再循环烟气对660MW二次再热锅炉蒸汽参数的影响

二次再热技术代表当前世界领先的燃煤火力发电技术[1],是目前提高火电机组热效率的有效途径。在相同主汽与再热蒸汽参数的条件下,二次再热机组热效率比一次再热机组提高1.5%~2%左 右[2],二氧化碳减排约3.6%[3],且目前技术成熟的铁素体和奥氏体合金材料能够满足二次再热超超临界机组的安全要求[4]。由于锅炉多了一级再热、汽轮机增加了一级循环做功,导致二次再热机组结构、调控和操作运行更加复杂[5],能量分配和调温的技术难度增加。

二次再热锅炉的受热面布置和汽温控制方法是依据锅炉基本负荷按最高效率确定的[6-8]。但由于中国火电机组运行时负荷多变[9-10],在非设计工况下会导致机组调温的不可控性大大提高。二次再热锅炉汽温调节方法主要有烟气再循环、燃烧器摆动和烟气挡板。虽然燃烧器摆动对汽温调节有一定效果,但如果燃烧器长时期运行在非零位置,会受烟气涡流影响,因此在正常运行时不采用燃烧器摆动方式调温;烟气挡板主要用于调节出口蒸汽的偏差;烟气再循环仍然是二次再热机组最主要的调温方法[11-12]。

在中国,哈尔滨锅炉厂受国外二次再热技术的启发,于2010年初启动了超超临界二次再热机组的开发工作[13],对二次再热技术尚缺乏细致、深入的理论研究,二次再热锅炉的运行参数往往都达不到设计的目标值,更难保证机组在变负荷下的稳定运行。目前,对这些问题的通常处理方法是通过燃烧调整试验获得相关参数[14-15],为工程设计及运行控制提供依据。试验方法数据准确,针对性强,但试验周期长,不可控性大,且受到许多客观因素的制约,难以获得系统、全面的结果。将试验研究与数值模拟相结合,可避免试验中一些无法回避的偶然因素,提供试验法无法获取的数据[16]。

本文将为解决二次再热机组调温方式和受热面吸热特性耦合难度大的技术难题[17],以数值模拟为主要研究手段,辅之以现场实测数据的验证。以某电厂660MW实际运行的二次再热机组为研究对象,研究再循烟气对锅炉蒸汽参数的影响,为二次再热锅炉的高效、清洁、稳定运行提供理论指导。

研究对象为某电厂660MW锅炉,该锅炉为二次中间再热、超超临界压力变压带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉,锅炉为 π 型、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、露天布置。以烟气再循环和烟气挡板为再热汽温主要调温手段,以摆动燃烧器辅助调温,同时在一、二级再热器之间的连接管道上装有事故减温水装置。锅炉主要设计参数见表1。锅炉按混合煤种设计,其中安源煤45%,陇东煤20%、山西煤20%、水城煤15%,煤质资料见表2。

锅炉模型结构示意图见图1。在炉膛上部和水平烟道,沿烟气流向,依次布置了分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器、高压高温再热器、低压高温再热器。尾部竖井采用双烟道结构,分别布置了立式/水平高压低温再热器、高压省煤器、立式/水平低压低温再热器、低压省煤器。在分烟道底部设置烟气调节挡板,来调整一、二次再热蒸汽的热量分配调节和降低出口蒸汽温度偏差。作为调节

表1 锅炉主要设计参数 Tab. 1 Main parameters of the boiler

表2 锅炉设计煤质 Tab. 2 Performance coal analysis of the boiler

图1 锅炉结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of boiler model

高、低压再热汽温的主要手段的循环烟气从省煤器出口抽取,经循环风机送到炉膛下部的再循环喷口,通过改变炉膛及对流受热面的烟气量和烟气温度,调整受热面的吸热量[18],进行汽温调节。通过调节尾部烟道出口的烟气挡板,调节一、二次再热蒸汽之间的汽温平衡。该方案具有调节简单,响应快,有利于再热汽温稳定,不存在低温腐蚀等优点。

计算模型示意图见图2,以过热器屏底为分隔截面,将模型一分为二,全面的分析出二次再热机组每种工况下的最佳调温策略。

图2 计算模型示意图 Fig. 2 Schematic diagram of calculation model

利用德国STEAG公司开发的电站工程系统软件EBSILON和商业软件FLUENT进行耦合,建立起工质侧与烟气侧的联系。首先利用FLUENT建立炉膛三维计算模型,进行炉内全过程数值模拟计算;然后利用EBSILON建立锅炉过热器、再热器系统模型,进行考虑炉内各部分换热的模拟计算;再通过模拟结果与工业测量数据对比来验证模型的合理性;最后确定不同工况下的最佳烟气再循环量。

炉内全过程的数值模拟采用三维稳态计算,SIMPLE算法。湍流模型采用Realizable k-ε 模型;用混合分数-概率密度函数模拟气相湍流燃烧;用P - 1辐射模型计算辐射传热;采用双平行竞争反应模型模拟煤粉挥发分析出;焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型;煤粉颗粒跟踪采用随机轨道方法。动量方程、能量方程、k方程、ε 方程全部采用二阶迎风格式离散。在边界处理上,燃烧器进口速度采用现场冷态试验结果,采用近壁函数法处理近壁面区域方程的过渡计算。边界条件见表3。

在网格处理上,由于主燃区结构复杂,对于中心风、一次风及内、外二次风通道单独划分网格难度大,所以本文将燃烧器复杂喷口简化为长方体喷口。冷灰斗区域对炉内流场的流动及煤粉燃烧的影

表3 燃烧模拟计算边界条件 Tab. 3 Boundary conditions of calculation model

响较小,因此该区域网格疏松。燃烧器区域是煤粉燃烧的主要区域,且与直流燃烧器连接,连接部分网格差异不宜太大,因此燃烧器区域网格采用两端密、中间疏的网格形式。计算域的网格无关性验证见图3。由图3可知,不同网格单元数计算结果之间存在一定差别,随着网格单元数的增加,相邻网

图3 计算域网格无关性验证 Fig. 3 Computational grid independent verification

格单元数之间的速度分布和炉膛出口氧量的差别呈逐渐减小的趋势。当网格单元数为3108184和4105160时,速度分布和炉膛出口氧量的数值已没有明显变化,说明采用3108184网格单元数时,既能保证计算有较高精度,又有较小的计算量。因此本文最终采用的是3108184网格单元数以及相应的网格分布规律生成计算网格。

用于锅炉系统仿真模拟的EBSILON软件[19-22],其原理是将热力系统中的设备模块化,用一组数学方程式,以搭积木的方式建立热力系统,从而得到一种适用广泛、应用灵活的稳态分析计算方法。它把锅炉模块分为烟气侧和蒸汽侧。烟气侧分为3个区域：反应区、辐射区、对流区。蒸汽侧分为3个区域：辐射受热面区、对流受热面区、辅助受热面区。其优势在于：该软件可以通过定义几何模型,比如管道、壁面尺寸、受热面布置方式等,准确评估辐射换热的细节,使模拟结果更加真实。

由于二次再热系统比较复杂,见图4,在模拟中我们主要把它分为四个子系统：给水子系统、过热器子系统、高压再热器子系统、低压再热器子系统。各子系统的主要参数参照表1。额定工况下过热器子系统中：一级减温水流量50t/h、二级减温水流量120t/h。非额定工况过热器子系统和再热器子系统均不采用减温水。其中FLUENT燃烧模拟得到的烟气相关参数：烟气量、烟气温度、烟气组分的平均值,作为过热器子系统的部分初始条件,假设只更新烟气量作为炉膛的入口边界。

图4 二次再热系统总图 Fig. 4 The diagram of double reheat system

实验是通过变频电机的频率变化来调节炉烟循环量。机组配置循环风机4台,每台循环风机配有一台变频控制器。其原理是通过烟气量的变化指令来改变交流电动机的供电频率,以实现对循环风机的无级调速,从而自动调节循环风机的转速。本设备能在输入电压波动不超过额定电压的 ±20%,频率波动不超过额定频率的 ±5%时,正常工作。

变频控制能接受循环风机启停和转速设定指令。启动指令为干接点信号,转速指令采用4~20mA信号,循环风机的启停及转速设定逻辑在机组DCS中实现。屏底烟温和各级受热面蒸汽参数均显示在DCS画面上。每套系统均采用自动变频的操作方式,正常运行时应在自动变频/启停状态之间自动切换,各种操作方式应相互协调。

表4 烟气再循环风机参数 Tab. 4 Flue gas recirculation fan parameters

为验证所选择计算模型的正确性,将锅炉在 660MW负荷下的试验测量值与数值模拟结果进行对比,见图5。由图5可知,烟气温度分布和工质温升变化趋势基本一致：烟气温度模拟值略高于运

图5 仿真值与运行值对比 Fig. 5 Comparison between simulation values and operation value

行值,相对误差小于5%;工质温升除三级过热器外,相对误差均不超过10%。因此,本文所选数值模拟模型是具备较高的可信度。

数值模拟了3个工况：330、550、660MW,每个工况下设置了3个烟气再循环率,见表5。

表5 模拟工况 Tab. 5 Simulated operating condition

图6为不同负荷下烟气再循环率对屏底烟气温度的影响。由图6可见,各负荷下,屏底烟温沿炉膛宽度方向都呈现两边高中间低的马鞍形趋势,随着循环烟气量增加,屏底温度都呈现一定程度的下降,但幅度不大。由于炉膛在屏底高度58.9m处设置有折焰角,该结构对烟气有切割作用,会导致炉膛内一部分烟气受折焰角的影响而改变流向,使烟气在炉膛宽度方向分布不均,进而产生了两边高中间低的分布规律。在低负荷下由于炉膛烟气充满度较差,因此,烟气切割效果受到抑制。随着负荷的升高,烟气左右侧偏差有所减小,均匀性变好。模拟表明：330MW负荷下,每增加1%烟气再循环率屏底烟温约下降2.47℃;550MW负荷下,每增加1%烟气再循环率屏底烟温约下降2.8℃;660MW

图6 不同工况下烟气再循环率对屏底烟温的影响 Fig. 6 The influence of flue gas recirculation on the flue gas temperature at screen bottom under different working conditions

负荷下,每增加1%烟气再循环率屏底烟温约下降2.75℃。

图7为不同负荷下烟气再循环率对蒸汽温度的影响。由图7发现,较高再循环率适用低负荷工况。

图7 不同工况下烟气再循环率对蒸汽温度的影响 Fig. 7 Influence of flue gas recirculation on the steam temperature under different working conditions

随着烟气再循环量的增加,对过热蒸汽温度影响不大,对再热蒸汽温度影响相对明显。模拟表明：330MW负荷下,每增加1%烟气再循环率主蒸汽约升高0.67℃,一次再热蒸汽约升高1.47℃,二次再热蒸汽约升高1.21℃;550MW负荷下,每增加1%烟气再循环率主蒸汽约升高0.86℃,一次再热蒸汽约升高1.58℃,二次再热蒸汽约升高1.35℃;660MW负荷下,每增加1%烟气再循环率主蒸汽约升高0.7℃,一次再热蒸汽约升高1.7℃,二次再热蒸汽约升高1.4℃。随着锅炉负荷的增大,烟气再循环率对再热蒸汽温度的影响程度会逐渐增大,所以烟气再循环是调节再热汽温的最有效的方式之一。通过与锅炉额定蒸汽温度比较,确定3种工况330、550、660MW的最佳烟气再循环率：30%、18%、15%。

图8为再循环烟气对屏底烟温影响的试验结果,330MW工况下,烟气再循环率由16%变化到30%对应图8(a)中T3和T7;550MW工况下,烟气再循环率由8%变化到18%对应图8(b)中T3和T7。

图8 不同工况下烟气再循环率对屏底烟温的影响试验 Fig. 8 Experimental study on the effect of flue gas recirculation on the flue gas temperature at screen bottom under different working conditions

由图8发现,机组在330MW工况下,随着再循环烟气率增加,屏底烟温呈现缓慢上升的趋势与模拟结果不同。屏底烟气温度的形成主要是燃煤的理论燃烧温度和炉膛水冷壁的吸热量决定的。随着锅炉负荷的降低,炉内烟气充满度变差,再循环烟气温度变低,因此再循环烟气对炉膛烟温的冷却作用并不明显,只起到提高火焰中心的作用。在330MW工况下火焰中心上移,上炉膛温度较高,抵消了再循环烟气对炉膛的冷却作用。测量位置不同也会出现数据误差,基于以上原因导致了试验与模拟的差异。机组在550MW工况下,随着烟气再循环率增加,屏底烟温降低,与模拟结果一致。试验表明：330MW工况下,每增加1%烟气再循环率屏底烟温约上升1.63℃;550MW工况下,每增加1%烟气再循环率屏底烟温约下降1.67℃。

图9是再循环烟气对过热蒸汽温度影响的试验

图9 不同工况下烟气再循环率对过热蒸汽温度的影响试验 Fig. 9 Experimental study on the effect of flue gas recirculation on superheated steam temperature under different working conditions

结果,330MW工况下,烟气再循环率由16%变化到30%对应图9(a)中的T3和T7;550MW工况下,烟气再循环率由8%变化到18%对应图9(b)中的T3和T7。

由图9发现,一级过热器存在明显左右偏差,分析其原因可能是锅炉燃烧方式造成的[23-24]。虽然四角切圆直流燃烧方式可以保证煤粉颗粒在炉内的停留时间、燃烧效率和火焰充满度,但烟气在炉膛出口有一定的残余旋转动量,这会引起水平烟道和上炉膛的烟气流场、温度场的偏差,进而导致过热蒸汽温度的偏差[25-27]。因受热面分布不同,故产生的偏差效果不同。随着再循环烟气量的增加,一级过热器温升增加,二级过热器、三级过热器的温升变化不明显。分析原因,虽然屏底烟温的上升会造成一级过热器换热增强,但也可能造成二级、三级过热器入口烟温变化不大,抵消了再循环烟气量增加的影响,从而使再循环烟气量变化对二级过热器、三级过热器传热量影响较小。试验表明：330MW工况下,每增加1%烟气再循环率,一级过热蒸汽约升高约1℃,二级过热蒸汽约升高0.18℃,三级过热蒸汽约升高0.5℃;550MW工况下,每增加1%烟气再循环率一级过热蒸汽约升高1.67℃,二级过热蒸汽约升高0.15℃,三级过热蒸汽约升高0.75℃。

图10是再循环烟气对再热蒸汽温度影响的试验结果,330MW工况下,烟气再循环率是由16%变化到30%对应图10(a)中T3和T7;550MW工况下,烟气再循环率是由8%变化到18%对应图10(b)中的T3和T7。由图10发现,随着再循环烟气量增加,高压高温再热器、低压高温再热器的温度偏差变化不明显,与模拟结果相差较小。试验表明：330MW工况下,每增加1%烟气再循环率一次再热蒸汽约升高1.3℃,二次再热蒸汽约升高1.15℃;550MW工况下,每增加1%烟气再循环率一次再热蒸汽约升高1.48℃,二次再热蒸汽约升高1.20℃。

图10 不同工况下烟气再循环率对再热蒸汽温度的影响试验 Fig. 10 Experimental study on the effect of flue gas recirculation on reheat steam temperature under different working conditions

本文通过对某660MW二次再热机组现场试验数据进行分析,结合数值模拟的计算结果,比较了不同工况下烟气再循环率对屏底烟温、主蒸汽温度、再热蒸汽温度的影响。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。研究表明,随着锅炉负荷的提高,再循环烟气量对蒸汽温度的影响程度增加,对再热蒸汽温度的影响最为显著;低负荷下烟气再循环只起到提高火焰中心的作用,对炉膛烟温冷却作用不明显;各级受热面的汽温偏差不受烟气再循环量的影响。确定了3种工况660、550、330MW的最佳烟气再循环率：15%、18%、30%,对二次再热锅炉的高效、清洁、稳定运行具有一定的借鉴意义。

[1] Blum R,Kjaer S,Bugge J.Development of a PF fired high efficiency power plant (AD700)[J].Risoe National Lab Dtu Roskilde,2007:69-80.

[2] 张方炜,刘原一,谭厚章,等.超临界火力发电机组二次再热技术研究[J].电力勘测设计,2013(2):34-39. Zhang Fangwei,Liu Yuanyi,Tan Houzhang,et al.Study of secondly reheat technique of supercritical fire power generators[J].Electric Power Survey & Design,2013(2):34-39(in Chinese).

[3] 马新立,殳建军.二次再热示范机组锅炉技术分析[J].能源研究与利用,2013(5):40-43. Ma Xinli,Shu Jianjun.Technical analysis of boiler for secondary reheat demonstration unit[J].Energy Research & Utilization,2013(5):40-43(in Chinese).

[4] 周一工,徐炯,胡晓初,等.大力发展清洁高效的超临界超超临界发电技术[J].装备机械,2011(1):2-6. Zhou Yigong,Xu Jiong,Hu Xiaochu,et al.Supercritical and ultra-supercritical power generation technology[J].Shanghai Machine Tool,2011(1):2-6(in Chinese).

[5] 蔡宝玲,高海东,王剑钊,等.二次再热超超临界机组动态特性分析及控制策略验证[J].中国电机工程学报,2016,36(19):5288-5298. Cai Baoling,Gao Haidong,et al.Wang Jianzhao.Dynamic process characteristic analysis and control strategy verification on double-reheat ultra-supercritical coal-fired power units[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(19):5288-5298(in Chinese).

[6] 田子平. 日本60万瓩机组的超临界压力二次再热锅炉[J].锅炉技术,1975(11):10-21. Tian Ziping.Supercritical pressure double reheat boiler of Japan's 600 thousand kilowatts unit[J].Boiler Technology,1975(11):10-21(in Chinese).

[7] 莱芜电厂举行百万千瓦二次再热机组设备监造合同暨主机设备监造协议签约仪式[J].电站信息,2012(12):73. Laiwu power plant held a million kilowatt double reheat unit equipment supervision contract and host equipment monitoring agreement signing instrument[J].Power Plant Information,2012(12):73(in Chinese).

[8] Bugge J,Kjær S,Blum R.High-efficiency coal-fired power plants development and perspectives[J].Energy,2006,31(10-11):1437-1445.

[9] 徐炯,周一工.700℃高效超超临界技术的发展[J].中外能源,2012,17(6):13-17. Xu Jiong,Zhou Yigong.The development of 700℃ USC technology[J].Sino-Global Energy,2012,17(6):13-17(in Chinese).

[10] 武秀峰. 我国超超临界机组参数与结构选型的研究[J].电力科学与工程,2008,24(9):45-50. Wu Xiufeng.Research on parameter and construction selection of ultra-supercritical unit in China[J].Electric Power Science and Engineering,2008,24(9):45-50(in Chinese).

[11] 张彦军,茅义军,张殿军,等.国内首台660MW等级二次再热超超临界锅炉开发及运行[J].锅炉制造,2016(1):1-6. Zhang Yanjun,Mao Yijun,Zhang Dianjun,et al.The design & operation of the first domestic 660MWe Double reheater ultra-supercritical boiler[J].Boiler Manufacturing,2016(1):1-6(in Chinese).

[12] 陈尚文. 日本川越火电厂1、2号超超临界压力机组的建设和试运[J].电力建设,1992,13(12):61-67. Chen Shangwen.Construction and commissioning of ultra-supercritical Pressure No.1 and No.2 thermal power units at Chuanyue,Japan[J].Electric Power Construction,1992,13(12):61-67(in Chinese).

[13] 王凤君,黄莺,刘恒宇,等.二次再热超超临界锅炉研究与初步设计[C]//中国动力工程学会锅炉专业委员会2012年学术交流会论文集.昌吉,新疆:中国动力工程学会,2012:64-65. Wang Fengjun,Huang Ying,Liu Hengyu,et al.Research and preliminary design of the double reheat ultra supercritical boiler[C]//Chinese Society of Power Engineering in Boiler Specialized Committee in 2012.Changji,Xinjiang:Chinese Society of Power Engineering Specialized Committee of Boiler in 2012 Symposium,2012:64-65(in Chinese).

[14] 谷丽景,李永华,李璐.电站锅炉燃烧优化混合模型预测[J].中国电机工程学报,2015,35(9):2231-2237. Gu Lijing,Li Yonghua,Li Lu.Hybrid model prediction of utility boiler combustion optimization[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(9):2231-2237(in Chinese).

[15] 肖海平,张千,王磊,等.燃烧调整对NOx排放及锅炉效率的影响[J].中国电机工程学报,2011,31(8):1-6. Xiao Haiping,Zhang Qian,Wang Lei,et al.Effect of combustion adjustment on NOx emission and boiler efficiency[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(8):1-6(in Chinese).

[16] 李德波,徐齐胜.大型电站锅炉系统数值模拟技术与工程应用[M].北京:中国电力出版社,2015:1-7. Li Debo,Xu Qisheng.The application of numerical simulation technology and engineering of large power plant boilers[M].Beijing:China Electric Power Press,2015:1-7(in Chinese).

[17] 王亚瑟. 二次再热机组热经济性分析方法及系统开发研究[D].保定:华北电力大学(河北),2010. Wang Yase.A matrix method and system development for thermodynamic system analysis in a power plant with double reheat cycles[D].Baoding:North China Electric Power University (Hebei),2010(in Chinese).

[18] Hu Yukun,Yan Jinyue,Li Hailong.Effects of flue gas recycle on oxy-coal power generation systems[J].Applied Energy,2012,97:255-263.

[19] Ikeda E,Stubington J F,Spero C.Technical performance of electric power generation systems technology assessment report 63 Volume 1 selected flowsheets adapted to Australian coal and conditions[R].Pullenvale Qld,Australia:QCAT Technology Transfer Centre,Technology Court,2007:12-1925-26,29.

[20] Ust Y,Gonca G,Kayadelen H K.Determination of optimum reheat pressures for single and double reheat irreversible Rankine cycle[J].Journal of the Energy Institute,2016,84(4):215-219.

[21] Kjaer S,Drinhaus F.A modified double reheat cycle[C]//ASME 2010 Power Conference.Chicago,Illinois,USA:ASME,2010:285-293.

[22] Ploumen P,Stienstra G,Kamphuis H.Reduction of CO2 emissions of coal fired power plants by optimizing steam water cycle[J].Energy Procedia,2011,4:2074-2081.

[23] 周月桂,徐通模,惠世恩,等.四角切向燃烧锅炉水平烟道烟温偏差形成机理的研究[J].动力工程,2001,21(5):1422-1425,1399. Zhou Yuegui,Xu Tongmo,Hui Shi’en,et al.Research on the forming mechanism of the flue-gas temperature deviation in the horizontal pass for tangentially fired boiler[J].Power Engineering,2001,21(5):1422-1425,1399(in Chinese).

[24] 袁益超,庄恩如,冯景源.四角布置切圆燃烧锅炉水平烟道内烟温分布的试验研究[J].动力工程,2000,20(4):735-739,734. Yuan Yichao,Zhuang Enru,Feng Jingyuan.Experimental study of the gas temperature distribution on horizontal flue in pulverized coal tangentially fired boiler[J].Power Engineering,2000,20(4):735-739,734(in Chinese).

[25] 朱珍锦,张长鲁,方志成.一种消除切圆锅炉残余旋转新技术的模型试验研究[J].中国电机工程学报,2002,22(2):59-63. Zhu Zhenjin,Zhang Changlu,Fang Zhicheng.Cold model tests of a new technique on eliminating residual rotation at furnace outlet of tangential firing system[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(2):59-63(in Chinese).

[26] 张泽,徐旭常.大型切向燃烧锅炉上炉膛屏区两相流场近流线数值模拟[J].燃烧科学与技术,2002,8(2):97-102. Zhang Ze,Xu Xuchang.Closed streamline numerical simulation on two-phase flow field of upper furnace and superheater platen zones in tangential-firing boiler[J].Journal of Combustion Science and Technology,2002,8(2):97-102(in Chinese).

[27] Yin Chungen,Rosendahl L,Condra T J.Further study of the gas temperature deviation in large-scale tangentially coal-fired boilers[J].Fuel,2003,82(9):1127-1137.