锅炉烟气再循环位置对再热蒸汽温度的影响

沈应强， 吴华栋， 李永进， 陶生智

(武汉锅炉股份有限公司，武汉 430205)

根据国家《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》，我国不断加快发展煤炭清洁开发利用技术，提高煤炭清洁高效开发利用水平。清洁高效的煤电发展，主要着力于提高煤电的高效发电比例，以及提高煤电机组效率。当前新建机组均已是超临界和超超临界机组，由于材料的限制，短期很难在温度和压力上有所突破。而在相同的蒸汽参数下，二次再热机组的热效率比一次再热机组提高2%[1-3]，对应二氧化碳减排量约降低3.6%。因此，二次再热是当前一种可行的节能降耗、清洁环保的火力发电技术。

与一次再热机组相比，二次再热机组再热器吸热比例增加，主蒸汽温度和一次/二次再热蒸汽温度的协调更加复杂，如何调节再热蒸汽温度成为关键问题。当前调节再热蒸汽温度的主要方式有调节燃烧器摆动、调节烟气挡板与烟气再循环，其中烟气再循环由于更加灵活有效得到了广泛的应用。

目前，将再循环烟气引入锅炉的方式主要有从燃烧器区域底部引入和从炉膛出口的屏底引入。笔者采用已有广泛实际应用的热力计算模型，分析2种再循环烟气引入方案对炉膛出口烟气温度、再热蒸汽温度等参数的影响，以期为二次再热机组设计优化提供参考。

1 锅炉基本参数

研究对象为660 MW超超临界燃煤锅炉，锅炉为超超临界参数、塔式布置、二次再热、切圆燃烧直流炉。锅炉内受热面的基本布置见图1(一次/二次高温再热器简称一次/二次高再、一次/二次低温再热器简称一次/二次低再)，烟气依次流经二级过热器、高温过热器、一次高再、二次高再、二次低再、一次低再、二级省煤器。从燃烧器区域底部引入再热烟气和从炉膛出口的屏底引入再循环烟气的方案分别为方案一和方案二。

图1 锅炉内受热面的基本布置

锅炉主要的热力参数见表1。

表1 锅炉主要的热力参数

2 结果与分析

2.1 烟气再循环对蒸汽温度的影响

在超临界锅炉实际运行中，主要通过调节煤水比来控制和调节主蒸汽参数，所以主蒸汽参数决定了输入锅炉的热量。为了更好地了解烟气再循环对蒸汽参数的影响，并且排除煤水比与锅炉总吸热量的影响，以方案一为基础，维持给煤量、燃烧器摆角、送风温度等其他条件不变进行计算。烟气再循环对主要温度参数的影响见图2，各受热面吸热量见图3。

图2 烟气再循环对主要温度参数的影响

图3 各受热面吸热量的变化

由图2和图3可得：随着再循环烟气的引入，炉膛出口烟气温度逐渐降低，主蒸汽温度逐渐降低，水冷壁吸热量逐渐减少。主要原因是烟气再循环改变了锅炉各受热面的吸热量，对于辐射受热面，二级过热器与高温过热器的吸热量相应减少，尤其对于以吸收辐射热为主的水冷壁，吸热量下降显著。一次高再在锅炉结构中作为半辐射半对流受热面，吸热量随烟气再循环量的变化较小。对于随后的对流受热面(二次高再、二次低再、一次低再)，吸热量均逐渐增多，越往后，吸热量增多越明显，存在烟气将热量往后携带现象[4]。由于在锅炉结构布置中，再热器多布置于对流受热面，根据计算结果和理论分析可知，采用烟气再循环对于提高再热蒸汽温度是可行且有效的。

上面的结果仅给出了烟气再循环对锅炉整个吸热的影响，但是在实际运行中，主蒸汽温度是必须保证的重要参数。因此，将根据实际运行情况，保证主蒸汽参数，在再循环率相同时对比方案一与方案二对各受热面吸热量、蒸汽温度和锅炉效率的影响。

2.2 2种方案对受热面吸热量的影响

炉膛各受热面吸热量见表2。由表2可得： 2种方案主蒸汽总吸热量保持不变。采用方案一时，随着再循环率的增加，水冷壁吸热逐渐降低，省煤器、过热器吸热量均逐渐增加；而对于方案二，随着再循环率的增加，水冷壁吸热量基本维持不变，省煤器吸热量增加而过热器吸热量减少。对于再热器系统，2种方案均提高了再热器系统的吸热。对于方案一，再循环率每增加1百分点，一次再热吸热量增加约2.4 MW，二次再热吸热量增加约1.8 MW；而对于方案二，再循环率每增加1百分点，一次再热吸热量增加约0.5 MW，二次再热吸热量增加约0.4 MW。方案一提高再热器的吸热能力优于方案二。因此，方案一采用再循环率为3%时，再热蒸汽温度已达到额定温度(623 ℃)，而对于方案二，达到同样的吸热能力，再循环率则需要提高至12%。

表2 各受热面吸热量

2.3 2种方案对受热面蒸汽温度的影响

图4为2种方案对主要温度参数影响的对比。由图4可得：2种方案均会降低炉膛出口烟气温度，但方案二对炉膛出口烟气温度的影响更加明显。对于水冷壁出口蒸汽温度，2种方案呈相反趋势。方案一可以有效降低水冷壁出口蒸汽温度，而方案二却增加了水冷壁出口蒸汽温度。主要原因是方案一在燃烧器区域进行混合可以有效降低整个炉内的烟气温度水平，水冷壁吸热量相应减少；而方案二的混合点在炉膛上部，对炉膛出口烟气温度影响较大[5]。2种方案均能提高再热蒸汽温度，再热蒸汽温度随着再循环率的增加基本呈线性提高。再循环率每增加1百分点，对于方案一，一次/二次再热蒸汽温度分别提高2.2 K、2.0 K；对于方案二，一次/二次再热蒸汽温度均提高约0.44 K。因此，对于再热蒸汽温度的影响， 方案一优于方案二，方案一可以很好地对应各受热面吸热量的变化趋势。

图4 2种方案对主要温度参数影响的对比

2.4 2种方案对效率的影响

对于锅炉来说，在保证锅炉蒸汽温度的同时，也应该对其经济性进行考虑，因此应该对锅炉的效率变化进行对比。主蒸汽与再热蒸汽温度均达到额定温度时，方案一的再循环率约为3%，方案二的再循环率约为12%。根据计算结果，方案一的锅炉效率为93.32%，方案二的锅炉效率为93.28%，方案一的锅炉效率稍高于方案二。主要原因是烟气再循环将热量往尾部对流受热面进行累积，导致烟气温度升高。空气预热器出口烟气温度(即排烟温度)变化见图5。方案二的一级省煤器出口烟气温度为357 ℃，方案一为354 ℃，而排烟温度增加，则排烟损失增加。

图5 空气预热器出口烟气温度

2种方案的锅炉效率均基于相同的固体不完全燃烧热损失，因为对于方案一，加入再循环烟气后烟气量增大，烟气流速增大，但此时烟气温度有所下降，起到了降低烟气流速的作用。整体来说，煤粉在炉内停留时间变化并不大，基本不会对固体不完全燃烧热损失有所影响[6-7]。

结合排烟温度进行分析，采用2种方案对排烟温度的影响基本一致。这主要取决于再循环率，再循环率的增加均会提高排烟温度，增加排烟损失，降低锅炉效率。因此，建议厂家在设计时要尽量控制再循环率，减少排烟损失，避免在实际运行中发生再循环烟气量过大、蒸汽温度难以控制、风机磨损严重等相关问题。

3 结语

(1) 采用烟气再循环能够有效降低炉膛出口烟气温度，降低辐射受热面的吸热能力，提高对流受热面的吸热能力。再热器一般布置在锅炉对流受热面位置，因此采用烟气再循环能够有效提高再热器吸热能力，从而提高再热蒸汽温度。

(2) 与方案二相比，采用方案一能够更加有效地降低辐射受热面吸热，尤其是水冷壁吸热。2种方案均能提高再热器吸热能力，方案一提高再热器吸热能力更强。

(3) 对于方案一，再循环率每增加1百分点，一次/二次再热蒸汽温度能提高约2.0 K；而对于方案二，再循环率每增加1百分点，一次/二次再热蒸汽温度则仅能提高约0.44 K，对再热蒸汽温度改善能力有限。方案一更具有优势，但是方案二能够更大程度地降低炉膛出口烟气温度，有效降低受热面结焦的可能性。

(4) 方案一与方案二对排烟温度的影响基本一致，再循环率的增加均会较为缓慢地提高排烟温度，增加排烟损失，不利于锅炉效率。达到同样的再热蒸汽温度时，方案二的锅炉效率降低的幅度更大。为了保证锅炉效率，建议在设计锅炉受热面时控制再循环率，减少运行时可能发生的各种问题。

综上，再热蒸汽温度的控制是二次再热机组的关键问题，采用烟气再循环能够有效调整再热蒸汽温度，并且该技术可以在今后得到广泛的应用，所研究的结果对同类型机组具有一定的参考意义。