一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐的製作方法
2023-04-30 00:43:31
本發明屬於電站鍋爐技術領域，具體涉及一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐。
背景技術：
四角切圓鍋爐燃燒器布置在鍋爐四角，四股氣流從燃燒器出口噴入爐內，在爐膛中心形成假想切圓，使氣流在爐內強烈旋轉。同時四股氣流互相衝擊、卷吸，因而爐內火焰充滿度較好，空氣及煤粉混合均勻，能夠形成良好的著火及燃燒條件，旋轉氣流在爐內呈螺旋狀上升一直到爐膛出口，延長了煤粉顆粒在爐內的停留時間，有利於煤粉的燃盡。此外，低NOx燃燒器技術、空氣分級技術等應用也使得四角切圓鍋爐的汙染物排放濃度較小。
目前的四角切圓鍋爐以π型布置方式居多，即鍋爐的煙氣流道呈π型，主要由上行煙道、水平煙道及下行煙道三部分組成，分別布置不同的受熱面。在上行煙道至水平煙道的轉彎處設有折焰角，以改善高溫煙氣氣流轉彎時的流場，使得各換熱器均能受到較強的輻射換熱和對流換熱。但由於π型鍋爐煙氣在上行煙道及水平煙道處仍具有將強的殘餘旋轉，再加上煙氣的轉向，從而導致煙道左、右兩側煙氣流場分布不均，煙溫偏差較為嚴重，且隨著單機容量的增加而不斷擴大，往往能夠達到200℃。較大的煙溫偏差不但會引起過熱器、再熱器管壁超溫，長期運行還會導致爆管等嚴重危害鍋爐安全運行的現象出現。
近年來很多大型機組，尤其是1000MW機組開始逐漸採用塔式布置方式。 塔式鍋爐的各受熱面均布置在一個上行煙道內，與爐膛筆直相連，煙氣進入對流煙道布置的受熱面時不存在煙氣的轉向。塔式鍋爐高度較高，屏底的煙氣溫度一般要低於同等容量的π型鍋爐，因而一定程度上減小了受熱面的結渣風險。另一方面，由於煙氣在經過受熱面時不轉向，也就不會產生二次渦，同時上行煙道內布置的多層換熱器也能大大削弱煙氣在上升過程中的旋轉強度，使得煙氣在該區域分布均勻，受熱面受熱也更加均勻，能有效的降低煙溫偏差。
但由於塔式鍋爐前、後牆兩側結構不對稱，且水平煙道入口面積較小，實際運行中在引風機牽引力的作用下，上爐膛換熱器區域的煙氣會向後牆偏斜，導致上爐膛換熱器煙氣分布不均，從而引起爐膛前、後兩側出現煙溫偏差，另一方面，由於煙氣在爐內順時針旋轉，靠近上爐膛換熱器左側的煙氣會直接進入水平煙道，右側的煙氣則會由於殘餘旋轉而先向爐膛前牆運動，再進入水平煙道，這樣上爐膛換熱器區域左右側的煙氣停留時間不同，放熱量也會不同，最終會左、右兩側出現煙溫偏差。同時煙氣的偏斜也會加劇後牆附近換熱器管壁的磨損，不利於機組的安全運行。
技術實現要素：
針對現有塔式鍋爐的缺點，本發明提供一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐，其目的在於，使上爐膛換熱器區域煙氣必須經過轉向才能進入水平煙道，爐膛左、右兩側煙氣在爐內的停留時間更加接近，同時能防止煙氣向後牆偏斜，煙氣分布也更加均勻，從而能夠大大降低上爐膛換熱器左、右側及前、後側的煙溫偏差，換熱器受熱更加均勻，同時也減弱了煙氣中灰顆粒對後牆附近換熱器管壁的磨損，有利於機組的安全運行。
為實現上述目的，本發明提出了一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐，包括爐體、位於爐體上端且與爐體連通的水平煙道以及與水平煙道相連通的下行煙道，所述爐體包括由下往上依次安裝的冷灰鬥、主燃區和上爐膛換熱器區域，所述上爐膛換熱器區域與水平煙道之間設有內折導流結構，所述上爐膛換熱器區域的煙氣經過內折導流結構轉向後才能進入水平煙道。
進一步地，所述內折導流結構包括相接的水平板和斜板，所述上爐膛換熱器區域的後牆與斜板、水平板與斜板之間的夾角均為40°～50°。
進一步地，所述內折導流結構包括相接的水平板和斜板，後牆與斜板、水平板與斜板之間的夾角均為45°。
進一步地，所述內折導流結構布置在所述上爐膛換熱器區域與水平煙道的相接處。
由於內折導流結構的存在，上爐膛換熱器區域煙氣必須經過轉向才能進入水平煙道，爐膛左側的煙氣在爐內的停留時間相應增加，縮小了與爐膛右側煙氣停留時間的差距，同時有效地防止了氣流向後牆偏斜，煙氣在上爐膛換熱器的分布也更加均勻，這樣一方面可以大大降低上爐膛換熱器區域的煙溫偏差，使得換熱器受熱更加均勻，另一方面也減小了煙氣內灰顆粒對換熱器管壁的磨損，有利於機組的安全運行。
本發明與現有技術相比，其有益技術效果體現在：
(1)相比於現有的塔式鍋爐，增加內折導流結構後，煙氣必須要經過轉向才能進入水平煙道，爐膛左側的煙氣在爐內的停留時間就會相應增加，縮小了與爐膛右側煙氣停留時間的差距，有效改善了左、右兩側的煙溫偏差。
(2)由於煙氣必須經過轉向，而不會直接進入水平煙道，因而煙氣在上爐膛換熱器區域的分布更加均勻，有效降低了前、後兩側的煙溫偏差。換熱器的受熱也更加均勻，可以有效減少管壁由於熱應力過大、熱疲勞、超溫等引起的爆管現象。
(3)防止了煙氣向後牆偏斜，煙氣流速也有所降低，相比於現有的塔式鍋爐，可以大大降低煙氣內灰顆粒對後牆附近換熱器管壁的磨損。
附圖說明
圖1(a)為現有的塔式鍋爐結構示意圖，圖1(b)為本發明可降低煙溫偏差的塔式鍋爐結構示意圖。
圖2為本發明內折導流結構夾角示意圖；
圖3為兩種塔式鍋爐下沿爐膛寬度方向中心截面的溫度分布對比圖。
圖4為兩種塔式鍋爐下沿爐膛深度方向中心截面的溫度分布對比圖。
圖5(a)、5(b)分別為兩種塔式鍋爐下某兩層煤粉顆粒在爐內的運行軌跡圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
結合圖1(a)、(b)說明現有的塔式鍋爐及一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐。兩種鍋爐均包括冷灰鬥1，主燃區2，上爐膛換熱器區域3，水平煙道4和下行煙道5。實例中，爐膛深、寬、高分別為23.16m、23.16m、113.6m。 主燃區採用低NOx同軸燃燒系統(LNCFS)，配備了12層共48隻強化著火(EI)煤粉噴嘴。上爐膛換熱器區域由下至上分別布置了一級過熱器3-1、三級過熱器3-2、二級再熱器3-3、二級過熱器3-4、一級再熱器3-5和省煤器3-6。水平煙道在省煤器上方與下行煙道相連，長度較短，實例中通流面積為爐膛橫截面面積的30％。
圖1(a)現有的塔式鍋爐中，水平煙道與爐膛夾角約為90°。由於爐膛前、後兩側結構不對稱，且水平煙道及下行煙道通流面積較小，因而上爐膛換熱器區域煙氣會因引風機的牽引力會向後牆嚴重偏斜，導致煙氣分布不均。
圖1(b)中一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐保持現有爐膛主體結構不變，在上爐膛換熱器區域3與水平煙道4之間增加了一個內折導流結構6，將上爐膛換熱器區域3的後牆向爐內偏轉一個角度，再與水平煙道相連，。實例中，內折導流結構深度約為5.8m。由於內折導流結構與水平煙道之間夾角同樣為45°，因而爐膛高度並未增加太多。
內折導流結構6可採用坡面式、階梯式或多級階梯式。本發明提供了一種較佳實施方式，轉向和阻力綜合效果最優。如圖2所示，內折導流結構6的較佳實施方式為：包括相接的水平板和斜板，水平板與斜板之間的夾角為40°～50°，所述上爐膛換熱器區域3的後牆與斜板的夾角為40°～50°，優選45°，設置在所述上爐膛換熱器區域3與水平煙道4相接處。
運用數值模擬方法對兩種塔式鍋爐爐膛的溫度、顆粒軌跡分布進行了研究。圖3和圖4分別為兩種塔式鍋爐下沿爐膛寬度方向和深度方向中心 截面的溫度分布。可以看到，冷灰鬥區域僅有少量煤粉燃燒，溫度較低，不到1000K。進入主燃區後，大量煤粉開始劇烈燃燒，溫度迅速升高，最高溫度超過1800K，隨後由於煤粉的逐漸燃盡和換熱器的大量吸熱，煙氣溫度逐漸下降，在爐膛出口處已下降到1000K以下。對比圖3和圖4可以看到，兩種塔式鍋爐下冷灰鬥及主燃區域的溫度分布基本一致，爐膛前、後側及左、右側具有很好的對稱性。而在主燃區上方，現有的塔式鍋爐高溫區明顯出現了偏斜，爐膛後牆及左牆附近的煙氣溫度要高於前牆和右牆，雖然管內工質的流動可在一定程度上改善換熱器前、後兩側的受熱不均，但長期運行仍可能會出現熱疲勞，熱應力過大等現象。而左、右側的煙溫偏差則會引起管壁內水蒸汽吸熱不均，最終可能導致壁面超溫，爆管等嚴重威脅機組安全運行的現象出現。
一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐下爐膛前、後側及左、右側溫度分布均較為對稱，並未出現明顯的煙溫偏差。這是因為增加內折導流結構後，上爐膛換熱器的煙氣不會從靠近後牆這一側直接進入水平煙道，而是要經過轉向後才能進入水平煙道，從而有效的防止了煙氣向後牆偏斜，減小了前、後側的煙溫偏差；另一方面，在現有塔式鍋爐下，由於煙氣是順時針在爐內旋轉，因而靠近上爐膛換熱器左側的煙氣會直接進入水平煙道，右側的煙氣則會由於殘餘旋轉而先向爐膛前牆運動，再進入水平煙道，這樣爐膛上爐膛換熱器左側的煙氣停留時間就會小於右側的煙氣，放熱量也會減小，相應的煙氣溫度就更高，最終左、右兩側出現了煙溫偏差。增加內折導流結構後，煙氣在上爐膛換熱器的分布更加均勻，左側煙氣在進入水平煙道前也必須經過轉向，從而增加了其在爐內的停留時間，即增加了放熱量，因而左、右兩側的煙溫偏差得到了顯著的改善。
圖5(a)、5(b)分別為兩種塔式鍋爐下某兩層煤粉顆粒在爐內的運行軌跡圖。可以看到，煤粉顆粒進入爐膛後呈螺旋狀向上運動，進入換熱器區域後旋轉強度逐漸減弱。現有塔式鍋爐下顆粒的運動明顯向後牆偏斜，前牆附近幾乎沒有顆粒經過。由於後牆附近煙氣流速較快，大量灰顆粒向後牆偏斜會導致後牆附近換熱器的管壁嚴重磨損，大大減小了換熱器的使用壽命。一種可降低煙溫偏差的塔式鍋爐下，顆粒進入上爐膛換熱器區域後並未出現明顯的偏斜，其分布較為均勻，因而可以大大減輕灰顆粒對管壁的磨損。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。