四角切圆燃烧锅炉过热器两侧汽温偏差与管道布置的研究

罗 庆， 曹汉鼎， 蒋晓锋， 林碧玉， 熊显巍， 吴 安

（1.武汉锅炉股份有限公司，武汉 430205；2.上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

上世纪80年代，我国从美国“CE”公司引进的300MW大容量燃煤锅炉采用四角切圆的燃烧方式.这种锅炉普遍存在较严重的烟气侧速度和温度偏差以及过热器和再热器的汽温偏差，导致频繁发生超温爆管.针对此类热偏差问题，国内科技工作者做了大量研究［1-3］.天津国投津能发电有限责任公司（以下称北疆电厂）1000MW锅炉过热器汽温偏差明显，且减温器起不到调节作用.笔者对此进行了热偏差分析，并提出通过调整管道布置的方式来减小汽温偏差，以增强减温器的调节能力.

1 设备性能参数与结构

1.1 锅炉主要参数

北疆电厂一期1000MW锅炉机组是采用Alstom技术设计制造的超超临界锅炉.该锅炉为一次再热、平衡通风、固态排渣、半露天Π型布置直流炉.锅炉的设计燃料为平朔安太堡煤，校核煤种Ⅰ为晋北烟煤，校核煤种Ⅱ为云峰混煤，锅炉的主要设计参数见表1.

表1 锅炉的主要设计参数Tab.1 Main design parameters of boiler

1.2 燃烧系统

锅炉采用单炉膛布置双切圆燃烧方式并使用低NOx同轴燃烧系统.燃烧器出口射流中心与水冷壁中心线的夹角为60°和52°，在左炉膛形成顺时针旋转的假想切圆，在右炉膛形成逆时针旋转的假想切圆.图1为燃烧器的布置.

图1 燃烧器的布置（单位：mm）Fig.1 Arrangement of burners（unit：mm）

1.3 过热器系统

在锅炉炉膛顶部折焰角前，布置分隔屏过热器和后屏过热器，而在折焰角后布置末级过热器.图2为炉膛上部受热面的布置.过热系统流程：汽 包顶棚管和包覆过热器水平低温过热器立式过热器Ⅰ 级减温器分隔屏过热器Ⅱ级减温器后屏过热器级减温器末级过热器汽轮机高压缸进口.

为了降低汽温偏差，一般大容量燃煤锅炉的过热器系统设置3至4级，各级之间的连接管道采用交叉或平行的布置方式.此锅炉左右炉膛的后屏过热器与末级过热器连接管道均采用交叉布置，Ⅲ级减温器布置在连接管道中，后屏过热器左侧的蒸汽经减温后流至末级过热器右侧，而后屏过热器右侧的蒸汽经减温后流至末级过热器左侧（见图3）.

图3 过热器系统的布置Fig.3 Arrangement of the superheater system

2 炉内烟气流场分析

2.1 物理模型

为了深入研究锅炉的烟气温度偏差，笔者建立了包括过热器系统在内的全炉膛流动计算数学模型.根据锅炉的原有尺寸，按照1∶1比例建立模型并对模型进行了网格划分，采用非均分网格.由于左右炉膛在结构上完全对称，为了节约运算成本，笔者只对右炉膛建立模型.

2.2 控制方程

由于四角切圆锅炉炉膛内烟气的流动为强旋转均匀剪切紊流流动，如果采用标准k－ε模型会出现失真.雷诺应力模型和Realizable k－ε模型在对强旋紊流模型的模拟上具有优越性，尤其是Realizable k－ε模型具有计算量小的优点［4］，所以采用三维不可压缩黏性流体定常流动的雷诺时均方程与带旋流修正的Realizable k－ε模型，其主要控制方程如下：

连续方程

式中：ρ为气流密度，kg／m3；v为速度矢量，m／s.

x动量方程

y动量方程

z动量方程

式中：u、v、w 分别为x、y、z方向的速度分量，m／s；μt为紊流黏性系数，kg／（m·s）；μ为分子动力黏性系数；Sx、Sy、Sz分别为x、y、z方向的源项.

紊动能方程

式中：k为紊动能，m2／s2；ε为紊动能耗散率，m2／s3；Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项，kg／（m·s3）；常数σk＝1.0.

耗散率方程

式中：ν为运动黏性系数，m2／s；常数C1＝1.44，σε＝1.2，C2＝1.92.

2.3 结果与分析

2.3.1 总的趋势

根据四角切圆燃烧的特点，烟气在炉内逆时针方向旋转同时螺旋上升，旋转强度在上升过程中逐渐减弱.当烟气流动到分隔屏或后屏下沿时，仍然存在一定的残余旋转.图4为锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况下炉膛上部的烟气流动速度分布.从图4可以看到：炉膛上部仍然有残余的逆时针旋转迹象.除残余旋转外 ，受热面的布置形式和折焰角结构也都影响到整个炉膛上部的流场和温度场.

2.3.2 折焰角前的烟气流场分布

当烟气到达分隔屏和后屏区域时，由于烟气流的残余旋转不仅受到分隔屏和后屏的切割导流作用，而且还受到引风机向炉后方向的吸力作用，双重作用力使烟气改变了方向，并造成烟气流量和温度在炉膛上部分布不均匀，进而导致过热器和再热器间产生热偏差［5］.这种烟气流量和温度在炉膛上部分布的不均匀性主要体现在炉膛左侧受热面传热量大于右侧.

在炉膛左侧，气流垂直向上流向分隔屏区域，且在上升的同时切向速度不断衰减.由于逆时针的残余旋转使左侧区域部分烟气流向炉前，冲刷分隔屏后再折回，流向水平烟道，其中大部分烟气最终改为向水平烟道流动.而且，经过炉顶的折流和分隔屏的分隔，烟气在后屏区域还会形成涡流区.由于涡流区的存在，后屏区域左侧烟气气流的流动阻力大于右侧.在图4（b）和图4（c）中，左前墙左半部分和左后墙右半部分为左侧墙的烟气速度分布.烟气由炉膛下部向水平烟道流动，烟气速度由10m／s左右迅速衰减到7m／s以下，这是由于烟气的切向速度与水平烟道的出口吸力速度方向相反造成的.

在炉膛右侧，烟气流向炉后，并在引风机的吸力作用下直接流向水平烟道.折焰角结构形成的烟气走廊造成部分右侧烟气的短路，这也是右侧阻力小于左侧的原因之一.在图4（a）和图4（d）中，右前墙右半部分和右后墙左半部分为右侧墙的烟气速度分布.烟气由炉膛下部向水平烟道流动，速度基本维持在10m／s左右，这是逆时针旋转切向速度与水平烟道出口吸力方向一致以及烟气走廊综合作用的结果.

炉膛左右侧烟气流动的差异使得左侧区域的烟气充满度明显好于右侧区域，而且由于左侧区域烟气流有一个向前、滞止和转向加速运动的过程，能形成较强的气流扰动，因而也强化了左侧区域气流的对流传热能力，这是屏区受热面吸热量呈左高右低的原因，也是在后屏两侧入口汽温相同工况下，后屏过热器左侧出口汽温高于右侧出口汽温的原因.

2.3.3 折焰角后的烟气速度分布

图4 炉膛上部的烟气速度分布Fig.4 Gas velocity distribution in upper part of the furnace

折焰角前的烟气流动特性使得上炉膛左侧烟气向炉后运动的阻力大于右侧，造成右侧区域的烟气流量高于左侧区域.图5为末级过热器进口的烟气速度分布.由图5可以看出：末级过热器进口右侧平均烟气流速高于左侧，而且从右墙区域直接穿过折焰角的烟气未经充分冷却，在上升很短的距离后就流入水平烟道，其温度也是右侧高于左侧.这样的烟气流速及温度的分布造成炉膛左、右侧传热条件不同：右墙一侧烟气速度大，烟温也高（还有部分未燃尽物），右侧的吸热明显大于左侧，末级过热器右侧出口汽温高于左侧出口汽温（末级过热器两侧入口汽温相同时）.

图5 末级过热器进口的烟气速度分布Fig.5 Gas velocity distribution at inlet of the final superheater

3 过热器实际运行工况及分析

3.1 过热器汽温分布

北疆电厂1000MW锅炉炉膛左右结构完全对称，过热器汽温分布也应近似对称.平圩电厂600 MW锅炉结构与北疆电厂右炉膛一致，为逆时针切圆燃烧方式，折焰角前布置分隔屏过热器和后屏过热器，折焰角后布置末级过热器.下面借鉴平圩电厂完整的过热器热偏差试验数据分析北疆电厂右炉膛的过热器汽温分布.图6、图7、图8和图9分别为分隔屏前部沿炉膛宽度的汽温分布、分隔屏后部沿炉膛宽度的汽温分布、后屏沿炉膛宽度的汽温分布和末级过热器沿炉膛宽度的汽温分布，图中选取的4个运行工况分别为：（1）88% 最大连续蒸发量工况（MCR，530MW）变化风量试验，省煤器进口氧体积分数为4.0（工况1）；（2）80%MCR（480MW）低负荷试验，磨煤机投运方式为 A、B、C、D（工况3）；（3）63%MCR（380MW）低负荷试验，磨煤机投运方式为 A、B、C、D（工况7）；（4）100%MCR（600MW）电厂常规运行工况，磨煤机投运方式为A、B、C、D、E（工况12）.图6～图9中的管屏编号按照从炉左到炉右排序［6］.

由锅炉分隔屏过热器、后屏过热器以及末级过热器沿炉膛宽度的汽温分布可知，各受热面汽温分布在风量变化、不同燃烧器摆角、不同磨煤机配合、不同负荷下沿炉膛宽度变化规律基本相同.

分隔屏前部的汽温分布是左高右低（见图6），汽温梯度较大，6片分隔屏中最高汽温在第2片.分隔屏后部的汽温分布也是左高右低（见图7），汽温梯度比前部小，6片分隔屏中最高汽温在第1片.后屏的汽温分布同样是左高右低（见图8），汽温在炉膛中心处急剧变化，24片分隔屏中最高汽温在第4～第6片.而末级过热器的汽温分布却是右高左低（见图9），右侧壁面处温度明显偏高，96片分隔屏中最高汽温在第87片.

实测的汽温分布基本反映了炉膛顶部区域烟气流动造成的热负荷差异.由于残余旋转的存在和折焰角结构的影响，在折焰角前受热面沿炉膛宽度的汽温分布是左高右低，在折焰角后受热面沿炉膛宽度的汽温分布是右高左低，其分布规律不一致.

图6 分隔屏前部沿炉膛宽度的汽温分布Fig.6 Steam temperature distribution in the front of separate screen along width direction of the furnace

图7 分隔屏后部沿炉膛宽度的汽温分布Fig.7 Steam temperature distribution in the rear of separate screen along width direction of the furnace

图8 后屏沿炉膛宽度的汽温分布Fig.8 Steam temperature distribution of rear screen along width direction of the furnace

图9 末级过热器沿炉膛宽度的汽温分布Fig.9 Steam temperature distribution of final superheater along width direction of the furnace

3.2 减温器运行情况

由3.1节分析得到北疆电厂1000MW锅炉过热器汽温沿炉膛宽度分布应该为：右炉膛在折焰角前是左高右低，在折焰角后是右高左低；左炉膛在折焰角前是右高左低，在折焰角后是左高右低.减温水量运行值符合汽温偏差现象［7］.表2为实测北疆电厂Ⅲ级减温器喷水量.表2中2个工况均反映右炉膛右侧喷水量少于左侧，左炉膛则是左侧喷水量少于右侧.喷水量反映了Ⅲ级减温器入口（即屏式过热器出口）汽温右炉膛为左侧高于右侧，左炉膛为右侧高于左侧，而且左炉膛汽温偏差明显.

表2 减温水量运行值Tab.2 Run value of desuperheating water

4 改造方案及效果

北疆电厂锅炉受热面的热偏差过大，有可能导致受热面超温爆管，应该对其进行改造.该锅炉存在的热偏差主要是烟气流速和温度引起的屏间热偏差.国内在控制热偏差方面积累了不少经验［8］，通常减小屏间热偏差的方式有：

（1）改变分隔屏和后屏的布置方式，减小前墙与分隔屏之间的间隙，使更多的烟气被阻挡下来进入左侧和中部屏区，从而使水平烟道中左侧和中部的流量增加.加大分隔屏与后屏间的间隙，改善“横向补气”条件，降低水平烟道中右侧壁面附近的最高气流流速［9］.

（2）对燃烧器进行调整.将部分燃烧器一、二次风喷口改为顺时针，可以达到消旋的效果.减小假想切圆的直径对减小热偏差也有一定效果［10］，但切圆直径的减小不利于着火，会使火焰的充满程度变差.二次风反切可以使烟温的偏差减小，但在使末级过热器汽温偏差减小的同时，可能会使分隔屏汽温偏差增大.

（3）改变折焰角结构.折焰角结构是影响水平烟道烟速偏差的重要因素，它会削弱炉膛出口气流的旋转强度，改变烟气流程，改善烟气在宽度方向左右两侧的流动差异，从而有利于减小水平烟道左右两侧烟速偏差.针对采用不同深度的折焰角结构、加长折焰角高度以及采用双折焰角结构来减小屏间热偏差，已有相关研究［11-12］.

（4）调整连接管道的形式.合理布置过热器各级受热面连接管道能够降低锅炉两侧的热偏差，但在决定连接管道的走向前需要了解汽温分布规律.北疆电厂锅炉后屏过热器与末级过热器间的连接管道原先采用左右交叉布置方式.由前面的分析可知，这种连接管道布置方式会使后屏左侧高温蒸汽进入末级过热器右侧，而末级过热器右侧传热强于左侧，因而导致热偏差增大.所以，可以改动后屏过热器与末级过热器之间的连接管道，将从后屏出来的蒸汽由原来的交叉进入末级过热器改为平行进入末级过热器，并且将Ⅲ级减温器配置在两平行管路中（见图10）.

改变受热面布置方式的改造工程量很大，一般在对锅炉进行全新设计时才加以考虑.在调整燃烧器时，需要预先对喷口大小以及节距进行一定调整，反切风还应根据煤种和负荷的变化进行相应调整，如果调整不当有可能会影响燃烧，降低燃尽率，而且这种调整存在一定风险，且改造成本也大.在改变折焰角结构时，也需要改造水冷壁结构，因此工程量也相当大，且结构设计复杂，迄今为止，尚没有项目采用该改造方案.而改变后屏与末级过热器之间的连接管道不仅针对性强，工程量小，而且可以使这两级受热面的吸热偏差相互抵消，因而增强了减温器的调节能力.

图10 过热器系统的布置Fig.10 Arrangement of the superheater system

平圩电厂600MW锅炉就采用了改造后的屏式过热器与末级过热器连接管道布置的方式（由交叉改为平行），使后屏左右侧的减温水流量分别为2.2t／h和2.8t／h，偏差仅为0.6t／h.同样，对于炉膛结构一致的北疆电厂1000MW锅炉，对后屏过热器与末级过热器的连接管道进行改造（由交叉改为平行）可以达到同样效果.合理搭配两级受热面左右侧的热负荷具有调节热偏差的自平衡能力，不必采用较大差异的两级受热面左右侧喷水量来调节蒸汽温度和平衡吸热量.

5 结 论

针对北疆电厂1000MW机组锅炉的情况可得如下结论：

（1）由于采用四角切圆燃烧方式，炉膛上部和水平烟道的受热面沿炉膛宽度方向存在屏间热偏差.同时，折焰角前后受热面汽温的分布规律也不一致：折焰角前左侧汽温高于右侧，折焰角后右侧汽温高于左侧.

（2）在残余旋转和折焰角的共同作用下，折焰角前左侧对流传热强于右侧，导致后屏过热器左侧出口汽温高于右侧出口汽温.同时，折焰角后右侧烟气流量和温度均大于和高于左侧，导致末级过热器右侧出口汽温高于左侧.

（3）通过改变北疆电厂锅炉后屏过热器与末级过热器的连接管道形式（由交叉改为平行），可以减轻热偏差的叠加问题，提高减温器的调节性能.

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