曾俊，李文军，何洪浩，段学农，谢国鸿，杨益(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

超超临界压力锅炉垂直水冷壁壁温偏差试验研究

曾俊，李文军，何洪浩，段学农，谢国鸿，杨益
(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

针对超超临界垂直水冷壁壁温分布情况，在660MW超超临界压力直流锅炉上进行了改变不同因素对水冷壁壁温偏差影响的试验研究。结果表明:提高高钠煤掺烧比例，采用上层燃烧器运行，均可降低燃烧区域热负荷，利于水冷壁壁温均匀性；在不同负荷下改变燃烧器摆角对水冷壁壁温偏差的影响不一致，燃烧器摆角主要是通过改变炉内热负荷分布来影响壁温偏差。通过优化调整可以有效控制超超临界锅炉垂直水冷壁的壁温偏差。

超超临界锅炉；垂直水冷壁；壁温偏差；均匀性

随着我国火力发电事业的快速发展，大容量、高参数、高效率的超超临界火电机组逐渐成为火电设备发展的主流。目前，在垂直水冷壁超超临界锅炉运行过程中，存在不同程度水冷壁壁温偏差大的现象〔1〕。水冷壁管壁温偏差过大使得水冷壁管内工质的热物理特性产生较大的差异，易造成水冷壁超温，影响锅炉安全运行〔2〕。新疆准东和哈密地区蕴藏着大量未开发的煤炭资源，目前累计探明煤炭资源储量为2.1×1011t，是我国目前最大的整装煤田〔3〕，也是我国“电力丝绸之路”重要的燃煤电站基地。由于当地成煤历史和地理环境，新疆准东地区煤炭中钠的含量总体水平在2%以上，为了适应高钠煤粘污性强的特点，燃用高钠煤的锅炉通常采用低截面热负荷设计。因此低截面热负荷设计的超(超)临界锅炉水冷壁壁温偏差的研究，对推进我国“电力丝绸之路”的发展和新疆煤炭资源的开发利用具有重要的意义。

影响超超临界锅炉水冷壁壁温偏差的因素较复杂，本文以某台燃用高钠煤的660MW超超临界锅炉为对象，深入分析各因素对垂直水冷壁壁温偏差的影响，以期对低截面热负荷设计的超超临界锅炉安全稳定运行提供借鉴与参考。

1 试验概况

1.1 试验锅炉简介

试验在660MW超超临界参数变压运行直流锅炉上进行，采用П型布置、单炉膛、水平浓淡低NOx分级送风燃烧系统、四角切圆燃烧方式。锅炉采用中速磨正压直吹式制粉系统，在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况时，5台磨煤机运行，1台磨煤机备用。

由于设计煤种推迟投产，锅炉实际燃用保利煤和神华二矿煤，表1为锅炉设计煤种及日常燃用煤质及灰分特性。由表1可知，保利煤水分相对较少，发热量较设计值高出50%左右，而神华二矿煤的煤质基本接近锅炉设计煤种，均属于Z高钠煤。

表1 煤质和灰分分析

1.2 水冷壁结构特点

炉膛水冷壁采用内螺纹管垂直上升式膜式壁，炉膛断面尺寸为19 230 mm(深)×20 336 mm (宽)，水冷壁管共有1 776根，前后墙各456根，两侧墙各432根，在上下炉膛水冷壁之间设计有中间混合集箱。水冷壁采用节流孔设计，节流孔圈安装在水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，然后通过三叉管过渡的方式与小直径的水冷壁管相接。节流孔圈通过调节各回路的工质流量的方法来控制各回路管子的吸热和温度偏差。

2 试验测点的布置

本文主要研究炉膛下水冷壁壁温分布特性，因此在水冷壁中间集箱入口管道每8根管布置1个测点，前后墙分别布置57个测点，左右墙分别布置54个测点，共222个测点。下炉膛各回路的示意图如图1所示，取同一回路中各壁温测点的平均值作为该回路的壁温值。通过这些测点测得的数据可以得出在不同运行工况下垂直水冷壁壁温的分布及偏差。

图1 下炉膛水冷壁回路示意图

3 试验结果与分析

3.1 高钠煤掺烧比例对水冷壁壁温的影响

由于锅炉燃用的是非设计煤种，入炉煤主要为保利煤和神华二矿煤，均采用分磨磨制，炉内掺混的方式进行掺烧。

在660MW负荷下，上5层燃烧器运行，掺烧不同比例高钠煤(神华二矿煤)，根据掺烧比例不同，分别在C、D两台磨煤机以及B、C、D、E等4台磨煤机进行高钠煤的掺烧，其余磨煤机燃用保利煤。试验过程中维持3个工况的过热度和排烟氧量基本一致，过热度为52.0℃，排烟氧量为3.0%。图2为不同高钠煤掺烧比例时下水冷壁壁温分布情况，其中横坐标为前墙、右墙、后墙和左墙依次展开后的水冷壁回路序号。

图2 不同高钠煤煤掺烧比例下水冷壁壁温分布

由图2可知，四面墙下水冷壁壁温的分布总体均呈中间高两边低的分布特点，这主要是由水平方向热负荷分布决定的。分析认为，由于煤粉着火需要一定的时间，喷入炉膛内的煤粉要经过一定的距离后才能着火燃烧并将热量释放出来，使得靠燃烧器喷口烟气流程下游位置的13、14回路附近热负荷最高。从实际情况看，前墙的壁温偏差最大，在无掺烧时，前墙最高壁温为455℃，最大偏差为26℃，随着高钠煤掺烧比例增大，掺烧70%高钠煤时，前墙最高壁温为428℃，最大偏差为16℃，下炉膛水冷壁壁温降低明显，各墙的水冷壁管壁温均匀性得到显著提高。

燃用热值较高的保利煤时，局部水冷壁壁面热负荷偏高，加剧了水冷壁的水动力不稳定性和流量分配不均的趋势，是造成低高钠煤掺烧比例下壁温均匀性差和最高壁温值高的主要原因。特别在低负荷运行时，水冷壁质量流量较低，该现象更加明显。低热值的高钠煤掺烧主要在中间几层燃烧器进行，大比例掺烧高钠煤会使得主燃烧区的热负荷降低，从而使得炉膛沿高度方向的热负荷更加均匀，提高了下炉膛水冷壁壁温的均匀性。

3.2 燃烧器组合方式对水冷壁壁温的影响

不同燃烧器运行组合方式，会改变炉内燃烧火焰中心位置，改变热负荷的分布，从而影响水冷壁壁温偏差。在660MW负荷下，不同燃烧器组合方式下水冷壁壁温的分布情况如图3所示，试验过程中维持3个工况的过热度和排烟氧量基本一致，过热度为52.0℃，排烟氧量为3.0%。由图3可知，采用6层燃烧器和下5层燃烧器的运行方式时，炉膛下水冷壁壁温存在较大的不均匀性，其中前墙的均匀性要相对较差；而采用上5层燃烧器运行方式时，下水冷壁壁温最大值降低了16℃，只有428℃，壁温偏差降低了10℃，壁温均匀性得到了显著改善。分析认为，采用上层燃烧器运行，提高了炉膛的火焰中心，降低了下炉膛水冷壁的热负荷，使水冷壁内工质的相变点后移，缩短了水冷壁管内过热段的长度，对降低水冷壁壁温偏差有利〔4〕。此外，采取将下层燃烧器出力转移至上层燃烧器的措施来提高火焰中心位置，也可以促进水冷壁壁温的安全性与均匀性。

图3 不同燃烧器组合方式下炉膛水冷壁壁温分布

3.3 燃烧器摆角对水冷壁壁温的影响

该锅炉燃烧器采用大风箱结构，由隔板将大风箱分隔成若干风室，在各风室的出口处布置数量不等的燃烧器喷嘴，燃烧器可作上下方向－20°～20°摆动，对应摆角开度0～100%。燃烧器切圆方向为逆时针，燃尽风切圆方向为顺时针。

3.3.1 低负荷下变燃烧器摆角

在340MW负荷下，采用下4层燃烧器运行，改变燃烧器摆角观察下水冷壁壁温的变化情况，试验过程中维持过热度和排烟氧量基本不变，过热度为35.0℃，排烟氧量为4.5%，试验结果见图4。由图4可知，在340MW的负荷下，燃烧器摆角从55%上摆至75%。前墙下水冷壁壁温的最大值有所增加，从437℃升高至451℃，其他各墙壁温相差不大。分析认为，在低负荷时，总烟气量较小，炉内充满度相对较小，燃烧器上摆会减小进入炉膛气流的水平动量，降低燃烧器喷口气流的刚性，导致某些燃烧器(例如试验中1号角燃烧器)出口下游的烟气可能存在贴壁情况，使得局部水冷壁壁温上升。所以在低负荷时，燃烧器上摆会使得水冷壁局部壁温升高，壁温偏差增大。

图4 340MW不同燃烧器摆角下水冷壁壁温分布

3.3.2 高负荷下变燃烧器摆角

在650MW负荷下，采用6层燃烧器运行，改变燃烧器摆角，观察下水冷壁壁温的变化情况，试验过程中维持过热度和排烟氧量基本不变，过热度为51.5℃，排烟氧量为3.0%，试验结果见图5。由图5可知，在650 MW负荷下，燃烧器摆角从55%上摆至90%。下水冷壁壁温的最大值和平均值均有显著降低，其中最大值从472℃降低至432℃。均匀性得到了明显改善，该趋势与低负荷时相反。分析认为，在高负荷时，总烟气量较大，炉内充满度良好，燃烧器上摆对降低炉内气流充满度效果不明显，但是，燃烧器上摆使得炉膛火焰中心上移，降低了炉膛下部水冷壁区域热负荷，减弱了炉内热偏差对水冷壁壁温的影响。所以在高负荷时，燃烧器上摆会使得下水冷壁整体壁温水平有所降低，壁温偏差减小。

图5 650MW不同燃烧器摆角下水冷壁壁温分布

4 结论

1)高钠煤掺烧比例越高，下炉膛水冷壁壁温均匀性越好，较高的燃烧区域热负荷，不利于水动力的稳定性和流量分配均匀性，易造成水冷壁壁温偏差增加。

2)投运上层燃烧器运行或采取将下层燃烧器出力转移至上层燃烧器的措施来提高火焰中心位置，对降低水冷壁壁温偏差是有利的。

3)在低负荷时，燃烧器上摆会使局部区域烟气贴壁，造成水冷壁局部壁温升高，壁温偏差增大。而在高负荷时，燃烧器上摆会降低炉膛下部水冷壁区域热负荷，使得水冷壁壁温降低，壁温偏差减小。

低截面热负荷设计的超超临界锅炉垂直水冷壁壁温偏差受多种因素的综合影响，通过燃烧优化调整和运行操作，不断积累和总结实际运行经验，更好的掌握不同工况下炉膛热负荷分布以及垂直水冷壁水动力特性和壁温分布情况，将有助于大大提高低截面热负荷设计的超超临界锅炉垂直水冷壁运行的安全性和可靠性。

〔1〕俞谷颖，张富祥，陈端雨，等.超(超)临界压力锅炉垂直管屏水冷壁水动力与热偏差调整建议〔J〕.动力工程学报，2010，30(9):658-662.

〔2〕马巧春.超超临界锅炉水冷壁壁温异常原因分析〔J〕.中国电力，2007，40(7):21-24.

〔3〕严陆光，夏训诚，吕绍勤，等.大力推进新疆大规模综合能源基地的发展〔J〕.电式电能新技术，2011，30(1):1-7.

〔4〕张继光，段宝，陈峻峰.超超临界锅炉水冷壁热偏差的问题分析〔J〕.电力科学与工程，2016，32(3):43-48.

Experimental Study on the Tem perature Deviation of Lower Water Wall in the Ultra Supercritical Boiler

ZENG Jun，LIWenjun，HE Honghao，DUAN Xuenong，XIE Guohong，YANG Yi
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Based on the distribution of wall temperature，themain factors affecting water wall temperature deviation of lower verticalwaterwall have been investigated in the 660MW ultra supercritical boiler.The conclusion indicated that increasing the proportion of high-sodium coal or putting the upper combustors into running can effectively reduce the heat loading in the combustion zone，which benefits uniformity of lower water wall temperature.Through changing the distribution of the heat loading，the angle of combustors has opposite influence on water wall temperature deviation at different load.With optimized adjustments，the wall temperature deviation of verticalwaterwall in the ultra supercritical boiler can be well controlled.

ultra supercritical boiler；verticalwaterwall；wall temperature deviation；uniformity

TK227.1

B

1008-0198(2017)03-0056-03

曾俊(1989)，男，硕士，工程师，主要从事火力发电厂锅炉燃烧调整与优化控制工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.015

湘电科研项目(XDKY-2014-20)

2016-12-21 改回日期:2017-05-06