某电厂350 MW超临界锅炉炉膛选型

徐 栋，张延延

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 引言

某热电联产2X350 MW超临界项目在工程初设阶段设计煤质为高灰分、高灰熔点、中低热值的烟煤。由于担心煤源市场的不稳定性和对运行成本的综合考虑，电厂经过多次探讨论证，将设计煤种进行了调整。最终确定的煤质为黑龙江鹤岗洗中煤与内蒙古扎赉诺尔煤的混煤。其中鹤岗洗中煤为高灰分，高灰熔点的劣质次烟煤;扎赉诺尔煤为高水分，低灰熔点的褐煤。此次煤质的变化也引起了锅炉炉膛的选型变化，本文将简要说明炉膛的选型原则和本工程前后的炉膛方案。

1 炉膛选型原则

众所周知大型电站锅炉设计时，煤质的分析是最为基础的。煤质特性是锅炉燃烧设备与炉膛设计的基本依据。锅炉炉膛尺寸选择、受热面的结构形式、数量及布置位置、制粉系统的型式及磨煤机的数量选择、燃烧设备和所有辅机的设计都取决于煤质的特性。为了能够设计出性能优良、可靠性高的煤粉锅炉，必须要对锅炉中可能出现的结渣、沾污、磨损、NOX生成和燃料的充分燃尽等问题充分重视，而上述问题与煤质的特性密切相关。如何解决上述问题，是整个锅炉设计方案成败的关键。

锅炉的方案设计基于煤质的特性，但是整个锅炉的布置方案则基于炉膛的选型。

一是炉膛选型可以根据煤质的特性有效的解决结渣，沾污，燃尽等问题。

二是炉膛选型可以消除高海拔带来的不利影响。

三是只有炉膛尺寸确定之后才能进行各个辐射受热面和对流受热面的布置，炉膛选型是受热面布置的基础;所以炉膛选型是锅炉设计中最基础也是最重要的环节。

炉膛的选型包括两个重要方面的内容，一是炉膛的容积，二是炉膛的截面积。

炉膛容积能保证燃料在炉膛中有足够的燃尽时间，并能布置足够的受热面，保证炉内的燃烧产物得到充分冷却，使其出口烟温降低到灰的软化温度以下，不至于引起其后受热面结渣。正常的锅炉设计中，炉膛出口烟温一定要低于灰熔点100℃以上。而炉膛出口烟温的计算是整个锅炉热力计算中最精彩的部分，也是最难以计算准确的部分，通常炉膛出口烟温实际值和计算值都有50℃左右的偏差。

炉膛截面积能反映燃烧区域温度，对燃料的着火燃烧，结渣有影响。炉膛截面积越小，燃烧区域温度越高，对燃料的着火燃烧有利，但容易引起结渣和较高的NOX生成。反之，则情况相反。

另外，炉膛选择的大小不仅关系到炉膛出口烟温的大小，而且还关系到整个一次汽的吸热比例问题。若炉膛选取较大，则蒸发吸热量较大，一次汽将很难达到额定汽温。若炉膛选取较小，则一次汽的喷水量较大，不容易到达额定出力。而一次汽的额定汽温和额定出力是整个锅炉设计的最终目的，由此可见，正确的炉膛选型是整个锅炉设计方案的关键。

《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》中对300 MW及以上等级的煤粉锅炉的炉膛容积热负荷和截面热负荷等热力参数做了明确的要求，它是煤粉锅炉炉膛选型的重要依据。

2 原设计炉膛方案

2.1 综述和煤质

工程原设计煤、校核煤种均易着火稳燃，只要采取适当措施，就可确保着火稳定和低负荷稳燃;设计煤、校核煤种均易燃尽，只要在炉膛尺寸设计时，提供足够的燃尽高度来保证煤粉停留时间，就可达到理想的燃尽水平;设计煤和校核煤均结焦倾向轻微，但是由于所含灰分较大，需要选取合适的炉膛及燃烧器的设计参数以保证不发生结焦。

表1 原煤质分析

2.2 燃料着火特性

表2 着火稳燃特性判别指标

从表2判别指标可以看出，设计煤、校核煤属于易着火的烟煤，在炉膛设计中只要采用合适的截面热负荷，即可保证煤粉的及时着火和低负荷稳定燃烧，达到低负荷稳燃的要求。

2.3 燃料燃尽特性

表3 燃尽特性判别指标表

从表3判别指标可以看出，设计煤、校核煤都属易燃尽的烟煤，为提高锅炉投运后的经济性，在炉膛设计时，只要采取合适的燃尽高度就可保证良好的燃尽率。

2.4 燃料结焦特性

表4 结焦特性判别

从表4判别指标可以看出，设计煤和校核煤均属结焦倾向轻微，但考虑到设计煤和校核煤的灰分都很大，对结焦倾向会有所增强，因此在炉膛设计时，需要采用较低的容积热负荷。

2.5 炉膛方案

根据对原设计煤质的分析，它属于典型的劣质烟煤。根据热力计算它燃烧所产生的烟气量较小，对尾部的对流换热影响较大。若采用较低的分离器出口温度，则尾部的对流受热面将布置很大。这显然是不合理也是不经济的。考虑到它本身的灰熔点较高，不容易结焦。根据《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》的要求，本工程可采取较高的炉膛容积热负荷和较高的炉膛出口烟气温度来强化尾部的换热效果，从而使锅炉辐射受热面和对流受热面的吸热比例维持在一个合理的水平。本锅炉原设计方案采取的是前后墙对冲的燃烧方式，长方形炉膛，旋流燃烧器配3台双进双出钢球磨，这也是我公司的烟煤炉典型设计。

表5 原锅炉方案

3 现炉膛方案

3.1 综述和煤质

现在本项目的设计煤质发生变更，考虑到确定煤质的特点仍偏向于结渣倾向的褐煤，如果采用原来的对冲燃烧和炉膛选型方案，所得的炉膛容积热负荷和截面热负荷对此种设计煤质来讲有些偏大，对防结焦不利，需要降低炉膛容积热负荷。而且还考虑锅炉能具有更好的煤种适应性，锅炉方案做了调整，燃烧方式则改为了四角切圆燃烧的方案。

工程的设计煤质为混煤，即劣质次烟煤和高水分褐煤的混合。导致混煤的特性兼有二者的特点。它燃烧所产生的烟气量较烟煤的大，有利于尾部的对流换热。但是混煤的灰熔点较低，比较容易结焦，则考虑较低的炉膛容积热负荷和较低的炉膛出口烟气温度。

表6 现煤质分析

3.2 燃料着火特性

表7 着火稳燃特性判别指标

从表7判别指标可以看出，混煤属于易着火易稳定燃烧的偏褐煤，在炉膛设计中，只要采取适当的截面热负荷，就可保证煤粉的及时着火和低负荷稳定燃烧。

3.3 燃料燃尽特性

表8 燃尽特性判别指标

从表8判别指标可以看出，混煤属极易燃尽的偏褐煤。为提高锅炉的煤质适应性，在炉膛设计时，只要采取合适的燃尽高度就可保证良好的燃尽率。

3.4 燃料结焦特性

表9 结焦特性判别

从表9判别指标可以看出，本工程设计煤种为中等结焦的偏褐煤，但含灰量较大具有一定的结焦倾向。因此在炉膛设计时，需要采用较低的容积热负荷。

3.5 炉膛方案

工程的混合煤种为易着火稳燃，易燃尽，但结焦倾向较严重的偏褐煤。这种混煤与混合前的两种煤质相比着火稳定性会有所改善，燃尽特性不会发生大的改变，但是燃烧产生结渣的可能性会有所提高。

根据热力计算，混煤虽然结渣倾向于褐煤，但是燃烧所产生的烟气量却比全褐煤时的小，所以在布置锅炉的受热面时要重点考虑。

如果按照我公司常规的褐煤炉方案，炉膛断面选取14.627 3 m×14.627 3 m，则选取的分离器出口温度较低，过热器汽温将很难达到。同时由于此种方案下炉膛选取较大，烟气的流速较全褐煤炉时较低，导致尾部对流换热较差，只能布置大量的尾部受热面来保证再热器汽温和过热器汽温的达到，这显然也是不合理和不经济的。

另外如果尾部布置较大的对流受热面积，一则尾部没有足够的空间进行布置，二则将影响脱硝和预热器的布置。此时尾部环形集箱将下移，预热器的支撑标高也将降低，导致预热器支撑平台和运转层平台错层布置。

本锅炉现设计方案采取的是四角切圆的燃烧方式，正方形炉膛，直流燃烧器配5台中速磨，这也是我公司的褐煤炉典型设计。

4 结论

目前国内的各大电厂均存在着运行煤质严重偏离设计煤质的情况，造成此种现象的原因一方面是因为原定的设计煤质的煤源出现问题，现如今已很难采购得到。但更重要的原因是电厂因为运行成本考虑而主动选择拿劣质煤来代替优质煤。近年来，电煤的价格一路上涨，但是电网的上网电价却基本不变，这就逼迫着电厂掺烧很大比例的劣质煤。因此我们可以经常看到很多烟煤的锅炉现在在全烧褐煤，这就为锅炉的安全稳定运行带来了隐患。

表10 现锅炉方案

通过文中可以看到锅炉的设计方案与设计煤质的密切关系，煤质的变化带来的燃烧形式和炉膛方案的变化，从而导致整个锅炉方案的变化。由此得出以下几点结论:

1)锅炉产品为单件设计产品，针对每个工程特定的煤质、自然条件及有关要求单独进行设计，而煤质是影响锅炉设计的最主要因素之一。

2)煤质的特性直接影响着炉膛的选型，而炉膛的选型又直接影响着受热面布置、燃烧器型式等整个锅炉设计方案。因此，一台锅炉设计的成功与否，炉膛选型至关重要。

3)虽然锅炉的方案设计有一定的煤质适应性，允许煤质有一定的波动，但是为了机组的安全稳定运行，还应让煤质在规定的范围内变化，尽量接近设计煤质。

［1］冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算［M］.北京:科学技术出版社，1998.

［2］马嘉鹏，萨如拉，袁喜明.燃烧高水分褐煤锅炉磨煤机制粉系统选型分析［J］.内蒙古电力技术，2008，26(6):29－36.

［3］大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则，DL/T831－2002中国电力出版社.

［4］孙涛.锅炉工实用技术手册，江苏科学技术出版社，2002.10.

［5］张爱存.发电厂燃煤锅炉运行调整与经济性分析［D］.华北电力大学毕业论文，2003.