火电厂锅炉炉内实际切圆直径变化的实验研究

1、火电厂锅炉炉内实际切圆直径变化的实验研究李兵1胡文平1 谭厚章2郭起旺1苗杨2孙玮1宋效奇1 (1.山西漳泽发电分公司，山西046021；2.西安交通大学，西安710049)【 摘 要 】 本文针对火电厂锅炉炉内切圆过大，造成气流刷墙结焦等问题，进行了详细的改前炉内动力场测量，考虑多方影响因素的前提下，参考有关文献，提出了合理的实际切圆计算公式，并在实际锅炉上进行了相关系数的标定。根据标定后的计算公式指导了其后的改造，改后的试验数据显示：计算值与实测值误差为1.4%。说明该公式较为精确、可信，这对热电站热态运行后的实际切圆预测及减少结焦有重要意义。 【 主题词 】 锅炉 切圆直径 试验研究 中

2、文分类号：TK223.25 文献标识码：A1前言 (1)某火电厂锅炉型号为：B&WB-220/9.81-M，2台炉配25MW汽轮机组。燃烧系统为直流式四角切圆燃烧方式，双切圆燃烧，其中一次风煤粉气流为反切（顺时针旋向），假想切圆直径为600mm；二次风气流为正切（逆时针旋向），假想切圆直径为850mm；自投运以来炉内受热面的结焦已严重影响锅炉安全、经济运行。影响炉内结渣的因素极其繁多，但炉内空气动力场不良是导致燃烧器区结渣的最重要因素之一。而炉内假想切圆的大小又直接影响了炉内空气动力场的合理情况。如果假想切圆太大，锅炉在运行时，从燃烧器喷口喷出的射流容易偏转，造成炽热的煤粉气流直接冲刷

3、水冷壁，导致结渣。但是，假想切圆直径越大，从上游邻角过来的火焰气流更靠近射流根部，对着火越有利，也使混合更强烈，炉内充满度更好。相反，若假想切圆直径过小，高温火焰集中在炉膛中部，炉膛四周温度水平低，不利于煤粉着火，混合和燃尽1 7 。文献2推荐假想切圆直径d=（0.050.12）B（B为炉膛平均宽度）。但对于不同容量不同形式的锅炉并没有给出一个精确的计算公式，仍然无法指导实际锅炉调整与改造，因此，很有必要针对实际锅炉找到一个相对精确有实用价值实际切圆计算公式，这将对实际锅炉的改造与运行指导均有重要价值。2影响实际切圆直径的因素影响实际切圆直径的因素主要有以下几点：2.1 假想切圆大小假想切圆直

4、径越大，其实际切圆直径必然越大。射流沿喷口轴线方向随距离的增长，其射流动量逐步减弱，对圆形射流轴线上速度27为：式中：u0喷口出口处轴向速度； um离喷口出口x距离处轴向速度； ku系数（对等温射流ku=6.3）； 0喷出流体密度； a周围流体密度； d0喷嘴直径； X离喷口轴向距离。由上式可知，射流进入炉膛后，沿轴线上速度逐渐变小，射流刚性逐渐减弱，这样，在受到上邻角气流冲击时就会产生偏斜。最后导致实际切圆直径比假想切圆直径大。假想切圆直径越大，其射流受上邻角射流冲击偏移就越大。2.2 射流动量矩流率对已定尺寸的炉膛，从喷口到达切圆边缘的距离是固定的，如式（1）中的X为定值，此时，射流动量矩

5、流率越大，表明射流出口速度越高，u0越大，自然um值就会越大。um值（即射到达切圆边的速度）越高，其射流刚性就越好，射流偏移就会小下来，因此，射流动量矩流率越大，实际切圆相对就会越小。2.3 气流偏斜 造成气流偏斜主要有两方面原因：一是由于燃烧器喷口轴线与相邻两侧墙的夹角不同，造成射流两侧的补气条件不同，形成静压差；二是由于炉内旋转气流对气流的横向撞击使射流偏转。2.4 燃烧器组高宽比及燃烧器喷口间隙 燃烧器组高宽比及燃烧器喷口间隙也影响射流两侧的补气条件。燃烧器组高宽比越大时，燃烧器组中间部分从上下两侧获取补气的条件越差。燃烧器高宽比增加，射流偏转加剧。对于高宽比较大的燃烧器，最容易偏斜的射

6、流是在燃烧器中部。如将燃烧器分组，可减小偏斜。组与组之间的间距可起到气流迎风面和背风面两侧压差平衡的作用。分组后，实际切圆直径可相应减小2.5 一次风、二次风的动量比 一次风速主要根据煤粉着火以及输送的需要和火焰传播速度选取，二次风速主要根据风粉气流混合扩散燃烧和焦碳燃尽的需要选取。一次风射流偏斜的原因之一就是上游邻角横扫过来的惯性力F，F是由上游一、二次风混合后形成的综合动量决定的。一、二次风动量比越大，则一次风射流偏斜程度越大，炉内实际切圆越大，越易引起结渣。2.6 一次风射流刚性 刚性是抗偏转能力的度量。它与喷口的结构及射流的动量有关。细长型喷口射流刚性比矮胖型要差。当一次风射流动量增大

7、时，气流抗偏转能力增强。一次风速高，可迟煤粉的着火。使着火点离燃烧器较远，火焰高温区也相应推移到炉膛中心，可避免喷口附近结渣。在四角切圆燃烧锅炉中，提高一次风速还可增加一次风射流的刚性，减少由于射流两侧静压作用而产生的偏转，避免一次风气流直接冲刷水冷壁而产生结渣。不过应该注意的是，一次风速提高，要受到煤粉着火条件的限制。2.7 燃烧煤种及燃烧过程相对温度较低（<400）的一、二、三次风射流进入炉膛后，射流迅速吸热，温度迅速升高，体积也剧烈膨胀。煤粉燃烧过程不是一等温过程。上式（1）中未能针对剧烈的燃烧化学反应作出解释，气体的体积膨胀必然带来射流的偏移，实际切圆直径的增大。而燃烧化学反应的

8、剧烈程度，与煤种、燃烧方式，燃烧过程紧密相联，对挥发分容易着火的烟煤由于其着火速度快，火焰传播速度快，燃烧化学反应剧烈，体积膨胀比也大，射流偏转自然就较大。对难着火无烟煤、劣质烟煤由于其燃烧化学反应慢，体积膨胀也小，膨胀造成的射流偏移也小。实际切圆直径相对也就小。2.8 四角风粉的均匀性 当燃烧器配风不均匀或锅炉降负荷、燃烧器缺角或缺对角运行时，炉内火焰中心会发生偏斜。炽热煤粉气流直接冲刷水冷壁，造成局部热负荷过高，这极易引起结渣。因此，运行时要尽量调平四角风量。降低负荷时，则要避免缺角情况。 要保证空气和燃料的混合良好，避免在水冷壁附近形成还原性气氛，防止局部严重积灰、结渣。当一、二次风的位

9、置、风速、风量不均匀时，尽管炉内总空气量大，但仍会出现局部区域炽热焦碳和挥发分得不到氧气而出现局部还原性气氛，易引起结渣。3锅炉改造前冷态试验根据冷态模化条件动量相等的原则，我们进行了飘带试验和炉膛速度场的测量：3.1 飘带试验丁甲丙1000800-1100下二丁甲丙乙 600-9000-200-8000-200-660400-900下一丁甲丙乙0-500-90000-200-7000-200-5000-200-900上一 丁甲丙12001300-1700中二 图1 改前飘带试验的示意图说明：此为飘带试验的示意图；图中数值的单位是：mm；图中

10、0表示贴墙； 从图中我们可以看出：冷态时，下一次风和上一次风已贴壁了，而且贴壁严重，说明切圆燃烧方式组织的不好，切圆太大。3.2 炉膛速度场的测量结果：图2 下二次风速度分布图图3 下一次风速度分布图通过计算，得到下二次风冷态时实际切圆直径为Ø5200mm，下一次风冷态时实际切圆直径为Ø5240.8mm，这样的直径也明显偏大。 冷态试验看出流场组织的不好，造成切圆偏大，这也是结渣的原因之一。4炉内实际切圆公式的修正与计算 综合以上分析的影响因素，参考文献3-6，提出以下关系式： （2）式中： 假想切圆直径与炉膛等效直径之比； 燃烧器的高宽比； 燃烧器的间隙比； 二、一次风动

11、量比； -针对单台锅炉的修正系数； 实际切圆直径与炉膛等效直径之比； 而其中的修正系数是非常重要的参数，对于不同的锅炉是完全不一样的，利用锅炉改前冷态动力场数据，可以得到一个可信的针对火电厂锅炉固定锅炉的修正系数，再利用该系数来指导燃烧系统的改造设计。 参考锅炉设计资料可；二次风与一次风的动量比为：3.85；实测下二次风切圆直径为5200mm，将以上数据带入公式(2)可计算得到： K=1.19；根据得到的k系数，提出2#锅炉燃烧系统改造方案： 将下二次风假想切圆直径由原来的Ø850mm改为Ø700mm，同时将下二次风管中废弃的点火枪抽出，尽量减少对二次风管气流的阻塞； 将下

12、一次风假想切圆直径改为正切Ø400mm,下一次风喷口的V型由垂直方向改为水平方向，增加一次风气流刚性； 将上一次风假想切圆直径改为正切Ø400mm； 中上二次风假想切圆直径由原来的Ø850mm改为Ø700mm； 三次风喷口方向改为由原来的下倾改为水平，假想切圆直径由原来的反切Ø600mm改为正切Ø400mm，在现有喷口中间加一垂直加强板，与喷口等长，采用12mm厚度不锈钢钢板制作。5热电站锅炉改后冷态5.1 飘带试验丁甲丙乙184019201650下二丁甲丙乙 1170162013501200下一丁甲丙乙126012701230120

13、0上一图4 改后飘带试验的示意图从上图我们可以看出：在改造前所见到的贴壁的现象已消除，气流较稳定，说明气流的刚性也增强了。5.2 炉膛速度场的测量结果图5 下二次风速度分布图 图6 下一次风速度分布图通过上图可以算出左右的速度最大点与前后的速度最大点之间的距离平均约为3785mm；与改造前比较已明显减小。公式计算得到实际切圆大小：3840mm，而测量的实际切圆大小：3785mm；误差(3840-3785)/38401.4%，说明得到实际切圆公式很有参考价值，可指导实际锅炉的改造。结论：通过对某电站锅炉的改造前冷态试验和改后冷态试验研究，得到以下结论： 改造前的冷态试验表明：切圆直径过大，达&#

14、216;5200mm，对结渣造成了影响；飘带显示下一次风、上一次风已贴墙。 改造后的冷态试验数据表明：切圆大小适中，切圆减小到Ø3785mm左右。飘带显示下一次风、上一次风已不贴墙。 通过对炉内冷态实际的切圆大小的测量发现：一次风切圆直径受二次风切圆直径影响，一次风气流主要跟随二次风气流运动。 考虑多方影响因素的前提下，提出了合理的实际切圆计算公式，并在实际锅炉上进行了相关系数的标定。根据标定后的计算公式指导了其后的改造，改后的试验数据显示：计算值与实测值误差为1.4%。说明该公式较为精确、可信，这个公式揭示了实际切圆直径随一次风、二次风速变化的关系，在热态运行时将能有效指导一次风速、二次风速的调整。这对热电站热态运行后的实际切圆预测及减少结焦有重要意义。致 谢感谢西安热工院教授给予的热情指导。参 考 文 献 1.曾汉才,胡泰来,姚斌.同心双切圆燃烧系统的研究与评价.电站系统工程,1996(4):33-36.2.徐通模.锅炉燃烧设备M.西安：西安交通大学出版社.1990.3.刘福国,潘凤国.切向燃烧炉内实际切圆直径的回归分析.锅炉技术,1999(2):7-9.4.陈刚.四角切向燃煤锅炉内实际切圆的计算.电站系统工程,2002(4):17-18.5.王敬喜.四角切向燃烧燃