高海拔地区660 MW超超临界锅炉及辅机选型研究

2018-11-12刘学军雷步红陈晓文雷晓明王桂芳张喜来

电力勘测设计 2018年10期

刘学军，雷步红，陈晓文，雷晓明，王桂芳，张喜来

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西西安 710075 ；2.青海黄河上游水电开发有限公司，青海西宁 810003；3.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710032 )

1 概述

国内在高海拔地区建设燃煤火电机组已经有一定的工程实践，但机组容量均小于300 MW。高海拔低气压下空气密度减小、氧含量低，对锅炉燃烧产生负面影响。目前国内投入运行的高海拔机组表明，其运行特性与平原地区有明显的差异，若不能采取科学的技术措施，会出现锅炉排烟温度高、效率降低、厂用电率偏高、全厂供电煤耗高等问题，进而影响电厂整体的安全性、经济性。类似的研究结果表明海拔高度对煤粉的着火、燃烬均有较大影响。国内黄必重等针对1501 m海拔高度燃用高灰分烟煤的660 MW机组锅炉燃烧进行了研究，提出了初步的意见，对于本项目研究具有借鉴意义。李东鹏等对2900 m海拔高度下660 MW机组锅炉热负荷参数选择进行了数模研究，给出了热负荷参数的选取范围，也可供本次研究参考。

中电投西宁火电拟在海拔高度2484 m区域建设两台660 MW超超临界烟煤机组，高参数、大容量机组在类似高原环境进行工程实践，在中国乃至世界为第一次，因此没有成功的经验可供借鉴。本文针对该项目建设，对项目煤粉燃烧特性变化进行了试验室研究，并分析了高海拔低气压对主要辅机设备的影响，提出了锅炉主要炉膛热负荷参数及锅炉主要辅机的选型方案。

2 试验方法与设备

2.1 试验大气环境条件

本文依托工程厂址地形标高2473～2495 m，大气压约为海平面标准气压的72.8%。本文选取锅炉实际海拔2484 m(大气压74.88 kPa)进行研究，同时对海拔高度414 m(大气压96.63 kPa)、海拔高度1891 m(大气压80.61 kPa)时煤粉燃烧特性进行了测试，以便于进行对比分析。

2.2 试验煤质

本文以中电投西宁电厂锅炉设计煤为典型煤样进行研究，基本煤质数据见表1，可见试验煤样为典型的烟煤。

表1 试验煤样的基本煤质特性

续表1

2.3 试验设备及试验方法

图1 燃烧试验台原理

本文中对燃料特性影响研究在特定的试验台上进行，图1为模拟高海拔低气压环境的燃烧试验原理图。该试验台由密封舱、罗茨风机、以及放置于密封舱内的一维火焰炉与煤粉气流着火炉燃烧试验系统组成。一维火焰炉用于研究燃煤的燃烬与结渣特性，着火炉用于研究燃料的着火特性，相关评价方法已经形成了电力行业标准。

一维火焰炉试验时，罗茨风机不但作为抽气装置，形成并维持密封舱负压，而且还在燃烧系统中充当引风机，通过罗茨风机将尾部烟道压力维持和密封舱的压差为50 Pa左右。在顶部燃烧器设有气压平衡孔，保持炉内的气压和密封舱的压力相等。试验人员进入密封舱，关闭舱门后启动罗茨风机、抽取舱内空气，直至舱内气压值达到指定值。随后开启烟气系统阀门，并启动送风机，按要求调整一、二次风量，并投入煤粉。待燃烧稳定后，试验人员开始进行测量与观察。

着火炉试验时，开启罗茨风机形成设定的气压值，通电加热炉体，至200℃时启动送、引风机，然后投入煤粉。随着温度的升高，气流产生火花，初期为不稳定着火，最后达到稳定着火，此时气流温度超过壁温。将气流温度与壁温的交叉点定义为“着火温度IT。

3 燃烧特性试验结果与分析

3.1 着火特性

由图2所示不同气压、不同煤粉细度条件下着火温度IT的测试结果可见，常压下试验煤样属于易－中等着火性能煤种，在77.83 kPa气压下着火性能降为中－难等级，高海拔低气压环境下试验煤的着火温度明显提高。这表明低气压环境抑制了煤粉燃烧的反应速度，延长了着火时间，着火温度上升。

此外试验结果也显示煤粉着火温度受煤粉细度的影响较大，海拔高度越高影响越为明显显著。为保证稳定着火，锅炉煤粉细度R90应在15%左右，同时燃烧器设计上应有一定的稳燃措施。

图2 不同气压、不同煤粉细度下煤粉气流着火温度

3.2 燃烬特性

由图3中测试结果可见，常压下运行氧量2.5%～4.5%范围内，试验煤样燃烬率均在98.5%以上，为“极易”燃烬等级。海拔高度2481 m工况下试验煤燃烬率在2.5%氧量条件下降低到98%以下，为“易”燃烬等级，略低于常压环境条件下的燃尽率，但仍属于燃尽性能较为优异的煤种。

试验结果显示，由于用于试验煤种本身的燃烧特性好，低压环境虽然抑制了煤粉燃烧的反应速度，但是对燃煤的最终燃尽效果影响并不明显，锅炉设计中不必过多的考虑煤粉的燃烬率问题，可以采用较为严格的低氮分级燃烧技术。

图3 不同气压条件下氧量对煤样一维火焰炉燃烬率的影响

图4中为高海拔条件下煤粉细度对燃烬率的影响规律，与常压海拔环境下的规律相同，采用较细的煤粉细度可提高煤粉的燃烬率。结合煤粉气流着火温度测试结果，锅炉煤粉细度R90控制在15%左右是必要的。

图4 气压为74.83 kPa时煤粉细度对煤样一维火焰炉燃烬率的影响

3.3 结渣特性

在一维火焰炉上，模拟煤粉气流在炉内的燃烧过程、温度水平和气氛等条件，采用硅碳棒作为结渣源，以反映不同区域煤粉燃烧的颗粒形态和粘结强弱，从而更直观和实际的反映煤的结渣趋势。硅碳棒作为具有较高温度的结渣源可直接模拟锅炉不同部位的结渣情况。在试验前调整各级炉体壁温，使炉内各区域的火焰温度处于1000～1500℃间的不同温度水平。待燃烧稳定后，将6个12×8×200的碳化硅棒插入选定的测孔作为结渣源，在结渣源上沉积下的灰渣依照其粘结的紧密程度由强到弱分为熔融、粘熔、强粘聚、粘聚、弱粘聚、微粘聚及附着灰七个等级。对具体的煤种，根据6个结渣源上的渣型等级，将煤种的结渣性用严重、高、中等和低四类型标示。

图5 不同气压下渣棒结渣形态(1～6级)

试验模拟各种大气压下各个测点的结渣试验结果见表2。

对于本文研究的煤样，一维火焰炉结渣工况试验结果表明不同气压条件下燃煤的结渣特性均为“中等”等级，烟温在1300℃以上时仅出现不严重的强粘聚渣型，锅炉设计中不需要过多考虑燃煤的结渣性。

4 炉膛参数选取建议

锅炉炉膛参数选择的重要方法是根据燃煤特性，对比性能类似的煤种在同容量锅炉的运行特征，以及已有锅炉的技术特点和关键设计参数，根据《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》为新建锅炉推荐适合的技术参数。图6、图7中为我国已投运的少数几个高海拔地区锅炉炉膛容积热负荷与截面热负荷与常压海拔锅炉的对比，从实际运行情况看，选用较低热负荷参数的锅炉运行情况较为良好。

图6、图7中包括了14个煤质特性与本文研究煤样接近的600 MW 等级机组锅炉的主要热负荷参数，容积热负荷qv分布区间为78.036～96.784 kW/m3，断面热负荷qF分布区间为4.176～5.133 MW/m2。

表2 不同大气压下工程设计煤一维火焰炉结渣试验结果(O2=3.5%，R90=20%)

图6 我国高海拔地区典型电站锅炉容积热负荷取值比较

图7 我国高海拔地区典型电站锅炉截面热负荷取值比较

在研究项目所处的高原地区，如果炉膛放热强度特性技术参数值以及由其导出的炉膛轮廓尺寸仍维持常规选型标准，则炉内煤粉气流停留时间会过分缩短，导致燃尽度下降，气压和密度的降低也会导致燃烧反应速率和传热的减缓。因此，此区域电厂锅炉炉膛选型应充分考虑低气压的影响，并充分考虑设计煤种的燃烧特性。按照《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》的规定，对较易着火煤(IT＜700℃)，从海拔超过700 m起开始进行炉膛参数的修正，平原地区的大气压规定为96 kPa(相应海拔高度450 m)，炉膛选型参数根据以下原则进行修正：

(1)高原地区的炉膛容积热负荷qv高原

式中：对于褐煤，k的范围为1.05～1.1；烟煤k≈1，无烟煤k为0.95或更低些；P为实际气压，西宁电厂取值为74.88 kPa。

(2)高原地区的炉膛断面热负荷qF高原

式中：k的范围为0～2/3；当(P/100)＞0.9时选用k=0；当(P/100)＜0.9时选用可考虑k＞0；对于贫煤及无烟煤，尤其是易结渣煤种，k宜选用相对较大值，但不应超过2/3。

(3)燃烧器区高原壁面热负荷qB高原

qB高原仍宜沿用平原地区选定值，除非对严重结渣煤种可比原选定值适当降低。

(4)高原地区炉膛燃尽区高度的修正h1高原

对于切向燃烧及墙式燃烧锅炉，如采用炉膛燃尽区高度h1作炉膛选型轮廓特征参数之一时，则高原地区的锅炉h1高原取值应按式(3)修正：

(5)燃烧器区尺寸一般应按(P/100)－1/2比值放大

表3给出了在标准大气压P0状态下，以及经给定的高海拔修正公式计算后的炉膛特征参数。同时，表中也根据本文中的煤质特点，并结合已运行高海拔地区锅炉与其他典型600 MW烟煤锅炉的设计运行实践给出本文研究的西宁电厂设计推荐值。

表3 新建机组锅炉炉膛设计参数推荐值

5 主要辅机选型建议

5.1 制粉系统选型及设计参数推荐

推荐新机组采用直吹式制粉系统，配6(5+1运行方式)台中速磨煤机。考虑到稳定着火、促进燃尽以及适应低NOx燃烧的需要，推荐煤粉细度R90为15%左右，磨煤机出口温度应控制在70℃左右。

为适应煤种的变化、在煤质变差时仍能保证良好的燃烧效果，磨煤机选型应考虑一定的裕度，同时应配备动静结合的选旋转分离器，以保证制粉系统具有煤粉细度R90达到10%左右，且均匀性指数n大于1.1的能力。

另外，同样的质量流量下，高海拔地区由于空气密度低，体积流量要大很多，制粉系统设备和管道更易发生磨损，设计选型中应考虑低气压对气流速度的影响，适当控制气流速度，并考虑采用比平原地区更强的防磨措施。

5.2 锅炉附属烟风、制粉系统设计注意问题

高原地区气压降低，等温气体体积将发生膨胀，对于电厂锅炉、烟风以及制粉系统的设计主要考虑以下几个方面：

(1)由于烟气体积增大而引起炉膛体积增加，烟道断面尺寸也相应增加，电厂烟风系统拟定时应考虑合适的修正系数和裕量；空气压力和密度的降低会导致燃料燃烧反应速率的降低，因此要求燃烧产物在炉内停留的时间比P0条件下适当延长，锅炉厂炉膛设计时必须给予特别关注。

(2)为维持燃烧器出口的最佳空气动力学条件，保证入炉煤的稳定着火，燃烧器的结构尺寸应予以必要的放大，使其出口速度、动量比及旋流强度等参数均能等同于P0的条件。考虑高海拔影响，燃烧器尺寸一般应按(P/100)－1/2比值放大。海拔愈高，燃烧过程愈趋向化学动力学控制，燃烧的稳定性和完全性愈趋脆弱，可采取降低煤粉细度R90、浓淡分离燃烧器、提高二次风温等措施以消弱其影响。

(3)从传热角度，气压下降也会促使烟气的辐射放热和对流放热能力有所降低，前者影响微小，后者对流放热系数大致与压力的0.6次幂呈正比，故对流受热面设计需考虑其影响。

(4)对于烟风流通面积，从对流换热角度看，对流放热系数与烟气密度的0.6～0.65次幂成正比。高海拔地区锅炉尾部竖井中烟、风流速增加(P/100)－1倍，造成磨损和阻力增加。故高海拔地区锅炉尾部竖井中各烟、风通流截面积应增加(P/100)－1倍。

(5)对于电除尘器：需注意低气压对电场通流面积、烟气流速、工作电流、极间距的选择，并考虑低气压击穿电压降低的特殊条件，采用适当的极配形式、极间距，以避免除尘器效率下降。