1 W 火焰锅炉的主要特点

电站锅炉燃用无烟煤 、半无烟煤多采用 W 火焰锅 炉 。W 火焰锅炉分为上下两个炉膛 ,燃烧器布置在下 炉膛的拱上 ,并布置卫燃带 ; 一次风向下引入 ,可降低 一次风速 ,增加煤粉浓度促进着火 。

(1) W 火焰炉一次风射流方向与水冷壁基本平 行 ,煤粉不易刷墙 ,而且锅炉壁面上有二次风和三次风乏气引入 ,比重较大的黄铁矿颗粒不会贴墙 。

(2) 火焰温度最高的燃烧中心区域水冷壁上敷设了 致密的碳化硅卫燃带 ,保护水冷壁 ,使炉内高温腐蚀减缓。

(3) 由于一次风射流方向与水冷壁面平行 , 壁面 有乏气形成风幕保护 ,卫燃带上结渣较轻 。

(4) 由于W 火焰炉燃烧温度高 ,N O x 排放水平较 四角和墙式燃烧锅炉高 ,一般为 ( 800 ～1 200) mg/ m3( O2 = 6 %) 。

2 超临界机组发展W火焰炉面临的主要问题

初期的直流锅炉水冷壁为多通道垂直管屏结构 , 炉内为上升管屏 、炉外为下降串连管屏 。随着锅炉容 量增大 、炉膛受热面热负荷增加 ,多通道垂直管屏结构 不断改进 ,一般为在炉膛下部采用多次上升 ,经 1 次 、2 次或 3 次中间混合 , 在炉膛上部采用一次上升形式 。 这种结构采用小径管 ,工质质量流速高 ,便于冷却管壁 金属 。通道内管屏焓增较小 ,通道之间混合充分 ,热偏 差减少 。但是 ,由于系统过于复杂 ,且工质流程长 ,汽 水系统阻力大 ,厂用电消耗大 。另外 ,炉膛下部各上升 管屏中的工质因流程不同 ,所处状态不同 ,管屏中工质 汽化量差别较大 ,故管壁金属温度和膨胀程度也不同 , 相邻管屏交界处会因膨胀应力差而被拉伤 。

目前 ,大容量超临界直流锅炉炉膛采用一种螺旋盘管结构的水冷壁 , 也称螺旋管圈或螺旋管带结构 。

这种结构由许多平行且并联管从冷灰斗开始盘旋而上 构成 ,在炉膛下部辐射区受热面中不再布置中间联箱。 此外 ,采用的并联管数量可多可少 ,管圈倾角及管子节距可按需要选取 。由于同一管圈中的管子以相同方式 绕过炉膛 ,吸热量相近 ,使水冷壁出口工质及管壁金属 温度偏差较小 ,相应的各管膨胀差较小 ,而便于采用膜 式结构 。螺旋管圈水冷壁结构复杂 ,尤其是燃烧器区 盘绕结构 ,要求较高的施工工艺 。另外 ,由于管带接近水平方向盘绕上升 ,管子本身不会形成支撑 ,螺旋管带 部分需采用水平刚性梁与垂直张力板组成网格结构。 另外一种最新的垂直管水冷壁采用了优化的内螺 纹管及较低的工质质量流速 ,可对水冷壁管有效冷却 , 并限制管间温差 。这种本生式垂直管水冷壁及单通道流程 ,减少了中间联箱 ,使设计大为简化 ,而且水冷壁 管支撑简单 ,安装维护方便 。因质量流速低 ,蒸发受热 面阻力小 ,可有效降低辅机电耗 。内螺纹管内部螺纹 尺寸对管内工质流态影响较大 。

目前 ,四角燃烧及墙式燃烧的超临界机组锅炉多数采用螺旋管圈的水冷壁结构 ,而双火球八角燃烧方 式的超临界机组锅炉 ,如玉环电厂 、泰州电厂的 ( 900～1 000) M W 机组锅炉水冷壁为垂直管屏 。

对于 W 火焰炉 ,因为双拱结构 ,炉膛轮廓形状复 杂 ,螺旋盘绕式水冷壁绕过燃烧器及通过炉拱较难 。也有超临界机组 W 火焰直流炉采用过螺旋管带水冷 壁结构 ,如德国 Balc he Dr un 公司为西班牙纳西电厂 制造了螺旋管带的超临界 300 M W 机组 W 火焰炉 ,于1984 年投运 。

3 垂直管屏式 W 火焰锅炉的关键技术

(1) 多根水冷壁管并联 ,各管两端压力一致 ,管内 流动阻力为流体静压头与沿程摩擦阻力之和 。在高质 量流速情况下 ,沿程摩擦阻力占较大比例 ,受热较多的 管子产汽量增加 ,阻力增加 ,使流速下降 ,为负向响应 特性 ,因受热不均 ,而出现个别管过热 。质量流速较低时 ,流动阻力以静压头为主 ,受热多的管子静压头下降大于摩擦阻力增加 , 管内流速随之增加 , 产生正向响 应 ,相当于自然循环的自动补偿特性 。尽管具有低质 量流速正向自动补偿的特性 ,但管子必须由流体冷却 。

(2) 内螺纹管是上个世纪后期就有的水冷壁管技 术 ,其螺纹高度 、螺纹宽度 、导角 、圆角等几何特性影响 管内工质流态 。在临界压力区 ,因汽水密度差小 ,管内流态易偏离核态沸腾而转向膜态沸腾 ,使管子冷却变差而过热 。西门子公司经多年研究 ,对内螺纹管进行 了优化 ,其特性明显优于标准内螺纹管 ,其管壁的冷却 能力高于光管和标准内螺纹管 。优化内螺纹管及管内流态见图 1 ,光管 、标准内螺纹及优化内螺纹管的传热 特性见图 2 。

图 2 光管 、标准内螺纹管及优化内螺纹管的传热特性