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北极星电力网技术频道 作者:黄宣 2009/6/22 9:54:33
600 MW容量级燃煤机组是我国火电建设中将要大力发展的系列之一，锅炉基本上是从国外进口或引进技术国内制造的，按蒸发系统工质流动方式大体可分为自然循环汽包炉、控制循环锅炉、直流锅炉；按燃烧方式可分为直流燃烧器四角切圆布置、旋流燃烧器墙式布置等。其中控制循环锅炉是美国燃烧工程公司（CE）的专利，我国哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂引进此技术进行生产，已陆续在平圩、北仑、吴泾等电厂投运。国华定洲发电厂（以下简称定电）一期工程2×600 MW机组的2台四角切圆燃烧、控制循环锅炉是在河北省南部电网的首次应用。
1锅炉系统布置
定电一期工程安装了2台上海锅炉厂制造的亚临界参数汽包炉，采用控制循环、一次中间再热、单炉膛、四角切圆燃烧方式、燃烧器摆动调温、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构、露天布置燃煤锅炉。锅炉的制粉系统采用中速磨冷一次风机正压直吹式系统。
沿汽包长度方向布置6根大直径下降管，炉水由汇合集箱汇合后，分别接至布置于炉前的3台低压头循环泵。每台循环泵有2只出口阀，再由出口阀通过6根连接管引入水冷壁下部环形集箱。在环形集箱内水冷壁管入口处均装有节流圈。
水冷壁由炉膛四周、折焰角及延伸水平烟道底部和两侧墙组成。过热器由炉顶管、后烟井包覆、水平烟道侧墙后部、低温过热器、分隔屏、后屏和末级过热器组成。再热器由墙式再热器、屏式再热器和末级再热器组成。省煤器位于后烟井低温过热器下方。24只直流式燃烧器分为6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。
过热器的汽温调节由2级喷水来控制。再热器的汽温采用摆动燃烧器方式调节（投自动），再热器进口设有事故喷水。
锅炉燃烧系统按中速磨冷一次风直吹式制粉系统设计。
尾部烟道下方设置2台3分仓受热面旋转容克式空气预热器。
炉底排渣系统采用机械刮板捞渣机装置。
2给水和水循环系统
控制循环锅炉的主要特点是在锅炉循环回路的下降管和上升管之间加装循环泵以提高循环回路的压头，因此汽包及上升管、下降管可采用较小直径。但是加装炉水循环泵后会消耗一定功率，一般相当于锅炉功率的0.3%～0.4%。
炉水循环泵的主要结构特点是将泵的叶轮和电机转子装在同一主轴上置于互相连通的压力壳体内。泵体与电机是被分隔的2个腔室，配有1套较为复杂的高、低压冷却水系统。整个泵体和电机均由下降管支吊，这样泵可在锅炉热态时随下降管一起向下自由移动而不受膨胀限制。
定电锅炉采用CC+循环系统，即“低压头循环泵＋内螺纹管”，称为改良型控制循环。下降管系统中布置了低压头循环泵，以保证水冷壁内介质循环安全可靠。水冷壁四周采用了内螺纹管，可以使水冷壁中的质量流速降低，流量减少。锅炉循环倍率由自然循环方式的4降低到2左右，制造厂允许的最小循环倍率仅为1.33。系统内布置了3台循环泵，其中2台投运可以带MCR负荷，另1台为备用。为了避免2台泵运行时，1台突然发生故障，而备用泵一时又难以启动，从而影响到锅炉负荷的变化，故CE推荐在正常工况下保持3台泵运行。在下水包内的每根水冷壁管入口处装有不同孔径的节流孔板，以控制每根水冷壁管的流量，保证炉膛运行工况变化时循环仍然均匀可靠。
锅炉在各种负荷下均能保证水循环可靠，炉水循环泵入口不产生汽化。在循环泵的选型、布置等方面，可充分保证泵入口的实际净正吸入压头（NPSHA）大于泵在该处饱和压力下所需的净正吸入压头（NPSHR），这是防止循环泵入口产生汽蚀的首要条件，此外还限制停炉、降负荷时的降温降压速度，与负荷变化率相协调，具体要求如下：
汽包运行压力在3.45 MPa以上时，降温速度为5.6 ℃/min，相应降压速度为736 kPa/min。
汽包运行压力在3.45 MPa以下时，降温速度为2.8 ℃/min，相应降压速度为46 kPa/min。
3汽包
控制循环锅炉汽包较一般自然循环锅炉汽包的主要差别在于它增加了1个内罩壳，并采用较低的正常水位高度。由于控制循环锅炉的汽包上部采用内罩壳结构，与汽包内壁之间形成一个环形夹层。汽水混合物从汽包上部（自然循环锅炉通常是由汽包侧下部）引入夹层，自上而下以适当的流速均匀地传热给汽包内壁，使汽包上、下部分得到均匀地加热和冷却，减少了上、下壁温差。在启、停过程中，绝大部分汽包壁只与汽水混合物一种工质接触，汽包各点的金属温度非常接近，不会形成过高的温差应力，所以，不需在汽包上装设金属壁温测点对控制循环锅炉的汽包上、下及左、右两端金属壁温进行控制监督，因此控制循环锅炉的启、停时间比自然循环锅炉相对缩短。
汽包正常水位维持在中心线以下220 mm，远较自然循环锅炉汽包正常水位-50 mm为低。因为汽包所有欠焓给水都贴近下降管入口喷入，即使水位过低也不会产生汽化。同时这种设计方式还使汽侧空间高度加大，汽水分离效果更好，有利于汽水分离装置的布置，保证蒸汽品质。
4燃烧系统
直流燃烧器、四角布置、切圆燃烧是CE公司的传统燃烧方式，这种燃烧方式因气流在炉膛内形成一个较强烈旋转的整体燃烧火焰，对稳定着火、强化后期混合、保证燃料完全燃烧十分有利。定电采用了正压直吹式制粉系统，配置6台ZGM113N中速磨，燃烧器四角布置，切向燃烧。
煤粉管道从磨煤机出口供至燃烧器进口，每台磨煤机出口由4根煤粉管道接至同一层四角布置的煤粉燃烧器。每角燃烧器风箱分成14层，其中A、B、C、D、E、F 6层为一次风喷嘴，其余8层为二次风喷嘴。一、二次风呈间隔排列，在AB、CD、EF 3层二次风室内设有启动及助燃油枪，共12支。为了降低四角切圆燃烧引起的炉膛出口及水平烟道中烟气的残余旋转造成的烟气侧的屏间热偏差，采用同心反切加燃尽风（OFA）和部分消旋二次风，使炉内气流的旋转强度具有一定的可调性。下部的启转二次风与一次风喷嘴偏转15°，上部消旋二次风与一次风喷嘴向另一方向偏转25°。燃烧器一次风喷嘴采用等间距布置，间距为1 860 mm，总距离为9 300 mm。喷燃器喷嘴摆动采用电动执行机构，在热态运行时，一次风上下摆动各20°，二次风可上下摆动30°。二次风采用典型CE式大风箱结构，保证四角配风均匀，在煤粉气流均匀的条件下，可有效防止切圆偏斜。
燃烧器的主要技术特点可以归结为以下3点：
a. 采用宽调节比煤粉喷口，即WR喷嘴，它由90°弯头、带水平隔板的一次风管和带V形钝体的喷嘴本体组成。煤粉气流经过90°弯头后，由于离心作用，被分成上浓下淡2股，浓煤粉气流进入喷嘴上部，淡煤粉气流则进入喷嘴的下部区域，而煤粉气流中的空气基本上按各50%进入上下两区域，从而形成浓淡燃烧。V形钝体能显著增加烟气回流量，提高锅炉稳燃能力。
浓淡燃烧由于上部浓煤粉气流所需的着火热少，易着火，然后点燃下部的淡煤粉气流，因此燃烧稳定性和低负荷性能好。由于浓侧煤粉气流的空气量相对少，故同时抑制了燃料NOx的生成。
b. 采用对冲同心正反切燃烧方式，即一次风对冲，二次风同心正反切。二次风偏离一次风射流一个角度射入炉膛，这不仅可适当推迟一、二次风的混合，而且在炉膛水平方向形成中央富燃料区，水冷壁区域富空气区，形成沿炉膛水平方向的空气分级。
c. 燃烧器最显著的特点是每只燃烧器的顶部设有燃尽风喷口(OFA)，实质上就是相当于2段燃烧方式。在运行中将空气由此喷口送入炉膛，此时下部主燃烧器区域则处于比传统燃烧方式即氧浓度低得多的气氛下，这样既可避免过高的峰值温度，减少热力型NOx的的生成，也可以抑制燃料氮向NOx转换的生成反应，从而达到总体上降低NOx排放的目的。燃尽风投入并迅速地与燃烧产物混合，保证燃料的完全燃尽。
5防止结焦的技术特点
燃煤锅炉的炉内结渣既是一个物理化学过程，也是一个非常复杂的流体力学过程。影响结渣的因素较多，不仅与煤质特性（灰熔点、灰成分、灰粘度等）有关，还与炉膛热力参数、燃烧器的结构与炉内空气动力工况、锅炉运行参数等密切相关。结渣的本质可以概括地表述为：当温度高于灰熔点的烟气冲刷受热面时，烟气中熔融的灰渣粘附到受热面上，造成结渣。
定电设计煤种为神府东胜煤，按发电厂煤粉锅炉用煤分类标准GB 75621998《发电煤粉锅炉用煤技术条件》可知：神府东胜煤属于高挥发分、常灰分、常水分、低硫分、易结渣烟煤。其变形温度DT为1 120 ℃，软化温度ST为1 160 ℃，流动温度FT为1 180 ℃。
定电600 MW控制循环、切圆燃烧锅炉防止炉内结焦的技术特点有以下4点。
a. 炉膛结构尺寸和热负荷指标正确合理的选取是锅炉设计成功与否的关键所在，在总结吴泾电厂等同类型锅炉经验基础上，选取了合适的炉膛容积热负荷、炉膛断面热负荷、燃烧器区域壁面热负荷及炉膛出口烟温。在炉膛结构尺寸和热力参数选取上，留有较大裕度，避免了由于热负荷偏高而引起炉膛结渣，有效地减轻了锅炉满负荷时的炉膛结渣倾向。
本工程炉膛断面和高度取为：炉膛宽19.558 m，深16.940 5 m，高64.625 m。炉膛宽深比1.155，上排喷口至屏底距离为20.13 m，下排喷口至冷灰斗转角距离为5.969 m。炉膛设计参数（BMCR）如下：
容积热负荷： 86.48 kW/m3
截面热负荷： 4 618 kW/m2
有效的投影辐射受热面热负荷（EPRS）： 174 kW/m2
燃烧器区域面积热负荷： 1 245 kW/m2
炉膛后屏出口烟温： 1 027 ℃
屏底烟温： 1 375 ℃
b. 防止锅炉结渣的关键是组织合理的炉内空气动力场。锅炉采用了一次风对冲、二次风同心正反切的燃烧方式，以确保形成风包煤的炉内气流特性，防止一次风气流贴壁。这种燃烧方式有助于在水冷壁附近形成氧化性气氛，对减小锅炉受热面的结渣倾向较有利。选取合适的炉膛宽/深比，采用大切角布置燃烧器和大风箱结构，改善气流两侧补气条件，使四角配风均匀，再适当提高一、二次风速（一次风速26 m/s，二次风速54 m/s），增强各自的刚性，防止一次风气流直接冲刷水冷壁而产生结渣。
c. 采取一次风对冲、二次风同心正反切的燃烧方式，通过模化试验确定燃烧器上部的OFA层、FF层及EF层喷嘴分别反切25°和20°，合理配置正反切风的动量矩比，以减弱炉内气流的残余旋转强度，这一燃烧方式可有效地控制转向室两侧的烟温偏差，避免结渣。
d. 在燃烧器的结构设计中，也采取了防结渣的措施，如选取合理的煤粉喷嘴间距及适宜的单只喷嘴热功率，以降低燃烧器区域的热负荷。适当提高一次风速及增加周界风的份额，以增强一次风气流的刚性。同时，一次风速的提高和周界风份额的增加，可推迟煤粉着火，使着火点离燃烧器较远，火焰高温区也相应推移到炉膛中心，以避免燃烧器喷口周围的结渣。燃烧器上下端设置二次风，也可有效防止燃烧器上下区域的结渣。
参考文献
［1］陈章德.锅炉设备及其系统［M］.北京: 中国电力出版社，2000.
［2］刘忠楼，邵国桢，薛林德，等. 600 MW亚临界控制循环锅炉冷态模化试验研究［J］.锅炉技术，1996，（6）.
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