1000MW超超临界锅炉反向双切圆燃烧系统试验研究

1000MW 超超临界锅炉反向双切圆燃烧系统试验研究
刘思平 华润电力（海丰）有限公司 王毅斌 周 静 西安交通大学热能工程系
1.概述
华润电力（海丰）有限公司（以下简称“海丰电厂”）2×1000MW 超超临界燃煤机组锅炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的HG-
3100/28.25-YM4型超超临界变压运行直流锅炉，采用П型布置、单炉膛、一次中间再热、低NOX 主燃烧器和高位燃尽风分级燃烧技术、反向双切圆燃烧方式，每台锅炉配6层煤粉燃烧器，每层各8只，共48只煤粉燃烧器。

A 层燃烧器配有微油点火装置，共8支，单支出力为120kg/h，还隔层配置AB、CD、EF 三层大油枪，共24支，单支出力为1275kg/h。

制粉系统为ZGM123G-II 型中速磨煤机冷一次风正压直吹式制粉系统，每台炉配6台磨煤机，BMCR 工况下5运1备，并配备6台与之相适的电子称重式给煤机（型号）。

2.问题现状及原因分析
2.1问题现状
海丰电厂机组投产后锅炉运行时存在如下
至后来的三维有限元分析模型。

Sun 等较早地在Mindlin 板理论的贴补胶接修理的基础上构建了二维有限元模型，在这个前提下发展了被命名为三层模型（Three Layer Model）的二维有限元模型，母板、胶层和补片都选择板单元，模拟胶层过程中运用弹性连续体，而非剪切弹簧元。

这种模型不仅能够对单侧补片修导致成的弯曲进行模拟，而且能够对修补结构中的热残余应力加以考虑。

4.挖补修理分析
现阶段在理论和试验方面，关于复合材料挖补修理的重心主要集中在补斜面形或阶梯形单搭接试件和搭接挖补修理试件，对于三维补片挖补修理构型关注不足。

除此之外，复合材料蜂窝夹层结构的面板同样也是选择这种修理方式。

这种修理方式在研究对象方面与贴补修理具有相似性，通常可以划分为搭接及其补片挖补修理试件。

其研究方式的重心通常主要集中在试验及其理论分析，理论分析主要两种具体分析方法：解析法及其有限元数值分析，相对而言，前者的研究较少，通常在斜面形搭接试件的分析领域有所运用。

近年来，计算机计算能力的提高，有限元法随着计算机计算能力的快速提升而成为获得应力场，同时通过科学实的失效准则实现了对修理结构失效工具的科学预测。

最早由Werren 和Hart-Smith 构建了关于斜面形及其阶梯形单搭接试件的强度分析模型，通过胶层的弹性理论实现了胶粘连接强度的有效预测。

Baker 等也提出了一种计算方法，这种方法用来计算在一个简单的斜面连接中的材料强度及其剪应
力。

Ahn 在Hart-Smith 构建的方法的前提下将这种模型进行了扩展，胶层被Ahn 处理为较为理想的具有弹塑性的材料，除此之外Chu 和Ahn 在该分析模型的基础上创建了一套计算程序，该程序用来预测斜面搭接强度。

Robson 等运用通过较为经典的层板理论对斜接式补片修理结构的强度进行了分析。

Adkins 和Pipes 共同建立了斜面挖补修理接头在拉伸载荷的作用之下的二维有限元分析模型，并对斜坡角、损伤长度及其额外补片对修理强度分别及其共同施加的影响。

Harman 和Wang 等对挖补修理的优化设计方案进行了探讨，并共同建立了其二维有限元模型。

Odi 和Friend 提出了通过二维平面应力模式来使得复合材料胶接体的层合板性质保值不变，而且运用复合材料接头在拉伸载荷作用生成的试验数据对模型的有效性进行了验证。

Kristin 等通过二维层合板对各种胶接面构型对于修理强度产生的影响。

Campilho 等对斜面胶粘搭接矩形板试件的有限元模型进行了构建。

Baker 等对复合材料飞机蜂窝夹层结构的碳纤维增强复合材料面板在弯曲载荷作用下的斜接式修理进行了研究，研究包含了各种湿热环境下的失效应及其区域，这些湿热环境包括室温及其高温，干态及其湿态。

Found 和Friend 对在拉伸载荷作用下碳纤维增强复合材料斜接式修理的失效进行了研究。

综上所述，因为二维有限元模型目前仅可以模拟0度和90度方向铺层的复合材料，不能模拟补片挖补修理构型，所以，需要构建三维有限元模型对补片挖补修理开展模拟分析。

通过构建三维有限元分析模型各主要斜搭接参数的影响展开详细分析。

通过三维有限元对斜接
式挖补修理，得出优化的斜坡角约是7度，然而这种模型的网格划分太过笼统与粗糙。

因此在接下来的时间内，须重点对这种模型的网格划分进行细化。

问题：
（1）炉膛左右两侧烟气温度及过热器、再热器汽温偏差较大（最大时达90℃），为平衡过热器汽温偏差需投大量的减温水；
（2）燃烧器区域冷壁、前屏过热器、后屏过热器、末级过热器、高温再热器经常出现超温现象，尤其是燃烧器区域水冷壁2015年两台炉出现过4次超温爆管情况；2.2原因分析
（1）烟气温度偏差大
虽在两台炉在吹管前均已进行冷态动力力场试验及调整，但投产后前水#2、#3号角及后#5、#8角烟气温度偏高，属于二次风风量标定、喷口摆角角度及一次风调平、标定未达到预期效果，运行实际炉膛内切圆燃烧存在程椭圆状偏斜现象，造成两侧烟气温度偏差大；虽经电科院指导进行热态燃烧调整，但收效甚微。

经检修时发现部分燃烧器风室隔板变形，造成二次风喷嘴摆动时卡死，燃烧器摆角拐臂的安全销被切断，喷嘴下摆，运行中不能调节摆角。

（2）水冷壁容易超温、爆管
燃尽风燃烧器水冷壁区域属于高热负荷区，管壁温度偏高，且在变负荷时水煤比调节不及时容易超温。

同时，因中部水冷壁壁温测点安装在水冷壁的背火面，而背火面与向火面存在约30℃的温度偏差，报警温度设定值为480℃，当温度测点达到480℃时，向火面实际温度已超温达510℃，两台锅炉历次超温爆管位置及水冷壁鳍片拉裂位置集中在#2、#3、#5角燃烬风燃烧器区域。

3.解决方案
3.1重新进行冷态空气动力场试验
（1）冷态空气动力场试验过程
空气动力场的合理性对于炉内煤粉燃烧稳定性、蒸汽侧汽温偏差等具有重要影响。

2016年1月，在201C 检修期间,利用炉内检修平台由西安热工院对#2锅炉重新进行冷态空气动力场试验，对炉内检查出的喷燃器口、二次风喷口存在的缺陷进行处理。

试验前在煤粉管道上重新安装了72只一次风测点，对一次风主管与支管风速、二次风总风量和水冷壁贴壁风进行测量，并与机组表盘显示值进行对比与修订，同时通过调节可调缩孔、煤粉分配器使每台在运磨煤机的主风管风速和各支管风速偏差在±5%以内。

最后进行炉内烟花示踪，判断每层燃烧器喷口气流的偏斜程度，从而可以较为详细地了解炉膛内部气流的分布特征，为锅炉热态运行
提供数据与理论支撑。

（2）试验结果
通过对A 与B 磨煤机部分风粉管A3/4、A5/6、B3/4和B5/6进行可调缩孔调平，最终实现将各磨主风管风速偏差降低在±5%以内。

一次风支管分别将A1、B1、A5、A6、A7的分配器关小5%、5%、10%、5%、5%后，各磨一次风支管的风速偏差降低在±5%之内。

烟花示踪的结果发现炉内#2角的第2/4/12/13/15层，#5角的3/4/10/14/18层，#3角第5/6/7/8/10层均会出现了火焰偏向水冷壁的现象。

（3）试验后的调整
根据冷态动力场试验结果，在冷态对#3角燃烧器二次风喷嘴摆角角度再次进行调整，消除火焰下偏问题，#2炉2月下旬点火后，在热态时将#3、#5角一、二次风适当开大，确保火焰刚性，避免火焰刷墙现象。

目前#2炉炉膛左右侧烟气气温偏差有效减少（＜10℃），左右侧汽温偏差及超温现象也得到有效控制，减温水量投用也大大减少，进一步提高了机组运行的经济性，取得了较好的优化效果。

3.2优化点火及磨煤机运行方式
（1）点火方式
海丰电厂锅炉燃烧系统采用微油点火系统，将A 层煤粉燃烧器为微油点火燃烧器，锅炉点火时，以往为节约用油，先点八只微油小油枪，暖风器加热A 磨入口一次风，分离器出口温度至70℃时启动A 磨。

但由于小油枪出力较小，热量较低，自微油点火至投磨期间不足以将炉膛内水冷壁有效加热，投磨后炉膛热负荷瞬间增加，温度上升过快，易造成中下部局部水冷壁超温及鳍片应力变化大易产生裂纹，进而延伸至管子根部造成管子母材撕裂爆管，同时煤粉燃烧不完全，飞灰含碳量偏高，燃烧推迟，尾部烟道内易形成煤粉堆积，存在着火的不安全因素。

针对微油点火A 磨的启动方式存在的弊端，海丰电厂对点火方式进行了优化，锅炉点火时先投大油枪对炉膛进行充分加热，再投微油小油枪，A 磨入口风温180℃时再投运，可有效控制启动期间水冷壁壁温，也有助于提高煤粉燃烬度及降低飞灰含碳量。

（2）磨煤机运行方式
机组启动时优化磨煤机投运方式，先投启动磨A 磨，再启C 磨，其次是D 磨，机组启动过程中，尤其是在干湿态转变的时候水冷壁管最容易超温，所以可以选择快速完成干湿态转换，同时可以最大限度的降低A 磨的出力，
条件允许可以尽快将机组负荷升至500MW。

机组在500MW 以下干态运行时，严格控制过热度，不宜高于15℃。

锅炉正常运行时尽可能运行上层磨，A 磨尽可能不投运。

将原来投用下层磨运行方式改为多投上层磨，A 磨为锅炉点火启动时投用，待机组带高负荷时停用。

目前机组在400MW-800MW 以上负荷时基本维持C、D、E、F 中3台磨或4台磨运行，停用A、B 磨，当机组需满负荷运行时再增开A/B 磨，这样既确保水冷壁中部及上部不超温，也降低了飞灰含碳量。

（3）调整中部过渡段入口水冷壁汽温限值
根据锅炉厂运行说明将中部水冷壁入口壁温限值设定为480℃，由于壁温测点安装在水冷壁管背火面，背火面与向火面最少存在30℃温差，故当壁温测点温度为480℃时，向火面温度已达510℃，因此将中部水冷壁入口壁温限值降低至450℃进行优化控制，自2015年9月优化该报警保护定值以来，海丰电厂两台锅炉均未再出现爆管泄漏事件，并且保持稳定运行。

4.结束语
海丰电厂机组投产一年多以来，经过技术部专业人员与发电部运行人员共同努力，结合外部调研及委托西安热工院进行冷态空气动力场试验以后，解决了水冷壁超温爆管、火焰偏斜、炉膛左右侧烟气偏差等问题，锅炉灰、渣含碳量得以逐步降低，在煤种（烟煤掺烧印尼煤，发热量约为4500大卡）偏离设计煤种较多的情况下,锅炉热效率能高于设计值(94.4%)，锅炉燃烧得到了较好的优化调整，并取得了较好的效果。