混煤对二次再热锅炉汽温特性的影响

于汭民， 庞力平， 段立强

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 北京 102206)

0 引 言

为应对国家节能减排政策的实施，传统火力发电技术不断发展，二次再热超超临界机组在国内火电建设中开始应用。二次再热锅炉相比于一次再热机组，增加了一级二次再热器，提高了发电循环的平均温度，从而提高了机组的发电效率[1]。与一次再热锅炉相比，二次再热锅炉的再热级数和再热蒸汽吸热量都有所增加，张小玲[2]指出，由于引入二次再热，过热蒸汽吸热比例降低，再热蒸汽吸热比例升高。如常规的1000MW超临界一次再热机组，过热蒸汽和再热蒸汽的吸热比为81∶19[3]，而1000MW超超临界二次再热锅炉主、再热蒸汽吸热比例为72∶28，这使得二次再热锅炉的热力系统结构更加复杂，一、二次再热蒸汽温度的协同调控也变得更加困难，可能会导致机组在运行时出现再热蒸汽温度低于设计值的现象，降低了机组运行经济性。所以，二次再热锅炉的汽温调控备受关注。

近年来，随着我国电力行业的快速发展，火电厂机组的装机容量越来越大。我国虽作为能源大国，但是能源的分布不均，燃料供应能力和运输能力不足，时常存在供应紧张的局面。为改善供应紧张的现状，降低发电成本，提高机组运行的经济性，各电厂通常会掺烧多种煤[4]。掺烧比例的改变，意味着煤种的改变，进而会影响着机组汽温的稳定。所以，在混煤燃烧下维持汽温的稳定、保证机组的经济性尤为重要。

由于蒸汽侧汽温调整的手段会影响机组的发电效率，所以机组汽温的调控主要集中在烟气侧。目前比较成熟的二次再热蒸汽调温手段有烟气再循环+尾部双烟道挡板调节方式、摆动燃烧器和尾部三烟道挡板调节。针对二次再热技术以及二次再热锅炉出现的再热蒸汽温度偏低的问题，近年来许多学者进行了相关的研究。殷亚宁等[5]提出了二次再热锅炉多种汽温调节耦合策略，结合二次再热实际工程分别研究和论证了烟气再循环与烟气挡板协调控制和燃烧器摆角对汽温的影响，表明烟气再循环能明显改善再热蒸汽汽温，而且随着烟气再循环率的增加，对辐射式受热面的蒸汽温度影响不大，对再热蒸汽温度影响相对明显；燃烧器摆角的角度对汽温影响明显，并且上摆时汽温的影响要明显于向下摆动[6]，建议在向上摆时的摆动角度应较小，防止对锅炉产生剧烈的影响。张金营等[7，8]分析了某1 000和660MW超超临界二次再热锅炉不同汽温调节手段对再热汽温的影响;郭馨等[9，10]针对某660MW机组，采用电站工程系统仿真软件EBSILON和计算流体动力学软件 FLUENT 耦合的数值计算及现场试验方法，研究了不同负荷下烟气再循环量对于蒸汽参数的影响情况，并确定了660、550、330MW的最佳烟气再循环率。张昊等[11]针对泰州公司3号机组(1000MW机组)引起再热汽温偏差的原因进行分析与探讨，为同类型机组燃烧调整及消除、二再汽温偏差提供运行参考。姚向昱等[12]针对我国二次再热锅炉的主要调温方式进行研究，分析各调温方式的主要特点，从锅炉给水温度、锅炉效率和运行电耗等方面，研究不同调温方式对于机组经济性的影响情况。王桂玲、郭蕾[6]通过试验和设计数据分析摆动燃烧器对再热汽温的调节特性，总结出摆动燃烧器调温方式存在的主要问题，为摆动燃烧器应用提供了理论依据。此外，还有相关学者和科研机构对二次再热汽温的瞬态响应、控制逻辑展开了研究。

二次再热锅炉普遍存在着中低负荷工况下再热蒸汽欠温欠焓的情况，这将对超超临界二次再热锅炉的热经济性造成极为不利的影响。因此，有必要了解变煤种下不同调温方式对二次再热锅炉汽温的影响，确保二次再热锅炉在各负荷下运行容易达到额定汽温，从而对二次再热锅炉汽温调整方案和控制逻辑提供策略设计思路。

本文基于电厂已有的4种基准煤种，改变掺烧的比例，与设计煤种进行比较。本文采用火电厂热力仿真软件Thermoflow，研究燃用不同掺烧煤种情况下，摆动燃烧器、烟气再循环和烟气挡板开度对超超临界二次再热锅炉蒸汽温度的影响。掌握锅炉不同煤种和负荷下，二次再热锅炉烟气再循环比例和烟气挡板开度情况对汽温的影响，降低由于负荷变动对二次再热锅炉汽温造成的波动情况，研究摆动燃烧器、烟气再循环和烟道挡板三种调温手段耦合调整，对汽温温度影响规律。

1 研究对象建模和验证

1.1 研究对象和模型

该机组为某660MW超超临界二次再热发电机组，二次中间再热螺旋管圈直流炉，变压运行方式、采用单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动调温、平衡通风、全钢架悬吊结构和半露天布置。锅炉燃用烟煤，采用组合式高温受热面，两级高温再热器采用并列布置，每级高温再热器分为冷段和热段，高温过热器在冷段与热段之间布置。按烟气流程：受热面依次经过低温过热器、组合式高温受热面，之后烟道被一分为二，一次低温再热器和前烟道省煤器布置于前烟道，二次低温再热器与后烟道省煤器布置于后烟道，炉后尾部烟道出口布置SCR 脱硝反应装置，SCR 下方布置三分仓回转式空气预热器，该二次再热锅炉热力系统图如图1所示。

图1 二次再热锅炉热力系统图Fig. 1 Thermal system diagram of a secondary reheat boiler

1.2 模型验证

为研究燃用不同掺烧煤种情况下，摆动燃烧器、烟气再循环和烟气挡板开度对二次再热锅炉蒸汽温度的影响情况，本文按照图1所示热力系统图，结合锅炉厂所给热力计算数据，以设计煤种为基准，以火电厂热力仿真软件Thermoflow性能分析工具。

为验证Thermoflow软件搭建模型的可靠性，本文选取锅炉厂所给75%THA和100%THA两个工况下的参数，将模拟结果与锅炉厂设计值进行对比，对比结果如表1。数据表明，Thermoflow软件搭建的模型的计算值与基准电站设计值参数基本一致，计算出的75%THA和100%THA两种工况下机组发电功率分别为495.193MW和660.248MW，主蒸汽、再热蒸汽压力、温度、流量与热力计算书内所给设计值基本相符，模拟的最大误差为5.09%，大部分误差小于1%，在一定程度上认为建立的模型具有一定的精确性。

表1 某660MW机组锅炉变工况模拟参数对比Tab.1 Comparison of variable operating conditions and design parameters of a 660MW secondary reheat boiler

表2 四种基准煤种成分对比Tab.2 Comparison of common coal types in power plants

2 数据整理与分析

2.1 掺烧比例改变下煤种的变化情况

由于我国能源的分布不均，燃料供应能力和运输能力不足，电厂在实际运行时时常会掺烧一些煤种，而不同的掺烧比例所折算出的煤种成分又大不相同。为研究掺烧比例改变时煤种的变化情况，本文选取4种该电厂常用基准煤种，按照一定的掺烧比例，折算出新的煤种来与设计煤种进行比对，分析煤种的变化情况。所掺烧的基准煤种成分及掺烧比例分别如表2和表3所示，各煤种成分之间的对比如图2所示。

表3 四种基准煤种的掺烧比例Tab.3 Burning ratio of four benchmark coal types(%)

图2 掺烧后形成的各煤种成分对比Fig. 2 Composition comparison of each coal

从图2可以看出，7种煤种中，设计煤种具有最高比例的灰分和硫分。灰分的存在不仅使单位燃料量的发热量减少，而且影响燃料的着火和燃尽，也是造成锅炉受热面积灰、结渣、磨损的主要因素。同时，硫分的燃烧产物SO2和SO3会造成锅炉金属的腐蚀并污染大气。所以，燃用设计煤种时应对受热面多加检查；煤种1具有最高比例的水分，水分的增加会造成炉内温度下降，影响燃料的着火，同时过多的水分会增大排烟损失，影响锅炉效率，也会加剧尾部受热面的腐蚀和堵灰；挥发分是煤在加热过程中有机质分解而析出的气质物体，它的燃点低，容易着火然绕，对锅炉的工作影响较大。在7种对比煤种中，煤种1的挥发分成分含量最高。

煤种1具有较高的水分和挥发分，所以其相对可燃成分(碳、氢)的含量相应减少。煤种1的低位发热量最低，从图2可以发现，为18 019 kJ/kg；煤种6具有最高的低位发热量，为20 872 kJ/kg。

2.2 二次再热锅炉汽温特性

2.2.1 变掺煤比下摆动燃烧器对二次再热锅炉汽温影响特性

本文采用前苏联1998年热力计算标准，以设计煤种为基础，通过热力计算得出不同工况下摆动燃烧器的摆角改变对蒸汽温度的影响情况，找出两者之间的内在联系，进而通过改变煤种成分，分析煤种的改变对于摆动燃烧器调节特性的影响情况。

从图3数据可以看出，以设计煤种为例，单一煤种、不同负荷下的主蒸汽温度不同。负荷越低，主蒸汽温度越高。同一工况下，随着摆动燃烧器向上摆动，主蒸汽温度呈现逐渐下降的趋势。设计煤种下大概上摆20°时，主蒸汽温度下降6～8℃。设计煤种下，当机组处于75%工况时，摆动燃烧器摆角对于主蒸汽温度的影响情况最大，大概上摆20°时，主汽温下降8.29℃。这是由于随着摆动燃烧器摆角的增加，所有工况下的主蒸汽对流吸热量均增加，辐射吸热量均减少，但对流吸热量增加得较少，辐射吸热量下降得较多，且总吸热量呈下降趋势，所以主汽温随燃烧器摆角的增加而降低。

通过改变所燃烧的煤种情况，摆动燃烧器摆角变化对于主蒸汽温度的影响情况与设计煤种时没有较大区别，均呈现摆动燃烧器上摆20°，主汽温大概下降6～8℃情况。这是由于摆动燃烧器通过调节锅炉辐射吸热量和对流吸热量的比例来进行调温，煤种的改变虽然对于燃煤量的影响较大，但是对于摆动燃烧器的调节特性影响很小。

图3 不同煤种、不同工况下摆动燃烧器摆角变化对于主汽温的影响情况Fig. 3 Influence of swing angle of swing burner on main steam temperature under different coal blending and operating conditions

从图4和图5可以看出，以设计煤种为例，单一煤种、不同负荷下的再热蒸汽温度不同。负荷越高，一次、二次再热汽温越高。同一工况下，随着摆动燃烧器向上摆动，再热温度均呈现逐渐上升的趋势。设计煤种下大概上摆20°时，一再汽温上升4～6℃，二再汽温上升5℃。设计煤种下，当机组处于75%工况时，摆动燃烧器摆角对于再热蒸汽温度的影响情况最大，大概上摆20°时，一再汽温上升6.36℃，二再蒸汽上升5.3℃。这是由于燃烧器喷嘴上摆, 提高了炉膛中心火焰位置, 减少了炉膛受热面的吸热量, 从而使炉膛出口温度升高, 增加了后面各级受热面的传热温压和与烟气之间的热交换, 促使各级受热面的吸热量增大, 相应整个再热器的温升幅度也增大。同时从图4、图5可以看出，同一工况下，摆动燃烧器向上摆动对于一次、二次再热汽温的影响情况大于向下摆动。

图4 不同煤种、不同工况下摆动燃烧器摆角变化对于一次再热汽温的影响情况Fig. 4 Influence of swing angle change of swing burner on primary reheat steam temperature under different coal types and different working conditions

图5 不同煤种、不同工况下摆动燃烧器摆角变化对于二次再热汽温的影响情况Fig. 5 Influence of swing angle change of swing burner on secondary reheat steam temperature under different coal types and different working conditions

通过改变所燃烧的煤种情况，摆动燃烧器摆角变化对于再热蒸汽温度的影响情况与设计煤种时没有较大区别。这是由于摆动燃烧器通过调节锅炉辐射吸热量和对流吸热量的比例来进行调温，煤种的改变虽然对于燃煤量的影响较大，但是对于摆动燃烧器的调节特性影响很小。

2.2.2 变掺煤比下二次再热锅炉烟气再循环温度调节特性

根据Thermoflow数值模拟的计算结果，图6给出了机组燃用不同煤种时，为保持主蒸汽、一次再热和二次再热汽温为设计值时，各负荷下的烟气再循环率变化情况。

结果表明：同一煤种下，在50%THA负荷以上，为了保持主蒸汽温度和一次、二次再热蒸汽温度在额定值范围内运行，中高负荷时，建议采用较低的烟气再循环率，较高的循环率适用于低负荷工况。在50%THA～60%THA之间的烟气再循环率达到了最高值。在50%THA下，为机组最为恶劣的运行工况，此时再热蒸汽的温度已达不到额定值，再循环率呈现急剧下降的趋势。若此时强行增大烟气再循环率，可能会导致省煤器的汽化。同时，可以看出燃用不同煤种时机组烟气再循环率的变化情况：同一工况下，机组的烟气再循环率随着所燃煤种低位发热量的增加而增加。这是由于当机组燃用发热量较高的煤种时，机组燃煤量减少，相应产生的烟气量也减少，而机组为维持汽温稳定，需要增大再循环的烟气量来增加对流换热器的换热，这就需要在总烟气量减少的情况下增大再循环率，以满足换热要求。

图6 不同煤种下的烟气再循环率变化情况Fig. 6 Flue gas recirculation rate change under different coal types

2.2.3 变掺煤比下烟气挡板温度调节特性

由于烟气分隔挡板调节位于尾部竖井烟道中，只改变流过高压低温再热器和低压低温再热器之间的烟气量的分配情况，从而实现一次再热与二次再热器蒸汽之间汽温平衡，而对于分隔挡板之前的高温过热器温度无法进行调整，所以如图7所示烟气挡板对主蒸汽温度没有影响。

图7 不同煤种、不同工况下烟气挡板开度变化对于主汽温的影响情况Fig. 7 Influence of flue gas baffle opening degree change on main steam temperature under different coal blending conditions

从图8可以看出，以设计煤种为例，各负荷工况下，随着烟气分隔挡板开度(以一次侧为基准)的不断增大，一次再热蒸汽出口温度在不断上升，二次再热蒸汽温度在不断下降。同时，随着负荷的不断升高，烟气挡板调整蒸汽温度的变化范围越大。通常考虑将烟道分隔挡板作为一种再热汽温的细调手段，来保证再热汽温符合要求。

图8 不同煤种、不同工况下烟气挡板开度变化对于再热汽温的影响情况Fig. 8 Effect of flue gas baffle opening on primary and secondary reheat steam temperature under different coal blending and operating conditions

2.3 变掺煤比下多种调温方式的运行特性

根据摆动燃烧器、烟气再循环和烟气挡板的调温特性，给出了在各负荷下调温手段的优先使用建议，如图9所示。

图9 不同负荷下为维持汽温稳定的调温手段使用情况Fig. 9 The use of temperature regulation means to maintain stable steam temperature under different loads

当机组处于90%～100%THA情况下，机组的烟气再循环率变化情况很小，如果采用烟气再循环调节手段可能存在超调情况，导致机组超温。而且90%～100%THA情况下，虽然改变的输入的煤种成分，但是对于摆动燃烧器的调整情况影响很小，此工况下通过摆动燃烧器摆角大小都能将汽温稳定在设计工况下，所以此时可以优先考虑摆动燃烧器调节手段调节汽温；随着负荷的减少，不难发现在50%～90%THA负荷下，虽然通过改变摆动燃烧器摆角大小对于汽温变化情况很明显，但是由于负荷低，机组再热蒸汽温度无法达到设计值，若此时单纯为调高再热汽温，容易导致主蒸汽温度过高，同时摆角过大也会造成摆动燃烧器的诸多安全问题，这对机组的安全运行极其不利。而在50%～90%工况下，烟气再循环的变化情况较为明显，可以在此工况下优先考虑采用烟气再循环调温主调、辅以烟气挡板微调的手段来调节汽温。此时应注意对于煤种的改变情况，若所燃煤种低位发热量很高，应增大其烟气再循环率，以保证蒸汽温度符合要求。当负荷处于50%THA以下时，烟气再循环率呈现出明显下降趋势。若增大烟气再循环率，非但不能调整汽温，反而会可能导致省煤器汽化，这对于机组运行的安全性会造成很大问题。所以，50%以下的工况，很难避免汽温过低情况的出现。

3 结 论

(1) 煤种掺烧会影响机组的烟气再循环率，并且同一工况下，煤种的低位发热量越高，为维持设计蒸汽温度所需的烟气再循环率就相对大一些。

(2) 煤种掺烧对于摆动燃烧器的影响情况较小，主蒸汽汽温随摆动燃烧器上摆而下降，而再热汽温呈现相反的趋势；摆动燃烧器在中高负荷的温差调节范围大于满负荷情况，并且摆动燃烧器上摆时温度的变化情况要灵敏于向下摆动的情况。

(3) 煤种的改变对于烟气挡板调温手段的影响不大，均表现为随着负荷的升高，烟气挡板对于再热蒸汽温度的影响程度变大。同时随着一次再热挡板开度的增加，一再蒸汽温度上升，二再蒸汽温度下降，主蒸汽温度基本不变。

(4) 在90%THA及以上负荷情况下采用摆动燃烧器调节汽温；50%THA～90%THA采用烟气再循环主调、辅以烟气挡板调节，这种耦合调温方式能更好的改善汽温过低、迟滞等现象；50%THA以下负荷为机组运行的恶劣工况，很难避免汽温过低的情况出现。