300 MW富氧煤粉燃烧锅炉变工况运行特性分析

高建强，张 晨

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)



300 MW富氧煤粉燃烧锅炉变工况运行特性分析

高建强，张 晨

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

富氧煤粉燃烧锅炉燃烧、换热特性与常规空气锅炉不同，为研究不同工况下富氧燃烧锅炉的运行特性，利用某300 MW富氧煤粉燃烧锅炉仿真模型，分别进行燃煤量、给水温度、氧浓度和水分变动试验。结果表明：随着富氧燃烧锅炉燃煤量的增加，炉膛出口烟温升高，炉内总辐射量增加，水冷壁产汽量增多。由于富氧锅炉辐射换热强，过热蒸汽温度随燃煤量增加而增加。随着炉内燃烧气氛中氧浓度增加，锅炉产汽量大幅度增加，主汽温度快速下降。由于锅炉设计煤种水分含量高且不稳定，水分变化对锅炉运行参数影响比较大，主要表现在煤质变坏，导致炉膛出口温度升高，过热蒸汽温度、再热蒸汽温度和排烟温度也随之升高。

富氧燃烧锅炉；运行特性；燃煤量；给水温度

0 引 言

在控制和减缓电厂CO2排放的各种技术中，富氧燃烧技术有良好的发展前景。它是在现有电站锅炉系统基础上，用高纯度的氧气代替助燃空气，同时辅助以烟气再循环的燃烧技术，可获得富含80%体积浓度CO2的烟气，从而实现CO2的永久封存或资源化利用，同时降低有害气体的排放[1-5]。富氧燃烧锅炉的运行过程十分复杂，因为其燃烧受到多种因素的影响，使得其自动控制比一般锅炉更加复杂和困难。分析与研究富氧燃烧锅炉运行特性，掌握了解各变量间的相互关系，对富氧燃烧锅炉自动控制系统的设计、调试以及可靠运行都至关重要。

目前国内建成的富氧燃烧锅炉试验台有300 kW富氧中试试验台和3 MW全流程富氧燃烧实验平台，此外还有35 MW工业示范项目已经处于工业实验阶段。世界范围内最新的富氧示范项目有韩国Yongdong 100MWe 2016示范项目和美国FutureGen 200MWe 2016示范项目等[6]。可以看出富氧燃烧锅炉技术仍处于中试阶段，对较大容量的锅炉运行经验比较缺乏，因而对于大容量富氧燃烧锅炉，可以通过仿真手段对其运行特性进行研究。本文以某300 MW富氧自然循环燃烧锅炉为例，研究锅炉燃料量、O2/CO2(即氧浓度)、给水温度和煤质水分等参数变动时，富氧燃烧下的锅炉理论燃烧温度、炉膛出口烟温、蒸汽温度和锅炉排烟温度等运行参数的变化规律，对日后富氧燃烧锅炉的运行控制等设计研究有重要意义。

1 模型介绍及研究方法

本文以某300 MW富氧煤粉燃烧锅炉为研究对象[7]，整个锅炉系统流程如图1所示，炉膛为单炉膛Π型布置、四角切向燃烧，机组采用中间一次再热、自然循环、喷水调节过热汽温，空气分离系统向锅炉供给纯氧。锅炉尾部设有烟气(主要是CO2)再循环，维持炉内的稳定燃烧[8]。其中，再循环烟气有两处，一处是从炉膛尾部除尘器后抽取部分烟气；另一处是从冷凝器后抽取干燥烟气作为中速正压直吹式制粉系统的干燥介质。

图1 300 MW富氧煤粉燃烧锅炉系统流程简图Fig.1 The system flow diagram of 300 MW pulverized coal oxygen-enriched combustion boiler

对于实际运行中的机组，其工况总是处于不断的变化之中，例如煤质、给水温度和锅炉负荷等都不可能始终维持设计值。锅炉参数和运行指标都会随着工况的变动发生相应的变化，这些变化的方向和大小可以由锅炉的运行特性加以描述[9]。利用某300 MW富氧燃烧汽包锅炉仿真模型[10]，通过仿真试验对建立的设备的精度进行验证，进而研究富氧煤粉燃烧锅炉的运行特性。

2 变工况计算结果及分析

机组稳定工况下进行仿真试验，得到静态仿真结果如表1。仿真结果与设计值的相对误差在2%以内，证明该仿真模型满足仿真的精度要求。

表1 计算数据与模型计算结果

2.1 燃煤量变动

富氧锅炉运行中，其负荷必须跟随电网要求不断变化，燃料量则与负荷成比例。通过改变给煤机转速即可对燃煤量进行间接扰动实验，下面分析燃煤量变化对炉内传热、烟气及工质温度等的影响。对于中速磨配正压直吹式制粉系统，运行中制粉系统出力由给煤量调节。在稳定工况下，保证机组足够通风量，改变其给煤机转速，得到实验结果如图2所示：富氧燃烧锅炉燃煤量增加时，水冷壁产汽量增加，炉膛出口烟温升高，排烟温度升高。但与一些常规空气燃烧锅炉不同，随着燃煤量的增加，过热蒸汽温度不升高反而下降，再热蒸汽温度升高，应引起工作人员的特别注意。

图2 燃煤量变动实验结果Fig.2 The experimental results of fuel quantity

由顶棚过热器、水平低温过热器、立式低温过热器、前屏过热器、后屏过热器和末级过热器组成的整个过热器的热平衡得[9]

由D·rs=Bj·Qs代入公式(1)，得

式中：Bj为燃料量，kg/s；Qs为每kg煤用于蒸发给水的热量(省煤器吸热量和水冷壁吸热量之和)，kJ/kg；Qgr为每kg煤传给过热器的热量(包括辐射式和对流式，kJ/kg；rs为每kg给水加热到饱和蒸汽所吸收的热量，kJ/kg；D为水冷壁产汽量，kg/s；△hgr为过热器出口比焓与饱和汽比焓之差，kJ/kg。

由屏式再热器和末级再热器组成的整个再热器的热平衡得

式中：d为再热蒸汽流量份额，d=Dzr/D；Qzr为每千克煤传给再热器的热量(包括辐射式和对流式)；△hzr为过热器出口比焓与饱和汽比焓之差，kJ/kg。

由公式(2)可以看出，定压下近似认为rs不变，当燃料量变化时，过热汽温只决定Qgr/Qs。表2是燃料量变动时，给水吸热量等数据的分配。可以看出当燃煤量增加时，Qgr/Qs减少，因而该富氧燃烧锅炉过热蒸汽温度下降。由公式(4)可以看出，定压下近似认为rs不变，当燃料量变化时，再热蒸汽温度决定于Qzr/Qs。由表2可以看出当燃煤量增加时，△hzr/rs增加，因而再热蒸汽温度上升。

表2 燃煤量扰动实验热量分配数据

2.2 氧气浓度扰动

常规空气燃烧锅炉，其氧气浓度一定。然而，对于富氧燃烧锅炉，炉内燃烧介质由三部分组成，分别是空气分离提纯技术提供的氧气、锅炉尾部干燥冷却的一次再循环烟气和省煤器后的二次再循环烟气。由于送入炉膛的氧气量、一次再循环烟气和二次再循环量都是过程变量，因而炉内燃烧气氛中氧气浓度容易发生变动。在空气分离系统提供的氧气量和燃煤量保持不变的情况下，对再循环烟气量进行扰动，讨论不同氧气浓度(O2/CO2)下该富氧燃烧锅炉的运行情况。其中实验结果如表3所示，绘制成曲线如图3所示。

表3 氧气浓度(O2/CO2)扰动实验结果

图3 O2/CO2扰动实验结果Fig.3 The perturbation experimental results of oxygen concentrations

实验结果表明：在实验变动范围内，由图3可以看出，随着氧气浓度提高，理论燃烧温度升高，且富氧率每增加1 %，理论燃烧温度升高约25～40 ℃。作为炉内传热过程的起点，这将使炉膛出口烟温升高。但是，随着氧气浓度升高，理论燃烧温度剧烈升高，使炉内单位辐射量增大，加之再循环烟气量减少，炉膛产生的总烟气量减少，炉膛出口烟温降低。过热蒸汽温度、再热蒸汽温和锅炉排烟温度降低。以上结果可以看出，对于富氧燃烧锅炉，空气压缩供应的氧气稳定的情况下，再循环烟气量对锅炉运行情况影响很大，因而监控一二次再循环烟气十分重要。

2.3 给水温度变动

机组在稳定工况下，改变其给水温度，分析给水温度变化对工质蒸发量和温度等的影响，实验结果如表4所示。对于亚临界参数富氧燃烧汽包锅炉，给水温度变化主要影响主过热蒸汽。当给水温度降低时，由于1 kg给水加热成为饱和蒸汽的汽化热增加，在未进行燃料量调整情况下，炉内总辐射热量几乎不变，因此水冷壁质量含汽率减小，汽包产汽量下降。并且给水温度每降低10 ℃(升高10 ℃)，汽包产汽量降低2.4%左右(升高2.4%左右)，过热蒸汽温度升高8 ℃左右(降低8 ℃左右)。因而在实际运行中，对于过热器而言，需要通过变动减温水量来保持额定汽温，并且减温水量随给水温度降低而增加。

表4 给水温度扰动实验结果

Tab.4 The perturbation experimental results of feed-water temperature

给水温度tgs/℃250260270282.9290质量含汽率w0.52300.54460.56810.60110.6221过热汽温tgr/℃564.5555.9549.3541.1536.3出口烟温θ″0/℃1060.51060.51060.21060.31060.3再热汽温tzr/℃541.9541.8541.4541.1540.9排烟温度θexg/℃145.7146.1146.6147.3147.7

2.4 煤质变化

锅炉燃料性质变化，尤其是煤质变化是不可避免的，发热量、挥发分、灰分和水分等煤质的变化对锅炉运行工况影响较大。设计煤种是高水分低硫褐煤，水分含量较大且不稳定。并且原煤水分变动，煤质特性也随之发生改变。由于煤的挥发分、发热量、成分等主要指标与优质煤和劣质成分间有较好可加性，因而采用文献[11]这种最简便的动力煤数学模型来预测变质煤的煤质特性。

机组在稳定工况下，原煤中外在水分含量变化，即1 kg原煤含量中水分质量发生变化△Mar。保持给煤机转速不变的情况下，分析原煤水分含量变化对炉内传热、烟气及工质温度等的影响，如对单位质量辐射热、理论燃烧温度、炉膛出口烟温、过热蒸汽温度和再热蒸汽温度等参数的影响，实验结果如图4所示。

图4 原煤水分变动实验Fig.4 The perturbation experimental results of raw coal moisture

随着燃煤水分增加，单位质量燃煤发热量减少，为了保持汽包蒸发量，必须增加燃煤量。炉膛理论燃烧温度显著下降，但是内部产生烟气流量大，炉内辐射换热量降低，导致炉膛出口温度升高，过热蒸汽温度、再热蒸汽温度和排烟温度也随之升高。

3 结 论

(1) 由于富氧锅炉炉内辐射换热强度大，当给煤量增加时，过热蒸汽温度不下降反而升高，再热蒸汽温度下降，这与常规空气燃烧锅炉不同，应引起工作人员的特别注意。

(2) 空气分离系统提供的氧气量一定的情况下，对再循环烟气量进行扰动，得到了不同氧浓度下锅炉的运行工况。根据结果发现，随着炉膛内氧浓度增加，单位辐射换热量增大，水冷壁蒸发量增加，炉膛出口烟温降低，过热蒸汽温度降低，且各参数变化剧烈，因而实际运行中需要严格监控一、二次再循环烟气量。

(3) 给水温度每升高10 ℃(降低10 ℃)，过热蒸汽温度降低8 ℃左右(升高8 ℃左右)。在实际运行相同发电负荷下，减温水量随给水温度降低而增加。

(4) 运行中煤质水分增加，会使炉膛出口温度升高，过热汽温升高，单位炉内辐射换热减小；反之若运行中煤质较好，则都会使炉膛出口温度和过热汽温降低，单位炉内辐射热增加。

(5) 通过研究燃煤量、给水温度、氧浓度和水分变动试验，可为的富氧燃煤锅炉电厂提供锅炉运行主要参数的变化情况，为机组的安全稳定运行创造有利条件。

[1] 刘彦丰, 王建强, 梁秀俊, 等. 300 MW燃煤锅炉O2/CO2烟气再循环的数值模拟[J]. 热能与动力工程, 2009, 24(2):177-181.

[2] 骆仲泱. 二氧化碳捕集、封存和利用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2012.

[3] 牛天况. 富氧燃烧初探[J]. 锅炉技术, 2008, 39(1):25-31.

[4] HADJIPASCHALIS I, KOURTIS G, POULLIKKAS A. Assessment of oxyfuel power generation technologies[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9)：2637-2644.

[5] TOFTEGAARD M B, BRIX J, JENSEN P A, et al. Oxy-fuel combustion of solid fuels[J].Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(5)：581-625.

[6] 郑楚光, 赵永椿, 郭欣. 中国富氧燃烧技术研发进展[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(23)：3856-3864.

[7] 米翠丽. 富氧燃煤锅炉设计研究及其技术经济性分析[D]. 保定:华北电力大学, 2010.

[8] 曹阳, 林鹏云, 罗永浩,等.燃煤电站锅炉富氧燃烧技术研究进展综述[J]. 锅炉技术, 2012, 43(1)：45-48.

[9] 黄新元. 电站锅炉运行与燃烧调整[M]. 中国电力出版社, 2007.

[10] 侯致福. O2/CO2燃煤锅炉机组实时仿真模型研究[D]. 保定：华北电力大学, 2012.

[11] 张锷. 煤质劣化对机组运行方式的影响和控制策略[D]. 保定：华北电力大学, 2012.

Study on Operating Characteristic of a 300 MW Oxy-fuel Combustion Boiler in Variable Conditions

GAO Jianqiang, ZHANG Chen

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Unlike normal air combustion boiler, oxygen-enriched combustion boiler has different combustion and heat transfer characteristics. To study the operating characteristics under different conditions, the simulation model of a 300MW pulverized coal oxygen-enriched combustion boiler was utilized. And experiments respectively for disturbances of coal quantity, feed water temperature, O2/CO2and coal quality were finished. Results reveal that: with the increment of coal quantity, furnace outlet gas temperature and radiation heat exchange unit of quality in furnace increase, and evaporation rate of water wall reduces. Because radiation heat transfer capability of oxy-fuel combustion boiler is strong. On the contrary, superheated steam temperature rises. As the feed water temperature decreases, superheated steam temperature and evaporation rate of water wall reduce. Variation of lignite quality changes mainly reflects in variation of moisture content, and variation of moisture has more influence on boiler operation parameters. The influence is mainly that as the coal quality gets worse, furnace outlet gas temperature and superheated steam temperature rises, and the radiation subsides.

oxy-fuel combustion boiler; operating characteristic; coal quantity; feed water temperature

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.13

2015-12-09.

TK 227

A

1007-2691(2016)05-0083-05

高建强(1966-)，男，教授，主要从事热力系统建模及仿真技术的教学与研究。