不同配風(fēng)對(duì)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(gè)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(shí)，實(shí)現(xiàn)鍋爐的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行，就必須要對(duì)鍋爐的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化調(diào)整和控制。該文通過對(duì)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(duì)鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響，對(duì)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(hào)：TK22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(hào)為SG-2037/26.15-M626型。鍋爐采用擺動(dòng)式四角切圓燃燒技術(shù)，設(shè)計(jì)煤種為神華石圪臺(tái)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(dòng)式燃燒器。燃燒器共設(shè)置六層煤粉噴嘴，鍋爐配置6臺(tái)HP1003型中速磨煤機(jī)，每臺(tái)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外連桿組成一個(gè)擺動(dòng)系統(tǒng)，由一臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器集中帶動(dòng)作上下擺動(dòng)。

SOFA燃燒器同樣由一臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器集中帶動(dòng)作上下擺動(dòng)。上述氣動(dòng)或電動(dòng)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(jiǎn)單，能適應(yīng)頻繁調(diào)節(jié)。

LNCFS在降低NOx排放的同時(shí)，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(zhǎng)焦碳的燃燒時(shí)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(gè)相對(duì)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(gè)區(qū)域的過量空氣系數(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量空氣系數(shù)。這種改進(jìn)的空氣分級(jí)方法通過優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的過量空氣系數(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。

（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(jí)，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(dòng)力場(chǎng)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(shí)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(gè)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(dòng)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(chǎng)造成的，煙溫偏差是一個(gè)空氣動(dòng)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(shí)的切向動(dòng)量與軸向動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)鍋爐參數(shù)的影響

鍋爐燃燒系統(tǒng)在每?jī)蓪用悍蹏娮熘g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(dòng)、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(jí)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)改善爐膛出口煙溫偏差不利。

表4給出了偏置風(fēng)對(duì)水平煙道內(nèi)煙溫的影響。偏置風(fēng)順時(shí)針切圓直徑大于一次風(fēng)切圓直徑，偏置風(fēng)增加會(huì)使?fàn)t內(nèi)氣流順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增強(qiáng)。從測(cè)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(duì)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(duì)煤種的適應(yīng)范圍。在燃用較好的煙煤時(shí)，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(duì)揮發(fā)分較高的易燃煤來(lái)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(shí)，會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性。故當(dāng)使用貧煤、無(wú)煙煤以及劣質(zhì)煙煤時(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)鍋爐效率影響有限，同時(shí)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(shí)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(duì)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(cè)試

試驗(yàn)中通過抽取爐膛貼壁煙氣，測(cè)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(cè)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(chǎng)測(cè)試條件，選取了4層截面進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)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(yǔ)

二次風(fēng)的配比方式對(duì)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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