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行业新闻

摆动式燃烧机的试验研究

摆动式燃烧机的试验研究

    本文介绍了摆动式生物质燃烧机短喷嘴结构冷态模拟试验结果,以殪中间工业试验和热态运行试验结果。研究了短喷嘴的气流特性、摆动燃烧对锅炉汽温的影响。  以及摆动式生物质燃烧机本身运行的特点与可靠性。同时对短喷嘴摆动式生物质燃烧机的某些结构设计提出了建议。

    一、前言

    锅炉燃烧设备采用摆动式生物质燃烧机切向燃烧,可以用于锅炉蒸汽温度调节,具有某些突出优点IIl。通常生物质燃烧机喷嘴上下摆动从。至+300,可以调节汽温约30---50。C左右。是一种可行的重要调温手段。某锅炉厂在为某电厂设计制造大型再热机组时,为了考核热力计算结果,控制炉膛出口烟温,探索再热蒸汽温度调节方法,选用了四角布置切向燃烧全摆动式生物质燃烧机。进行了摆动式生物质燃烧机的短喷嘴结构选型的冷态模拟试验,确定较佳结构尺寸。随后,又进行了中间试验生物质燃烧机的设计、制造和热态应用试验,以及高压发电机组锅炉产品摆动式生物质燃烧机的设计、制造、安装、调整和热态运行的试验研究,获得了圆满成功,取得了重要数据和经验,为大型再热机组的设计、制造和运行提供了必要的经验和资料。

    二、短喷嘴冷态试验

    为了摸素摆动式生物质燃烧机短喷嘴在摆动时气流的特点和最佳喷嘴结构设计要领,进行了喷嘴的冷模试验研究,详细考察了喷嘴摆动时结构形式与特性尺寸对喷嘴出口气流的流场、流向、阻力、衰减、漏流等的影响。

    试验简况

    试验采用单相等温空气流和双相等温粒子流。使用发烟剂等作示踪剂并与火花摄影相比较,用测速探针测量流动场,并拍摄气流轨迹。

    试验设备如图1所示。喷嘴可上下摆25。,最大30。。

    试验主要数据与讨论

    1.喷嘴相对尺寸L/A的影响

    ①气流的偏离:

    喷嘴摆动时,气流突然被迫改向,速度分布发生变化,造成出口气流偏离AB。角。

    试验表明,当L]彳>1.0时,A,B很小;L/么越大,AB越小ILlA值很大时,AB趋于0。反之,当/lA<1.0时,AB较大IL/A越小,AB迅速加大。如图3所示。这时,喷嘴的锥角ai变化时,将出现相近的规律。

    4.隔板的影响

    试验发现,喷嘴内装设适当的水平隔板,可以改善喷嘴摆动时对于气流的导向性能,减小偏斜角A届。

    同时,隔板不仅具有良好的导向和扰动作用,而且又能提高喷嘴的结构刚性,相当于提高LlA结构参数值。

    如果隔板设置不良,隔板的作用将恰与上述相反。当风管内不设置导流隔板时,喷嘴内隔板的长度一般约为喷嘴长度L的1/2左右,如图11所示。否则,当喷嘴摆动较大角度时,过长的隔板将可能使出口气流产生严重分层和分配不均,以及引起喷嘴出口漩图11短隔板结构形式涡,破坏了期望的空气动力场。

    当风管内装设合适的隔板时,喷嘴内隔板可以适当加长,改善导向性,参见图12所示的一种结枸形式。

    图12长隔板结构形式

    5.喷嘴出口截面宽度B的影响

    试验表明,喷嘴宽度对摆动时的气流流动有复杂的影响。增大宽度,气流偏斜角加大。

    三、中间工业试验

    在某电厂130吨/时中压锅炉上,装设按冷模试验结果而设计试制的中间试验摆动式生物质燃烧机,分上下两组,喷嘴摆动±170。锅炉炉膛宽度7米,深6.7米,生物质燃烧机正四角布置,炉内假想切圆+800毫米。

    锅炉燃用混煤,挥发份Vr—36.8~42.7%,水份Wy= 4.66~10.65%,灰份Ay= 25.1~37,6%,发热值QyD= 5408大

    23卡/公斤~3896大卡/公斤。配二套钢球磨,直吹式制粉系统,每套与一层喷嘴连接,带100%负荷。

    生物质燃烧机结构如图13所示,其中上层一组喷嘴模拟60万千瓦机组设计,具有一次风边缘风。喷嘴由耐热不锈钢焊制,各转动部分的间隙按摆动要求严格检验。控制系统由气电转换器、升压器等组成气电控制单元操纵气缸,通过一套联杆使喷嘴同步摆动,实现远方操作。

    热态摆动灵活性考核

    试验生物质燃烧机自1975年11月投运至今,热态动作灵活,性能良好。试验期间,曾出现过喷嘴壁温测点安装不当及风箱隔仓的隔板变形,引起个别喷嘴摆动故障,消除后正常。也发生过控制网络中个别元件制造质量事故。

    摆动喷嘴热态下可靠性

    试验中,在离喷嘴出口截面约50毫米处外壁装设壁温测点,测定材料工作温度。试验热空气温度范围为320~335口C,煤粉空气温度(混合)约为600C~70。C。

    ①喷嘴停用无冷却风时,最高壁温达780。C以上,超出了18Cr-8Ni材料的使用允许温度。当有边缘冷却风时,壁温为660。C;预计出口截面处最高将达800。C以上。

    ②喷嘴投入运行时,二次风喷嘴最高壁温为6900C左右,-次风喷嘴的最高壁温为570。C友右,

    ⑧在所进行的试验工况下,风管壁温均不超过400。C,在低碳钢工作温度范围。

    摆动调温性能试验

    ①调温范围

    试验喷嘴由水平向上摆动15。时,测得炉膛出口烟温平均变化约65。C左右。相应的对流过热器出口汽温平均变化约16。C。

    喷嘴由水平向下摆动15。时,炉膛出口烟温平均变化约40。C,相应的出口汽温平均变化约14。C。炉瞠出口烟温变化

    ②温度变动过程

    试验中作了烟温与汽温在喷嘴摆动后的变化特点研究。试验知,喷嘴一次向上摆动150后,炉膛出口烟温于2~3秒后开始变化,飞升时间约100秒左右,出口汽温变化延时约70秒,飞升时间约200秒。在650。C烟温区,烟温变化延时5~8秒,飞升时间约150秒左右。

    喷嘴向下摆动时情况稍有差异。小幅度摆动,温度变动的延时与飞升时间均缩短。

    锅炉效率的变化

    ①对不完全燃烧损失的影响

    在试验范围内,喷嘴摆动,飞灰可燃物含量变化平均1.1%,炉下渣内可燃物含量变化平均约5.4%左右,气体不完全燃烧损失的变化没有被检测到。

    ②排烟温度变化情况

    喷嘴上下摆动±150,排烟温度变化约10~12。C左右。向下摆动时,排烟温度约降低4~6。C。

    四、产品运行试验

    摆动式生物质燃烧炉中间热态试验后,又进行了锅炉正规产品的运行试验。

    摆动式生物质燃烧炉产品装在某电站410吨/时高压锅炉上,正四角布置切向燃烧,如图16所示。炉膛断面宽深度为9.12×9.12米,假想切圆为咖650毫米。制粉系统配两台钢图16试验锅炉布置筒图球磨350/700型,中储仓制,热风送粉,实际燃用煤质,是目前国内最差的用于电站的劣质烟煤,Wv =10—12%,Ay= 48~54%,W-=1,36~1.91%,QD= 2400~2800大卡/公斤,燃烧稳定性极差,且难燃烬。

    本生物质燃烧炉喷嘴全部采周耐热不锈钢焊制而成,配用风箱隔仓结构。生物质燃烧炉分成上下两组摆动,摆动生物质燃烧炉总体结构如图17所示。附有稳燃油枪8只。

    摆动执行机构采用电动执行器,配用DDZ-Ⅱ型自动控制系统,可以就地操作和远方控制,也可以接入调节器自动参与汽温调节。摆动操作单元网络方框图如图18所示。由同步操作器作四角同步摆动操作远方控制。

    喷嘴可以上下摆动±200,设计最大摆动角度为±25。,其中在+20。~-15。范围内调节灵敏度最高。

    运行可靠性

    试运行过程中,因煤质极差,使摆动式生物质燃烧炉承受了十分恶劣的使用环境和高温考验,在引风机出力严重不足情况下工作,曾出现某些故障:烟道及回转式空气预热器堵灰,使热风极严重带灰(浓度达0.2~0.3公斤/公斤空气),引起摆动机构销轴磨坏和水冷壁管磨穿爆管,安装与隔热保温欠佳使遥控失调,个别零件制造质量欠佳而损坏。消除后正常。

    运行实践证明,国产摆动式生物质燃烧炉设计合理,热态摆动比冷态更为灵活,运行可靠。喷嘴工作壁温虽然达到850~900。C以上,而摆动机构的各元件仍然完好。

    摆动调温效果

    采用高温抽气热电偶测定锅炉炉膛出口处大屏前烟气温度舻z,沿炉膛断面测量共30点,求得烟温平均值变化与喷嘴摆动角度的关系,如图19所示。由于减温水限制及安全问题,凋温试验摆动角度为±150。

    为了测定喷嘴摆动时过热器汽温的变化特性,在各过热器进出口集箱上装有热电偶温度测点及50个管圈炉外壁温测点等。

    测定结果:设计标准负荷下,大屏过热器出口汽温为474。C,当喷嘴运行于水平位置时,实际出口汽温略高于474。C,当嘴上摆150时,12片大屏过热器中有中部5片屏过出口汽温高于500。C。喷嘴向上摆+150屏过出口汽温平均变化约25~40。C左右。如图20所示。

    图20中心屏各出口管人口汽温与

    喷嘴摆动角度关系

    炉膛中部的中心大屏过热器的汽温变动范围比边缘屏的大。高温对流过热器汽温变化情况更为复杂。

    试验测定了喷嘴摆动时烟温与汽温的变化规律,即动态过程:当喷嘴每向上摆动50,炉膛出口烟温开始变化的时间延迟约为1~2秒,飞升时间约为30秒~25秒I辐射大屏过热器出口汽温开始变化延时约为2.5—4.0秒,飞升时间约为40~50秒,对流高温过热器出口汽温变化延时约8~10秒左右;对流低温段出口汽温变化延时约为12~15秒,飞升时间约为70~80秒。

    可见,采用摆动式生物质燃烧炉参与汽温调节过程时,一般应考虑采用辐射式大屏过热嚣与再热器,出口段尽可能布置在高温区。并应有超前控制信号发送器将调温超前信号提前送给摆动执行机构控制器,以减少延迟过程。同时应与其他汽温调节手段配合使用。

    三次风(乏气风)切投情况对喷嘴摆动调温影响

    本锅炉使用热风作送煤粉一次风,制粉系统干燥剂(乏气)通过生物质燃烧炉上部三次风喷口送入炉内。

    试验证实,投入三次风将明显减低调温效果

    由图可见,投入三次风,在喷嘴向上摆动时影响较大,向下摆动时影响较小。其原因是乏气相对较“冷”,及三次风喷嘴处于水平位置而风速较高等。

    在另一电厂的一台中压锅炉上作了类似的试验,得到图22A、B所示曲线。表明三次风投入对摆动调温有类似的影响规律。

    图22曲线说明,当停三次风时,喷嘴摆动由-120至+60,烟温变动△舻。N140。C,汽温变动约28~300C;而当投入三次风时烟温变动△舻l≈38。C,汽温变化仅10。C左右。

    当三次风的喷嘴随同主生物质燃烧炉一起摆动,这种影响就减弱了。

    摆动与锅炉效率的关系

    热态测定结果:喷嘴白水平(00)向下摆图22A喷嘴摆动角卢与炉膛出口烟温变化关系负荷D≈120~130吨/时

    当燃用该低质煤时,生物质燃烧炉上组下摆5。~10。,下组上摆5。,火焰相对集中,燃烧情况改善,用光学高温计测得燃烧区火焰温度相对提高约40~80。C,水冷壁的投射热流增大约10~15%。而当生物质燃烧炉喷嘴上组向上摆动,下组向下摆动时,情况反之,燃烧区温度水平及燃烧稳定性下降,火焰分散,水冷壁投射热流降低,热负荷尖峰被削减。表明生物质燃烧炉分组摆动,可以调节燃烧。

    炉内热流

    测试元件为新式水冷辐射热流计,配用电子电位差计,试验前经标准黑体炉标定。

    生物质燃烧炉喷嘴向下摆动,冷灰斗区域的投射热流小于200×103大卡/米2.时,没有发现结渣现象,表明生物质燃烧炉与冷灰斗之间设计距离是合适的。

    在生物质燃烧炉区域前后墙水冷壁18个测孔,也进行了热流分布测定。近生物质燃烧炉区域向火侧,测到的最大投射热流为329×103大卡/米2’时,此时锅炉负荷为80%,生物质燃烧炉处于水平位置,投入三次风。随着喷嘴摆动,最大热流区位置发生有规律的迁移。

    摆动与过热器的热力不均匀性

    为考察摆动对于过热器热力不均匀性的影响,装设了大量的温度、压力、流量测点,测定了各级过热器焓增、温度、大屏过热器沿炉宽的偏差,管间偏差、高温对流过热器沿炉宽的偏差,进行了十七个工况的测量。

    ①焓增的变化

    仅当喷嘴上摆50时才达到大屏过热器的吸热比例设计值3026,其余摆动角度时均偏离设计值,这时锅炉负荷约8.5~9万千瓦。表明生物质燃烧炉摆动时,各级过热器焓增都发生变化,重新分配。

    试验发现,当生物质燃烧炉喷嘴向上摆动时,随着摆动角度加大,大屏过热器的吸热比例下降,而高温对流过热器冷段吸热比例增加。

    ②热力不均匀性

    表征过热器重要特性之一的吸热不均与水力分配不均等产生的热力不均匀性,在燃烧器摆动时,出现明显变化。喷嘴向上摆动,高温对流过热器的总热力不均匀性(包括管间与每片管圈之间)增大,上摆角度越大,不均匀性系数K是也越大。如图24所示。但大屏过热器总的热力不均匀系数K嚣在喷嘴摆动时却没有明显的变化规律,可能是试验中燃料量供给大幅度脉动造成。

    与喷嘴摆动角度关系

    在各工况下  K~~1.70~1.90之间。

    喷嘴向下摆动,热力不均匀性减小,变化也较小。

    沿锅炉宽度排列的十二斤大屏过热器,屏间热力不均匀性系数K屏随着喷嘴向上摆动,其值有增加的趋势,如图25所示。喷嘴处于水平位置时,K屏s1.14~1.16J喷嘴上摆15。时,K屏—1.23。

    因此,设计过热器、再热器时,应考虑生物质燃烧机向上摆动带来的某些附加热力偏差,并应尽可能减小水力偏差与热力偏差。

    水循环的可能性

    锅炉在Ⅳ- 8.5万千瓦负荷下,进行了一系列水动力特性测量,确定生物质燃烧机摆动时与喷嘴摆角关系炉膛出口部位上悬吊水冷屏工作的可靠性。采用差压法,使用测速管与高压差压计等测量元件。测定结果,在所有摆动试验工况下,水冷屏的循环水速Wo≈1.06~1.09米/秒,与推荐值1.10米/秒相近,循环倍率K=8~9左右。按外推法确定,生物质燃烧机向上摆动300,循环水速WO将仍在推荐值附近,循环倍率K>6。

    图26示出水冷屏的水循环WO与K随喷嘴摆动时变化情况。由图可见,W。随喷嘴摆动角度变化而变动甚微,循环倍率则随着喷嘴向上摆角度加大而减小。证实喷嘴摆动对锅炉炉膛出口部位上的悬吊用水冷屏的水循环可靠性没有什么大影响,与设计预期情况相符。

    转弯风室通道导流板的导向性能

    在摆动式生物质燃烧机风箱隔仓风室通道内,装有按空气动力学原理设计的转弯导流板。为了考核设计的合理性,在机组投运阶段进行空气动力场的专题测定,使用标准测速探针,对十六只喷嘴出口截面的速度场作精细测量,每只喷嘴按网格法分8至12点,三个不同负荷工况。四个炉角共132点进行了约450点次酌测量。

    ①速度分布的不均匀性。

    喷嘴出口速度相对于平均速度,最大相对偏差为8.5~9.0%,绝对值约为3米/秒;平均相对偏差为3~5%;

    如果在不装设导流板时,最大相对偏差>20%,装设反射板,最大相对偏差为~1314%;

    ②流量分配不均匀性

    由于气流的惯性,风室转弯引起气流在喷嘴出口处左右侧流量分配不均匀,相对于平均流量,试验测得最大相对偏差小于5%,平均相对偏差为2~3%。

    当无导流板时,最大相对偏差为~30%,当装设反射板时,最大相对偏差为15~

18%。

    证实了我们所设计的通道导流板是合理可行的。

    五、结构设计建议

    根据试验,我们对摆动式生物质燃烧机的设计提出一些建议。

    摆动喷嘴

    推荐短喷嘴的较佳结构参数为:L/A~1.0~1.2g alss10—150,a2 s5~80。喷嘴内装设适当的纵横向隔板,并考虑导向、刚度及热膨胀要求。材料宜用高硅含铬铸铁或20Cr-14Ni型不锈钢。

    风管(风室)其结构应有较好的刚度,出口段可采用

    一29—收缩形以适应喷嘴摆动空间要求,并对气流进行压缩,以提高均匀性,转弯处装设按空气动力学原理设计的适量导流板,与喷嘴配合的侧面间隙宜为3~4毫米,上下间隙宜为5~8毫米,材料为Aa钢

    喷嘴与风管之间相对转动用的转动轴,可以选用耐热不锈钢,如18Cr-8N1型材料,减少锈蚀卡死的可能,轴孔的不同轴度为0.1毫米左右,配合间隙≤0.5毫米,过大过小均不适宜,一般轴径约为咖20~430毫米左右,长度考虑进胀差,光洁度不低于V5。

    摆动机构

    摆动机构由一套连杆与销轴组成【21。要求具有足够的刚度与强度,轴径宜选用拳20~咖30毫米。要求附有螺母调节和锁紧件,要求各轴孔配合间隙约0.1毫米左右,以使同步角差不大于0.50。

    在摆动机构上必须附加保安装置,作为偶然卡死防止喷嘴自垂下落及检修时机械安全保护,它包括使用安全销、弹簧销及限位器、信号发送器等。

    执行机构

    根据运行实践,为了实现远方操作和自动控制,喷嘴摆动机构由执行机构带动。执行机构允许用气动、液动、电动等型式。要求执行机构能可靠地在整个行程上移动自如,在指定位置上停留并自锁,不抖动,不自行升降,对环境适应性好。

    气、液动机构应配一套稳压、过滤、定庄、气液电转换、射流元件、计算处理器、指示及反馈等等器件。电动机构要配稳压、整流、DDZ-Ⅱ控制器件等,要求工作可靠。

    冷却与吹扫

    为防止摆动机构在热态下因过热、堵塞而卡死,如煤质和燃烧允许可以采用少量二次风、“周界风”、“边缘风节等直接冷却喷嘴与摆动机构,也可以采用单独冷却风的冷却法。冷却风起冷却与吹扫粉尘的作用。当回转式空气预热器出来热风带灰严重时,冷却风应使用压缩空气或冷却风机冷却,防止磨损、堵卡。

六、结    论

    1.为探索短喷嘴摆动式生物质燃烧机的规律,我们进行了一系列的试验研究,包括空气动力冷模试验、中间工业冷热态试验、产品研制与热态的运行试验等,取得了较为完整、系统的设计、制造、安装、调整、运行与维修方面的实际资料,运用于10万千瓦、0万千瓦机组设计、制造与运行,取得了满意的结果,达到预期目的。

    2.摆动式生物质燃烧机,正象烟气再循环、烟道挡板、喷水、汽一汽热交换、烟气蒸汽旁通、改变过量空气系数等调温方法一样,是汽温调节的有效手段,具有足够大调温能

    3.摆动切向燃烧对锅炉效率没有明显的影响。

    4.摆动喷嘴可以参与燃烧调整,改善稳定性与安全性。

    5.摆动燃烧,对补偿炉膛出口烟温计算与运行偏差是宥效的,可以减轻或避免过热器超温、汽温偏高、结渣等。

    6.摆动式生物质燃烧机结构较复杂,设计、制造、调整、维护工作量较大,对于燃烧稳定性差及结渣性强的燃料适应性不佳,燃油燃气时,调温幅度相对较小些,采用摆动燃烧方式较少,需要配合其他调温方法。


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点击次数:  更新时间:2017-03-02 11:41:14  【打印此页】  【关闭