200MW水煤浆锅炉的设计

第26卷第3期动程Vol. 26 No. 32006年6月Joumal of Power EngineeringJune 2006文章编号:1000-6761(2006)03-369-06200MW水煤浆锅炉的设计胡中兴,刘凤美,龚光辉(武汉锅炉股份有限公司,武汉430070)摘要:分析了水煤浆的特点,提出了水煤浆锅炉设计中应注意的问题及关键参数的选取方法,并介绍了我国首台200MW水煤浆锅炉的设计特点。图2表关键词:动力机械工程;锅炉;水煤浆;设计方法;设计特点中图分类号:TK229文献标识码:ADesign of a 200 MW Coal-Water Slurry Firing BoilerHU Zhong-xing, LIU Feng-mei, GONG Guang-huiWuhan Boiler Co Ltd, Wuhan 430070, China)Abstract: The special features of coal-water slurry are being analyzed and noteworthy problems met in the design of coal-ater glurry-fired boilers, as well as ways of choosing the key parameters, are mentioned, together with an introduction tothe design particularities of the first domestics manufactured 200 MW coal-water slurry-fired boiler. Figs 2 and tables 6Keywords: power and mechanical engineering; boiler; coal-water slurry; design method design particularity众所周知,我国石油资源相对贫乏,而且对燃油制造(改造)好水煤浆锅炉还得应用水煤浆燃烧的特产生的污染物排放有进一步的要求,而水煤浆是以性,结合好煤粉锅炉的特点,尚需有进一步的实践与煤代油的清洁燃料。如何应用好水煤浆,设计制造总结过程。出更好的水煤浆锅炉以适应国民经济的发展,这副重担无疑是落在了锅炉设计者的身上。1国内水煤浆锅炉的发展经过多年研究实践,对水煤浆燃料的认识水平我国水煤浆锅炉初期从小型(10t/h~20t/h)燃不断提髙。目前,水煤浆锅炉产品基本上已形成系油锅炉改烧水煤浆开始,经20多年的努力,已有了列,大容量200MW水煤浆锅炉也已正在安装,即将长足的发展,有的厂家已形成系列,如:武汉锅炉股完成调试投运。份有限公司产品系列(表1)。初期的水煤浆锅炉只是解决了水煤浆能否燃烧武汉锅炉股份有限公司还进行了220t/h、75t/h问题,现在的水煤浆锅炉不仅要安全运行,还要燃油炉改水煤浆锅炉的改造设计制造,经运行测定,达烧稳定不结渣,燃尽度高,锅炉效率高,而且污染排到设计出力,NO,排放均达到要求放物NO.SO,要低。虽然水煤浆锅炉燃烧,论其实质仍是煤粉燃烧,2水煤浆锅炉设计技术但在一些燃烧机理上有水煤浆燃烧的独特一面。水2.1原煤分析煤浆锅炉与煤粉锅炉相比,不论在投运时间、投运锅中国煤化工对锅炉的设计要炉数量、运行实践远远不及煤粉锅炉,因此如何设计求外CNMHG特性,还要分析水煤浆特性和添加剂特性。收稿日期:2005-08-25分析制浆原煤特性是为了确定煤浆着火稳定作者简介胡中兴男高级工程师长期从事电站锅炉及水煤浆性,燃尽性,结渣性灰的粘污性及磨损性也是为了锅炉的设计研究。370·动力工程第26卷表1武汉锅炉股份有限公司水煤浆锅炉产品系列Tab1 Wuhan Boiler Co. Ltds coal-water slurry fired boiler product series项目WC6013.7WGZ410/9. 8WGZ2209,8WGZ30/5.3WGZ75/3.82WGZ35/3.82额定蒸发量h65,32额定压力/MPa9.85.3.823.82额定温度P°C给水温度/C燃料种类煤浆、油谋浆、油煤浆煤浆、油容积热负荷/kWm-3截面热负荷/MWm-2蒸汽蒸汽燃烧器布置四角切圆四角切圆四角切圆四角切圆四角切圆四角切圆燃烧器个数次风层数确定水煤浆储存、输送、雾化、着火热等条件。炉膛截面热负荷是直接影响到煤浆着火及火焰分析添加剂特性是为了确定对受热面粘污和结稳定,并影响到燃烧区域水冷壁结焦的关键因素灰影响。为保证高水分煤浆迅速着火稳燃,又不能结焦,宜取22水煤浆燃烧技术同容量燃煤粉锅炉的上限值,水煤浆锅炉炉炉膛宜大中型水煤浆锅炉采用喷雾悬浮燃烧,它实质作成瘦高形。上也是煤粉燃烧。它要求像燃油一样的雾化质量,2.4.2炉膛容积热负荷又要像煤粉锅炉一样,一、二次风配风要合理,又要炉膛容积热负荷是反映结渣和燃烧效率的参有合适的炉膛才能保证水煤浆的稳燃和燃尽。数,它反映了燃料在炉内的停留时间。水煤浆着火水煤浆含有33%左右的水分,增加了着火热,热大,着火延迟,煤浆颗粒成团结聚颗粒比煤粉粗是同种煤粉的1.66~1.87倍。理论燃烧温度低燃尽比煤粉困难,要求在炉膛内停留时间长,因此宜100吣C~200°C,延长了着火距离。水煤浆是高粘度取同容量煤粉锅炉的低值。的两相流体需用高能量的蒸汽来雾化,喷嘴出口速2.4.3燃烧器区域壁面热负荷度可达200~300m/s,高速流体要达到水分迅速蒸控制在燃烧器区域不结渣。发并着火是十分困难的。水煤浆的粘度是重油的数2.44布置适量卫燃带十倍,雾化细度直接影响着火,水煤浆雾化的好坏是为有利水煤浆的着火,宜在水煤浆燃烧器的周保证良好着火的关键围局部设置卫燃带。中小型锅炉卫燃带需相对多23水煤浆燃烧器的布置些,大型锅炉宜少布置或不布置卫燃带。燃烧器布置宜采用四角切园布置,合理组织好2.5上排燃烧器至大屏底的距离炉内空气动力场,加强回流高温烟气对煤浆气流加水煤浆的燃尽高度比一般煤粉炉高,宜比同容热是改善着火的关键。设计适合燃水煤浆的燃烧量煤粉锅炉的推荐值高1m左右。器。合理分配一次风量不应影响煤浆着火后燃烧2.6水煤浆锅炉热力计算的需要。为更进一步降低NO,排放,需采用再燃技我国水煤浆锅炉设计尚在发展和研究阶段,与术的低NO,燃烧器。煤粉世物龈的时间短,锅炉台数与炉膛形状相匹配,做到点火方便,燃烧稳定,少中国煤化工,更无现成的水煤燃尽度高,安全经济,长周期运行,受热面不结渣,不浆锅CNMHG热力计算还只是根积灰,烟温偏差小,污染排放物低据目前运行的几台水煤浆锅炉的运行实践,结合煤24合理选择炉膛热负荷粉锅炉热力计算标准,设定或选定设计计算参数进24.1炉膛截面热负荷行计算。但武汉锅炉股份有限公司设计制造(改造第3期胡中兴,等:200MW水煤浆锅炉的设计371的水煤浆锅炉经投运后测定,锅炉运行参数与设计续表参数基本相符,这说明在水煤浆锅炉热力计算中所炉膛容积热负荷q,/kWm-3选定的设计计算参数基本上是符合实际的。辐射受热面热负荷q/kWm2热力计算中的主要选定的计算参数有:①炉膛炉膛断面热负荷gMW·m出口过量空气系数a;②水冷壁污染系数ε;③炉燃烧器区域壁面热负荷q/MWm2膛火焰黑度和炉膛黑度a,和a1值;④炉膛火焰中炉膛出口过剩空气系数a心系数M值;⑤火焰中心与燃烧器中心不一致的修正系数△X值。3.1.2锅炉燃料特性2.7炉膛及尾部受热面的污染(1)制浆用煤质分析(表3)般情况下水煤浆燃烧后灰沾污比煤粉大。为表3制浆用煤质分析此炉膛、过热器及尾部受热面均需考虑装设有效的Tab 3 Analysis of the coal for preparing吹灰设备。the coal-water slurry2,8低温腐蚀项目设计煤种校核煤种尾部受热面尚需考虑防低温腐蚀的措施。工业分析3200MW水煤浆锅炉设计项目设计煤种校核煤种WCZ670137-15型锅炉是为龙光集团南海发收到基全水份空气干燥基水份M。/%电一厂有限公司设计制造的200MW超高压水煤浆锅炉。干燥无灰基挥发份V/%32-5锅炉采用自然循环,倒U形布置,单锅筒,单炉膛,一次中间再热,水煤浆喷雾悬浮燃烧,喷枪四角收到基低位发热量Qm/Mkg125.9~27.2125.69布置,切向燃烧,尾部竖井为双烟道,烟气挡板调节元素分析再热汽温,喷水减温控制过热汽温,刮板捞渣机连续收到基碳份C/%71.43固态排渣,回转式空气预热器,平衡通风,全钢构架,收到基氢份高强螺栓连接,露天布置。收到基氧份O/%3.1锅炉的基本性能收到基氮份1.523.1.1锅炉主要技术参数及热力特性(表2)收到基硫份S/%0.35灰成份分析表2锅炉主要技术参数及热力特性二氧化硅Tab 2 Main technical parameters and thermodynamic三氧化二铝Al0,/%properties of the boiler三氧化二铁Fe, O/%c项目氧化钙锅炉额定蒸发量/th氧化镁过热蒸汽出口压力/MPa13.73氧化钛TO2/%过热蒸汽出口温度/C氧化二钾K,0/%再热蒸汽流量/h氧化二钠Na, O/%再热蒸汽进口压力/MPa2.563再热蒸汽进口温度PCT/°C再热蒸汽出口温度/C灰变形温度给水温度PC246.7灰软化温度冷风温度PC>1450热风温度PC中国煤化工排烟温度PC138.1CNMHG计算热效率v%91(3)锅炉点火、助燃用200号重油(表5)燃料耗量/th3.1.3锅炉运行条件炉膛出口温度/Cl110.6锅炉运行工况:①100%燃水煤浆;②100%燃372动力工程第26卷重油。表4水煤浆分析Tab. 4 The coal-water mixtures analysi.设计煤种校核煤种工业分析收到基全水份M /空气干燥基水份M/%收到基灰份干燥无灰基挥发份元素分析收到基碳份51,88收到基氢份H-/%收到基氧份收到基氮份N/%1.17收到基硫份S/%水煤浆品质煤浓度Wt%密度(20°C)粘度(20°C)100sec-1p/Cp1000应用基灰份A。/%收到基低位发热量Qm/MJkg煤粒粒度(<200μm)/%80-85图1锅炉总图Fig 1 Overall layout of the boiler表5200号量油成份Tab. 5 Composition of heavy oil No 200炉膛上方布置了前屏、后屏,在折焰角上方及水数值平烟道依次布置了高温过热器和高温再热器,尾部运动粘度(100°C)竖井为并联的双烟道,竖井的前烟道(主烟道)布置机械杂质/%2.5低温再热器和省煤器,竖井的后烟道(旁烟道)布置收到基灰份A/%低温过热器和省煤器,回转式空气预热器布置在尾收到基水份M。%部钢构架上。收到基碳C/%收到基氢H/%(1)炉膛四周为60×6.5(mm)节距80mm的收到基氧O/%上升管,管间加焊扁钢组成膜式壁,炉膛宽119200收到基氮N/%0.52mm,深10800mm,高45500mm。上排一次风口距大收到基硫S。/%屏底14500mm。前后水冷壁下部为55°倾角的冷灰斗,后水冷壁上部向炉膛内折3000mm形成折焰角。低位发热量/MJ·kg“1为运行、检测和维修的需要,炉膛和尾部竖井设置了窥视孔、打焦孔、火焰ⅣV监视、热工测量、吹灰锅炉运行方式:带基本负荷并具有变负荷调峰及检查人孔等。能力,调节范围为40%~100%BMCR给水调节:变速泵调节。中国煤化工烧技术,该技术在国内除渣方式:固态排渣。CNMHG业绩。燃烧器布置示于空气预热器进风加热方式:热风再循环3.2整体布置本锅炉炉膛横截面宽深比为1.1,采用正四角锅炉总图示于图1。布置直流燃烧器的切圆燃烧方式。为了组织良好的第3期胡中兴,等:200MW水煤浆锅炉的设计373OFA INOFA次风OFA水煤浆中上二次风水煤浆中中二次风水煤浆(点火油枪)炉右侧下上次风水煤浆水煤浆下下串图2燃烧器布置图Fig 2 Arrangement of the burners炉内空气动力场以及防止水冷壁结渣,确定采用风量测量装置,所有燃烧器喷口均用耐热不锈钢。次风笔二次风双切圆布置,其中一、二次风切圆直径燃烧器与水冷壁固接可随水冷壁膨胀,同时燃烧器分别为∮800和中1000,且逆时针旋转。燃烧器最上顶部还设有弹簧支吊架,燃烧器看火孔、打焦孔装置层布置了燃尽风(OFA)并采用反切,其切圆直径为设在前后墙角部。插入燃烧器中心管的水煤浆枪或∮800,反切之目的是强化水煤浆后期燃烧,有利于焦油枪的更换可在炉外进行。炭的燃尽,同时反切还有利于消除切圆扭转残余,降3)喷嘴的设计本锅炉使用浙江大学研制的低炉膛出口烟温偏差撞击式多级雾化型喷嘴,使用容量为2.57th的油每角燃烧器沿高度分上、下2组,为避免燃油时喷嘴。火焰中心偏低,故上组和下组分别布置三层和二层水煤浆及烧油喷嘴的技术参数(表6)。水煤浆(油)喷嘴。燃烧器最上层为OFA喷嘴,第五表6喷嘴的技术参数层水煤浆喷嘴为再燃喷口,上、下2组均设有上、下Tab. 6 Technical parameter of the nozzles二次风口和中二次风口。上组的上二次风口布置辅项目水煤浆助油枪,作为烧油工况时调整主蒸汽和再热蒸汽温每支设计容量/th“12.57度的辅助手段。在上、下2组喷燃器的下二次风口支数中均装有自动点火装置,单只点火油喷嘴出力为每支容量范围h1.9t/h,总点火燃油量按锅炉BMCR负荷的30%设喷嘴前浆(油)压/MPa计。四角共布置20支水煤浆(或油)喷枪,燃烧水煤1.5-2.0浆或油在100%BMCR负荷时只投用18支枪。喷嘴前雾化用蒸汽压力MP09(280°C)(≥300°)锅炉自冷态启动时,处于下二次风喷口的燃油105(粘度<1200mPa”8油枪首先投用启动锅炉到30%负荷,再逐个投入主雾化细度(SMD)<3-4E燃烧器,待锅炉达到要求负荷且水煤浆能稳定燃烧雾化汽有时,停用启动油枪。中国煤化工在运行时,若因负荷发生较大变化或燃烧发生CNMHG磨材料,喷嘴使变化而需停用某一层喷口时,仍应有一定的风量通用寿命可达20h以上。过以防喷嘴烧坏。(4)燃油装置配三层重油枪,共12只,二层燃烧器的各种风管的风量均可单独调节并配备点火油枪,共8只。在670Ⅶh及610th燃油工况374动力工程第26卷时,20只油枪同时投运,采用烟气再循环作为调节但其容积热负荷及断面热负荷的选取、卫燃带的敷过热汽温及再热汽温的辅助手段。8只重油点火燃设有别于中小型锅炉,设计时应予重视烧器的总输入热量按30%BMCR计算。点火采用二对于200MW水煤浆锅炉,当其100%燃油时,级点火,即高能点火器点燃重油油枪,再点燃水煤浆为保证汽温能达到设计要求,除合理布置燃烧器外,喷嘴。应考虑烟气再循环系统,其烟气再循环率为25%左33除渣装置和吹灰系统右,有较大的再循环烟气量。因此,对更大容量的水锅炉除渣装置采用螺旋式连续除渣装置。煤浆锅炉,若同时考虑100%燃油并保证参数,其所为了保持受热面清洁,保证锅炉的效率和出力,需再循环烟气量会更大,对锅炉设计、稳定燃烧均会合理有效地设置吹灰器非常重要。根据南海发电带来较大困难。厂有限公司水煤浆特点,在炉膛设置33台短伸缩式为防止尾部低温受热面腐蚀,当锅炉低负荷运吹灰器,在水平烟道设置了12台长伸缩式吹灰器,行及燃油时,空气预热器应考虑热风再循环系统,使尾部竖井设置了16台声波吹灰器,烟气挡板处设置进口冷风温度提高到60°C左右,并将空气预热器末了12台吹灰装置。段受热面设计为具有耐低温腐蚀性能的材料。4结论水煤浆作为大型高参数锅炉的燃料是可行的EI收录信息《动力工程》2006年第1期Ei收录论文史进渊等:超临界和超超临界汽轮机汽缸传热系数的研究(P1);韦康等:气隙激振力对转子临界转速的影响(P6);张俊红等:大型旋转轴系低频振动主动控制执行系统的开发(P10);冯伟忠:900MW超临界塔式锅炉的技术特点(P15);王军等:600MW超临界锅炉的调试及运行(P2);薛倩等:超临界和超超临界锅炉单相受热管的动态特性(P27);申春梅等:超超临界锅炉炉内燃烧过程的数值模拟(P32);樊泉桂:超临界锅炉水冷壁工质温度的控制(P38);杨海瑞等:循环流化床锅炉的设计理论与设计参数的确定(P4);黄永军等:大型循环流化床锅炉的结构布置与试验研究(P49);张妮乐等:根据煤灰成分判别CFB锅炉磨损特性的新方法P54);李道林等:链条炉排层燃锅炉实现气煤混烧的理论和实践(P59);周永刚:扩大煤种适应性的锅炉燃烧系统改造(P65);李庚生等:WGZ2如0/9.8-12立式前置旋风炉改烧神华煤的试验研究(Pη0);赵伶玲等:旋流燃烧器的稳燃及其结构优化分析(P4);杨建国等:采用遗传算法优化的煤粉着火特性B神经网络预测模型P81);张毅等:电站锅炉运行性能综合预测模型(P84);刘吉臻等:用RBF网络整定的火电厂主汽温PD串级控制系统(P89);廖艳芬等:改进的混沌优化方法在电站机鉏负荷分配中的应用(門93);陈鸿伟等:锅炉高溫受热面金属壁温在线监测系统(門);周怀春等;煤粉射流吸热着火稳燃机理及新型稳燃技术的探讨(P101);刘聿拯等:汽轮发电机定子水冷器传热与阻力特性的实验研究(PI08);李一兴等:逆流式空气湿化器热力性能的火用效率分析(P112);刘泰生等:燃尽风对炉内流动和燃烧过程影响的数值模拟(P116);刘建忠等:煤燃烧反应活化能的两种研究方法的比较(P121);王国忠等:主燃区过量空气系数对再燃区速度场影响的试验研究(P125);刘亮等:混煤热解特性及燃烧过程的实验硏究(P130);于海龙等:喷嘴位置对新型水煤浆气化炉内流场的影响(P135);庞克亮等:在碱金属催化作用下煤焦与CO2的气化反应(P141);史月涛等:螺旋翅片管防磨和防积灰特性的试验研究(P]45);林鹏云等:天然气再燃降乐中国煤化工49).ring 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