烟气再循环对1 000 MW二次再热锅炉汽温的影响

2020-02-12韩磊

发电设备 2020年1期

韩磊

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院, 合肥 230088 )

二次再热是目前世界领先的燃煤发电技术，是提高火电机组热效率的重要方法[1-2]。在相同容量及蒸汽参数条件下，二次再热机组热效率比一次再热机组高出1.5%～2%[3]；但是二次再热增加一级再热循环，导致锅炉、汽轮机的结构和运行调整更加复杂，对吸热量分配及汽温控制要求更高[4]，其中烟气再循环是目前调整二次再热汽温的主要手段之一[5]。

烟气再循环是燃烧产生的部分烟气进入炉膛后与氧化剂混合后再次参与燃烧的方式[6]，不同的再循环率不仅对燃烧特性和NOx生成具有重要影响，还改变了炉膛火焰温度及尾部受热面对流、辐射的吸热比例[7]。

马凯等[8-9]以600 MW超临界锅炉为研究对象，在原苏联锅炉机组热力计算标准方法的基础上，对炉膛热力计算公式进行改进，改进后额定工况下炉膛出口烟温计算值与设计值相差不到20 K。张大龙等[10]对古尔维奇热力计算模型修正后，以1 000 MW超超临界机组为模型进行了传热计算，在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况下，采用古尔维奇热力计算模型偏差小于70 K，而用古尔维奇改进模型得到的炉膛出口烟温与设计值偏差小于25 K。古尔维奇炉膛热力计算模型及改进模型在对大机组的热力计算方面表现出较好的可靠性。

为避免某1 000 MW超超临界运行出现严重的蒸汽超温和欠温现象[11]，笔者利用古尔维奇热力计算模型及改进模型进行计算，探究烟气再循环对1 000 MW二次再热锅炉汽温的影响，用于机组投产后的燃烧调整，进一步保障机组运行的安全性和经济性。

1 研究对象

研究对象为某1 000 MW超超临界机组二次再热直流锅炉，该锅炉采用单炉膛双切圆、平衡通风、固态排渣、露天布置的П形锅炉，采用螺旋管圈水冷壁。

锅炉结构见图1。过热器分三级布置于炉膛上部空间，分别为分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器，一、二次再热器系统均采用两级布置，水平烟道分别布置一次高温再热器(简称高再)和二次高再；尾部采用双烟道布置形式，尾部前烟道布置一次低温再热器(简称低再)，尾部后烟道布置二次低再；采用烟气挡板加烟气再循环调节再热汽温，再循环烟气引自省煤器出口，送入燃烧器底部烟气喷口。

图1 锅炉结构

锅炉主要技术参数见表1。

表1 锅炉主要技术参数

锅炉设计煤种采用塔山煤与印尼煤的混煤，混煤的煤质分析结果见表2。

表2 设计煤种的煤质分析结果

2 计算方法

再循环率的计算公式为：

(1)

式中：γ为再循环率，%；Vg为烟气抽出点后烟道截面内烟气体积，m3；Vxh为再循环烟气体积，m3。

炉膛热力计算基于大量实验及工业实践确定相关的经验系数，经转换得到炉膛出口烟温的公式(古尔维奇热力计算模型)为：

(2)

古尔维奇热力计算模型在200 MW以下燃煤机组中较为准确，而在大容量锅炉的计算上存在误差[12]，卜洛赫等提出以计入炉膛辐射传热面热负荷的方法对炉膛形状的影响进行修正，修正后的计算公式[13]为：

(3)

式中：qf为炉膛壁面热负荷，kW/m2；

在炉膛热力计算的过程中同时考虑辐射能在传递过程中沿射线行程的减弱，提出煤粉锅炉火焰综合黑度的概念，可以正确反映煤灰含灰量、锅炉容量等方面对辐射换热的影响，引入火焰综合黑度后炉膛黑度的计算公式为：

(4)

式中：εsyn为火焰综合黑度；ε1为火焰黑度；R为炉膛截面积当量半径；ka为煤粉火焰辐射减弱系数。

笔者充分考虑炉膛形状对大容量炉膛辐射传热的影响及辐射能量在传递过程中沿射线行程的减弱[14]，利用修正后的热力计算公式，进行锅炉热力计算，探究烟气再循环对1 000 MW二次再热机组炉膛及各受热面吸热量、蒸汽温度等方面的影响。

此外，该热力计算模型应用在某电厂660 MW超临界锅炉上，用以指导火焰偏斜调整，取得了良好效果，末级过热器和再热器沿炉宽方向中间位置的壁温下降10～15 K，主、再热汽温欠温现象得到缓解。

3 结果与分析

笔者以该锅炉为例，燃用设计煤种，研究在锅炉额定负荷(BRL)下，再循环率从0%增加到15%，锅炉系统吸热量分配的变化。

3.1 炉膛温度

再循环率对炉膛温度的影响见图2。由图2可以看出：炉膛理论燃烧温度随再循环率的升高而下降，再循环率由0%升高到15%，理论燃烧温度由1 955.7 ℃下降到1 763.0 ℃；再循环率提高1%，炉膛理论燃烧温度下降12.85 K。而屏底温度(烟气进入分隔屏过热器及后屏过热器底部时的温度)随着再循环率的提高变化较小，再循环率从0%到15%，屏底温度仅上升18.5 K。

图2 再循环率对炉膛温度的影响

炉膛传热以辐射为主、对流为辅。炉内燃烧产生的烟气具有光学厚度，这些高温烟气的辐射能将在空间所有方向上被吸收与反射[15-16]。中温(386 ℃)再循环烟气进入高温炉膛，进入炉内的总有效热量有所增加；但由于冷烟气的掺入，炉内高温燃烧产物温度下降并影响煤粉着火，造成理论燃烧温度降低，炉内水冷壁辐射吸热量大幅度减少。一方面，水冷壁吸热量的减少造成炉内换热量减少，锅炉屏底温度上升；另一方面，理论燃烧温度的降低使屏底温度下降。两方面因素叠加造成屏底温度随再循环率的提高而变化较小。

3.2 辐射、对流传热面吸热量

再循环率对辐射、对流传热面吸热量的影响见图3。由图3可以看出：随着再循环率的提高、理论燃烧温度的降低(见图2)，水冷壁辐射吸热量明显降低。再循环率从0%提高到15%，水冷壁吸热量从 8 602 kJ/kg减少到6 519 kJ/kg，辐射传热面吸热量下降了24.2%。

图3 再循环率对辐射、对流传热面吸热量的影响

对于各级过热器，末级过热器为对流传热面，随着再循环率的提高，烟气量明显增加，受热面对流传热系数提高，末级过热器吸热量不断增加；分隔屏过热器和后屏过热器为半辐射式受热面，吸热一部分来自炉膛的直接辐射传热和屏间高温烟气的辐射传热，另一部分来自对流传热。炉膛温度降低导致来自炉膛的直接辐射传热降低，但是屏底温度并未降低，屏间烟气流量增加，屏间辐射传热反而略有增加。所以位于炉膛上部的半辐射传热面吸热量，随着再循环率的提高，吸热量呈上升趋势。综上所述，各级过热器的总吸热量随着再循环率的提高而增加，再循环率从0%提高到15%，过热器总吸热量从4 873 kJ/kg增加到5 508 kJ/kg，增加了13.0%。

对于一、二次再热器，受热面均位于水平烟道和尾部烟道，属于对流传热面。一次再热器吸热量从再循环率为0%时的3 157 kJ/kg增加到再循环率为15%时的3 746 kJ/kg；二次再热器吸热量从再循环率为0%时的2 213 kJ/kg增加到再循环率为15%时的2 736 kJ/kg，吸热量增加23.6%。

对流传热面越靠近烟道尾部，随着再循环率的提高，受热面吸热量的增加比例越大，对再循环率的变化更为敏感。再循环率从0%提高到15%，各级过热器吸热量仅增加13.04%，一次再热器吸热量增加18.66%，二次再热器吸热量增加23.62%。

3.3 蒸汽温度

再循环率对蒸汽温度的影响见图4。

图4 再循环率对蒸汽温度的影响

由图4可以看出：随着再循环率的提高，辐射传热面吸热比例降低，水冷壁吸热量减少，再循环率提高1%，分离器出口蒸汽温度降低2.19 K；对于各级过热器，虽然总吸热量随着再循环率的提高而增加，但增加的幅度远低于水冷壁吸热量的减少，故主蒸汽温度随着再循环率的提高而降低，再循环率提高1%，主蒸汽温度降低3.20 K；一、二次再热器各受热面均属于对流传热面，再循环率提高1%，一次再热蒸汽温度提高2.44 K，二次再热蒸汽温度提高2.72 K。

3.4 对流传热面吸热量

再循环率对各对流传热面吸热量的影响见图5。由图5可以看出：再循环率从0%提高到15%，再循环率提高1%，一次高再吸热量增加0.28%，二次高再吸热量增加0.54%，一次低再吸热量增加2.02%，二次低再吸热量增加2.27%，前墙省煤器吸热量增加2.02%，后墙省煤器吸热量增加1.90%。

随着再循环率的提高，流经省煤器前各锅炉受热面的烟气量均成比例增加，在流通截面不变的情况下，流经各受热面的烟气流速增加，各受热面的对流传热系数随之提高，因此各受热面的对流传热量吸热量显著增加。

由热力计算结果可知，对流传热面布置位置越往后，随着再循环率的提高，吸热量的增幅越大，对再循环率变化的响应越敏感。这是因为高温烟气传递给受热面的热量通过两种方式，一种为辐射传热，另一种为对流传热。高温烟气流经各受热面后，越靠近尾部烟道的烟气温度越低，导致烟气通过辐射传热方式传递给受热面的热量急剧降低，尾部受热面对流传热比例接近100%。因此，越靠近尾部烟道的受热面，受烟气流速变化的影响越大，对再循环率变化的响应越敏感。