高原地区锅炉炉膛特征参数修正方法

2018-10-15刘家利张东旭但汉鼎李玉衡王桂芳方顺利

洁净煤技术 2018年5期

刘家利，张东旭，但汉鼎，李玉衡，王桂芳，方顺利

(1.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054;2.青海黄河水电公司西宁发电分公司，青海西宁 810000)

0 引言

煤样的着火、燃尽以及结渣等燃烧性能是锅炉设计的基础和依据。在高原条件下，由于O2分压降低，煤样的着火和燃尽性能变差，而结渣性能没有明显变化[1-2]，因此高原地区锅炉设计应适当考虑增加稳燃和燃尽的措施。如果高原地区锅炉设计不合理，易引起锅炉灭火、飞灰和大渣含碳量高、排烟温度高、厂用电率高等影响锅炉安全和经济运行的问题[3-7]。袁颖等[8]给出了高原地区锅炉炉膛特征参数的修正原则，并于2002版《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》(本文简称“炉膛选型导则”)中明确了高原地区锅炉炉膛特征参数的修正方法[9]。

近20年，我国大容量高参数机组迅猛发展，机组容量扩大，蒸汽参数等级提高，同样容量的机组，在相同负荷下需要的燃煤输入热量降低。另外，为了保证机组在低NOx燃烧条件下的燃烧经济性，大容量机组多选用了较大的炉膛容积，即较小的炉膛特征参数。因此，2015版《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》对平原地区锅炉炉膛特征参数选取进行了修正，但高原地区炉膛特征参数修正原则仍沿用2002版，可能会导致炉膛容积增加过多，同时当海拔达到一定高度时会给锅炉设计带来困难。范文斌等[10]提出焦炭的燃烧控制整个燃烧过程，在高原条件下，焦炭的燃尽时间增加。基于上述理论，黄必重等[11]指出，为了达到与平原地区相同的煤粉燃尽度，高原地区锅炉需提高煤粉在炉内的停留时间。张洪岩等[12]提出高原地区锅炉轮廓修正主要是提高燃尽高度。李东鹏等[13]也提出适当增加炉膛断面，将燃尽高度提高更多，不仅可保证煤粉在炉内燃尽，还可降低炉膛容积，节约锅炉初期投资成本。

随着大气压力降低和烟气体积膨胀，炉膛内烟气流速增加，炉膛断面若不进行合理修正，保证煤粉在炉内停留时间的情况下，将导致炉膛高度增加过多。因此，非常有必要提出优化的高原地区锅炉炉膛特征参数修正方法。本文通过考查高海拔条件对煤粉着火、燃尽、结渣性能的影响以及烟气膨胀对锅炉炉膛尺寸及受热面设计的影响，提出了切圆燃烧锅炉在高海拔条件下的热负荷参数修订新方法。按照新方法，锅炉为瘦高炉型，炉膛燃尽高度及煤粉在炉内停留时间增加，更有利于高原地区锅炉的稳燃和燃尽，且炉膛容积降低，有利于降低锅炉设备成本。

1 炉膛结构及用途

以四角切圆Π型煤粉锅炉为样本锅炉，锅炉炉膛轮廓尺寸如图1所示。图1中，H为炉膛高度，Π形炉是从炉底排渣喉口至炉膛顶棚管中心线间距离;W为炉膛宽度，左右侧墙水冷壁管中心线间距离;D为炉膛深度，前后墙水冷壁管中心线间距离;h1为Π形炉为最上排燃烧器煤粉喷口与屏式过热器最下缘管中心线间的垂直距离;h2为最上排燃烧器煤粉喷口(或乏气喷口)与最下排燃烧器煤粉喷口中心线之间的垂直距离;h3为最下排燃烧器煤粉喷口中心线与冷灰斗上折点的垂直距离;h4为屏底到顶棚管的垂直距离;h5为冷灰斗高度;h6为最上层燃烧器中心距折焰角下折点垂直距离;d2为排渣喉口净深度;β为冷灰斗斜坡与水平面夹角;α为折焰角下倾角。

图1 炉膛轮廓尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of furnace profile

根据炉膛容积位置和作用不同，将炉膛容积分为5部分:① I为屏过区域，布置高温过热器和高温再热器，保证过热器和再热器的辐射吸热量;② Ⅱ为锅炉燃尽区域，布置燃尽风喷口，保证煤粉在炉内的停留时间，达到良好的燃烧效率，缓解屏区结渣，降低NOx生成浓度;③ Ⅲ为锅炉的燃烧器区域，布置燃烧器，考虑稳燃和防结渣;④ Ⅳ在最下层燃烧器和冷灰斗之间，主要考虑大渣的燃尽和冷却，对于易结渣煤种，为防止冷灰斗结渣，需选用较大的h3值;⑤ Ⅴ为冷灰斗区域，用于冷却和排出灰渣，冷灰斗斜坡与水平面倾角为50°～55°。

2 炉膛选型导则对高原地区锅炉炉膛特征参数的修正

在炉膛选型导则中推荐了标准大气压(101.3 kPa)下的炉膛热负荷特性参数，一般认为适用于海拔不超过500 m(较难着火煤及中等着火煤)或700 m(较易着火煤)的平原地区，否则炉膛热负荷特性参数值、炉膛轮廓尺寸应进行相应修正。

2.1 炉膛容积热负荷修正

平原地区选定的炉膛容积热负荷上限值为qV，则高原地区(海拔高于500(较难着火煤及中等着火煤)～700 m(较易着火煤)，下同)的炉膛容积热负荷按燃烧产物等停留时间的原则修正为

qVG=qV(P/P0)

(1)

其中，qVG为高原地区炉膛容积热负荷上限值，kW/m3;P为当地常年平均大气压，kPa;P0为参比大气压，取98(较难着火煤及中等着火煤)～96 kPa(较易着火煤)。式(1)说明高原地区锅炉炉膛有效容积至少是平原地区锅炉的P0/P倍。

2.2 炉膛断面热负荷修正

炉膛断面热负荷的修正为

qFG=qF(P/P0)2/3

(2)

其中，qFG为高原地区炉膛断面热负荷可用值，MW/m2;qF为平原地区选定的炉膛断面热负荷可用值，MW/m2。对于切向燃烧和墙式燃烧锅炉，若P/P0>0.96，qF不做修正。

2.3 烧器区壁面热负荷修正

按相关标准选定平原地区燃烧器区壁面热负荷上限值为qB，则高原地区仍沿用平原地区选定值。

2.4 炉膛燃尽区容积热负荷修正

炉膛燃尽区热负荷上限值采取与炉膛容积热负荷相同的处理方法，即

qmG=qm(P/P0)

(3)

式中，qmG为高原地区炉膛燃尽区容积热负荷上限值，kW/m3;qm为按标准选定的炉膛燃尽区容积热负荷上限值，kW/m3。

2.5 炉膛燃尽区高度修正

对于切向燃烧及墙式燃烧锅炉，如采用炉膛燃尽区高度h1做炉膛选型轮廓特征参数之一，则高原地区的锅炉h1G取值修正为

h1G=h1(P/P0)-1/3

(4)

其中，h1G为高原地区炉膛燃尽区高度，m;h1为按标准条件选定的炉膛燃尽区高度，m。h1增加，表示煤粉颗粒的燃尽时间加长，并使炉膛出口烟温降低，防止炉膛出口处受热面结渣。

2.6 其他参数修正

大气压降低，燃烧器一、二次风出口参数(风率、风温、风速及旋流强度比)一般不变(除非由于一次风粉管道的修正计算影响一次风率变化)。为此，原则上，一、二次风喷口面积按(P0/P)比率放大，相应的燃烧器喷口尺寸和燃烧器结构尺寸按(P0/P)1/2比率放大，独立布置的空气喷口(二、三次风及乏气喷口)亦然。

3 现有修正方法存在的问题

3.1 660 MW高海拔机组锅炉炉膛特征参数分析

国家电力投资集团西宁分公司(以下简称“西宁火电”)2×660 MW 机组是目前国内高原地区已投运机组中容量最大、蒸汽等级参数最高且运行性能最为优良的机组，本文以该机组为样机锅炉，分析高原地区锅炉炉膛特征参数的修正原则。

西宁火电厂海拔2 445 m，大气压为75.20 kPa。锅炉设计煤(鱼卡煤)的煤质参数和锅炉炉膛热负荷设计参数以及实际用煤煤质参数和运行参数见表1。炉膛特征参数根据实际用煤的煤质参数、燃煤量以及炉膛几何尺寸计算得出。煤粉在炉内的停留时间计算方法参照文献[14]。高原地区锅炉选取合适的炉膛特征参数和煤粉在炉内的停留时间，可获得与平原地区相同优良的燃烧性能，也为高原地区锅炉炉膛特征参数的优选提供了依据。

3.2 不同海拔下660 MW高原机组炉膛特征参数的推导

表2为不同海拔高度对应的炉膛特征参数，按照锅炉炉膛选型导则规定的高原地区炉膛特征参数修订原则推导出不同海拔下的锅炉炉膛热负荷。

3.2.1 断面热负荷的修正

由表2可见，将该实际锅炉炉膛特征参数反推至平原地区(海拔高度700 m)，锅炉炉膛断面热负荷为5.277 MW/m2，而炉膛选型导则规定对于着火温度小于700 ℃的600 MW级Π型锅炉，平原地区该参数最高可用值为5.0 MW/m2。因此，若根据炉膛选型导则规定的高原地区锅炉炉膛特征参数修正原则，可能导致高原地区炉膛断面过大，尤其是对于严重结渣煤种。

表1660MW机组锅炉燃煤及炉膛特征参数
Table1Coalcharacterandfurnacecharacteristicparametersfor660MWboiler

项目负荷/MWMt/%Aar/%Vdaf/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)理论燃烧温度/℃燃煤量/(t·h-1)固体未完全燃烧热损失q4/%修正后排烟温度/℃锅炉效率/%燃煤输入热量/(GJ·h-1)设计参数66014.5023.3943.3817.5601 760326.670.7012294.185 696实际运行66014.3815.9636.2021.6451 950285.200.5111394.236 142项目炉膛过剩空气系数qV/(kW·m-3)qF/(MW·m-2)qB/(MW·m-2)烟气在炉内上升速度v/(m·s-1)煤粉在炉内停留时间τ/s炉膛宽/m炉膛深/mh2/mh1/m炉膛总体积V/m3设计参数1.2069.814.2421.54410.292.1519.82418.81610.25823.48422 665实际运行1.1275.274.5741.66511.342.07

表2海拔高度对660MW机组炉膛特征参数的影响
Table2Effectofaltitudeonfurnacecharacteristicparametersfor660MWboiler

海拔高度/m对应大气压力/kPaqV/(kW·m-3)qF/(MW·m-2)qB/(MW·m-2)h2/mh1/m炉膛总体积V/m3炉膛平均温度θp/℃烟气在炉内上升速度/(m·s-1)煤粉在炉内停留时间/s70093.1796.115.2771.66511.24121.86518 2931 33110.612.061 50084.5487.214.9461.66510.78822.58520 1601 32710.942.072 44575.2077.574.5741.66510.2623.48422 6651 32311.342.073 50065.7767.854.1841.6659.68224.55625 9131 31911.832.084 50057.7559.573.8361.6659.14425.64529 5141 31412.322.08

3.2.2 高原地区燃烧器区壁面热负荷的修正

根据炉膛选型导则规定，高原地区锅炉选取了与平原地区相同的燃烧器区壁面热负荷。高原条件下，煤样的着火性能变差，因此高原地区锅炉应适当提高燃烧器区壁面热负荷以提高锅炉的燃烧稳定性。另一方面，由于高原地区断面热负荷降低，炉膛断面尺寸增加，即使燃烧器区壁面热负荷不变，h2减少。

此外，根据炉膛选型导则规定，燃烧器喷口含二次风喷口需按照(P0/P)1/2比例放大，也将影响燃烧器间距。按照西宁火电660 MW锅炉燃烧器的设计特点，燃烧器之间的总间隔(燃烧器高度h2扣除中间的一次风喷口和二次风喷口高度总和)为1.2 m左右。当海拔高到一定程度时，需降低燃烧器区壁面热负荷以满足燃烧器喷口设计和布置。对于有严重结渣倾向的煤种，为了防止燃烧器区结渣，一般选取较小的燃烧器区壁面热负荷参数，即拉开燃烧器间距。相对于四角切圆燃烧锅炉和前后墙对冲锅炉，由于燃烧器层数少，上下层燃烧器间隔大，在高原地区可适当提高燃烧器区壁面热负荷。

3.2.3 燃尽高度h1的修正

根据炉膛选型导则规定，结合炉膛断面热负荷修正，高原地区h1的修正最终保证了煤粉在炉内的停留时间与平原地区地区接近。煤粉在炉内的停留时间是影响煤粉燃尽的关键因素之一，在高原地区，低气压导致煤样燃尽性能变差，因此应适当增加煤粉在炉内的停留时间，以保证煤粉的燃尽性能。另外，不同燃烧性能煤种的燃尽性能受海拔高度的影响不同，通常情况下，燃烧性能优良的煤种受影响程度小于燃烧性能较差的煤种。对于燃烧性能优良但具有严重结渣倾向的煤种，应考虑采用足够的燃尽高度作为有效的防渣措施之一，高原条件下可不必过多考虑增加煤粉在炉内的停留时间。因此，燃尽高度的修正应充分考虑煤种燃烧性能及其在平原地区的锅炉设计特点。

3.2.4 容积热负荷的修正

根据炉膛选型导则高原地区锅炉热负荷参数修订原则，炉膛宽、深和高度需同比例增加，由于燃烧器距离h2降低，h1及h5和炉膛宽、深同比例增加，则要求h4+h3的增加幅度更大。h3主要是保证灰渣的燃尽以及防止冷灰斗的结渣，可不必升高，则h4需增加较多，而h4能满足受热面布置即可，因此结合截面热负荷，容积热负荷尚有优化的空间。

4 高原地区热负荷参数修正新方法

4.1 高原地区热负荷修正新方法

根据前述分析，高原地区锅炉的热负荷参数的选取应综合考虑海拔、原煤燃烧性能、平原地区锅炉设计特点、烟气流速及煤粉在炉内的停留时间，为此，本文提出优化的高原地区锅炉炉膛特征参数修正方法。

4.2 高原地区热负荷修正新方法的优点

以燃烧性能优良的平原地区660 MW烟煤机组为例，考虑低结渣和严重结渣2种情况，具体炉膛特征参数参见表4。按照表3中的修正方法进行了炉膛特征参数的计算，并将新方法的计算结果和炉膛选型导则的计算结果进行比较，图2为2种计算方法得出的断面热负荷、燃烧器区壁面热负荷、燃尽高度、炉膛容积热负荷、煤粉在炉内停留时间、炉膛内烟气流速、炉膛容积、炉膛折算高度及炉膛高宽比的计算结果，图中“新修订”和“导则”分别表示按照新方法和炉膛选型导则修正方法得出的计算结果。

表3高原地区四角切圆660MW机组锅炉炉膛特
征参数的修正
Table3Revisionoffurnacecharacteristicparametersinhighaltitudeareafor660MWfourangletangentialcirclecombustionboiler

参数结渣性能海拔高度/m修正公式qFG低—中不限qFG=qF(P0/P)k1高—严重不限qFG=qF(P0/P)-0.4qBG低—中高—严重≤2 500qBG=qB>2 500qBG=qB(P0/P)k2不限qBG=qBh1G低—中不限h1G=h1(P0/P)k3高—严重不限h1G=h1(P0/P)0.433qVG低—中不限qVG=qV(P0/P)k4高—严重不限qVG=qV(P0/P)-0.66

表4平原地区典型660MW机组锅炉炉膛特征参数
Table4Furnacecharacteristicparametersoftypical660MWinplainarea

煤种海拔/m大气压力/kPa燃煤输入热量/(GJ·h-1)qV/(kW·m-3)qF/(MW·m-2)qB/(MW·m-2)h2/mh1/m炉膛总体积/m3烟气在炉内上升速度v/(m·s-1)煤粉在炉内停留时间/s低结渣70093.176 14287.005.01.611.4262119 61010.272.05严重结渣70091.376 14273.774.51.511.5992323 1289.182.51

炉膛折算高度Hz=V/F,炉膛高宽比HW=Hz/Wz,其中,V为炉膛体积，按照DL/T 831—2002《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》计算得到，m3;F为炉膛断面面积，F=WD，m2;Wz为折算炉膛深度，Wz=F1/2,m。HW反映了炉膛的形状特性，该值越大，表明炉膛为瘦高型。

由图2(a)可见，2个煤种的断面热负荷均随海拔升高而降低，且新方法修正后的断面热负荷高于导则修订结果。对于严重结渣煤种，由于在平原地区已考虑选取较小的断面热负荷作为有效的防渣措施，炉膛烟气流速较低，随海拔升高，选取较低的断面热负荷降低幅度，仍可保证炉膛内的烟气流速。

由图2(b)可见，按照导则修订结果，海拔高度对燃烧器区壁面热负荷无影响，新修订方法充分考虑了煤种结渣特性、海拔高度以及燃烧器设计特点对燃烧器区壁面热负荷的影响。对于严重结渣煤种，由于平原地区锅炉已考虑选取较小的燃烧器区壁面热负荷，即更高的燃烧器高度作为有效的防渣措施，随着海拔的增加，炉膛断面增加，燃烧器高度进一步降低仍可满足燃烧器布置要求。而对于低结渣煤种，由于炉膛断面和燃烧器高度均较小，当海拔高度在一定范围内时，燃烧器区壁面热负荷保持不变可满足燃烧器布置要求，而当海拔高到一定程度时，由于燃烧器布置要求需降低燃烧器区壁面热负荷。

由图2(c)可见，2个煤种的燃尽高度均随海拔的升高而下降，且按照新方法修正后的燃尽高度高于导则修订结果，低结渣煤种随海拔升高，燃尽高度增加幅度更大。一方面是新方法修订后的炉膛断面更小，烟气流速相对较高;另一方面，高海拔条件下煤粉的燃尽性能变差，需要更高的煤粉在炉内的停留时间保证煤粉的燃尽。对于严重结渣煤种，由于平原地区锅炉已考虑选取较高的燃尽高度作为有效的防渣措施，燃尽高度的增幅可适当降低。

图2 炉膛断面热负荷、燃烧器区壁面热负荷、燃尽高度、炉膛容积热负荷、烟气流速、停留时间、炉膛容积、炉膛折算高度、炉膛高深比修正结果Fig.2 Comparison of the furnace cross-section heat release rate revision,burner zone wall heat release rate,furnace burn-out height，furnace volume heat release，flue gas velocity,pulverized coal residence time in furnace,furnace volume，furnace height,ratio of the furnace height and depth results

由图2(d)可见，2个煤种的炉膛容积热负荷均随海拔的升高而下降，且按照新修订方法修正后的炉膛容积热负荷高于导则修订结果，也即按照新修订方法，可采用更小的炉膛容积，节约锅炉成本。另外，由于结渣煤种选取更低的容积热负荷作为有效的防渣措施，随着海拔升高，炉膛容积热负荷可考虑更低的降低幅度，仍可保证煤粉在炉内的燃尽。

由图2(e)可知，2个煤种炉膛内的烟气流速均随海拔的升高而升高，且按照新修订方法修正后的烟气流速高于导则修订结果，该参数主要受炉膛断面尺寸影响，采用更高的烟气流速有利于降低炉膛断面尺寸。由于严重结渣煤种平原地区的烟气流速已较低，因此随着海拔升高可选取更高的增幅，仍可保证烟气流速在正常范围内。

由图2(f)可见，按照导则修订结果，2个煤种的煤粉在炉内的停留时间基本保持不变。按照新修订方法，平原条件下低结渣煤种的煤粉在炉内的停留时间低于严重结渣煤种，因此在高海拔条件下，应适当增加煤粉在炉内的停留时间;而对于严重结渣煤种，平原地区锅炉设计已考虑足够的煤粉在炉内的停留时间，在高原条件下保持不变或小幅降低，仍可获得优良的燃尽性能。

由图2(g)可见，2个煤种的炉膛容积随海拔升高而升高，且按照新方法修正后的炉膛容积低于导则修订结果，采用更小的炉膛容积有利于降低锅炉制造成本。

由图2(h)可见，2个煤种的炉膛折算高度随海拔升高而增加，且新方法修订后的炉膛折算高度增加幅度较导则偏高，炉膛为瘦高型，有利于高原条件下煤样的稳燃和燃尽。

由图2(i)可见，按照导则修订后的炉膛高深比不变，即炉型不变，而新方法更多地考虑煤样结渣性能、原锅炉设计特点及海拔高度的影响。根据新修订原则，对于低结渣煤种，随着海拔的升高，炉膛高深比增加，即采用瘦高炉型可保证高海拔条件下煤样的稳燃和燃尽，而当海拔高到一定程度时，为了保证炉膛内的烟气流速在规定范围，须增加炉膛断面，因此炉膛高深比有所降低。

相对于炉膛选型导则修正结果，新修正方法确定的高原地区锅炉的特点有:① 考虑了煤种燃烧性能差异带来的对炉膛特征参数选取的影响。② 炉膛断面热负荷下降幅度较低，即更高的断面热负荷有利于保证高原地区锅炉的燃烧稳定性。③ 在保证燃烧器合理设计和布置的条件下尽量增加燃烧器区壁面热负荷或保持不变，而当海拔高到一定程度时，必要时可适当降低燃烧器区壁面热负荷以满足燃烧器设计要求。④ 按照新方法修正后的炉型为瘦高型，更有利于高原地区煤粉锅炉的稳燃和燃尽。