500 MW超临界直流锅炉低NO x燃烧器改造水冷壁水动力计算

李广瑞

(中国神华能源股份有限公司国华电力分公司,北京100000)

500 MW超临界直流锅炉低NOx燃烧器改造水冷壁水动力计算

李广瑞

(中国神华能源股份有限公司国华电力分公司,北京100000)

将水冷壁流动网络系统等效为流量回路、压力节点和连接管三类元件,对500 MW超临界直流锅炉低NOx燃烧器改造后水冷壁进行了水动力计算,分析了该锅炉负荷在500 MW、250 MW以及200 MW时壁温随炉膛高度的分布。结果表明：锅炉在500 MW时,上、下辐射区的水冷壁内壁温度、外壁温度、中间点壁温与鳍片温度均处于材料许用范围之内；250 MW时,下辐射区中间点温度不超过510℃,水冷壁是安全的；200 MW时,影响锅炉安全运行。

超临界直流锅炉；低NOx燃烧器；水冷壁；水动力；壁温

锅炉水动力计算的目的是保证炉膛辐射(蒸发)受热面可靠的温度工况、确定锅炉整个汽水系统的压力损失以选择给水泵的工作压头。水动力计算是在已有锅炉的结构设计及热力计算的基础上进行的,对于水冷壁优化设计和保证锅炉的安全可靠运行具有十分重要的意义。天津国华盘山发电有限责任公司安装2台由前苏联成套引进的500 MW超临界燃煤发电机组,锅炉为∏-76型超临界压力、直流、一次中间再热、平衡通风的固态排渣煤粉炉,采用低质量流速以及垂直往复一次上升辐射受热面布置方式,调节性能较差,对弯管效应比较敏感,水动力难以复核；且锅炉最低直流负荷相对较高,一般在50%负荷以上才能够完全转入直流负荷运行,机组通常维持为定压运行方式。为满足NOx排放的要求,对锅炉燃烧器进行改造后,管路变得更加复杂；因此开展该锅炉的水动力特性计算分析是非常有必要的。笔者主要对燃烧器改造后锅炉水动力的安全性,即炉膛受热面的温度分布进行分析,对锅炉在100%负荷(500 MW)、50%负荷(250 MW)以及40%负荷(200 MW)时进行了水动力特性计算,从中发现改造后可能存在的问题,指导锅炉的安全稳定运行。

1 锅炉设备及燃烧器改造

1.1 锅炉设备

锅炉设计为室内布置,单炉膛全悬吊结构,左右两侧各有一对流竖井,锅炉本体呈T形结构。四壁由直径为32 mm、壁厚为6 mm、材料为12Cr1Mn V的膜式水冷壁构成。锅炉一、二次汽水流程以炉膛前、后墙中心线为界分为左、右两个对称的独立流程,每个流程的给水和汽温调节都是独立的。炉膛受热面为垂直往复一次上升布置。按照标高位置形成上辐射区和下辐射区。在锅炉两个流程中,给水进入省煤器前各设有一旁路,即21%旁路,可控制相当0～21%主汽流量的给水不经省煤器、下辐射区Ⅰ加热而与下辐射Ⅰ出口“热水”混合后进入下辐射区Ⅱ。

每台锅炉设有8套制粉系统,每台ZGM-95G型中速辊式磨煤机各自带4只旋流燃烧器,燃烧器共32只,分四层布置,每层共8只,分列于左、右侧墙形成对冲燃烧方式。锅炉总体布置见图1,锅炉辐射区水冷壁管屏布置剖面图见图2。

图1 锅炉总体布置图(单位：mm)

图2 锅炉辐射区水冷壁管屏布置剖面图

1.2 燃烧器改造

国华盘山发电有限责任公司采用低氮燃烧技术,立体分级低氮燃烧,原有燃烧器仅设计一股二次风,二次风同一次风混合及时,致使燃烧峰值温度相对较高,不利于NOx的控制［1-3］。将原有二次风改成两股---内二次风、外二次风,内、外二次风均采用旋流配风。内二次风主要是为一次风根部和着火初期配风,外二次风实现在后期的配风,最终在燃烧器本身实现燃烧初期空气分级降低NOx的方案。内、外二次风之间的喷口进行特殊处理：在锅炉标高47.7 m处两侧墙各有8个专用喷嘴,在负荷达50%以上时,投入该喷嘴以保证炉膛出口处烟气温度不高于烟气灰尘软化温度(ST),预防过热器受热面结焦或一、二次蒸汽温度超限；锅炉标高39.55 m处加装4个燃尽风喷嘴,平均直径为788 mm。燃烧器和燃尽风喷嘴在侧墙的布置见图3。

图3 燃烧器和燃尽风喷嘴布置图(单位：mm)

2 计算结果及分析

采用将水冷壁流动网络系统等效为流量回路、压力节点和连接管三类元件的方法,对该锅炉在100%负荷(500 MW)、50%负荷(250 MW)以及40%负荷(200 MW)时进行了水动力特性计算［4-5］,重点对壁温与鳍片温度沿炉高方向的分布进行分析,4个辐射区各选取一个出口温度最高的回路进分析,分别为下辐射区Ⅰ的8回路、下辐射区Ⅱ的25回路、上辐射区Ⅰ的37回路和上辐射区Ⅱ的45回路,并选取了下辐射区Ⅱ布置有燃烧器和燃尽风喷嘴的24回路进行分析。

2.1 500 MW负荷壁温与鳍片温度沿炉高方向分布

图4～图8分别给出了在500 MW负荷时5个回路的壁温与鳍片温度沿炉高方向分布。从图中可以看出：在500 MW负荷下,下辐射区Ⅰ工质一直处于单相区,因此工质温度随着炉膛高度的增加而增加,使得壁温也随着炉膛高度的增加而增加,在炉高31.5 m处达到最大值,为537.2℃,随着热负荷的下降,壁温也随之下降；下辐射区Ⅱ工质进口为水,出口为超临界蒸汽,因此工质温度随着炉膛高度的增加而增加,使得壁温也随着炉膛高度的增加而增加,在炉高34.0 m处达到最大值,其中图5中壁温突然变小处即布置燃烧器和燃尽风喷嘴的管段；由于到达上辐射区后热负荷在下降,管壁温度也随之下降,折焰角之后热负荷保持不变,管壁温度稍有升高,在炉高39.5 m处达到最大值,为484.1℃。

图4 500 MW负荷下辐射区Ⅰ的8回路壁温沿炉高的分布

图5 500 MW负荷下辐射区Ⅱ的24回路壁温沿炉高的分布

图6 500 MW负荷下辐射区Ⅱ的25回路壁温沿炉高的分布

图7 500 MW负荷上辐射区Ⅰ的37回路壁温沿炉高的分布

图8 500 MW负荷上辐射区Ⅱ的45回路壁温沿炉高的分布

对于上辐射区Ⅱ的45回路而言,由于二次风喷嘴的存在,阻力大,质量流速较低,但同时又处于热负荷最大的区域,这样对于该回路管子将非常不利。从图8可以看出：由于到达上辐射区后热负荷在下降,管壁温度也随之下降,同时由于二次风喷嘴处不受热,壁温降为工质温度,随之升高之后又由于热负荷的降低而降低,在炉高42.1 m处达到最大值,为490.4℃。计算结果表明：500 MW负荷时锅炉下辐射区和上辐射区水冷壁温度和鳍片温度处于材料允许范围之内,锅炉运行是安全的。

2.2 250 MW负荷壁温与鳍片温度沿炉高方向分布

图9～图13分别给出了在250 MW负荷时5个回路的壁温与鳍片温度沿炉高方向的分布。从图中可以看出在250 MW负荷下,不同回路的壁温与鳍片温度沿炉高方向分布趋势与500 MW时是基本一致的：下辐射区Ⅰ在炉高27.7 m处达到最大值,为556.5℃；下辐射区Ⅱ24和25回路在炉高39.5 m处壁温达到最大值,分别为578.3℃和590.0℃,这个部位主要是最上层燃烧器上部区域；上辐射区Ⅰ在炉高39.5 m处达到最大值,为506.2℃；上辐射区Ⅱ在炉高42.1 m处壁温达到最大值537.2℃。计算结果表明：250 MW负荷时锅炉下辐射区Ⅰ和上辐射区水冷壁温度和鳍片温度处于材料允许范围之内,250 MW负荷时,中间点温度不超过510℃,锅炉水冷壁运行是安全的。

图9 250 MW负荷下辐射区Ⅰ的8回路壁温沿炉高的分布

图10 250 MW负荷下辐射区Ⅱ的24回路壁温沿炉高的分布

图11 250 MW负荷下辐射区Ⅱ的25回路壁温沿炉高的分布

图12 250 MW负荷下上辐射区Ⅰ的37回路壁温沿炉高的分布

图13 250 MW负荷下上辐射区Ⅱ的45回路壁温沿炉高的分布

2.3 200 MW负荷壁温与鳍片温度沿炉高方向分布

在200 MW时,不同回路壁温与鳍片温度沿炉高方向的分布趋势与前两个负荷是一致的。表1给出5个回路的壁温最高值及所在炉膛高度。

表1 200 MW时炉膛不同回路壁温最高值及所在炉膛高度

从表1中可以看出：锅炉下辐射区Ⅰ和上辐射区水冷壁温度和鳍片温度处于材料允许范围之内,但下辐射区Ⅱ回路水冷壁温度均已超出金属管的许用温度,超温部位主要为最上层燃烧器上部区域,锅炉安全运行难以保证。

3 结语

针对机组锅炉调节性能差、水动力难以复核,特别是低氮燃烧器改造后管路更加复杂的现状,锅炉水动力安全性受到一定影响。笔者通过对锅炉在500 MW、250 MW、200 MW负荷下的壁温与鳍片温度沿炉高方向的分布进行计算分析,得到如下结论：

(1)由于该锅炉采用定压运行方式,不同于变压运行时壁温的变化规律。变压运行时,随着负荷的降低,壁温将会下降,但定压运行时压力始终维持在超临界,负荷降低,壁温将会升高。

(2)在500 MW负荷时,上、下辐射区的水冷壁内壁温度、外壁温度、中间点壁温与鳍片温度均处于材料许用范围之内,水冷壁运行是安全可靠的；250 MW负荷时,下辐射区Ⅱ中间回路水冷壁最高温度为590.0℃；200 MW负荷时,下辐射区Ⅱ所有回路水冷壁最高温度均已超过材料最高许用温度,不能保证锅炉安全运行,并且250 MW负荷和200 MW负荷时,下辐射区Ⅱ超温部位均为最上层燃烧器上部区域接近OFA风口的部位；250 MW负荷时,下辐射区中间点温度不超过510℃,水冷壁是安全的；200 MW负荷时,影响锅炉安全运行。建议电厂应避免在机组负荷低于250 MW工况下运行。

［1］李广瑞,黄振康,王树怀,等.500 MW超临界直流炉水冷壁超温爆管的治理［J］.华北电力技术,2007,37(8)：30-33.

［2］樊泉桂.800 MW超临界参数锅炉水冷壁及启动系统分析［J］.华北电力技术,2000,30(1)：9-12.

［3］Pan Jie,Yang Dong,Yu Hui,et al.Mathematical modeling and thermal-hydraulic analysis of vertical water wall in an ultra supercritical boiler［J］.Thermal Engineering,2009,29 (11-12)：2500-2507.

［4］Seo K W,Kim M H,Anderson M H.Heat transfer in a supercritical fluid：classification of heat transfer regimes［J］. Nuclear Technology,2006,154(3)：335-349.

［5］潘杰,杨冬,董自春,等.垂直上升光管内超临界水的传热特性试验研究［J］.核动力工程,2011,32(1)：75-80.

Water Wall Hydrodynamic Calculation for Low NOxBurner Retrofit of a 500 MW Supercritical Once-through Boiler

Li Guangrui
(Guohua Electric Power Branch,China Shenhua Energy Co.,Ltd.,Beijing 100000,China)

By simplifying the water wall flow loop as following three kinds of components：flow circuit, pressure node and connection tube,hydrodynamic calculation was carried out to the water wall after low NOxretrofit of a 500 MW supercritical once-through boiler,so as to analyze the distribution of water wall temperature along furnace height respectively at the load of 500 MW,250 MW and 200 MW.Results indicate that at the load of 500 MW,the inner wall temperature,outer wall temperature,intermediate point temperature and fin temperature of the water wall in upper radiation zone are all within allowable range of the material；whereas at the load of 250 MW,the temperature of intermediate point in lower radiation zone does not exceed 510℃,indicating that the water wall is safe；but at the load of 200 MW, the safety of boiler operation is to be affected.

supercritical once-through boiler；low NOxburner；water wall；hydrodynamics；wall temperature

TK229.2

A

1671-086X(2015)03-0192-04

2014-09-03

李广瑞(1962-),男,高级工程师,主要从事发电厂技术管理工作。

E-mail：051817@ghepc.com