對(duì)沖燃燒鍋爐熱負(fù)荷分配對(duì)爐內(nèi)燃燒影響的試驗(yàn)研究

李 德

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230088)

近兩年隨著國(guó)內(nèi)煤炭?jī)r(jià)格的持續(xù)增長(zhǎng)，燃煤發(fā)電機(jī)組燃料成本越來(lái)越高，為控制發(fā)電成本，各發(fā)電企業(yè)實(shí)際燃用煤種經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)煤種，為解決由此帶來(lái)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題，積極開(kāi)展配煤摻燒[1-2]。印尼褐煤價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，但存在高水分、低灰熔點(diǎn)、低熱值的缺點(diǎn)，長(zhǎng)期燃用印尼褐煤對(duì)機(jī)組的安全性和設(shè)備的使用壽命存在不同程度的影響。以沿海地區(qū)某電廠超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐摻燒印尼褐煤時(shí)，因熱負(fù)荷分配不均導(dǎo)致的爐膛嚴(yán)重結(jié)焦為案例，分析爐膛結(jié)焦的原因和解決方法，可為同類型鍋爐的安全運(yùn)行提供參考。

1 設(shè)備及問(wèn)題

鍋爐前墻燃燒器由下往上依次是A、C、D；后墻燃燒器由下往上E、B、F，正常運(yùn)行時(shí)A、E磨煤機(jī)燃用塔山煤，B、C、D、F燃用印尼褐煤，結(jié)焦期間E磨燃用印尼褐煤，燃用煤質(zhì)狀況見(jiàn)表1。機(jī)組負(fù)荷在350 MW以下時(shí)采用A、C、E磨煤機(jī)運(yùn)行方式；機(jī)組負(fù)荷在350～450 MW時(shí)采用A、C、E、B磨煤機(jī)運(yùn)行方式；450～550 MW時(shí)采用A、E、C、B、F磨煤機(jī)運(yùn)行方式；550 MW左右開(kāi)始投用全部燃燒器。隨著負(fù)荷降低，前后墻水冷壁的壁溫偏差加大；左右側(cè)墻CO濃度急劇升高；爐側(cè)墻產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)焦，焦塊掉落導(dǎo)致?tīng)t膛負(fù)壓波動(dòng)，嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行。

表1 燃用煤質(zhì)分析

2 調(diào)整過(guò)程及分析

為解決熱負(fù)荷偏差造成的結(jié)焦問(wèn)題，通過(guò)對(duì)熱負(fù)荷分配進(jìn)行調(diào)整，緩解了結(jié)焦，同時(shí)水冷壁壁溫偏差以及偏燒帶來(lái)的還原性氣氛的偏差現(xiàn)象有所改善。調(diào)整主要方式如下：磨煤機(jī)投運(yùn)方式；燃燒器旋流強(qiáng)度；燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度；磨煤機(jī)出力分配；磨煤機(jī)熱態(tài)風(fēng)速調(diào)平；配風(fēng)方式的改變。

2.1 爐膛溫度

450 MW負(fù)荷，爐膛下部A磨所對(duì)應(yīng)的燃燒區(qū)域局部溫度最高達(dá)到1 500℃以上，參照結(jié)渣特性判別計(jì)算列表[4]可知，摻燒的印尼褐煤屬于極易結(jié)焦煤種，同時(shí)由于爐內(nèi)熱負(fù)荷不均導(dǎo)致燃用印尼褐煤的燃燒器區(qū)域溫度在1 300℃以上，明顯高于煤種的軟化溫度，從而導(dǎo)致燃燒器附近水冷壁區(qū)域結(jié)焦。B、C磨對(duì)應(yīng)的燃燒區(qū)域局部溫度明顯高于灰軟化溫度，當(dāng)爐膛溫度高時(shí)煤灰呈融化或半融化狀態(tài)，熔融灰會(huì)直接粘結(jié)在受熱面上，產(chǎn)生結(jié)渣[5]。

2.2 水冷壁區(qū)域CO濃度

機(jī)組負(fù)荷在400 MW以下時(shí)，鍋爐左側(cè)墻貼壁還原性氣氛測(cè)量結(jié)果顯示CO濃度在3%左右，右側(cè)墻貼壁還原性氣氛測(cè)量結(jié)果顯示CO濃度在0.6%左右，鍋爐水冷壁左側(cè)墻還原性氣氛較強(qiáng)。隨著機(jī)組負(fù)荷的上升，投運(yùn)的磨煤機(jī)增多，爐膛燃燒偏差現(xiàn)象有所緩解，左右側(cè)墻貼壁還原性氣氛分別為0.8%和0.3%，CO濃度分布偏差明顯改善。理論研究知道，還原性氣體能奪取灰中高價(jià)氧化物的氧，使其變成低價(jià)氧化物而降低熔點(diǎn)。鍋爐因缺氧引起不完全燃燒時(shí)，結(jié)渣的可能性就大[6]。同時(shí)，熱負(fù)荷不均造成局部高溫會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)焦現(xiàn)象。

2.3 爐膛出口氧量分布

在各個(gè)典型負(fù)荷工況下測(cè)量了爐膛出口的O2和CO的濃度，結(jié)果如表2所示。

表2 爐膛出口氧量分布測(cè)量結(jié)果

由表2可知，隨著負(fù)荷降低，爐膛出口氧量增加但是CO濃度也隨之升高，與傳統(tǒng)理論不符。

2.4 結(jié)焦情況

負(fù)荷曲線與爐膛負(fù)壓曲線如圖1所示。在負(fù)荷較低時(shí)或者負(fù)荷由高降低后出現(xiàn)爐膛負(fù)壓波動(dòng)，最大可達(dá)700 Pa左右，此時(shí)爐膛壁溫的溫度也會(huì)急劇變化，可以判斷出爐膛出現(xiàn)局部掉焦。由分析可以看出，負(fù)荷較低時(shí)以及鍋爐負(fù)荷降低時(shí)爐膛熱負(fù)荷都會(huì)發(fā)生明顯偏差，從而導(dǎo)致了爐膛的結(jié)焦。

圖1 爐膛負(fù)壓波動(dòng)

2.5 壁溫分布與燃燒區(qū)域溫度

在350 MW工況左右，爐膛水冷壁壁溫趨勢(shì)呈現(xiàn)前墻高于后墻，燃燒器噴口區(qū)域火焰溫度也存在明顯差異。水冷壁壁溫見(jiàn)圖2。燃燒區(qū)域火焰溫度見(jiàn)圖3。

圖2 水冷壁壁溫

圖3 燃燒區(qū)域火焰溫度

通過(guò)圖2、圖3可以看出，前墻熱負(fù)荷明顯高于后墻，此時(shí)投運(yùn)的磨煤機(jī)組合為A、C、E，其中A磨為塔山煤，C、E磨為褐煤。

無(wú)論是多媒體教室閑置不用還是多媒體教室的濫用、過(guò)度使用,都是對(duì)高校多媒體資源的一種極大浪費(fèi)。因此在安排高校多媒體教室方面,需要根據(jù)高校教師的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)任務(wù)和具體要求進(jìn)行整體規(guī)劃和統(tǒng)籌安排[5]。合理利用多媒體教室資源,既能滿足高校教師的教學(xué)要求,也能提高多媒體教室資源的使用效益。針對(duì)高校各二級(jí)院系分散管理多媒體教室這一模式,可以考慮由教務(wù)處統(tǒng)一管理、院系靈活排課的形式提高閑置多媒體教室的使用頻率,合理和有效使用全校多媒體教室。同時(shí)高校各相關(guān)院系要規(guī)范對(duì)多媒體教室和設(shè)備的管理,防止多媒體教室和設(shè)備濫用現(xiàn)象發(fā)生。

3 熱負(fù)荷分配的影響分析

3.1 爐膛各區(qū)域熱負(fù)荷計(jì)算

電廠上煤規(guī)律為A、E磨煤機(jī)燃用塔山煤，B、C、D、F燃用印尼褐煤。印尼褐煤高水特性造成實(shí)際B、C、D、F磨煤機(jī)出力僅42 t/h，A、E磨煤機(jī)實(shí)際出力54 t/h。投運(yùn)A、E、B、C四臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，A磨輸入熱量占比高達(dá)28.4%，前墻輸入熱值占比52.3%，后墻輸入熱占比47.7%。A、E、B三臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，前后墻輸入熱量分別占比49.1%和50.9%，并且A磨輸入熱量占比即高達(dá)49.1%；采用A、C、E三臺(tái)麼煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，各臺(tái)磨熱負(fù)荷分配不均現(xiàn)象更加明顯，A磨輸入熱占比49.1%；前墻輸入熱占比高達(dá)74.5%，后墻輸入熱占比僅25.5%。

在三磨運(yùn)行時(shí)，前墻燃燒器區(qū)域火焰溫度達(dá)到1 500℃，后墻燃燒器區(qū)域火焰溫度1 280℃，溫度偏差達(dá)到200℃以上，SCR入口CO濃度為1.3%；在四磨運(yùn)行時(shí)，前墻燃燒器區(qū)域火焰溫度達(dá)到1 440℃，后墻燃燒器區(qū)域火焰溫度僅1 350℃，偏差僅90℃，SCR入口CO濃度為0.3%。隨著投運(yùn)燃燒器的增多，熱負(fù)荷偏差和CO濃度均有所緩解。

前后墻投入燃燒器數(shù)量偏差和磨煤機(jī)磨制不同煤種時(shí)的出力偏差，造成爐膛內(nèi)部各區(qū)域輸入熱負(fù)荷存在明顯偏差，并且投入磨煤機(jī)越少，熱負(fù)荷分配不均情況越嚴(yán)重。

3.2 配風(fēng)的影響

正常運(yùn)行工況下，運(yùn)行人員根據(jù)燃燒器投用情況和磨煤機(jī)出力均等配風(fēng)，無(wú)法有效調(diào)節(jié)輸入熱量不均導(dǎo)致的熱負(fù)荷不均。由分析認(rèn)為，可以通過(guò)燃燒區(qū)域的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，實(shí)現(xiàn)“按需配風(fēng)”。

另一方面，熱態(tài)調(diào)平一次風(fēng)速和煤粉濃度，保證一次風(fēng)速偏差小于5%，煤粉濃度偏差小于10%，以降低同一臺(tái)磨煤機(jī)出口5只燃燒器之間熱負(fù)荷偏差。通過(guò)對(duì)偏差粉管進(jìn)行熱態(tài)一次風(fēng)調(diào)平后前后墻燃燒器對(duì)應(yīng)區(qū)域火焰溫度均低于1 400℃，前后墻熱負(fù)荷均勻性得到提高。

按需配風(fēng)前鍋爐左側(cè)墻貼壁還原性氣氛測(cè)量結(jié)果顯示CO濃度在2.7%左右，右側(cè)墻貼壁還原性氣氛測(cè)量結(jié)果顯示CO濃度在0.7%左右，鍋爐水冷壁左側(cè)墻還原性氣氛較強(qiáng)。隨著配風(fēng)方式的改變，爐膛燃燒偏差現(xiàn)象有所緩解，左右側(cè)墻貼壁還原性氣氛分別為0.9%和0.3%，CO分布偏差明顯改善。

3.3 磨投入臺(tái)數(shù)的影響

以350 MW工況為例，投運(yùn)三臺(tái)磨煤機(jī)和四臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)比，燃燒器區(qū)域火焰溫度偏差由220℃降低到90℃；前后墻熱負(fù)荷偏差由49.0%降低至4.6%；兩側(cè)墻CO濃度偏差由2.4%降低至0.5%，分析認(rèn)為隨著磨煤機(jī)投用數(shù)量的增加，熱負(fù)荷偏差、燃燒區(qū)域火焰溫度、CO濃度偏差均不同程度緩解，爐內(nèi)的燃燒均勻性更佳，對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行更為有利。

3.4 燃盡風(fēng)的影響

鍋爐負(fù)荷在負(fù)荷較低時(shí)，保持二次風(fēng)量不變的前提下，開(kāi)大燃燒器上層的燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)，保持下層二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度，使?fàn)t內(nèi)燃燒推遲，配風(fēng)方式呈倒寶塔狀，弱化了底層燃燒[7]，降低了底層燃燒器區(qū)域的火焰溫度。前后墻輸入熱偏差無(wú)法避免時(shí)，相應(yīng)的燃盡風(fēng)量也需要和輸入熱一致，輸入熱高側(cè)的燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度應(yīng)相應(yīng)開(kāi)大，二次風(fēng)的配比實(shí)質(zhì)上是要根據(jù)摻燒煤質(zhì)的特性，充分協(xié)調(diào)好外二次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和燃盡風(fēng)三者在不同負(fù)荷段的配合關(guān)系[8]，進(jìn)一步避免了結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組負(fù)荷450 MW、采用A、B、C、E磨煤機(jī)運(yùn)行方式，鍋爐爐膛溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，爐膛局部溫度偏差達(dá)200℃。熱負(fù)荷偏差使?fàn)t內(nèi)形成局部高溫區(qū)甚至極高溫區(qū)，加劇了鍋爐結(jié)焦[3]。

摻燒的印尼褐煤屬于極易結(jié)焦煤種，同時(shí)由于爐內(nèi)熱負(fù)荷不均導(dǎo)致燃用印尼褐煤的燃燒器區(qū)域溫度在1 300℃以上，明顯高于煤種的軟化溫度，從而導(dǎo)致燃燒器附近水冷壁區(qū)域結(jié)焦。

爐內(nèi)熱負(fù)荷分配對(duì)爐內(nèi)燃燒影響至關(guān)重要，不解決好熱負(fù)荷分配不均的現(xiàn)象，不但會(huì)影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也會(huì)危及鍋爐的安全運(yùn)行。通過(guò)調(diào)整后對(duì)比鍋爐同負(fù)荷下?tīng)t膛溫度發(fā)現(xiàn)，平均溫度比調(diào)整前低100℃，A磨對(duì)應(yīng)區(qū)域的局部極高溫區(qū)有所減輕。如果偏差無(wú)法完全避免，應(yīng)從以下方面考慮，盡量減小熱負(fù)荷不均對(duì)鍋爐燃燒的影響。

(1)燃燒煤種之間熱值偏差較大時(shí)，充分考慮各臺(tái)磨煤機(jī)輸入熱量分配比例及爐內(nèi)燃燒熱負(fù)荷分布，合理優(yōu)化磨煤機(jī)組合方式避免熱負(fù)荷過(guò)于集中形成局部高溫區(qū)。

(2)根據(jù)熱負(fù)荷分配特點(diǎn)“按需配風(fēng)”，避免因主燃燒區(qū)域的還原性氣氛降低了燃用煤種的灰熔點(diǎn)，加強(qiáng)熱負(fù)荷較低的燃燒器的燃燒，避免加劇爐膛結(jié)焦。

(3)燃燒器噴口風(fēng)速偏差造成燃燒器區(qū)域流場(chǎng)存在不均現(xiàn)象從而導(dǎo)致熱負(fù)荷分配不均加劇，更易結(jié)焦；調(diào)整一次風(fēng)速偏差在5%以內(nèi)，減少熱負(fù)荷分配不均。

(4)通過(guò)優(yōu)化磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式降低爐膛溫度，避免燃燒熱負(fù)荷過(guò)于集中，開(kāi)展磨煤機(jī)低出力運(yùn)行研究。結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，適當(dāng)通過(guò)多投入一臺(tái)磨煤機(jī)分散燃燒熱負(fù)荷，可有效緩解水冷壁和燃燒器結(jié)焦。

(5)開(kāi)大兩側(cè)二次風(fēng)擋板開(kāi)度增加了二次風(fēng)剛性，可有效避免了氣流刷墻，減輕側(cè)墻區(qū)域還原性氣氛濃度，有助于抑制結(jié)焦。