学术论文网站始建于2006年,专业提供毕业论文、硕士论文、博士论文、留学生论文、职称发表论文等各类论文服务的网站。

网站地图 | 我要咨询

诚信服务,放心选择

联系客服详询

Q Q:57235740、94205643

   

工作时间:周一至周日 8:00—23:00

咨询QQ1:57235740

咨询QQ2:94205643

联系电话:联系客服详询

在线咨询
在线咨询
在线咨询
在线咨询
您当前所在位置 : 学术论文网 > 常见问题 >

常见问题

锅炉固有特性与常见问题改进方法研究

点击:     发布时间: 2021-01-26 19:23

现代电站燃煤锅炉运行中存在各种各样较难解决的问题:如高温受热面管壁超温、挂渣、氧化皮脱落,水冷壁管超温、高温腐蚀及结渣等[1,2,3,4,5,6,7,8];锅炉蒸汽参数偏低[9,10]、运行氧量明显偏大,锅炉NOx排放偏高、排烟热损失偏大等;炉内燃烧稳定性差、锅炉灭火[11,12],脱硝设备入口烟气温度偏低以及空气预热器的低温腐蚀堵灰等。这些常见问题与锅炉出力相关,有的发生在机组高负荷运行区间,有的发生在机组中、低负荷运行区间。很显然,锅炉出力不同时,其自身特性是不同的。因此,有必要深入研究现代锅炉高低负荷下的不同特性及其与锅炉常见问题之间的关联性,探索出能够改善锅炉固有特性的途径,以便有效解决困扰现代锅炉的常见问题。

1现代锅炉的固有特性

1.1锅炉烟温特性

电站锅炉的风烟系统在工程热力学中属于典型的固定容积内有燃烧反应(即炉内燃烧)的开放系统,空气与煤粉持续送入炉膛,而烟气持续排出锅炉。因此,现代锅炉具有定容燃烧开放系统的固有特性。

从燃烧需要看,入炉燃料量与空气配比可以维持不变,即炉膛出口过量空气系数维持在1.2左右,满足煤粉颗粒燃尽需求即可。

在上述条件下,假定炉膛为绝热系统,则每单位燃料(即煤粉)及其配风送入炉膛内的有效热量不变,其理论燃烧温度不变。无论送入该炉膛的燃料是多少,其炉内的火焰温度不变,其出口温度不变,均为其理论燃烧温度。

实际中,炉膛并非绝热系统,炉膛四壁为水冷壁受热面,锅炉出力越高,入炉燃料越多,水冷壁的总吸热量越大。水冷壁的吸热量与炉内的火焰温度及水冷壁温度相关,且与其温度的四次方成正比。

假定炉内的燃烧与传热为两个过程:首先,燃料在绝热条件下完成燃烧过程;随后,燃烧产物放热给水冷壁。则在燃料量和风量比不变的情况下,火焰温度为燃烧产物的理论燃烧温度,水冷壁管壁温度取决于给水温度,而后者则受制于机组的热力系统,随着机组负荷的升高而升高,随其降低而降低。由此可见,单位燃料及其相应的配风燃烧后对水冷壁的放热随着锅炉负荷的升高而减少,随着锅炉负荷的降低而增加。很显然,单位燃料的燃烧产物在炉内放热越少,其燃烧产物的温度越高,炉膛出口烟气温度也越高。

在完全燃烧的前提下,增加燃料的过量空气系数时,单位燃料燃烧产物的理论燃烧温度降低,水冷壁的吸热减少,炉膛火焰温度降低,更多的热量被带入烟道。

实际上,炉内燃烧与传热过程相互交织,但其炉膛火焰温度及炉膛出口温度的变化规律与假定其为两个独立过程的结果相同,只是计算更复杂,这里不再赘述。

综上所述,在燃料量和风量比不变的情况下,炉膛火焰温度、炉膛出口烟气温度均随锅炉负荷的升高而升高,反之亦然。且这一规律与锅炉容积等设计参数、燃煤等无关,是现代所有燃用化石燃料锅炉在机组热力系统特定边界条件下所具有的共性,本文将上述规律定义为锅炉的烟温特性。

1.2锅炉运行氧量特性

现代锅炉的设计,其蒸发吸热受热面为水冷壁,工质(水)的蒸发吸热主要来自水冷壁的辐射吸热,其次为省煤器的对流吸热;蒸汽的过热吸热受热面为屏式过热器、高温过热器、低温过热器(即过热器系统)与高温再热器和再热器(即再热器系统)等,上述受热面均布置在炉膛上部。超临界机组锅炉,其上部炉膛的吸热亦为过热吸热。

现代机组要求锅炉在各种负荷下提供额定不变的蒸汽参数,尤其是温度参数,在定压运行工况下,各种负荷单位质量过热蒸汽的过热吸热量不变,再热蒸汽的比例随着机组负荷的降低而增大,再热蒸汽的过热吸热随之增加;在滑压运行工况下,过热蒸汽的过热吸热随着饱和蒸汽温度的降低而增加,再热蒸汽的过热吸热同样因再热蒸汽比例的增加而增加。由此可见,单位质量蒸汽的过热吸热量随着机组负荷的降低而增加。

按照机组对蒸汽参数的特定要求,燃烧产物暨烟气在烟道的放热随机组负荷的降低而有所增加才能够满足工质过热吸热的需要。在入炉的过量空气系数不变的条件下,这就要求炉膛出口烟气温度随着机组负荷降低而有所增加;或在炉膛出口烟气温度不增加时,增大入炉的过量空气系数。

事实上,由前述锅炉烟温特性可知,在入炉过量空气系数不变的条件下,炉膛出口烟气温度随锅炉负荷的降低而降低。因此,当机组在额定负荷下运行时,烟气在烟道的放热量因传热温差的减小而减少,亦即布置在烟道的过热系统与再热系统的工质吸热量减少,使锅炉输出的过热与再热蒸汽参数(即压力与温度)将无法满足机组对蒸汽品质的特定要求。这正是现代锅炉无法采用入炉燃料量与空气配比不变的运行方式的根本原因。

为解决这一问题,在机组负荷降低时,现代锅炉采用了持续增加入炉风量(即增大炉膛出口过量空气系数)的方式来将炉内燃烧产物的热量携带出炉膛,以满足布置在烟道的过热系统与再热系统的工质吸热需要。因此,随着锅炉负荷的降低,入炉的过量空气量增多,进而锅炉呈现出负荷降低时运行氧量升高的变化规律。本文将其定义为锅炉运行氧量特性。

这里需要强调的是,锅炉运行氧量特性是所有燃用化石燃料锅炉的共同特性,且其不能改变锅炉的烟温特性,炉膛出口烟气温度以及各个受热面进出口的烟气温度依然随着锅炉负荷的降低而降低。这一点由锅炉热力计算结果可清楚看出。

由上述分析可见,锅炉运行氧量特性是由锅炉固有的烟温特性与机组对蒸汽品质的特定要求而衍生出来的一个必然特性。由于机组对蒸汽品质的要求是不变的,因此,锅炉运行氧量特性亦可视为现代锅炉的固有特性。

2锅炉常见问题与固有特性

2.1高负荷工况常见问题

由锅炉烟温特性可知,锅炉高负荷工况时,炉膛火焰温度高,炉膛出口烟气温度及其后各个受热面的进出口烟气温度高,炉膛出口过量空气系数仅够满足煤粉颗粒的燃尽需要。

炉膛火焰温度高使炉膛水冷壁结渣(尤其是小容量机组)、高温腐蚀(尤其是超临界机组)和水冷壁管超温问题加重,当锅炉燃用低灰熔点高硫煤,或采用分离型燃尽风(即SOFA)技术时,上述问题尤为突出;炉膛出口烟气及其后续沿程的烟气温度高,使过热器系统及再热器系统的受热面管屏局部超温趋势和内壁氧化皮产生的风险加重(尤其是超临界机组);当锅炉燃用高钠低灰熔点煤(比如准东煤等)时,锅炉的高温受热面、特别是高温再热器受热面出现挂渣与堵塞流通烟道的风险增加。

2.2中低负荷工况常见问题

锅炉中低负荷工况时,炉膛火焰温度与炉膛出口烟气温度较低,炉膛结渣、高温受热面管壁超温、挂渣等问题发生的风险明显降低;但由于蒸汽参数偏低,空气预热器的低温腐蚀堵灰现象会加重。另外,锅炉中低负荷工况时,入炉风量大于燃烧所需要的量,锅炉运行氧量偏高,过量空气系数通常大于1.2。在这种运行方式下,蒸汽参数偏低的现象仍然比较普遍,为了确保蒸汽参数不至于偏低过大,或能够达到设计值,SOFA风量相应也有所减少。运行氧量提高而SOFA风量占比降低,其结果使燃烧器区域无法形成缺氧、甚至无法形成低氧燃烧,从而使SOFA技术的作用明显减弱。这正是采用SOFA技术的切圆燃烧锅炉NOx排放值随着锅炉负荷的降低反而升高的原因;墙式燃烧锅炉,由于不投运燃烧器的冷却风相当于紧凑型燃尽风,投运燃烧器的燃烧初期氧量几乎不增加,其NOx排放随着锅炉负荷降低时升高不明显,有的甚至略有降低。

另一方面,过剩的空气使锅炉烟气量和排烟温度均有所升高,因而锅炉的排烟热损失随之增加,且呈现锅炉的排烟热损失占比随着锅炉运行氧量的增加而增加的规律。

从锅炉侧的燃烧需求看,锅炉运行氧量的降低余地比较大。但降低运行氧量后,锅炉蒸汽参数偏低的现象将更加严重。正是受制于机组对蒸汽参数的特定要求,在现有的风烟系统下,锅炉运行氧量实际可调整(降低)的余地很小。

提高蒸汽参数的另一有效途径是提高火焰中心及炉膛出口烟气温度,以增加工质的过热吸热,相应的调整措施是在中低负荷工况下投运上几层燃烧器。目前,中低负荷工况下,各电厂普遍习惯投运下几层燃烧器,因此,为了缓解蒸汽参数偏低的问题,进一步提高锅炉的运行经济性与环保性,建议在中低负荷工况下投运上几层燃烧器。

2.3最低稳燃负荷工况常见问题

最低稳燃负荷工况时,炉膛火焰温度更低,炉膛出口烟气温度及其后沿程各区域的烟气温度更低。炉膛火焰温度的降低会导致锅炉的燃烧稳定性降低,使锅炉灭火事故发生的风险增加,尤其是燃用难燃煤种的锅炉。烟气沿程各个截面的烟气温度更低,导致蒸汽参数进一步偏低、脱硝入口烟气温度难以达到脱硝设备入口的温度要求;同时,空气预热器的低温腐蚀堵灰现象更加严重。

3锅炉烟气双循环系统

综上所述,锅炉运行负荷不同,锅炉运行过程中出现的问题也不同,但这些问题均与锅炉的烟温特性或运行氧量特性相关。因此,要从根本上解决锅炉的各种常见问题,需对现有风烟系统进行改进。

现代锅炉的风烟系统属于一种典型的外循环系统。在该外循环系统内可增设一种烟气内循环系统,在锅炉中低负荷下,用烟气替代不参与燃烧的过量空气,进而使原有的外循环系统和新增设的内循环系统组成全新的锅炉双烟气循环系统。借助该系统中内循环系统的烟气量调节,可以明显改善现有锅炉外循环系统的烟温特性与氧量特性。

锅炉烟气双循环系统的内循环系统如图1所示。该新型烟气内循环系统的抽烟气位置选择在脱硝设备入口的连接烟道上,进入炉膛的位置可以分别设置在炉膛高度方向的上、中、下3处,其加入位置的高度不同,目的及作用也不同。

图1锅炉烟气双循环系统的烟气内循环系统示意   下载原图

Fig.1 Schematic diagram of flue gas internal circulation system of boiler flue gas double circulation system

3.1高负荷工况下的引入位置及作用

采用锅炉烟气双循环系统后,当机组在高负荷区间运行时,可从炉膛上部将部分内循环烟气引入炉内。此时,引入的内循环烟气(360 ℃左右)与原炉内高温烟气混合后,能够有效降低炉膛出口烟气温度。以内循环烟气量为锅炉排烟烟气量的10%计算,屏式过热器入口烟气温度可由1 350 ℃降低1 251 ℃,对解决高温受热面的管壁超温问题,以及用于预防燃用低灰熔点高钠煤的高温再热器受热面挂渣问题非常有效。

同理,当从燃烧器区域将内循环烟气引入炉内时,能够有效降低炉膛火焰温度,但其降低炉膛出口烟气温度的作用则不如从炉膛上部引入内循环烟气的效果明显,主要用于解决或缓解炉膛水冷壁的结渣现象,对减缓水冷壁的高温腐蚀也有一定的作用。

3.2中低负荷工况下的引入位置及作用

当机组在中、低负荷运行时,可从燃烧器区域及SOFA喷口将内循环烟气引入炉膛,用其替代燃烧器与SOFA中不参与燃烧的过量空气。这样,锅炉的入炉风量可根据燃烧需要供给,不仅使锅炉在中、低出力区间运行时,炉膛出口过量空气系数始终维持在1.20左右;同时,由于中温烟气温度高于其所代替的不参与燃烧的空气温度(即热风温度),入炉热量相对增加,有利于炉内的燃烧稳定。内循环烟气全部从燃烧器区域引入炉膛时,在SOFA份额不变的条件下,从燃烧器出口到燃尽风加入这段缺氧燃烧区间(以下简称缺氧区间),与原工况相比缺氧程度更大,不利于煤粉颗粒的燃尽;对NOx排放而言,这段缺氧燃尽区间的NOx生成将进一步降低,但在燃尽风加入后,NOx的二次生成量将相对增加。

当内循环烟气分别从燃烧器区域和SOFA喷口分别引入炉内时,这段缺氧燃烧区域的缺氧程度略有改善,对煤粉颗粒的燃尽有利;对NOx排放而言,缺氧区间的NOx生成会略有增加,但由于燃尽风的氧体积分数降低,NOx的二次生成量将相对降低。

NOx排放的降低幅度与引入炉内的替代不参与燃烧的过量空气的内循环烟气量相关,可引入的内循环烟气量越大,NOx排放的降低幅度越大。从基本原理与目前的实际运行效果推测,当引入的内循环烟气量占总烟气量的10%左右时,可降低NOx排放值约80 mg/m3。其次,由于采用的是内循环方式,且引出的位置为脱硝设备入口,引入的内循环烟气量约等于从空气预热器排出的烟气量的减少值,因此,可引入的内循烟气量越大,锅炉排烟热损失的降低值就越大,送风机与引风机的电耗降低也越大;同时,内循环烟气温度通常比所替代的热风温度约高40 ℃,入炉热量的增加值也越大。按此计算,当引入的内循环烟气量占总烟气量的10%时,可降低机组供电煤耗约1 g/(kW·h),NOx排放值降低约80 mg/m3;脱硝系统的还原剂消耗量减少10%以上。

3.3最低稳燃负荷工况下的引入位置及作用

当机组在脱硝设备入口温度达不到设计要求的低负荷区间运行时,从炉膛底部或其排渣口将内循环烟气引入炉膛,则能够有效提高锅炉的炉膛出口烟气温度及脱硝设备入口烟气温度,解决或缓解机组低负荷工况下,脱硝设备入口烟气温度偏低的问题。

与中低负荷工况不同的是,上述内循环烟气的引入属单纯的烟气再循环(和高负荷工况相同),其对锅炉的运行经济性和燃烧稳定性有一定的影响。因此,将锅炉烟气双循环系统用于提高脱硝设备入口烟气温度时,需对炉内的燃烧稳定性进行评估。对于燃用高挥发分烟煤或褐煤的锅炉,由于其燃烧稳定性高,可将锅炉烟气双循环系统的内循环烟气从炉底或其他位置引入炉内,以提高脱硝设备入口烟气温度,同时对提高蒸汽参数也非常有利。

4锅炉烟气双循环系统工程应用

4.1风险分析

锅炉烟气双循环系统是在锅炉现有风烟系统基础上增设烟气内循环系统,原风烟系统保持不变。工程改造时,仅需增加内循环烟道、相应的调节风门与增压循环风机等,系统简单,且容易实施。在运行中,可以通过内循环系统的调节风门进行启闭,因此,除改造工程质量外,理论上无任何风险。

需强调的是,图1的锅炉烟气内循环系统是宏观上针对现代锅炉的固有特性与运行中的各种常见问题而设计的,但可以针对某台具体锅炉进行针对性的设计。譬如,对仅有高温受热面超温或挂渣问题的锅炉,内循环烟气引入炉膛的位置需设置在锅炉上部;对中低负荷下运行氧量偏大的锅炉,内循环烟气引入炉膛的位置需设置在燃烧器区域;对燃用高挥发分烟煤的锅炉,在仅需提高脱硝设备入口烟气温度时,内循环烟气引入炉膛的位置需设置在炉膛下部。

4.2实际应用

近几年,锅炉烟气再循环技术在二次再热机组上得到了广泛应用,相关学者对再循环方案及其调温特性的影响开展了大量研究[13,14,15,16]。目前,国内已有多家电厂的二次再热机组锅炉采用了烟气再循环技术,其增压循环风机运行稳定、可靠。另外,为了解决改烧烟煤后的制粉系统防爆和磨煤机出力问题,马鞍山电厂亚临界300 MW机组、华能南京电厂超临界320 MW俄制机组、华能井冈山电厂、华能阳逻电厂[17]采用了烟气再循环。设置炉烟再循环风机,由省煤器出口抽取350~400 ℃左右的中温炉烟送入钢球磨煤机,风机采取防磨处理,运行效果较好。

5结 论

1)锅炉常见的水冷壁高温腐蚀、结渣、超温,高温受热面的管壁超温、挂渣、空气预热器的低温腐蚀,脱硝设备入口烟温偏低等常见问题均与现代锅炉固有的典型烟温特性和典型运行氧量特性相关,提高现代锅炉运行的经济性与安全性的途径在于改善现代锅炉的烟温特性与运行氧量特性。

2)锅炉烟气双循环系统能够有效改善现代锅炉的烟温特性与运行氧量特性,当机组及锅炉在各种出力区间运行时,锅炉运行氧量可维持在2.5%~4.0%之间(因锅炉不同而不同)。当机组在高负荷及锅炉高出力区间运行时,内烟气循环系统能够有效降低炉膛火焰温度与炉膛出口烟气温度,解决或缓解诸如结渣、挂渣及高温受热面管壁超温等常见问题;当机组在中低负荷区间运行时,内烟气循环系统能够降低机组煤耗与锅炉的NOx排放值;当机组在低负荷及锅炉低出力区间运行时,内烟气循环系统能够提高炉膛出口烟气温度及脱硝入口烟气温度,解决诸如脱硝设备入口烟气温度偏低及空气预热器的低温腐蚀问题。

3)锅炉双烟气循环系统已在二次再热机组锅炉上成功应用,投运后,内烟气循环系统运行稳定,机组运行可靠,表明锅炉双烟气循环系统已具备直接用于现有锅炉工程改造的各种条件,应用前景值得期待。


参考文献