.7 DN,α′sm為1.15~1.25時,NOx質量濃度為1 100 mg/m3。應指出:若把燃燒器主流道內旋流導葉裝置角從55°關小到35°,則NOx質量濃度將減少30%,把通經燃燒器中間流道的二次風流量減少約40%(與主流道風量相比),則NOx質量濃度可降低15%。借制粉系統不同組合方式運作,檢驗各層燃燒器燃料負載量變化對NOx生成影響,得:把下層燃燒器的燃料量加大2倍,可降低NOx質量濃度約40%。總過量空氣係數α′sm降到1.1~1.15時,會使CO含量明顯升高。鍋爐不允許在這樣工況下運作,燃燒器主流道內的二次風旋流又不能降低,造成燒高灰分「厄」煤燃料穩定性下降。
                       
β—燃燒器主流道旋流導葉的裝置角;Bs—輸入下層燃燒器的燃料量;B—總燃料量;Q2J—輸進燃燒器中間流道的二次風量;Q2Z—輸進燃燒器主流道的二次風量    圖4示出ЭГPЭC-2電廠П-57Р爐負荷在0.7及1.0 DN時,實測NOx質量濃度與α′sm的關係。由圖可以看出:在負荷1.0 DN、經濟性最高的過量空氣係數(α′sm=1.17)時,NOx質量濃度為1 540 mg/m3。在低負荷(D=0.7 DN)、α′sm=1.17(αr=0.95)、第一層燃料和一次風量較高時,NOx的質量濃度降至980 mg/m3

由取得的數據可知:裝旋流燃燒器的П-57Р爐之NOx質量濃度比ЭГPЭC-1電廠配錘擊磨的П-57爐略高,比標準值高出多倍。對於這種爐,倘若不對爐膛和燃燒機構作重大改進,要降低NOx排放將十分有限。

在保留原旋流燃燒器(雙通道空氣流道,先進的通流部分)下,可借燃料射流範圍或爐膛高度方向組織成「分段」燃燒(在強燃燒區上、下部射進三次風)來進一步降低NOx。

ЭГPЭC-2電廠П-57Р爐的改進情況則不同。它的主要改進措施(切圓爐膛分段燃燒)是針對降低NOx的生


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