历程艰难的通用煤粉主燃烧器研制与转化过程

历程艰难的通用煤粉主燃烧器研制与转化过程

 

清华大学工程力学系教授  傅维镳

 

   1984年12月22日,在清华大学召开了一次由清华大学、中科院力学所、安徽电力局共同研制的《直流型煤粉预燃室及燃烧技术》(后称为大速差射流通用煤粉燃烧技术)鉴定会。这次鉴定会邀请了不同观点的人参加,参加者达百余人,是一次真正的技术鉴定会。会议由中科院院士王补宣教授主持。当时由我国电站锅炉的点火及低负荷稳燃用油的油量太大,前能源部为了解决此问题,组织了全国的科技攻关。由于四角切圆燃烧煤粉锅炉的燃烧器是直流型的,因此,我们也研究了直流型煤粉燃烧器,以解决直流型煤粉锅炉点火与调峰的少用油,甚至不用油的问题。由于我们着眼于创新,但无把握,因此只能默默无闻地工作,但走了中国自己的路,我们只是在燃烧器头部开了两个小孔,并通以高压空气(或蒸汽),某燃烧性能却出众。当这项技术在鉴定会上宣布,并由代表亲自操作实验,证实了我们宣布的技术可信后,引起了震动,许多专家情绪激动说:“这一技术在燃烧技术上是一大突破,它的意义不在于一个稳燃技术,而在于为一个古老的燃烧理论和技术开辟了一个新的领域。…这一原理和技术为我们开拓了一个新的思路,为我们国家的燃烧理论和技术走在世界的前列迈出了决定性的一步。国外没有,是我国独创。总之,我对它的评估很高,可以说是燃烧技术和理论的一个里程碑”;一位锅炉专家说:“这确是一个突破,而且实用、简单。我从1969年就开始搞旋流型预燃型,到目前为止,我国的设计和研究人员仍跳不出传统的旋流和钝体燃烧的旧框框,只有他们是独创.我认为技术不在于越复杂越高明,而在于越简单越有效才越高明。这一技术可以烧贫煤,也可能烧无烟煤。这为将来解决稳燃问题开辟了一个新领域”;另一位教授说:“听了傅维标同志的报告,看了实验,进行现场测试,我认为在原理和技术上是一个重大突破。射流应用在技术上是有的,比方说我们现在使用的超音速喷咀是两股射流,一般大家认为射流之间相互作用是一个混合和引射问题,认识至此而已。现在我们又搞了一个烧咀,中间高速,外面圆环是小速度,后面又放了一个钝体和旋流器,越搞越复杂,利用您们这样的稳燃技术是一个启发。这个原理在理论上是一个发展,在科学上也是一个发展。它的另一个突破是,它不但可以用在煤的燃烧上,而且也可用于煤气、油的燃烧上”;我国的一位射流理论专家说:“昨天看了现场,说明确是一个很好的技术,一个新的射流组合。我们科学工作者如何应用物理原理,产生新的技术,这是一个重要问题。该技术作为发明是没有问题的”;一位搞航空发动机燃烧的专家说:“这种稳定燃烧方式确是国内外独创的。过去在航空上想用逆向射流稳定火焰,但在生产上不适用。而用同向平行射流稳定火焰我在国外没有见过。这种技术简单,效果好。而且 能达到回流区温度的无级调节,这在航空发动机中很有用。用二根小管子,起到这样好的效果,一般人是难以相信的。回流区的温度能提高200~300℃是很不容易的,旋流器就做不到这点。我本人也做过类似的计算,计算结果确是这样,因此这项技术在理论上也是站得住脚的。这一新的发明对国民经济的意义很大。我们是越搞越复杂,而你们是越高越简单:你们打破常规,不跟外国人走,有自己的独创,这种超赶世界水平的精神值得学习。这一技术在航空发动机上也值得探索、应用”。一位科学院的专家说:“实验是成功的,想不到你们用的是这个原理。但如果我不看实验,只听傅维标同志一开始就从理论上讲,我是不会相信的。这一技术开辟了新的稳定燃烧的方法,是很好的”;一位从电厂来的总工程师说;“这次会对大家的震动不小,这几天我们一直在议论这件事,我们已想好方案,在20万千瓦机组上采用它”。类似的发言还很多,这里不可能一一摘录,是的,我们预计,一旦这一技术被宣布,将会引起震动。成功,常常被人称赞,但成功的背后却是艰难的历程。
 
 
一、技术创新艰难,但新的发现往往留给那些不畏艰难,朝思暮想的人们
 
    80年代初当时的能源部发出号合,要解决电站锅炉的点火、调峰问题,许多研究单位都参于了这一攻关。我们是工程力学系,与能源部毫无关系,虽也想干,但没有技术方案,更没有经费资助,在这种情况下,真是寸步难行。但我认为燃烧是我们的本行,我们可以有所作为,因此千方百计的找合作单位。最后,在1981年找到了一家地处南苑的军工厂里的小电厂, 他们同意与我们合作,但不给经费,只同意在他们的院内露天搭一试验台,提供高压气源。我们就这样开始了我们的研究。试验台搭好后,我与另一位年轻教师卫景彬同志每天早出晚归,由于南苑路远,总是要到天黑才回家,一到家中真是精疲力尽,不想动了。这样持续了一年左右。我们做了许多实验,但是都失败了。我几乎把课堂上讲的稳定火焰方法都一一加上试验,但总是不奏效。时间一天天过去,方案一个换一个,但就是解决不了贫煤的火焰稳定问题。当时许多人正在搞旋流型燃烧器,说旋流有助于火焰稳定,劝我不妨试试。我懂得旋流流动对稳定火焰的原理,但我坚决不用,非搞出一个直流型贫煤煤粉燃烧器不可。当时厂内又有人抗议,因为烧不好的煤粉飘到厂内四周,弄得工厂内到处是煤粉,要我们停止试验。当时真是到了山穷水尽的地步,拿不出更好的解决的方案。然而,机遇总是留给那些不畏艰难,朝思暮想的人们。在试验某一火焰稳定器的效果时,为了防止燃烧器内积灰渣,设计了一个环形管,上面开了8个对称布置的小孔,以达到吹灰的目的。这时奇迹出现了,一点火、启动,火焰稳稳地稳在燃烧器头部,这真是我们朝思暮想的,一下子就被我们抓住了,但还不敢相信。通过多次重复试验与观察,证实了是环形高速小射流的作用,而不是被试的火焰稳定器的作用。后来将此火焰稳定器去掉后,达到了同样的效果。至此,我与卫景彬、韩洪樵同志都十分高兴。这时已是1982年了,即整整化费了一年多的时间,从原理上发现了高速小射流能稳定贫煤火焰。但我们的试验太小了,燃烧器直径只有220mm, 这样小的试验台所得之结果, 能否用于电站锅炉的大流量大直径的煤粉预燃室 ?这是要进一步进行工业性试验来验证的。
 
    于是我到处寻找合作单位,最后得到了安徽电力局的支持,决定在马鞍山发电厂75t/h贫煤锅炉上进行试验。此外,由于我们的试验台是在露天临时搭的,测量系统很不完善,必须找一个测量系统较完善的实验室进行系统的试验,录取所需之数据,并为将来鉴定会作准备。为此,我找到了中科院力学所的同志商量,利用他们的试验台进行试验。尽管力学所燃烧组的许多同志是我的学生,但他们是否愿意让我们使用他们的试验台,还得与他们协商。我提出了两个方案,一是借用他们的试验台,我们出钱;二是他们参加到我们的研究队伍中来。今后一切成果(包括科研经费)双方均分,因此试验台将无偿使用。他们说他们研究后告诉我。几天后,力学所业务处一位姓聂的女同志找我谈话说:“对您的为人我们信得过,因此我们的同志决定参加您的队伍”。我当时就同意,并保证了我的承诺。就这样,为了一个共同的目标,一支由清华大学,中科院力学所及安徽电力局(含马鞍山发电厂)组成的新的研究队伍在1983年正式成立了。大家齐心合作,在马鞍山电厂和力学所燃烧实验室两个战场上开始了我们的研究。
 
    由于我们对高速射流能否稳定电站锅炉中的贫煤煤粉预燃室中的火焰心中还无把握,因此在设计时,除了在预燃烧室头部开了四个小孔外,还专门设计了一个煤气点火枪,以防万一高速射流稳定火焰不成功,则用煤气点火、稳燃也是一个成果。由于这支队伍是新组成的,大家对高速射流能稳定贫煤火焰还不太相信,在试验过程中提出了各种问题,但经现场反复的验证与记录数据的分析,都明确无误地证实了高速射流不仅能使预燃室直径d=220mm内的火焰稳定,同样也能使直径达400mm左右的预燃室内的大流量贫煤煤粉火器获得稳定。与此同时, 在力学所燃烧实验室中也获得了一系列的实验结果,证实了高速射流不仅能稳定贫煤煤粉火焰,而且它具有与现有火焰稳定器不同的特点,例如其回流温度可通过改变射流流量加以控制等。
 
    然而直到鉴定会前,我们还没有把这一发明的名称定下来。原因是,究竟是什么原理使火焰稳定的,还未最后弄清。但我认为还是由于高速射流改变了预燃室内的流场引起的。为此,我请周力行教授用数值模拟方法计算了高速射流对流场的影响。几天后,周老师的一位学生告诉我,计算结果表明,高射流诱导出了一个中心回流区。这时,我认为问题已清楚了,就定名为《大速差射流火焰稳定技术》,因为只有速差很大的射流组合才会有这样的效果。
 
    鉴定会后,决定几家合作单位都有同等权利分别进行推广,不受任一方的约束。然而,在推广过程中又遇到了各种矛盾,例如有的参加鉴定会的单位,先于我们在电站锅炉中应用取得了成果,并召开了鉴定会,不让我们参加,还登报表扬。这样的情况还不止一家,这就分散了我们的精力。但最重要的还是技术本身问题,因为实验室的发明与生产中的应用有很大差别,例如结焦问题在实验室的短时间运行中是暴露不出来的,但实际运行中则不然,运行时间一长,就暴露了矛盾。我们推广应用的几家电厂都存在这问题。1989年, 西安热工研究所对当时全国电站锅炉所应用的预燃室作了全面的调查,对我们的大速差射流火焰稳定燃烧器的结论是,“稳定性能好,但结焦问题若不解决,则无发展前途”。这是一个非常现实的矛盾,即强化燃烧的结果,必然导致结焦问题,这在燃烧上似乎是一个难以解决的矛盾。但不解决这一矛盾,则这种新型燃烧器就毫无实用价值,这时又到了山穿水尽疑无路的局面,怎么办?摆在我们面前的只有两条路,一是就此打退堂鼓,二是继续解决强化燃烧与结焦之间的矛盾。我们选择了后者,并与哈尔滨锅炉厂进行了合作。
 
 
二、柳暗花明又一村
 
    我们通过长期的观察与分析,发现其结焦的原因主要是由于高温回流烟气与壁相遇造成的。为此,双一次风通道的构思便出现了,即在两股一次风射流之间设计一个回流烟气的空间,这不仅避免了高温回流烟气与壁的接触,从而可避免壁面结焦,又因为高温回流烟气直接被一次风射流所卷吸、混合,因此又可将高温回流烟气的能量交给一次风,使一次风提前加热、看火。高速射流的存在,可进一步加强烟气的回流,故称其为带高速射流的双一次风通道通用煤粉燃烧器, 简称《通用煤粉主燃烧器》。在实验室研究的基础上,我们在几台锅炉上进行了工业性试验。特别是将此构思在中国最难燃的煤?D?D福建永安电厂的加福无烟煤上进行了试验,取得连续48小时的脱油运行,打破了外国人说这种煤除用油伴烧外,另无他法的神话。充分显示了双一次风通道通用煤粉主燃烧器的稳燃性能及其优势。几个电厂运行结果表明,其结焦问题确是彻底解决了。这时的高速射流虽然可进一步加强回流,但由于两股一次风射流的动量已很大,所以高速射流只在极难燃煤(例如加福无烟煤)上使用外,一般不使用了。福建加福无烟煤的试验成功,真是获得了柳暗花明又一村的感觉,极大地鼓舞了我们,于是我就提出要研制一种各种动力用煤都能燃烧的《通用煤粉主燃烧器》的奋斗目标,因为只有这样,才能从根本上解决我国因煤质多变而造成的种种燃烧问题。然而受到了许多同行专家的劝告,认为煤燃烧太复杂,无通用煤粉燃烧器可言。然而,这并不妨碍我的进一步探索的决心。为此,我们又在几十个电厂,进行了几十种煤种的试验,包括烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤、劣质烟煤等。由于各种煤种与各种供粉方式都是初次试验,没有十分的把握,经常冒着风险,不知熬过了多少个不眠之夜,但欣慰的是都取得了成功。特别是对200MW和300MW机组的无烟煤试验的成功,打破了国际上公认的“只有W形火焰炉才能烧无烟煤而四角燃烧炉不能”的传统观点。
 
   在以上大量的试验基础上,1994年1月17日召开了最后一次鉴定会。会议由我国著名锅炉专家朱瑾、冯俊凯、陈兆鲲教授等主持,其结论为:“国内外首创,国际先进水平”。其中“在煤质适应性、火焰的可控性及对四角切向燃烧无烟煤的稳定性能方面具有国际领先水平”。为《通用煤粉主燃烧器》的研制成功划上了圆满的句号。
 
 
三、转化工作艰巨,但效益巨大
 
   鉴定后,我们又开始了新一轮的推广。在推广前期,效果十分明显,电站锅炉只要改装上这种燃烧器,则稳燃效果十分显著,经济效益也很显著,厂方十分满意。然而,几个月后,从全国各有关电厂,特别是小型电厂来电找我们,反映锅炉的稳燃又不行了。后经我们几年的观察、调查,发现其原因是燃烧器因长期受热而变形,破坏了烟气的回流通道,而且变形是有规律的,这就为我们采取改进措施提供了有利条件。经组内同志们的讨论,断然采取了措施,改进了设计,十分奏效。以后就不再发现因变形而使燃烧器及其稳燃受到影响的问题。这时哈锅设计、制造的几台300MW的锅炉也存在着同样的问题。我与哈锅的总工程师专门下厂考察后,由哈锅设计室修改了设计方案问题也得了解决。
 
    然而,问题还没有最后解决。在该燃烧器中我们设计了一个称之为“腰部风”,以控制煤粉的着火点位置,这是我们的燃烧所以能成为通用煤粉燃烧器的关键。当腰部风全关时,着火点就在燃烧器里边,这对稳燃当然是极为有利的。但在全负荷下,若长期将腰部风门关闭,则会使燃烧器过热而影响燃烧器之寿命。但若将腰部风门全开,则着火点位置在燃烧器外面,它虽然不会使燃烧器过热而受损,但对火焰的稳定性有影响。由于我们没有告诉司炉们在全负荷下腰部风门究竟放在什么位置才既保证使燃烧器不过烧,同时对火焰稳定有利。在这种情况下,司炉们总是将腰部风门放在全关位置,致使燃烧器寿命缩短。为了解决这一实际问题,我们又在燃烧器中加设了一支监控热偶,每次锅炉改造后的热态调试中,我们都给出了该炉操作的温度范围。司炉可以在控制室中方便地观察该燃烧器的温度。若温度超过事先设定的范围,司炉会调节远程控制风门,使监视热偶的温度始终在设定温度的范围内。这一操作措施,受到司炉们的欢迎。至此,该燃烧器之技术与使用问题得到了全部解决,已成为一种性能先进的实用技术。
 
    然而,在将实验室的发明转化为生产力的过程中,最使我们头痛的不是技术问题,而是人事关系问题。我国目前的体制,简直无法使先进的技术得到推广。我们通过几十家电厂的推广,遇到的人事矛盾几乎处处都存在。目前在许多电厂中要推广新技术基本上是凭“关系”,无公平竞争可言。只要与厂领导拉上关系,则技术先进与否是次要的。那些所谓“招标”,只是走过场而已,不是真正的招标。所以,除少数我们不得不参加的“招标”外,凡是招标,我们基本不参加。此外,我们越来越认识到“关系”是第一位的,技术则是第二位的,因此我们基本上不到电厂主动上门推广我们的技术。因为我们是在工程力学系,与电力系统毫无联系,既无学生分配到那儿,又无熟悉的领导,全凭我们的技术优势。有的电厂,国内的所有方法都采用了,但还是解决不了问题,要我们前去解决,我们才去,而且保证100%完成任务。因此,如果有一个好的体制,那么,我们的技术可发更大的作用,其经济及社会效益是十分可观的。例如一个经改造后的锅炉,不仅不再“放炮”、灭火,保证了锅炉的安全运行,还可全部节约稳定用油,年经济效益达几百万~上千万元人民币。
 
    从转化过程中, 我们逐渐务出了一条规律, 即现有电厂的改造, 主要依靠“关系”,新技术若没有过硬的“关系”,则寸步难行。因此,我们的重点就不能放在对旧锅炉的改造上。我们发现对锅炉设计、制造单位来说,则情况就不完全如此。因为设计、制造部门若单凭“关系”引进一项新技术,但若该新技术无潜力,那么在当前激烈的商业招标竞争中,就无法取胜。因此,设计、制造部门选择的是真正有潜力的新技术,这对我们十分有利。为此,我们把重点放在将技术转让给有关设计、制造部门。例如哈尔滨锅炉厂是我国最大的锅炉制造厂,它在四角切圆燃烧低挥发份煤粉锅炉设计、制造中,就采用了我们的技术,已取得了12亿人民币的产值, 运行性能十分满意, 某些指标已超过了国外的W形火焰炉, 外国人说四角燃烧炉无法烧无烟煤, 但中国人却做到了。哈锅已获得了由国务院颁发的《国家重点新产品证书》。由于其价格便宜,在市场上很有竞争力,与国外的W形火焰炉形成了抗衡局面, 从此, 结束了W形火焰炉在低挥发份煤粉燃烧锅炉中的一统局面, 促进了中国民族工业的发展。其他许多有关大、中、小锅炉制造厂也先后引进了我们的技术。一项实验室的发明转化为设计、制造厂的生产力,尽管道路曲析、艰难,但这是真正将一项科研成果转化为生产力了。为国家作出了贡献,实现了一个科技工作者自身的价值。
 
    由上述过程可知,过去由于我国没有建立起以企业为主体的创新体系,其结果必然要求教师一竿子到底,即从实验室原理发明一直到转化为生产力,都得教师完成,其效率及效果是可想而知的,因为许多工作教师是做不好的。由此可见,建立以企业为主体的创新体制急待解决,否则,我国许多科研单位的许多新发明,要转化为生产力是困难的。