1000 MW切圓燃燒鍋爐燃燒系統(tǒng)特點(diǎn)及煙溫偏差控制

朱光明，謝國(guó)鴻，彭敏，楊劍鋒，黃偉，陳文

(湖南省電力公司試驗(yàn)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

對(duì)于電站鍋爐，其運(yùn)行的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性與其燃燒系統(tǒng)的布置和調(diào)整密不可分。一般而言，燃燒系統(tǒng)有廣義與狹義之分。廣義的燃燒系統(tǒng)是由輸煤、制粉、煤粉分離、送粉 (排粉、給粉)、燃燒器燃燒、除塵、脫硫等連貫環(huán)節(jié) (部件)組成。狹義的燃燒系統(tǒng)則單指參與燃燒的設(shè)備系統(tǒng)，主要是攜帶高濃度煤粉的一次風(fēng)，提供點(diǎn)火或助燃作用的油燃燒器，提供燃燒需要的二次風(fēng)、燃盡風(fēng)等。

不同的設(shè)計(jì)煤種適用于不同的燃燒系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)良好的燃燒系統(tǒng)，其煤種適應(yīng)性強(qiáng)、爐膛火焰充滿度好、可抑制結(jié)焦和污染物生成。

對(duì)于1000 MW容量的電站鍋爐，如何在控制制粉系統(tǒng)套數(shù)的前提下合理分配各個(gè)燃燒器的燃燒功率;燃用揮發(fā)分較高的煙煤時(shí)，如何降低NOx生成以及提高燃燒效率;對(duì)于四角切圓鍋爐，如何從設(shè)計(jì)和運(yùn)行角度降低煙溫偏差等都是值得鍋爐技術(shù)人員研究的方向。

徐州彭城電廠三期工程1000 MW超超臨界參數(shù)四角切圓燃燒塔式鍋爐，于2009年投產(chǎn)。設(shè)計(jì)煤種為晉中煙煤 (收到基低位發(fā)熱量:20 966 kJ/kg;干燥無(wú)灰基揮發(fā)分:35%)，校核煤種為徐州混煤 (屬煙煤，其低位發(fā)熱量:21 736 kJ/k，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分:25%)。設(shè)計(jì)采用中速磨煤機(jī)一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器。燃燒器共設(shè)置12層煤粉噴嘴，鍋爐配置6臺(tái)ZGM133N中速磨煤機(jī)，其中5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

1 切圓燃燒方式鍋爐煙溫偏差產(chǎn)生機(jī)理及危害

1.1 切圓燃燒鍋爐煙溫偏差產(chǎn)生機(jī)理

爐膛出口煙溫偏差是指電站鍋爐爐膛的水平和(或)垂直出口截面中熱流分布的不均勻，常見(jiàn)的宏觀外部特征是水平煙道兩側(cè)溫度場(chǎng)的不均勻。由于燃燒方式的原因，較對(duì)沖燃燒、“W”型火焰燃燒等，切圓燃燒方式鍋爐更容易出現(xiàn)水平煙道兩側(cè)的煙氣溫度和煙氣速度偏差。

一般來(lái)講，造成爐膛出口煙溫偏差的主要原因包括爐膛出口煙氣的殘余偏轉(zhuǎn)、四角煙氣的動(dòng)量不平衡、四角燃燒能量不均勻、受熱面換熱不均等。其中，對(duì)于切向燃燒鍋爐而言，爐膛出口煙溫偏差主要是爐膛內(nèi)的流場(chǎng)偏差造成的。通過(guò)對(duì)目前運(yùn)行的燃煤機(jī)組煙氣溫度和速度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在爐膛垂直出口斷面處的煙氣流速對(duì)煙溫偏差的影響要比煙溫的影響大得多〔1-2〕。這提示，煙溫偏差不完全是燃燒和換熱的問(wèn)題，也是一種空氣動(dòng)力現(xiàn)象。爐膛出口煙溫偏差與煙氣的旋流強(qiáng)度之間有直接聯(lián)系。

煙氣旋流的產(chǎn)生是由于一次風(fēng)、二次風(fēng)與爐膛對(duì)角線之間存在一個(gè)偏轉(zhuǎn)角。在一次風(fēng)和二次風(fēng)噴嘴噴口面積一定的條件下，風(fēng)速越高意味著風(fēng)量越大，即空氣質(zhì)量流率越高，偏轉(zhuǎn)角度越大意味著旋轉(zhuǎn)力矩越大。煙氣的旋流，導(dǎo)致?tīng)t膛出口不同寬度方向的煙溫偏差。

1.2 煙溫偏差對(duì)鍋爐運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性的危害

四角切圓燃燒方式的鍋爐在運(yùn)行中，由于爐膛出口存在煙氣的殘余扭轉(zhuǎn)，使得爐膛出口出現(xiàn)沿高度和寬度方向的煙溫偏差，會(huì)明顯影響電站鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

同一個(gè)煙道截面的煙溫偏差，會(huì)導(dǎo)致該斷面處受熱面的受熱不均勻，嚴(yán)重時(shí)可引起受熱面短期或長(zhǎng)期超溫爆管;為避免發(fā)生四管爆漏事故，電廠往往被迫降低主蒸汽和再熱汽溫度以控制壁溫不超溫，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。

此外，煙溫偏差較大時(shí)，運(yùn)行中減溫水量難以合理控制，導(dǎo)致整個(gè)熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性下降。

2 電站鍋爐NOx生成機(jī)理及控制

2.1 NOx 生成機(jī)理

電站鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx主要是NO和NO2，一般統(tǒng)稱為NOx。煤粉電站鍋爐生成的NOx中，NO占95%以上，其余為NO2〔1〕，且NO2是由部分NO在燃燒后期形成的。

按生成起源和途徑，電站鍋爐燃燒生成的NOx可分為熱力型、快速型和燃料型3類。一般認(rèn)為，快速型NOx主要發(fā)生在內(nèi)燃機(jī)中，煤粉爐中生成量只占NOx生成總量的5%以下，可忽略不計(jì)。電站鍋爐NOx的主要生成方式是熱力型和燃料型。影響熱力型NOx生成量的因素主要是火焰溫度、氧氣濃度以及燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間。在煤粉爐中，NOx總量中70% ～80%來(lái)自燃料中的氮〔1〕。影響燃料型NOx生成的主要因素是燃燒溫度、燃燒氧濃度、煤中揮發(fā)分等。

由于燃料型NOx主要生成在揮發(fā)分的析出和燃燒階段，因此，對(duì)于煙煤等高揮發(fā)分煤種，燃料型NOx是其主要生成原因。過(guò)量空氣系數(shù)α＞1時(shí)，揮發(fā)分含量越高，NOx轉(zhuǎn)化率越大;火焰溫度越高，NOx轉(zhuǎn)化率越大。這主要是由于高揮發(fā)分煤種在氧量充足時(shí)，著火過(guò)快，火焰溫度迅速升高，更多的揮發(fā)分以氣態(tài)形式析出，導(dǎo)致大量的NO生成。

2.2 控制NOx生成的基本措施

根據(jù)各種NOx的生成機(jī)理，一般認(rèn)為，破壞其生成的基本條件，是控制NOx生成的有效措施:

(1)降低燃燒過(guò)程尤其是著火時(shí)氧氣濃度。著火時(shí)應(yīng)盡可能控制過(guò)量空氣系數(shù)α＜1。

(2)降低燃燒區(qū)的火焰溫度。降低火焰溫度，一方面可減少熱力型NOx，另一方面，由于減慢了揮發(fā)分的析出速度，也抑制了燃料型NOx轉(zhuǎn)化率。

(3)減少燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間。

3 1000 MW超超臨界參數(shù)切圓燃燒鍋爐燃燒系統(tǒng)

3.1 燃燒器選擇及布置

由于設(shè)計(jì)煤種為煙煤，揮發(fā)分含量較高，煤粉著火穩(wěn)定性和燃盡特性不是主要矛盾，如何在燃燒階段盡量抑制NOx生成是其燃燒器選擇的基本原則。

該鍋爐選用阿爾斯通的LNCFS直流燃燒器。通過(guò)提高早期著火能力和使用分級(jí)燃燒技術(shù)，減少燃料型NOx生成。

煤粉燃燒器采用典型的 LNCFS燃燒器布置方式〔3〕，在煤粉燃燒器外為燃料風(fēng) (即周界風(fēng))，主要作用是冷卻火嘴和提供著火初期燃燒所需空氣。燃燒器風(fēng)箱分成獨(dú)立的3組，下面2組風(fēng)箱各有6層煤粉噴嘴，對(duì)應(yīng)3臺(tái)磨煤機(jī)，在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層燃油輔助風(fēng)噴嘴。每相鄰2層煤粉噴嘴的上方布置了1個(gè)組合噴嘴，其中預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴 (CFS)和直吹風(fēng)噴嘴各占約50%出口流通面積。

3.2 抑制NOx生成

一般來(lái)講，抑制氮氧化物生成的主要原理有低氧量燃燒和低燃燒區(qū)域溫度等。分級(jí)配風(fēng)方式是一種簡(jiǎn)單有效的技術(shù)措施。通過(guò)二次風(fēng)逐級(jí)送入，降低著火和燃燒階段的氧濃度，可有效降低NOx的轉(zhuǎn)化比例。與不分級(jí)燃燒相比，空氣分級(jí)燃燒可使NOx排放量降低200 mg/m3左右，即減少20% ～30%〔1〕。

同心切圓 (CFS)燃燒方式是一種爐膛內(nèi)整體空氣分級(jí)技術(shù)。CFS分級(jí)燃燒是指富燃料的一次風(fēng)和提供燃燒需要的二次風(fēng)具有同一個(gè)圓心，但切圓直徑不同〔2-3〕。切圓直徑的選擇對(duì)于各角燃燒火焰的相互支持和火焰充滿度、火焰刷墻貼壁等有直接的影響。

具體而言，該鍋爐的同心切圓CFS燃燒方式是:對(duì)應(yīng)每臺(tái)磨煤機(jī)的2層煤粉噴嘴的上方布置1只二次風(fēng)噴嘴，其中約一半直吹風(fēng)，一半偏置風(fēng)(CFS)噴嘴。見(jiàn)圖1。

圖1 同心切圓 (CFS)燃燒方式示意圖

二次風(fēng)氣流在水平方向沿燃燒火炬分級(jí)送風(fēng)，在著火階段只有少量空氣和煤粉混合，氧含量的明顯偏低一方面抑制了NOx生成，另一方面也提高了煤粉的穩(wěn)燃能力。由于一次風(fēng)煤粉氣流和同心偏轉(zhuǎn)的二次風(fēng)氣流 (CFS)切圓大小不同，各一次風(fēng)煤粉氣流被二次風(fēng)氣流包裹在爐膛中央內(nèi)側(cè)，所有的一次風(fēng)形成富燃料旋流火炬，而在燃燒區(qū)域外側(cè)及上部四周水冷壁附近則形成少燃料的富氧區(qū)。

爐膛中心區(qū)域?yàn)楦蝗剂系脱鯀^(qū)而水冷壁附近為少燃料的富空氣區(qū)，這樣的空氣氣氛分布一方面提高了穩(wěn)燃能力和燃燒效率，另一方面減少了灰渣在水冷壁上的沉積，并避免灰渣熔融軟化，降低了爐膛結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)水冷壁附近氧量的提高也降低了燃用高硫煤時(shí)水冷壁的高溫腐蝕傾向。

3.3 低負(fù)荷穩(wěn)燃與提高煤粉燃盡特性

通過(guò)應(yīng)用分級(jí)送風(fēng)技術(shù)，LNCFS在降低 NOx排放的同時(shí)，還可顯著提高鍋爐不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率。此外，LNCFS在防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨(dú)特的效果。

(1)低負(fù)荷穩(wěn)燃

LNCFS燃燒器采用了強(qiáng)化著火 (EI)煤粉噴嘴設(shè)計(jì)，可有效提高煤粉的著火能力。與常規(guī)煤粉噴嘴設(shè)計(jì)比較，強(qiáng)化著火 (EI)煤粉噴嘴的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)合理組織一次煤粉氣流和燃料風(fēng)流場(chǎng)，確保煤粉中揮發(fā)分快速析出并在富燃料的氣氛下快速著火。著火階段的低氧富燃料氣氛，也符合提高煤粉濃度后煤粉氣流著火穩(wěn)定性大幅加強(qiáng)的燃燒理論。因此，通過(guò)促進(jìn)揮發(fā)分的著火和提高煤粉濃度，大大提高鍋爐不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。此外，由于著火階段缺氧燃燒，也可有效降低NOx的生成。

(2)提高煤粉燃盡特性

對(duì)于煤粉燃燒，著火越早，其燃盡時(shí)間相對(duì)越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)地其燃燒效率越高。LNCFS通過(guò)在爐膛的不同高度布置CCOFA和SOFA燃盡風(fēng)，將爐膛分成3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分:著火區(qū)、NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū)。在每個(gè)區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)由3個(gè)因素控制:總的OFA風(fēng)量，CCOFA和SOFA風(fēng)量的分配以及總的過(guò)量空氣系數(shù)。這種改進(jìn)的空氣分級(jí)方法通過(guò)優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)，在有效降低NOx排放的同時(shí)能最大限度地提高燃燒效率〔3〕。

該鍋爐可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng) (SOFA)設(shè)計(jì)，能根據(jù)煤質(zhì)的變化，單獨(dú)優(yōu)化調(diào)整SOFA風(fēng)和煙氣的混合過(guò)程，加速煤粉的著火、分別控制不同燃燒階段氧量氣氛，兼顧了降低飛灰含碳量和一氧化碳 (CO)含量。如圖2所示。

圖2 可水平調(diào)整擺角的SOFA噴嘴設(shè)計(jì)示意圖

(3)有效防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕

LNCFS采用預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴(CFS)設(shè)計(jì)，由于二次風(fēng)切圓大于一次風(fēng)切圓，煤粉氣流被裹夾在空氣中，避免一次風(fēng)刷墻，在燃燒區(qū)域及上部四周水冷壁附近形成富空氣區(qū)，能有效防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕。

3.4 控制爐膛出口煙溫偏差

根據(jù)上文的分析，切圓燃燒鍋爐的煙溫偏差主要與爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)的狀態(tài)有關(guān)，與爐膛和燃燒器的相互匹配及燃燒器的空氣動(dòng)力特性參數(shù)有關(guān)。燃燒器的合理設(shè)計(jì)無(wú)疑會(huì)減輕鍋爐的煙溫偏差。

空氣動(dòng)力場(chǎng)導(dǎo)致的煙溫偏差可以通過(guò)特定的布置方式調(diào)整和運(yùn)行調(diào)整予以降低: (1)減小氣流入射角可降低旋轉(zhuǎn)力矩; (2)在燃燒的燃盡區(qū)，布置緊湊燃盡風(fēng) (CCOFA)噴嘴和SOFA噴嘴，SOFA反切一定角度〔3〕，可以消除部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)量;(3)此外，由于空氣和煙氣均為有粘性流體，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，旋流動(dòng)量必然會(huì)不斷衰減，因此增加煙氣運(yùn)動(dòng)距離，也可以減弱甚至消除進(jìn)入燃燒器上部區(qū)域氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，故選擇12層燃燒器而不是6層燃燒器，一方面降低單只燃燒器一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，另一方面也相對(duì)拉長(zhǎng)了煙氣的停留時(shí)間，這都能有效降低燃燒煙氣的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量。

此外，為在運(yùn)行中實(shí)時(shí)調(diào)整氣流入射角，該鍋爐同時(shí)應(yīng)用了可水平調(diào)整角度的SOFA噴嘴 (參見(jiàn)圖2)，擺角可在+25°～-25°之間水平調(diào)整。水平角度的調(diào)整，一方面調(diào)整了燃盡風(fēng)旋流強(qiáng)度，可有效消旋;另一方面，通過(guò)水平角度的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)爐膛火焰中心的位置控制，對(duì)燃燒效率也有影響。最佳的水平角度應(yīng)通過(guò)燃燒調(diào)整獲得。該水平擺動(dòng)角度在熱態(tài)調(diào)整時(shí)確定后，就不用再調(diào)整。

4 機(jī)組冷態(tài)和熱態(tài)調(diào)試情況

4.1 一次風(fēng)均分器均分效果

由于設(shè)計(jì)煤種為煙煤，可磨性較好且煤粉細(xì)度要求不高，磨煤機(jī)可有較大出力。該系統(tǒng)采用6臺(tái)中速磨煤機(jī)。為合理控制單只燃燒器燃燒功率、降低煙氣旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)提供2層共8只燃燒器所需的煤粉。磨煤機(jī)出口為4根煤粉管道，在燃燒器前通過(guò)一個(gè)均分器，均等地分成8根煤粉管道，進(jìn)入4個(gè)角燃燒器的2層煤粉噴嘴中。

在冷態(tài)試驗(yàn)中，調(diào)試技術(shù)人員對(duì)磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管均分器后風(fēng)速進(jìn)行了抽測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉管分配器后風(fēng)速測(cè)量

由調(diào)試階段風(fēng)速測(cè)量結(jié)果看，均分器后，一次風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速最大偏差1.34%，偏差控制良好。

4.2 爐膛出口煙氣流場(chǎng)分布

在調(diào)試階段，調(diào)整SOFA水平角度至0°，測(cè)量爐膛出口風(fēng)速分布和省煤器入口風(fēng)速分布，測(cè)量結(jié)果分別見(jiàn)圖3，4。

從風(fēng)速測(cè)量結(jié)果看，爐膛出口煙道風(fēng)速分布沿爐膛寬度方向呈現(xiàn)兩邊高、中間低的趨勢(shì)，省煤器入口氣流分布沿爐膛寬度方向則較為均勻。整體上，兩側(cè)流速分布基本對(duì)稱。

4.3 爐膛出口煙溫偏差控制

將SOFA水平角度調(diào)整至 0°不變，在1000 MW負(fù)荷下，維持B，C，D，E，F(xiàn) 5套制粉系統(tǒng)運(yùn)行，鍋爐煙氣系統(tǒng)、汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)分別見(jiàn)圖5～7。

圖5 1000 MW負(fù)荷下煙氣系統(tǒng)

(1)從圖5可知，二級(jí)過(guò)熱器出口左右兩側(cè)煙溫分別為623.6℃和614.5℃，偏差9.1℃;一級(jí)再熱器出口左右兩側(cè)煙溫分別為419.9℃和419.5℃，偏差0.4℃。從圖7數(shù)據(jù)也可看出，空預(yù)器進(jìn)口左右側(cè)煙氣溫度分別為 363.16℃和362.54℃，偏差0.62℃;空預(yù)器出口左右側(cè)平均溫度分別為146.36℃和146.50℃，偏差為 0.14℃。從上述數(shù)據(jù)看，在煙氣行程 (從二級(jí)過(guò)熱器后)，煙氣偏差最大為9.1℃，偏差很小。

(2)從圖6看，過(guò)熱器一級(jí)減溫水左右側(cè)分別為:17.76 t/h和26.63 t/h，二級(jí)減溫水左右側(cè)分別為:98.37 t/h和85.34 t/h。減溫水量偏差極小。

從上述左右側(cè)煙溫對(duì)比數(shù)據(jù)和減溫水量對(duì)比數(shù)據(jù)看，1000 MW負(fù)荷下，該四角切圓燃燒鍋爐爐膛出口煙溫偏差較小。

4.4 低負(fù)荷穩(wěn)燃能力

在調(diào)試階段，借助微油點(diǎn)火系統(tǒng)，B制粉系統(tǒng)對(duì)應(yīng)煤粉燃燒器在點(diǎn)火小油槍投運(yùn)后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火。

在300 MW(30%額定工況負(fù)荷)左右負(fù)荷下，B制粉系統(tǒng)退出小油槍，實(shí)現(xiàn)斷油燃燒。

5 結(jié)論

5.1 大容量參數(shù)鍋爐，在制粉系統(tǒng)出力滿足的條件下，一次風(fēng)均分技術(shù)可以保證均分效果較好，能平均分配燃燒器燃燒功率。

5.2 可水平調(diào)整角度的燃盡風(fēng)設(shè)計(jì)，能有效調(diào)整燃盡風(fēng)反切動(dòng)量，有效控制四角切圓燃燒鍋爐的爐膛出口煙溫偏差，從實(shí)際燃燒效果看，滿負(fù)荷下煙溫偏差可控制在10℃以內(nèi)。

5.3 低NOx同軸燃燒系統(tǒng) (LNCFS)燃燒器著火穩(wěn)定性較好，在30%額定負(fù)荷下負(fù)荷下，即可實(shí)現(xiàn)斷油穩(wěn)燃。

〔1〕胡蔭平.電站鍋爐手冊(cè)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

〔2〕王振雷.關(guān)于切向燃燒爐膛煙氣殘余旋轉(zhuǎn)計(jì)算結(jié)果的幾點(diǎn)初步看法〔J〕.鍋爐制造，2006，(4):32-34.

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