300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐變工況運行特性分析

高建強，張 晨

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

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300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐變工況運行特性分析

高建強，張 晨

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

富氧煤粉燃燒鍋爐燃燒、換熱特性與常規空氣鍋爐不同，為研究不同工況下富氧燃燒鍋爐的運行特性，利用某300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐仿真模型，分別進行燃煤量、給水溫度、氧濃度和水分變動試驗。結果表明：隨著富氧燃燒鍋爐燃煤量的增加，爐膛出口煙溫升高，爐內總輻射量增加，水冷壁產汽量增多。由于富氧鍋爐輻射換熱強，過熱蒸汽溫度隨燃煤量增加而增加。隨著爐內燃燒氣氛中氧濃度增加，鍋爐產汽量大幅度增加，主汽溫度快速下降。由于鍋爐設計煤種水分含量高且不穩定，水分變化對鍋爐運行參數影響比較大，主要表現在煤質變壞，導致爐膛出口溫度升高，過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和排煙溫度也隨之升高。

富氧燃燒鍋爐；運行特性；燃煤量；給水溫度

0 引 言

在控制和減緩電廠CO2排放的各種技術中，富氧燃燒技術有良好的發展前景。它是在現有電站鍋爐系統基礎上，用高純度的氧氣代替助燃空氣，同時輔助以煙氣再循環的燃燒技術，可獲得富含80%體積濃度CO2的煙氣，從而實現CO2的永久封存或資源化利用，同時降低有害氣體的排放[1-5]。富氧燃燒鍋爐的運行過程十分復雜，因為其燃燒受到多種因素的影響，使得其自動控制比一般鍋爐更加復雜和困難。分析與研究富氧燃燒鍋爐運行特性，掌握了解各變量間的相互關系，對富氧燃燒鍋爐自動控制系統的設計、調試以及可靠運行都至關重要。

目前國內建成的富氧燃燒鍋爐試驗臺有300 kW富氧中試試驗臺和3 MW全流程富氧燃燒實驗平臺，此外還有35 MW工業示范項目已經處于工業實驗階段。世界范圍內最新的富氧示范項目有韓國Yongdong 100MWe 2016示范項目和美國FutureGen 200MWe 2016示范項目等[6]?？梢钥闯龈谎跞紵仩t技術仍處于中試階段，對較大容量的鍋爐運行經驗比較缺乏，因而對于大容量富氧燃燒鍋爐，可以通過仿真手段對其運行特性進行研究。本文以某300 MW富氧自然循環燃燒鍋爐為例，研究鍋爐燃料量、O2/CO2(即氧濃度)、給水溫度和煤質水分等參數變動時，富氧燃燒下的鍋爐理論燃燒溫度、爐膛出口煙溫、蒸汽溫度和鍋爐排煙溫度等運行參數的變化規律，對日后富氧燃燒鍋爐的運行控制等設計研究有重要意義。

1 模型介紹及研究方法

本文以某300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐為研究對象[7]，整個鍋爐系統流程如圖1所示，爐膛為單爐膛Π型布置、四角切向燃燒，機組采用中間一次再熱、自然循環、噴水調節過熱汽溫，空氣分離系統向鍋爐供給純氧。鍋爐尾部設有煙氣(主要是CO2)再循環，維持爐內的穩定燃燒[8]。其中，再循環煙氣有兩處，一處是從爐膛尾部除塵器后抽取部分煙氣；另一處是從冷凝器后抽取干燥煙氣作為中速正壓直吹式制粉系統的干燥介質。

圖1 300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐系統流程簡圖Fig.1 The system flow diagram of 300 MW pulverized coal oxygen-enriched combustion boiler

對于實際運行中的機組，其工況總是處于不斷的變化之中，例如煤質、給水溫度和鍋爐負荷等都不可能始終維持設計值。鍋爐參數和運行指標都會隨著工況的變動發生相應的變化，這些變化的方向和大小可以由鍋爐的運行特性加以描述[9]。利用某300 MW富氧燃燒汽包鍋爐仿真模型[10]，通過仿真試驗對建立的設備的精度進行驗證，進而研究富氧煤粉燃燒鍋爐的運行特性。

2 變工況計算結果及分析

機組穩定工況下進行仿真試驗，得到靜態仿真結果如表1。仿真結果與設計值的相對誤差在2%以內，證明該仿真模型滿足仿真的精度要求。

表1 計算數據與模型計算結果

2.1 燃煤量變動

富氧鍋爐運行中，其負荷必須跟隨電網要求不斷變化，燃料量則與負荷成比例。通過改變給煤機轉速即可對燃煤量進行間接擾動實驗，下面分析燃煤量變化對爐內傳熱、煙氣及工質溫度等的影響。對于中速磨配正壓直吹式制粉系統，運行中制粉系統出力由給煤量調節。在穩定工況下，保證機組足夠通風量，改變其給煤機轉速，得到實驗結果如圖2所示：富氧燃燒鍋爐燃煤量增加時，水冷壁產汽量增加，爐膛出口煙溫升高，排煙溫度升高。但與一些常規空氣燃燒鍋爐不同，隨著燃煤量的增加，過熱蒸汽溫度不升高反而下降，再熱蒸汽溫度升高，應引起工作人員的特別注意。

圖2 燃煤量變動實驗結果Fig.2 The experimental results of fuel quantity

由頂棚過熱器、水平低溫過熱器、立式低溫過熱器、前屏過熱器、后屏過熱器和末級過熱器組成的整個過熱器的熱平衡得[9]

由D·rs=Bj·Qs代入公式(1)，得

式中：Bj為燃料量，kg/s；Qs為每kg煤用于蒸發給水的熱量(省煤器吸熱量和水冷壁吸熱量之和)，kJ/kg；Qgr為每kg煤傳給過熱器的熱量(包括輻射式和對流式，kJ/kg；rs為每kg給水加熱到飽和蒸汽所吸收的熱量，kJ/kg；D為水冷壁產汽量，kg/s；△hgr為過熱器出口比焓與飽和汽比焓之差，kJ/kg。

由屏式再熱器和末級再熱器組成的整個再熱器的熱平衡得

式中：d為再熱蒸汽流量份額，d=Dzr/D；Qzr為每千克煤傳給再熱器的熱量(包括輻射式和對流式)；△hzr為過熱器出口比焓與飽和汽比焓之差，kJ/kg。

由公式(2)可以看出，定壓下近似認為rs不變，當燃料量變化時，過熱汽溫只決定Qgr/Qs。表2是燃料量變動時，給水吸熱量等數據的分配?？梢钥闯霎斎济毫吭黾訒r，Qgr/Qs減少，因而該富氧燃燒鍋爐過熱蒸汽溫度下降。由公式(4)可以看出，定壓下近似認為rs不變，當燃料量變化時，再熱蒸汽溫度決定于Qzr/Qs。由表2可以看出當燃煤量增加時，△hzr/rs增加，因而再熱蒸汽溫度上升。

表2 燃煤量擾動實驗熱量分配數據

2.2 氧氣濃度擾動

常規空氣燃燒鍋爐，其氧氣濃度一定。然而，對于富氧燃燒鍋爐，爐內燃燒介質由三部分組成，分別是空氣分離提純技術提供的氧氣、鍋爐尾部干燥冷卻的一次再循環煙氣和省煤器后的二次再循環煙氣。由于送入爐膛的氧氣量、一次再循環煙氣和二次再循環量都是過程變量，因而爐內燃燒氣氛中氧氣濃度容易發生變動。在空氣分離系統提供的氧氣量和燃煤量保持不變的情況下，對再循環煙氣量進行擾動，討論不同氧氣濃度(O2/CO2)下該富氧燃燒鍋爐的運行情況。其中實驗結果如表3所示，繪制成曲線如圖3所示。

表3 氧氣濃度(O2/CO2)擾動實驗結果

圖3 O2/CO2擾動實驗結果Fig.3 The perturbation experimental results of oxygen concentrations

實驗結果表明：在實驗變動范圍內，由圖3可以看出，隨著氧氣濃度提高，理論燃燒溫度升高，且富氧率每增加1 %，理論燃燒溫度升高約25～40 ℃。作為爐內傳熱過程的起點，這將使爐膛出口煙溫升高。但是，隨著氧氣濃度升高，理論燃燒溫度劇烈升高，使爐內單位輻射量增大，加之再循環煙氣量減少，爐膛產生的總煙氣量減少，爐膛出口煙溫降低。過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫和鍋爐排煙溫度降低。以上結果可以看出，對于富氧燃燒鍋爐，空氣壓縮供應的氧氣穩定的情況下，再循環煙氣量對鍋爐運行情況影響很大，因而監控一二次再循環煙氣十分重要。

2.3 給水溫度變動

機組在穩定工況下，改變其給水溫度，分析給水溫度變化對工質蒸發量和溫度等的影響，實驗結果如表4所示。對于亞臨界參數富氧燃燒汽包鍋爐，給水溫度變化主要影響主過熱蒸汽。當給水溫度降低時，由于1 kg給水加熱成為飽和蒸汽的汽化熱增加，在未進行燃料量調整情況下，爐內總輻射熱量幾乎不變，因此水冷壁質量含汽率減小，汽包產汽量下降。并且給水溫度每降低10 ℃(升高10 ℃)，汽包產汽量降低2.4%左右(升高2.4%左右)，過熱蒸汽溫度升高8 ℃左右(降低8 ℃左右)。因而在實際運行中，對于過熱器而言，需要通過變動減溫水量來保持額定汽溫，并且減溫水量隨給水溫度降低而增加。

表4 給水溫度擾動實驗結果

Tab.4 The perturbation experimental results of feed-water temperature

給水溫度tgs/℃250260270282.9290質量含汽率w0.52300.54460.56810.60110.6221過熱汽溫tgr/℃564.5555.9549.3541.1536.3出口煙溫θ″0/℃1060.51060.51060.21060.31060.3再熱汽溫tzr/℃541.9541.8541.4541.1540.9排煙溫度θexg/℃145.7146.1146.6147.3147.7

2.4 煤質變化

鍋爐燃料性質變化，尤其是煤質變化是不可避免的，發熱量、揮發分、灰分和水分等煤質的變化對鍋爐運行工況影響較大。設計煤種是高水分低硫褐煤，水分含量較大且不穩定。并且原煤水分變動，煤質特性也隨之發生改變。由于煤的揮發分、發熱量、成分等主要指標與優質煤和劣質成分間有較好可加性，因而采用文獻[11]這種最簡便的動力煤數學模型來預測變質煤的煤質特性。

機組在穩定工況下，原煤中外在水分含量變化，即1 kg原煤含量中水分質量發生變化△Mar。保持給煤機轉速不變的情況下，分析原煤水分含量變化對爐內傳熱、煙氣及工質溫度等的影響，如對單位質量輻射熱、理論燃燒溫度、爐膛出口煙溫、過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度等參數的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 原煤水分變動實驗Fig.4 The perturbation experimental results of raw coal moisture

隨著燃煤水分增加，單位質量燃煤發熱量減少，為了保持汽包蒸發量，必須增加燃煤量。爐膛理論燃燒溫度顯著下降，但是內部產生煙氣流量大，爐內輻射換熱量降低，導致爐膛出口溫度升高，過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和排煙溫度也隨之升高。

3 結 論

(1) 由于富氧鍋爐爐內輻射換熱強度大，當給煤量增加時，過熱蒸汽溫度不下降反而升高，再熱蒸汽溫度下降，這與常規空氣燃燒鍋爐不同，應引起工作人員的特別注意。

(2) 空氣分離系統提供的氧氣量一定的情況下，對再循環煙氣量進行擾動，得到了不同氧濃度下鍋爐的運行工況。根據結果發現，隨著爐膛內氧濃度增加，單位輻射換熱量增大，水冷壁蒸發量增加，爐膛出口煙溫降低，過熱蒸汽溫度降低，且各參數變化劇烈，因而實際運行中需要嚴格監控一、二次再循環煙氣量。

(3) 給水溫度每升高10 ℃(降低10 ℃)，過熱蒸汽溫度降低8 ℃左右(升高8 ℃左右)。在實際運行相同發電負荷下，減溫水量隨給水溫度降低而增加。

(4) 運行中煤質水分增加，會使爐膛出口溫度升高，過熱汽溫升高，單位爐內輻射換熱減??；反之若運行中煤質較好，則都會使爐膛出口溫度和過熱汽溫降低，單位爐內輻射熱增加。

(5) 通過研究燃煤量、給水溫度、氧濃度和水分變動試驗，可為的富氧燃煤鍋爐電廠提供鍋爐運行主要參數的變化情況，為機組的安全穩定運行創造有利條件。

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Study on Operating Characteristic of a 300 MW Oxy-fuel Combustion Boiler in Variable Conditions

GAO Jianqiang, ZHANG Chen

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Unlike normal air combustion boiler, oxygen-enriched combustion boiler has different combustion and heat transfer characteristics. To study the operating characteristics under different conditions, the simulation model of a 300MW pulverized coal oxygen-enriched combustion boiler was utilized. And experiments respectively for disturbances of coal quantity, feed water temperature, O2/CO2and coal quality were finished. Results reveal that: with the increment of coal quantity, furnace outlet gas temperature and radiation heat exchange unit of quality in furnace increase, and evaporation rate of water wall reduces. Because radiation heat transfer capability of oxy-fuel combustion boiler is strong. On the contrary, superheated steam temperature rises. As the feed water temperature decreases, superheated steam temperature and evaporation rate of water wall reduce. Variation of lignite quality changes mainly reflects in variation of moisture content, and variation of moisture has more influence on boiler operation parameters. The influence is mainly that as the coal quality gets worse, furnace outlet gas temperature and superheated steam temperature rises, and the radiation subsides.

oxy-fuel combustion boiler; operating characteristic; coal quantity; feed water temperature

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.13

2015-12-09.

TK 227

A

1007-2691(2016)05-0083-05

高建強(1966-)，男，教授，主要從事熱力系統建模及仿真技術的教學與研究。