淺談亞臨界600MW機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行適應(yīng)性優(yōu)化改造分析

王進(jìn)明

摘 要： 我國很多大功率火電機(jī)組在面對越來越大的電網(wǎng)峰谷差使得機(jī)組在很長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大范圍的偏離額定設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組的低效率運(yùn)行?；鹆Πl(fā)電廠面對諸多挑戰(zhàn)，其發(fā)電機(jī)組面臨著如何開發(fā)其節(jié)能潛力、低煤耗、低發(fā)電成本等競爭問題。目前，越來越多的機(jī)組參與到調(diào)峰的亞臨界600 MW級(jí)別機(jī)組中，由此，有必要對機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行適應(yīng)性進(jìn)行優(yōu)化改造。本文以亞臨界600 MW機(jī)組的四角切圓燃燒鍋爐為例，分析了參與優(yōu)化改造機(jī)組的概況，分析了影響鍋爐NOx排放的有關(guān)因素，最后提出了再次優(yōu)化改造鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行適應(yīng)性的方案。

關(guān)鍵詞：600 MW機(jī)組 四角切圓燃燒鍋爐 低負(fù)荷 NOx排放

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）02-0302-01

引言

我國最開始進(jìn)行汽輪機(jī)噴嘴配汽問題的研究基本上集中在軟件方面，例如對進(jìn)汽順序進(jìn)行優(yōu)化，解決較差的機(jī)組軸系穩(wěn)定性問題，還有的是對重疊度的優(yōu)化，使得機(jī)組高調(diào)門的節(jié)流損失降低。后來又通過節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)方式的無擾切換進(jìn)行研究，從而使得切換過程的負(fù)荷波動(dòng)和汽壓波動(dòng)得到降低?；痣姀S機(jī)組發(fā)電會(huì)燃燒大量的煤而排放對環(huán)境造成嚴(yán)重污染的NOx，雖然當(dāng)前新能源電源已經(jīng)有了規(guī)模性的接入，然而我國的火力發(fā)電方式仍然占據(jù)重要的比例。當(dāng)前，空氣中的NOx污染物有65%是來自煤炭燃燒。而NOx污染物的排放大戶是火力發(fā)電廠，所以必須要采取降低火力發(fā)電廠的NOx排放措施。在國家GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布下，使得電廠機(jī)組必須通過改造控制其NOx排放量在100mg/Nm3（O2=6%）以內(nèi)。從已有的主流NOx治理措施中可以看到，控制發(fā)電廠燃燒鍋爐的NOx排放量主要采取的是燃燒過程控制與燃燒后煙氣脫硝控制技術(shù)。燃燒過程N(yùn)Ox排放的控制技術(shù)分為低氮燃燒、燃燒優(yōu)化調(diào)整與再燃等技術(shù)，而煙氣脫硝技術(shù)分為SCR（選擇性催化還原）、SNCR、聯(lián)合煙氣脫硝等技術(shù)。

一、參與優(yōu)化改造機(jī)組的概況

本文所選的亞臨界2×600 MW機(jī)組鍋爐為四角切圓燃燒鍋爐，設(shè)計(jì)和制造廠家為哈爾濱鍋爐廠，型號(hào)為HG-2008/17.4YM5，控制循環(huán)、一次中間再熱的汽包爐，其單爐膛為平衡通風(fēng)，鍋爐采取固態(tài)排渣方式，為全鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)，爐膛寬、深度、容積分別是18542、17448.5、18309m3。24只燃燒器平均分布于6層，A、B層燃燒器為等離子燃燒器，C、D、E、F燃燒器為低氮燃燒器，為四角布置，單個(gè)出力最大值是11.5t/h。燃燒方式為正壓直吹四角切圓燃燒，燃燒器噴口可上下擺動(dòng)，分為兩層控制，上層控制E、F層燃燒器，下層控制C、D層燃燒器，最大擺角正負(fù)30度，通過擺動(dòng)來調(diào)節(jié)再熱氣溫。燃燒器部分，最上排的噴口中心標(biāo)高和最下排的分別是35470、26170mm，分別到分隔屏低和冷灰斗轉(zhuǎn)角距離是201300、5969mm，各層一次風(fēng)噴嘴相距1860mm。省煤器出口煙道設(shè)有調(diào)節(jié)擋板，可在低負(fù)荷時(shí)保證脫硝入口煙氣溫度。整臺(tái)爐共布置 16 支油槍（每角 4 只），油槍采用機(jī)械霧化噴嘴，設(shè)計(jì)油槍的最大出力為 30%MCR 負(fù)荷，燃燒器風(fēng)箱為大風(fēng)箱，燃燒器上方布置八層 OFA 燃燼風(fēng)，保證 NOx 排放值。

本機(jī)組當(dāng)前的低碳排放技術(shù)為上氣公司（上海電氣集團(tuán)股份有限公司的簡稱）所開發(fā)，已經(jīng)在多個(gè)火力發(fā)電廠的600MW 四角切圓燃燒鍋爐中得到成功應(yīng)用，能將使得低負(fù)荷下鍋爐的NOx排放量降低至160～220mg/Nm3。本文中的火力發(fā)電廠已經(jīng)將四角切圓燃燒鍋爐的容量等級(jí)、煤種、NOx排放濃度都根據(jù)有關(guān)運(yùn)行條件進(jìn)行了改造，使得低負(fù)荷下鍋爐的NOx排放量控制在100～150mg/Nm3的范圍內(nèi)。而當(dāng)前根據(jù)有關(guān)要求，將進(jìn)一步對原方案進(jìn)行優(yōu)化，具體辦法是對各層煤粉燃燒器標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，延遲煤粉的還原氣氛的停留時(shí)間，還采取了控制漏風(fēng)量的優(yōu)化措施。優(yōu)化改造后進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，結(jié)果表示改造后的主燃燒器區(qū)域有更好的還原性氣氛，而鍋爐的穩(wěn)燃性和抗結(jié)渣能力都得到增強(qiáng)，使得鍋爐排放NOx的性能的提高了。

二、優(yōu)化改造方案

1.鍋爐NOx排放的影響因素

根據(jù)實(shí)踐研究，燃煤在燃燒中的NOx產(chǎn)物分為3種，分別是燃料型、熱力型、快速型。其中有75%～95%均為燃料型，熱力型占到了20%以上。燃煤的種類對低氮燃燒改造有很大的影響，而最適合低氮燃燒技術(shù)的最佳適用對象為高揮發(fā)分煤種的鍋爐。然后需要對主燃區(qū)過量空氣系數(shù)與氣氛、爐膛溫度、煤粉細(xì)度、還原區(qū)煤粉停留時(shí)間、燃燒器結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行綜合分析。

通常來說，越長的還原區(qū)煤粉停留時(shí)間更有助于NO還原N2，這可以作為降低NOx排放量的一個(gè)措施，具體是增長分離燃盡風(fēng)和上排一次風(fēng)噴嘴的距離加長煤粉停留時(shí)間。

鍋爐運(yùn)行時(shí)，過量的空氣系數(shù)會(huì)造成過量的主燃燒區(qū)的空氣系數(shù)，期間會(huì)增加燃料性NOx的生成促使NOx排放量上升。而增加總的過量空氣系數(shù)帶來同樣的NOx排放量變化。

2.優(yōu)化措施

在原有的優(yōu)化方案中再進(jìn)行低負(fù)荷運(yùn)行下的低氮燃燒器的優(yōu)化改造，具體改造的主要措施是減少低負(fù)荷下鍋爐燃燒器的漏風(fēng)。由于處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的上半缸進(jìn)汽會(huì)出現(xiàn)明顯的進(jìn)汽不均造成上下缸的溫差問題，從而出現(xiàn)了很大的漏汽量，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降，也會(huì)增加煤耗；由于爐膛出口出有富足的氧量，使得主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)增大。由此，需要分析爐內(nèi)的熱負(fù)荷/溫度場，從而改造二次風(fēng)門擋板結(jié)構(gòu)，達(dá)到漏風(fēng)量的減少的效果。具體是調(diào)整各層之間噴嘴的數(shù)量與尺寸，減少漏風(fēng)，有助于提高鍋爐的NOx排放性能。

鍋爐適應(yīng)性優(yōu)化改造。兩層煤粉噴嘴之間分為：二次風(fēng)和一次風(fēng)的煤粉嘴，有相同的偏轉(zhuǎn)方向；二次風(fēng)正切一次風(fēng)煤粉噴嘴為一定的角度。利用偏置風(fēng)能夠形成水平空氣分級(jí)，有助于還原反應(yīng)。兩個(gè)二次風(fēng)門擋板分別控制兩部分的二次風(fēng)，具體是調(diào)整擋板開度控制二次風(fēng)的比例，以此改變爐內(nèi)切圓直徑、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、貼壁氣氛，讓鍋爐能夠更加適應(yīng)煤種。采用新型濃淡分離結(jié)構(gòu)的一次風(fēng)煤粉噴管在濃淡分離方面有更好的效果，使得鍋爐在NOx排放與穩(wěn)燃能力方面都有較好的降低。通過增加大風(fēng)箱道上的擋板門來優(yōu)化二次風(fēng)道，可以達(dá)到增加主燃燒器二次風(fēng)的阻力的目的，可以促使分離燃盡風(fēng)風(fēng)量能夠增大。

同時(shí)，要使得對鍋爐的優(yōu)化改造達(dá)到最佳的效果，還應(yīng)該對高負(fù)荷下的煤粉在還原區(qū)停留時(shí)間進(jìn)行延長。由于高負(fù)荷中鍋爐內(nèi)的煙氣量大、流速快，導(dǎo)致煤粉在還原區(qū)的停留時(shí)間縮短。通過將全部主燃燒器進(jìn)行更換，且調(diào)整各層煤粉燃燒器標(biāo)高，從而將主燃區(qū)高度壓縮，其必面熱負(fù)荷得到增加。不改變最下層燃燒器噴嘴標(biāo)高，將6層一次風(fēng)煤粉燃燒器間距調(diào)整，將原噴嘴各層的均等布置的間距改為從下到上的不均等布置，具體為下小上大，以保護(hù)溫度場分布相適應(yīng)，這樣就能減少結(jié)渣風(fēng)箱和提高穩(wěn)燃能力。

三、 性能試驗(yàn)

通過優(yōu)化改造后，對鍋爐進(jìn)行性能測試，6層一次風(fēng)煤粉噴嘴的間距的調(diào)整使得煤粉在還原區(qū)的停留時(shí)間延長，這就降低了鍋爐的NOx的排放；將主燃區(qū)的高度降低后使得空氣分級(jí)效果更強(qiáng)，和煤粉在還原區(qū)、爐內(nèi)的停留時(shí)間延長，促使NOx還原N2更加充分，減少了約15%的NOx的生成。煤粉燃盡程度提高，飛灰未燃盡碳損失減少。主燃區(qū)避免熱負(fù)荷增加為可接受范圍，其貼壁風(fēng)設(shè)計(jì)的增加解決了水冷壁結(jié)焦。降低燃燒器標(biāo)高，相同的燃燒器擺角低負(fù)荷中，過熱器噴水量少4t/h，而高負(fù)荷減少10t/h，各自的再熱氣溫下降值分別是3～5℃和1℃。

四、結(jié)語

在對600MW亞臨界機(jī)組鍋爐進(jìn)行優(yōu)化改造后，并通過性能試驗(yàn)得出相應(yīng)的結(jié)果：穩(wěn)態(tài)情況中高負(fù)荷運(yùn)行鍋爐NOx的排放量在150mg/Nm3以內(nèi)，而在低負(fù)荷下，NOx的排放量由減少的趨勢，其最低值為100mg/Nm3。成功地將亞臨界600MW機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行下鍋爐的NOx排放性能進(jìn)行提高，并且在通過優(yōu)化后，同類型機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行下采用劣質(zhì)煙煤、褐煤，也同樣適用。

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