烟气再循环对二次再热锅炉省煤器运行影响研究

孙俊威，葛荣存，戴维葆，陈国庆

(国能南京电力试验研究有限公司，江苏 南京 210023)

1 引言

为了实现高效清洁煤电技术的目标，超超临界二次再热发电技术受到国内用户的青睐，超临界二次再热技术是700℃超高温材料工程应用前最先进的燃煤技术[1-6]。近两年，一批超超临界二次再热机组相继投产运行，超超临界二次再热技术可使机组热效率较超超临界一次再热机组提高约2%，可以有效实现燃煤发电机组节能减排和低碳降耗的目的[7-13]。超超临界二次再热技术优势明显，再热蒸汽吸热比例发生变化[14-15]，在国内由于设计、运行方面经验不足，导致超超临界二次再热机组投运后存在再热汽温偏低和汽温偏差较大[16-17]，尤其是采取燃烧器摆角+烟气挡板调节再热汽温的锅炉，再热汽温偏低问题更加突出，导致二次再热技术不能充分发挥其经济性优势，甚至影响到二次再热技术的大规模推广应用。

基于这方面原因，国内外众多学者研究重点由二次再热机组的应用转向二次再热锅炉再热汽温偏低问题的研究。其中，郭馨[18]采用数值模拟计算的方式研究了不同烟气循环对660MW等级锅炉蒸汽参数的影响，李永生[19]、韩磊[20]、龙志云[21]利用热力计算的方法研究了不同烟气循环方案对1000MW等级锅炉燃烧的影响，胡满银[22]研究了烟气再循环对炉内氮氧化物浓度的影响，党黎军[23]、吴安[24]等人分别研究了再热器受热面改造对再热汽温的影响，牛海明[25]等研究了二次再热锅炉控制策略的影响，高伟[26]等人以600MW和1000MW等级二次再热塔式锅炉为例，定性介绍了采用烟气再循环调温方式的可行性和优缺点；李永生[27]等研究了1000MW超超临界二次再热机组再热汽温偏低的原因和提高再热汽温的方法，李超凡[28]研究了烟气再循环对炉膛高度方向换热的影响；黄宣[29]研究了壁式再热器对二次再热锅炉蒸汽参数影响；马 凯[30]、阎维平[31]、欧宗宪[32]研究了锅炉炉膛热力计算的方法。

通过以上表述可知，学者研究的重点是烟气再循环对提高再热汽温及环保指标的影响，对于再循环对尾部受热面和辅机影响的研究相对较少，秦洪飞[33]和范庆伟[34]定性研究了二次再热机组不同烟气再循环方案对尾部设备的运行影响，尚未见到1000MW超超临界二次再热机组烟气再循环对锅炉尾部省煤器运行影响的定量研究的相关报道。本文重点定量研究了单炉膛塔式1000MW超超临界二次再热机组不同烟气再循环方案对省煤器磨损和换热特性的影响，研究结果对实施烟气再循环改造和实际运行具有参考价值和指导意义。

2 研究方法

2.1 研究对象

某1000MW超超临界变压运行直流锅炉，单炉膛塔式布置形式、二次再热、四角切圆燃烧，过热汽温采用煤水比调节和两级喷水控制，再热蒸汽采用燃烧器摆角、烟气挡板和事故喷水调温方式。设计煤种为神华煤。锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 锅炉主要设计参数

2.2 烟气再循环方案

由于超超临界二次再热机组增加了一级再热系统使得炉膛出口烟气侧放热量和蒸汽侧吸热量难以匹配，导致超超临界二次再热机组再热汽温偏低。针对二次再热技术以及二次再热机组再热汽温低的问题，为了保证再热汽温能达到设计值要求，通常采用烟气再循环增加炉膛出口烟气焓值的办法提高再热汽温。根据锅炉结构特点和受热面布置方式，制定了两种烟气再循环方案，烟气再循环方案如图1所示。

图1 再循环烟气抽取位置示意图

不同的烟气再循环方案对应的再循环烟气温度不同，方案一和方案二中再循环烟气温度分别为379℃和117℃。

两种方案都可以提高再热汽温，有效解决再热汽温偏低的问题。烟气再循环率相同，由于烟气抽取点不同，流经省煤器的烟气量不同，对省煤器的传热和壁面磨损影响程度不同。在实际应用中，有必要将两种方案对省煤器的换热和磨损的影响进行定量对比分析。

2.3 烟气再循环锅炉的热力计算

依据《锅炉热力计算标准方法》，通过程序迭代计算实现锅炉机组热力计算。烟气再循环改变了再循环烟气引入点至引出点之间的烟气容积、烟气组成和烟气焓值。计算时需要重新计算烟气特性参数及其焓值。

增加烟气再循环后，从再循环烟气引入点至引出点之间的混合烟气容积为：

Vr=V+r×Vc

(1)

式中：V为不考虑烟气再循环的烟气容积，m3/kg；r为烟气再循环率，%；Vc为烟气再循环引出点后的烟气容积，m3/kg。

根据混合烟气的容积求解烟气再循环后混合烟气的特性参数。然后计算混合烟气的焓值：

Ir=I+r×Ic

(2)

式中：I为无烟气再循环的烟气焓值，kJ/kg；Ic为烟气再循环引出点后的烟气焓值，kJ/kg。

混合烟气温度：

θr=Ir/(VC)r

(3)

式中：(VC)r为混合烟气的比热，kJ/(kg℃)。

(VC)r=(VC)+r×(VC)c

(4)

式中：(VC)为混合前烟气的比热，kJ/(kg℃)；(VC)c为烟气再循环抽出点后烟气的合成比热，kJ/(kg℃)。不同再循环烟气引入点对炉膛热力计算的影响不同，再循环烟气引入至炉膛底部对炉膛的热力计算影响较大。此时，再循环烟气经历整个炉膛换热过程，该部分热量属于外来热源，《标准》中规定每千克计算燃料送入炉内的总热量为：

(5)

式中：Izxh为再循环烟气的焓值，按烟气引出点的温度计算，kJ/kg。

3 结果与讨论

3.1 省煤器磨损分析

3.1.1 再循环烟气量计算

方案一对应的再循环烟气引出点为省煤器出口，方案二对应的再循环烟气引出点为引风机出口，两种方案引出点之间有空气预热器，而空气预热器漏风导致烟气量的增加，因此，不同方案对应的烟气量不同。不同工况下方案一和方案二再循环烟气量如表2所示。

表2 两种方案下不同工况再循环烟气量(kg/s)

为了更加准确的计算再循环烟气量，定义总烟气量的边界不同，方案一和方案二分别以省煤器出口边界和引风机出口边界的烟气质量为总烟气量，烟气循环率为再循环烟气质量流量占总烟气量的比率。从表2可知，不同负荷下，再循环烟气量随着再循环率的增加而增加，方案二的烟气量大于方案一，主要是由于方案二增加了空预器本体的漏风量。因此，相同再循环率时，方案二对应的烟气量大。

3.1.2 最大磨损厚度计算

随着省煤器入口烟气温度的降低，飞灰颗粒冷却硬化，飞灰颗粒硬度较高，省煤器受热面受到硬化飞灰颗粒的撞击，容易发生切削磨损。烟气再循环使得流经省煤器区域的烟气流速、烟气密度以及飞灰浓度等发生变化，飞灰颗粒的磨损程度也随之变化。计算对比烟气再循环前后省煤器受热面磨损的情况。省煤器磨损量用管壁最大磨损厚度Emax表示：

(1)

由于省煤器管屏间存在通流间隙，飞灰颗粒与管壁撞击具有一定概率，在实际运行中只有部分灰粒会撞击管壁，所以碰撞频率因子η<1，η值与斯托克斯准则数st有关：

(2)

式中：ρh、ρ分别为灰粒和烟气的密度，kg/m3；dh、d为灰粒和管子的直径，m；ω为烟气流速，m/s；ν为烟气的运动黏度系数，m2/s。

3.1.3 省煤器最大磨损厚度Emax变化率

由于最大磨损厚度Emax的计算公式中有些系数难以确定，使得公式求解困难，为了便于求解，对公式中与烟气特性相关的系数计算烟气再循环前后的变化比例，最终得到最大磨损厚度随烟气再循环的变化率，用于说明省煤器的磨损状况，省煤器管壁最大磨损厚度增加比例是烟气再循环前后省煤器磨损量的比值。Emax的计算公式中与烟气特性相关的系数为：η、μ、kμ、kω、ω。其中，kμ和kω的变化情况μ与ω和的变化基本一致，所以只对η、μ、ω三个量进行计算比较，得出Emax的变化情况。

从计算公式中可以看出，Emax与η和μ的1次方成正比，与ω的3.3次方成正比，因此烟气流速ω是影响管壁最大磨损厚度的主要因素[35]。

3.1.3.1st准则数的求解

通过st准则数的计算公式可以得到η值，公式中灰粒的密度ρh取值1800kg/m3；灰粒的直径dh取值16μm；管子直径d取值0.042m。

烟气密度、烟气流速和烟气运动黏度系数是根据各工况计算得到。

3.1.3.2 管壁最大磨损厚度的求解

结合烟气流速的计算结果，得到再循环前后Emax的变化情况。假设再循环前磨损厚度为1，根据上述计算公式得到管壁的最大磨损厚度Emax随烟气再循环的变化情况如图2所示。

图2 烟气再循环率对省煤器管壁最大磨损厚度增加 比例的影响

从图2可知，省煤器管壁的最大磨损厚度增加比例与烟气再循环率无定量的变化规律，但随着烟气再循环率的增加总体呈增大的趋势。分析原因是省煤器磨损量与烟气流速、烟气密度、烟气黏度、碰撞频率因子、飞灰浓度等因素有关，这些因素受负荷和再循环率的变化规律各不相同，因此，省煤器管壁磨损量和最大磨损厚度增加比例并无固定的规律。当烟气再循环率为10%时，省煤器管壁最大磨损厚度增加约50%，且方案二中省煤器管壁最大磨损厚度比方案一大，是由于烟气再循环增加烟气流速，管壁表面受到飞灰粒子的撞击加剧，且管壁最大磨损厚度Emax的变化与烟气流速ω、灰粒碰撞管壁频率因子η和飞灰浓度μ有关，Emax与η和μ的1次方成正比，与ω的3.3次方成正比，所以烟气流速的增加会导致管壁磨损厚度3.3次方速度增加，且随着烟气再循环率的增加，烟气流速增幅随之增大，烟再循环率为15%时，管壁最大磨损厚度较无再循环增加约90%。方案二中烟气量和烟气流速增幅大于方案一，虽然方案二烟气经过除尘器，飞灰浓度降低，但影响管壁最大磨损厚度的主要因素是烟气流速，所以方案二中管壁磨损厚度增幅大于方案一。BMCR、THA和75%THA工况下，THA工况省煤器管壁最大磨损厚度增幅最大。在实施烟气再循环时，应该充分考虑对省煤器受热面磨损的影响。

3.2 烟气再循环对省煤器换热的影响

烟气再循环率对省煤器中介质温升的影响如图3所示。

图3 烟气再循环率对省煤器中介质温升的影响

从图3可知，不同负荷、不同再循环方案对应省煤器中介质温升均随着烟气再循环率的增加而增加；相同负荷下，方案一和方案二省煤器中介质温升基本一致。不同负荷下，烟气再循环率每增加5%，省煤器中介质温升增加2℃～3℃，负荷越高温升越高，BMCR工况比THA工况介质温升偏高约1.5℃，THA工况比75%THA工况介质温升偏高约1.5℃。

4 结论

(1)不同负荷下，烟气再循环量随着再循环率的增加而增加，由于空预器漏风使得相同再循环率时方案二的烟气量大于方案一。

(2)省煤器管壁的最大磨损厚度增加比例与烟气再循环率无定量的变化规律，但随着烟气再循环率的增加总体呈增大趋势。当烟气再循环率为10%时，省煤器管壁最大磨损厚度增加约50%，且方案二中省煤器管壁最大磨损厚度比大于方案一，主要是由于方案二的再循环烟气量大于方案一，而烟气流速是影响管壁最大磨损厚度的主要因素，烟气再循环率为15%时，管壁最大磨损厚度较无再循环增加约90%。

(3)BMCR、THA和75%THA工况下，烟气再循环率为15%时，THA工况省煤器管壁最大磨损厚度增幅最大。在实施烟气再循环时，应该充分考虑到省煤器受热面磨损的影响。

(4)不同负荷、不同再循环方案对应省煤器中介质温升均随着烟气再循环率的增加而增加；相同负荷下，方案一和方案二省煤器中介质温升基本一致。不同负荷下，烟气再循环率每增加5%，省煤器中介质温升增加2℃～3℃，负荷越高温升越高。