不同配風(fēng)對四角切圓∏型爐參數(shù)的影響

楊飛

摘 要：鍋爐燃燒過程，是一個極其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程。在火力發(fā)電廠的運(yùn)行中，由于電網(wǎng)負(fù)荷、燃料成分含量等各種實(shí)際因素的影響，鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)不斷地進(jìn)行調(diào)整。在確保鍋爐蒸汽的品質(zhì)、產(chǎn)量和安全運(yùn)行的同時，實(shí)現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行，就必須要對鍋爐的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的優(yōu)化調(diào)整和控制。該文通過對某超超臨界機(jī)組四角切圓∏型直流爐二次風(fēng)配比的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，總結(jié)出二次風(fēng)配比對鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響，對鍋爐運(yùn)行調(diào)整具有指導(dǎo)意義，調(diào)整經(jīng)驗(yàn)值得同類型鍋爐借鑒。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐 二次風(fēng) 燃燒優(yōu)化 汽溫偏差 結(jié)渣 高溫腐蝕

中圖分類號：TK22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（b）-0043-04

某電廠一期工程為（2×660）MW燃煤發(fā)電機(jī)組。鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，四角切向燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架的∏型直流爐。鍋爐型號為SG-2037/26.15-M626型。鍋爐采用擺動式四角切圓燃燒技術(shù)，設(shè)計(jì)煤種為神華石圪臺煤、校核煤種為神華烏蘭木倫礦。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、擺動式燃燒器。燃燒器共設(shè)置六層煤粉噴嘴，鍋爐配置6臺HP1003型中速磨煤機(jī)，每臺磨的出口由4根煤粉管接至爐膛四角的同一層煤粉噴嘴，鍋爐MCR和ECR負(fù)荷時均投5層，另一層備用，設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度R90=18%。

1 燃燒器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNCFS），低NOx煤粉燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是減少揮發(fā)份氮轉(zhuǎn)化成NOx，其主要方法是建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)。

LNCFS的主要組件為：（1）緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）；（2）可水平擺動的分離燃盡風(fēng)（SOFA）；（3）預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴（CFS）；（4）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴。

主風(fēng)箱設(shè)有6層強(qiáng)化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)（周界風(fēng)）。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上下2只偏置的CFS噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層CCOFA（Closed-coupled OFA，緊湊燃盡風(fēng)）噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層UFA（Underfire Air，火下風(fēng)）噴嘴。

在主風(fēng)箱上部布置有SOFA（Separated OFA，分離燃盡風(fēng)）燃燒器，包括5層可水平擺動的分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴。

連同煤粉噴嘴的周界風(fēng)，每角主燃燒器和SOFA燃燒器各有二次風(fēng)擋板25組，均由氣動執(zhí)行器單獨(dú)操作。為滿足鍋爐汽溫調(diào)節(jié)的需要，主燃燒器噴嘴采用擺動結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外連桿組成一個擺動系統(tǒng)，由一臺電動執(zhí)行器集中帶動作上下擺動。

SOFA燃燒器同樣由一臺電動執(zhí)行器集中帶動作上下擺動。上述氣動或電動執(zhí)行器均采用進(jìn)口的直行程或角行程結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單，能適應(yīng)頻繁調(diào)節(jié)。

LNCFS在降低NOx排放的同時，著重考慮提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率。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）良好的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率。

LNCFS的設(shè)計(jì)理念之一是建立煤粉早期著火，提高鍋爐不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。與常規(guī)煤粉噴嘴設(shè)計(jì)比較，強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴能使火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內(nèi)，使揮發(fā)份在富燃料的氣氛下快速著火，保持火焰穩(wěn)定，從而有效降低NOx的生成，延長焦碳的燃燒時間。

煤粉的早期著火提高了燃燒效率。LNCFS通過在爐膛的不同高度布置CCOFA和SOFA，將爐膛分成3個相對獨(dú)立的部分：初始燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū)。在每個區(qū)域的過量空氣系數(shù)由3個因素控制：總的OFA風(fēng)量，CCOFA和SOFA風(fēng)量的分配以及總的過量空氣系數(shù)。這種改進(jìn)的空氣分級方法通過優(yōu)化每個區(qū)域的過量空氣系數(shù)，在有效降低NOx排放的同時能最大限度地提高燃燒效率。

（2）良好的防結(jié)焦和高溫腐蝕能力。

在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括2只CFS（偏置風(fēng)）噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。

采用同心切圓（CFS）燃燒方式，部分二次風(fēng)氣流在水平方向分級，在始燃燒階段推遲了空氣和煤粉的混合，NOx形成量少。由于一次風(fēng)煤粉氣流被偏轉(zhuǎn)的二次風(fēng)氣流（CFS）裹在爐膛中央，形成富燃料區(qū)，在燃燒區(qū)域及上部四周水冷壁附近則形成富空氣區(qū)，這樣的空氣動力場組成減少了灰渣在水冷壁上的沉積，并使灰渣疏松，減少了墻式吹灰器的使用頻率，提高了下部爐膛的吸熱量。水冷壁附近氧量的提高也降低了燃用高硫煤時水冷壁的高溫腐蝕傾向。

（3）UFA（Underfire Air，火下風(fēng)）噴嘴設(shè)計(jì)。

在每個主燃燒器最下部采用UFA噴嘴設(shè)計(jì)，通入部分空氣，以降低大渣含碳量。

（4）采用可水平擺動調(diào)節(jié)的SOFA噴嘴設(shè)計(jì)控制爐膛出口煙溫偏差。

爐膛出口煙溫偏差是爐膛內(nèi)的流場造成的，煙溫偏差是一個空氣動力現(xiàn)象。爐膛出口煙溫偏差與旋流指數(shù)之間存在著聯(lián)系。該旋流指數(shù)代表著燃燒產(chǎn)物煙氣離開爐膛出口截面時的切向動量與軸向動量之比。

旋流值可以通過一系列手段減小，諸如減小氣流入射角，布置緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）噴嘴和分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴，SOFA反切一定角度，以及增加從燃燒器區(qū)域至爐膛出口的距離等，使進(jìn)入燃燒器上部區(qū)域氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度得到減弱乃至被消除。

2 SOFA風(fēng)對鍋爐參數(shù)的影響

機(jī)組的試驗(yàn)負(fù)荷為660 MW，磨煤機(jī)運(yùn)行組合為A、C、D、E、F磨煤機(jī)，試驗(yàn)期間煤質(zhì)穩(wěn)定，在試驗(yàn)過程中保持運(yùn)行氧量在3.2%左右，蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定。調(diào)整5層SOFA風(fēng)門開度分別在80%和50%，主燃燒區(qū)風(fēng)門開度自動并保持其整體配風(fēng)方式基本不變，試驗(yàn)的主要運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，SOFA風(fēng)量減少后，爐膛出口CO排放濃度增加，鍋爐效率有所下降，NOx排放濃度上升。

SOFA風(fēng)水平擺角可調(diào)，以改變SOFA的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)前設(shè)置的SOFA風(fēng)切圓與下部主氣流反切，為逆時針方向，除了降低NOx的作用外，SOFA風(fēng)還起著消除爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)，減小爐膛兩側(cè)煙溫偏差的作用。另外，試驗(yàn)過程中，SOFA風(fēng)量減小后，低再出口汽溫偏差和高再出口汽溫偏差均有所增加。

SOFA風(fēng)量減小后下部燃燒區(qū)域風(fēng)量相對增加，主燃燒器區(qū)域溫度水平升高。SOFA風(fēng)量減小使得爐膛內(nèi)逆時針方向旋轉(zhuǎn)減弱，爐膛出口左側(cè)煙溫進(jìn)一步升高，煙溫偏差增大（見表2）。

3 CFS風(fēng)對鍋爐參數(shù)的影響

鍋爐燃燒系統(tǒng)在每兩層煤粉噴嘴之間設(shè)有兩只偏置風(fēng)噴嘴CFS，CFS噴嘴與一次風(fēng)噴口偏置4°，切圓大于主切圓，其作用是一方面為一次風(fēng)中煤粉繼續(xù)燃燒補(bǔ)充所需空氣，并起擾動、混合作用；另一方面，通過預(yù)置水平偏角，有利于爐膛形成風(fēng)包火的燃燒狀況，這樣有利于防止?fàn)t膛壁面粘污、結(jié)焦，以及壁面的高溫腐蝕。

維持機(jī)組負(fù)荷在660 MW左右，運(yùn)行氧量控制在3.2%，運(yùn)行磨組為A、C、D、E、F磨煤機(jī)，保持蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，偏置風(fēng)門開度分別置于45%和60%進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，偏置風(fēng)門開大后，使得主燃燒區(qū)燃燒加強(qiáng)，分級燃燒程度減弱，因而鍋爐效率略有升高，NOx排放濃度也有所升高。但同時還可以看出，偏置風(fēng)門開大后，低再及高再出口汽溫偏差略有增大。

圖1為CFS風(fēng)量對爐膛煙溫的影響。從圖1中可以看出，偏置風(fēng)增加后，主燃燒區(qū)煙溫升高，這是由于偏置風(fēng)對煤粉氣流形成卷吸，在近壁附近形成高速、高溫的燃燒區(qū)域。偏置風(fēng)加大對改善貼壁氣氛有利，但煙溫升高，亦可能增加結(jié)渣危險(xiǎn)性，且偏置風(fēng)加大，爐內(nèi)氣流殘余旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)，對改善爐膛出口煙溫偏差不利。

表4給出了偏置風(fēng)對水平煙道內(nèi)煙溫的影響。偏置風(fēng)順時針切圓直徑大于一次風(fēng)切圓直徑，偏置風(fēng)增加會使?fàn)t內(nèi)氣流順時針方向旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增強(qiáng)。從測試數(shù)據(jù)可以看出，偏置風(fēng)增加后，高過進(jìn)口左右兩側(cè)煙溫偏差加大，而高過出口煙溫偏差變化不明顯。綜合考慮，偏置風(fēng)門開度置于40%～50%即可。

4 燃料風(fēng)對鍋爐參數(shù)的影響

燃料風(fēng)（周界風(fēng)）可以擴(kuò)大燃燒器對煤種的適應(yīng)范圍。在燃用較好的煙煤時，可以起到推遲著火、懸托煤粉、遏制煤粉顆粒離析，以及迅速補(bǔ)充燃燒所需氧氣的作用。因此，對揮發(fā)分較高的易燃煤來說，其燃料風(fēng)門開度可以開大些。但其也有阻礙高溫?zé)煔馀c出口氣流摻混、降低煤粉濃度的一面，當(dāng)燃用低揮發(fā)分或難著火煤時，會影響燃燒的穩(wěn)定性。故當(dāng)使用貧煤、無煙煤以及劣質(zhì)煙煤時，應(yīng)適當(dāng)關(guān)小燃料風(fēng)的擋板，以減少燃料風(fēng)量和一次風(fēng)的剛性，擴(kuò)大切圓直徑，使著火提前，適應(yīng)煤種著火的要求。此外，燃料風(fēng)的大小對鍋爐汽溫、鍋爐NOx排放濃度也有一定影響。

為確定燃料風(fēng)對爐內(nèi)燃燒的影響，在660 MW電負(fù)荷下進(jìn)行了變?nèi)剂巷L(fēng)試驗(yàn)，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，控制運(yùn)行氧量在3.2%左右，運(yùn)行磨組為A、C、D、E、F磨煤機(jī)。分別調(diào)整燃料風(fēng)門開度至60%和30%，其他風(fēng)門開度基本維持不變。變?nèi)剂巷L(fēng)試驗(yàn)主要運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果見表5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看出，隨著燃料風(fēng)門開度的增大，NOx排放濃度下降。這是因?yàn)槿剂巷L(fēng)量增加后，一次風(fēng)粉氣流剛性增強(qiáng)，同時速度較高的燃料風(fēng)還有障礙高溫?zé)煔馀c一次風(fēng)粉氣流的摻混，煤粉顆粒著火推遲；而燃料風(fēng)對鍋爐效率影響有限，同時燃料風(fēng)減少后，主再熱汽溫均不同程度地降低。

圖2為不同燃料風(fēng)量下爐膛煙溫的變化情況。從圖中可以看出，燃料風(fēng)量增加后，一次風(fēng)粉氣流剛性增強(qiáng)，火焰更加集中于爐膛中部，這有利于減輕水冷壁面結(jié)渣。同時速度較高的周界風(fēng)還有障礙高溫?zé)煔馀c一次風(fēng)粉氣流的摻混，煤粉顆粒著火推遲，對降低NOx生成量有利。雖然屏區(qū)煙溫略有升高，但問題不大?？紤]到當(dāng)前煤種優(yōu)異的燃燒特性，燃料風(fēng)門開度不低于50%。

5 爐膛壁面氣氛測試

試驗(yàn)中通過抽取爐膛貼壁煙氣，測試貼壁煙氣中O2、CO及H2S的濃度，分析水冷壁的高溫腐蝕傾向。測試工況機(jī)組負(fù)荷為660 MW左右，運(yùn)行氧量在3.2%，運(yùn)行磨組為A、C、D、E、F磨煤機(jī)，主燃燒區(qū)均等配風(fēng)，SOFA風(fēng)門開度在80%左右，燃料風(fēng)門開度在60%左右，鍋爐蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)場測試條件，選取了4層截面進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，貼壁煙氣中H2S含量均在50 ppm以下，CO濃度均在5 000 ppm以下，水冷壁區(qū)域未出現(xiàn)嚴(yán)重還原性氣氛，當(dāng)前鍋爐水冷壁高溫腐蝕傾向輕微。

6 結(jié)語

二次風(fēng)的配比方式對安全性、經(jīng)濟(jì)性具有很大的影響，運(yùn)行中通過合理配置燃料風(fēng)、CFS風(fēng)、COFA風(fēng)，不但能夠減少鍋爐結(jié)焦、避免高溫腐蝕，還能大大提高鍋爐效率。另外，合理配置二次風(fēng)，能抑制氮氧化物的生成量，大大減少脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

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