低氮改造后再熱汽溫偏低的燃燒調(diào)整研究

胡勝林，李源，毛睿，詹勝平，任利明，郭志成，岑可法

低氮改造后再熱汽溫偏低的燃燒調(diào)整研究

胡勝林1，李源1，毛睿1，詹勝平1，任利明1，郭志成1，岑可法2

（1．潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南省 鄭州市 450042；2．能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江大學(xué))，浙江省 杭州市 310027）

針對(duì)某330MW燃煤鍋爐低氮改造后出現(xiàn)的再熱汽溫偏低問(wèn)題，從鍋爐燃燒調(diào)整策略角度進(jìn)行對(duì)策研究，主要分析了燃燒器擺角、配風(fēng)方式、燃燒器投運(yùn)層分布、上層煤種、上層煤粉細(xì)度、水平煙道吹灰和機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)等因素對(duì)再熱汽溫的影響。結(jié)果表明，再熱汽溫偏低的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在鍋爐中低負(fù)荷 (250MW以下)工況，通過(guò)增加燃燒器仰角、采用倒寶塔配風(fēng)方式、提高上層燃燒器利用率、加大上層入爐煤發(fā)熱量、減小上層入爐煤粉細(xì)度、加強(qiáng)水平煙道吹灰和優(yōu)化機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)等手段可改善再熱汽溫偏低問(wèn)題。提出的燃燒調(diào)整策略對(duì)同類鍋爐改造問(wèn)題具有重要借鑒意義。

燃煤鍋爐；低氮改造；再熱汽溫；燃燒調(diào)整

0 引言

在我國(guó)，煤炭作為主要的一次能源占能源消費(fèi)總量的65%，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的近70%[1-2]。NO是煤炭燃燒過(guò)程中形成的一種危害極大的污染物[3]。近年來(lái)，隨著整個(gè)社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高，國(guó)家和地方都出臺(tái)了環(huán)保政策法規(guī)，對(duì)煤電機(jī)組的NO排放限制日益嚴(yán)格。為控制NO排放，各燃煤電廠都進(jìn)行了NO控制技術(shù)改造[4-6]，包括低NO燃燒[7]、選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)脫硝[8-9]、選擇性非催化還原法(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝[10]以及SNCR-SCR聯(lián)合脫硝[11]等。

低氮燃燒技術(shù)具有工藝成熟、運(yùn)行可靠、投資和運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)，已在燃煤機(jī)組的NO控制中得到廣泛應(yīng)用[12]。但是，燃煤鍋爐在進(jìn)行低氮改造后也產(chǎn)生了諸多問(wèn)題[13-17]，如鍋爐效率降低，機(jī)組主蒸汽壓力和溫度調(diào)節(jié)特性發(fā)生改變，再熱汽溫偏低等。其中，低氮改造后再熱汽溫偏低問(wèn)題較為普遍，且這種現(xiàn)象在低負(fù)荷時(shí)尤為明顯，嚴(yán)重影響機(jī)組的深度調(diào)峰能力。此外，再熱汽溫低于一定限值后會(huì)嚴(yán)重侵蝕汽機(jī)末級(jí)葉片，降低汽機(jī)末機(jī)效率，誘發(fā)汽機(jī)軸系故障。因此，研究機(jī)組低氮改造后的再熱汽溫偏低問(wèn)題具有重要意義。本文從鍋爐燃燒調(diào)整策略角度對(duì)低氮改造后再熱汽溫偏低問(wèn)題進(jìn)行對(duì)策研究。

1 鍋爐概況

某燃煤電廠#1機(jī)組330MW鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG1025/18.2-II 12型亞臨界自然循環(huán)汽包爐，為單爐膛Π型布置、一次再熱、平衡通風(fēng)、鋼構(gòu)架、燃煤、固態(tài)排渣鍋爐，采用四角布置、切向燃燒、固定直流式煤粉燃燒器，爐內(nèi)假設(shè)切圓直徑為790mm。采用中速磨(型號(hào)為ZGM95G)冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共5套。機(jī)組額定負(fù)荷為330MW，額定主、再熱汽溫均為540℃。屏式過(guò)熱器和壁式再熱器布置在爐膛上部，為輻射換熱面；高溫過(guò)熱器、中間再熱器和高溫再熱器均布置在水平煙道內(nèi)，為對(duì)流換熱面；低溫過(guò)熱器布置在尾部豎井煙道內(nèi)，為對(duì)流換熱面。 表1為鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為晉東南貧煤，該煤種的主要特點(diǎn)為發(fā)熱量較高、揮發(fā)份含量較低、燃盡性稍差，表2為該煤種的工業(yè)分析和元素分析。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

注：ECR為鍋爐額定節(jié)能出力工況。

表2 設(shè)計(jì)煤種工業(yè)分析和元素分析

#1機(jī)組于2013年進(jìn)行了低氮改造。圖1為燃燒器平面布置圖，燃燒器布置在爐膛的四角位置。圖2為低氮改造前、后燃燒器立面布置對(duì)比。可以看出，低氮改造后燃燒器布置較改造前更加緊湊，且燃盡風(fēng)(overfire air，OFA)層高度也更低，燃燒器共布置16層噴口，其中5層煤粉一次風(fēng)噴口、6層二次風(fēng)噴口、1層OFA噴口、4層分離燃盡風(fēng)(separated overfire air，SOFA)噴口。煤粉一次風(fēng)噴口可上下擺動(dòng)20°(A層不參與擺動(dòng))；二次風(fēng)噴口可上下擺動(dòng)30°(AA層上翹5°，不參與擺動(dòng))。

圖1 燃燒器平面布置圖

2 再熱汽溫偏低現(xiàn)象

從圖2可以看出，與低氮改造前相比，低氮改造后A層煤粉一次風(fēng)噴口至E層煤粉一次風(fēng)噴口之間的距離縮短了1980mm，爐內(nèi)燃燒器噴口布置更集中，爐膛內(nèi)煤粉濃度場(chǎng)及容積熱負(fù)荷也更集中。E層煤粉一次風(fēng)噴口的高度較改造前降低了1545mm，火焰中心高度有所下降。爐膛內(nèi)的熱負(fù)荷分布較改造前有較大幅度的下移，燃料顆粒及高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)停留的時(shí)間更長(zhǎng)，爐膛內(nèi)水冷壁及布置在爐膛上部的壁式再熱器的吸熱量均有明顯增加，爐膛出口煙溫有所下降，布置在爐膛頂部及水平煙道內(nèi)的屏式過(guò)熱器、中間再熱器、高溫再熱器、高溫過(guò)熱器的吸熱量均有所減少。另外，低氮運(yùn)行方式下?tīng)t膛出口煙氣量有一定的減少，這會(huì)進(jìn)一步降低布置在水平煙道及后煙道內(nèi)的對(duì)流換熱面吸熱量。以上變化對(duì)鍋爐原設(shè)計(jì)各級(jí)受熱面的吸熱量分配造成了較大影響，直接導(dǎo)致了鍋爐出現(xiàn)再熱汽溫偏低的問(wèn)題。

圖2 低氮改造前、后燃燒器立面布置對(duì)比

表3為低氮改造后不同負(fù)荷下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯觯贌崞麥仄偷默F(xiàn)象主要出現(xiàn)在中低負(fù)荷工況。隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，爐膛出口煙氣量和煙溫均有所降低，水平煙道內(nèi)的對(duì)流換熱面吸熱量減少，再熱汽溫偏低的現(xiàn)象比較突出。由此可見(jiàn)，再熱汽溫偏低問(wèn)題實(shí)際是由水平煙道內(nèi)各級(jí)受熱面的吸熱量不足導(dǎo)致的。

表3 不同負(fù)荷下鍋爐參數(shù)對(duì)比

3 再熱汽溫的影響因素及調(diào)整策略

針對(duì)再熱汽溫偏低問(wèn)題，提出了基于燃燒調(diào)整的改善措施，主要有以下2方面：

1）改善鍋爐蒸發(fā)吸熱面和蒸汽升溫吸熱面熱量分配不合理的現(xiàn)狀，減少爐膛區(qū)域蒸發(fā)受熱面的吸熱量，提高爐膛出口以后的各級(jí)蒸汽升溫?fù)Q熱面的吸熱量；

2）改善水平煙道區(qū)域內(nèi)受熱面的換熱效果，主要是增大煙氣換熱系數(shù)。

3.1 燃燒器擺角

表4為200MW負(fù)荷時(shí)不同燃燒器擺角下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)增加鍋爐燃燒器仰角，可在一定程度上提高再熱汽溫。這是因?yàn)槿紵鲊娍谏涎鰰r(shí)，爐內(nèi)火焰中心高度有一定 幅度的增加，爐內(nèi)熱負(fù)荷向上部偏移，減少了中下部水冷壁區(qū)域的吸熱量，提高了爐膛出口煙溫，使水平煙道內(nèi)各級(jí)受熱面的吸熱量均有一定程度的增加，鍋爐熱量分配不合理的情況得到了改善。

表4 不同燃燒器擺角下鍋爐參數(shù)對(duì)比(200MW)

3.2 配風(fēng)方式

表5為200MW負(fù)荷時(shí)不同配風(fēng)方式下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，正寶塔配風(fēng)方式使再熱汽溫下降，而倒寶塔式配風(fēng)方式可提高再熱汽溫。其原因是：在采用正寶塔配風(fēng)方式時(shí)，總風(fēng)量保持不變，爐膛下部供風(fēng)量加大，使得爐膛中下部的燃燒反應(yīng)更劇烈，燃料在燃燒區(qū)域的放熱量增加，水冷壁吸熱量也相應(yīng)增加，爐膛出口煙溫降低，導(dǎo)致水平煙道內(nèi)受熱面的吸熱量有所減少，從而使再熱汽溫偏低的現(xiàn)象惡化；在采用倒寶塔配風(fēng)方式時(shí)，總風(fēng)量保持不變，爐膛下部供風(fēng)量減小，燃料在爐膛中下部的放熱量減小，水冷壁區(qū)域內(nèi)的總吸熱量減小，爐膛出口煙溫升高，導(dǎo)致?tīng)t膛出口以后的各級(jí)換熱面的吸熱量增加，從而改善了再熱汽溫偏低的現(xiàn)象。

表5 不同配風(fēng)方式下鍋爐參數(shù)對(duì)比(200MW)

3.3 燃燒器投運(yùn)層分布

爐膛內(nèi)火焰中心高度直接影響蒸發(fā)吸熱面和蒸汽升溫吸熱面的熱量分配比例。燃燒器高度越高，噴入爐膛內(nèi)的燃料燃燒放出的熱量對(duì)蒸汽升溫吸熱面產(chǎn)生的影響越大，下層燃燒器對(duì)汽溫的影響呈逐級(jí)遞減趨勢(shì)，下面以E層燃燒器投運(yùn)對(duì)再熱汽溫的影響為例進(jìn)行分析。

表6為220MW負(fù)荷時(shí)不同燃燒器層投運(yùn)方式下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯觯哆\(yùn)E層燃燒器能有效提升再熱汽溫，且E層燃料投入比例越大，再熱汽溫提升幅度越大。這是因?yàn)樵谥械拓?fù)荷工況下，投運(yùn)E層燃燒器及增大E層燃料投入比例，可有效提升爐內(nèi)火焰中心高度，爐內(nèi)熱負(fù)荷向上部集中，減少了中下部水冷壁區(qū)域的吸熱量，提高了爐膛出口煙溫，使?fàn)t膛出口熱量分配不足的情況得到改善，水平煙道內(nèi)受熱面的吸熱量相應(yīng)增加，從而使再熱汽溫得到提升。

表6 不同燃燒器層投運(yùn)方式下鍋爐參數(shù)對(duì)比(220MW)

3.4 上層入爐煤種

表7為210MW負(fù)荷時(shí)不同上層入爐煤種下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，E層燃燒器投入熱值較高的煤種時(shí)，再熱汽溫有一定程度的升高。這是因?yàn)樯蠈尤紵魍度霟嶂递^高的煤種時(shí)，爐膛上部火焰中心溫度升高，使?fàn)t膛上部燃燒放熱比例增大，改善了爐膛出口熱量分配不足的情況，提高了爐膛出口煙溫，從而使再熱汽溫偏低的現(xiàn)象得以改善。在電廠實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整配煤方案，使?fàn)t膛上層燃燒器盡可能投入熱值相對(duì)較高的煤種。

表7 不同上層煤種下鍋爐參數(shù)對(duì)比(210 MW)

3.5 上層入爐煤粉細(xì)度

通過(guò)對(duì)鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鍋爐在中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐膛上部燃燒情況較差，爐膛出口煙溫較低，飛灰含碳量較高。表8為230MW負(fù)荷時(shí)不同上層煤粉細(xì)度下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比。可以看出，E層煤粉細(xì)度減小后，飛灰含碳量明顯降低，說(shuō)明爐膛上部的燃燒放熱總量有所增加，相應(yīng)地，供給爐膛出口以后各級(jí)受熱面的總熱量也得以增加，再熱汽溫明顯升高。爐膛上部燃燒情況的優(yōu)劣對(duì)爐膛出口煙溫影響較大，在爐膛上部燃燒狀況不佳的情況下，通過(guò)減小上層煤粉細(xì)度，可以有效改善爐膛上部煤粉的燃盡率，提高爐膛出口煙溫，增大水平煙道內(nèi)受熱面的吸熱量，從而有效改善再熱汽溫偏低的問(wèn)題。

3.6 水平煙道吹灰

表9為210MW負(fù)荷時(shí)鍋爐水平煙道吹灰前后鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)加強(qiáng)水平煙道吹灰，可明顯提高再熱汽溫。這是因?yàn)榧訌?qiáng)水平煙道吹灰，可以改善再熱器受熱面表面清潔度，增強(qiáng)水平煙道區(qū)域內(nèi)過(guò)熱器及再熱器的換熱能力，在從爐膛飛出煙氣所攜帶的總熱量不變的情況下有效增大再熱器吸熱量，從而改善了再熱汽溫偏低的問(wèn)題。

表9 水平煙道吹灰前后鍋爐參數(shù)對(duì)比(210MW)

3.7 機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)

圖3為鍋爐運(yùn)行參數(shù)曲線。可以看出，在機(jī)組協(xié)調(diào)投入自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)模式下，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)小幅波動(dòng)時(shí)，再熱汽溫波動(dòng)較大。這是因?yàn)闄C(jī)組自動(dòng)品質(zhì)不佳，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小幅波動(dòng)時(shí)，給煤量波動(dòng)幅度較大，直接引起再熱汽溫劇烈波動(dòng)，尤其當(dāng)上層燃料波動(dòng)較大時(shí)這一情況更為明顯。通過(guò)對(duì)機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將負(fù)荷波動(dòng)引起的加減燃料自動(dòng)控制優(yōu)化調(diào)整為不對(duì)稱速率控制，當(dāng)機(jī)組在AGC模式下負(fù)荷出現(xiàn)小幅波動(dòng)時(shí)，在保持自動(dòng)加燃料的速率及頻率不變的情況下，單獨(dú)減小自動(dòng)減燃料的速率及頻率，使再熱汽溫的下波動(dòng)量減小，從而使再熱汽溫始終維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平。此外，在投入制粉系統(tǒng)自動(dòng)控制時(shí)，將投入的上層燃料設(shè)定為手動(dòng)控制，盡量維持上層燃料穩(wěn)定，也可有效改善再熱汽溫的波動(dòng)問(wèn)題。

圖3 鍋爐運(yùn)行參數(shù)曲線

4 結(jié)論

基于燃燒調(diào)整策略對(duì)鍋爐低氮改造后再熱汽溫偏低問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到的主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)增加燃燒器噴口角度、采用倒寶塔配風(fēng)方式、增大上層燃料投入比例、改善上層投入煤種和減小上層煤粉細(xì)度等手段，提升了火焰中心高度，使?fàn)t膛出口煙溫升高，從而有效提升了再熱汽溫；

2）通過(guò)加強(qiáng)水平煙道吹灰，增強(qiáng)了水平煙道區(qū)域內(nèi)受熱面的換熱能力，有效提升了再熱汽溫；

3）通過(guò)優(yōu)化調(diào)整機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，減少了燃料量和再熱汽溫的波動(dòng)量，有效改善了再熱汽溫偏低的問(wèn)題。

[1] Leung G C K，Cherp A，Jewell J，et al．Securitization of energy supply chains in China[J]．Applied Energy，2014，123：316-26．

[2] 戴德立．BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒[Z/OL]．北京：BP集團(tuán)，2017．https://www.bp.com/zh_cn/china/reports- and-publications/_bp_2017-_.html．

[3] 王志軒，趙毅，潘荔，等．中國(guó)燃煤電廠NO排放估算方法及排放量研究[J]．中國(guó)電力，2009，42(4)：59-62．

[4] 游松林，羅洪輝，王振，等．燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸率控制技術(shù)研究[J]．華電技術(shù)，2019，41(2)：55-59．

[5] 吳躍明，吳智泉．660 MW超臨界燃煤鍋爐引入生物質(zhì)氣再燃方案及運(yùn)行特性分析[J]．分布式能源，2018，3(1)：14-20．

[6] 唐艷梅，閆華光，朱彬若，等．基于自適應(yīng)遺傳算法的分布式綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2018，34(2)：30-35，42．

[7] Zheng L，Zhou H，Cen K，et al．A comparative study of optimization algorithms for low NOcombustion modification at a coal-fired utility boiler[J]．Expert Systems with Applications，2009，36(2)：2780-2793．

[8] Shi R，Lin X，Zheng Z，et al．Selective catalytic reduction of NOwith NH3over Sb modified CeZrOcatalyst[J]．Reaction Kinetics，Mechanisms and Catalysis，2018，124(1)：217-227．

[9] 李二欣，王特，韋飛．燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)節(jié)能改造[J]．廣東電力，2018，31(3)：27-31．

[10] Fu S，Song Q，Yao Q．Mechanism study on the adsorption and reactions of NH3, NO, and O2on the CaO surface in the SNCR deNOprocess[J]．Chemical Engineering Journal，2016，285：137-143．

[11] Gullett B K，Groff P W，Lin M L，et al．NOremoval with combined selective catalytic reduction and selective noncatalytic reduction：pilot-scale test results[J]．Air & Waste，1994，44(10)：1188-1194．

[12] Liu X，Tan H Z，Wang Y B，et al．Low NOcombustion and SCR flow field optimization in a low volatile coal fired boiler[J]．Journal of Environmental Management，2018，220：30-35．

[13] 胡志宏，李德功，邵紅軍，等．600 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒改造[J]．熱力發(fā)電，2014，43(4)：131-134．

[14] 劉志江．低氮燃燒器改造及其存在問(wèn)題處理[J]．熱力發(fā)電，2013，42(3)：77-81．

[15] 李翠翠，鄭國(guó)寬，陳廣林．600 MW級(jí)燃褐煤直流鍋爐超低排放技術(shù)路線分析[J]．電力科學(xué)與工程，2017，33(3)：68-73．

[16] 黨黎軍，楊輝，應(yīng)文忠，等．660 MW超超臨界鍋爐再熱汽溫偏低問(wèn)題分析及技術(shù)改造[J]．動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2017，37(4)：261-266．

[17] 肖琨，張建文，王振東．600 MW亞臨界鍋爐低氮改造后汽溫特性研究[J]．動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35(9)：699-703．

Study on Low Reheat Steam Temperature After Low NORetrofit Based on Combustion Adjustment

HU Shenglin1, LI Yuan1, MAO Rui1, ZHAN Shengping1, REN Liming1, GUO Zhicheng1, CEN Kefa2

(1.Rundian Energy Science and Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450042, Henan Province, China; 2. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization (Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

To solve the problem of low reheat steam temperature after low NOretrofit in a 330MW coal-fired boiler, the countermeasure study was conducted based on combustion adjustment strategies. The effects of burner angle, air distribution mode, burner layer distribution, coal type of upper layer, coal fineness of upper layer, ash blowing of horizontal flue, and automatic control quality on reheat steam temperature were analyzed. The results indicate that the low reheat steam temperature mainly occurs at medium-low load (lower than 250MW). Increasing burner angle, using inverted tower air distribution, increasing utilization rate of upper burner, improving coal calorific of upper layer, decreasing coal fineness of upper layer, strengthening ash blowing of horizontal flue and optimizing automatic control quality are conducive to improving the reheat steam temperature. The proposed combustion adjustment strategies provide important reference for the similar problem in boiler retrofit.

coal-fired boiler; low NOretrofit; reheat steam temperature; combustion adjustment

10.12096/j.2096-4528.pgt.19084

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(51621005)。

Project Supported by the Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (51621005).

2019-05-22。

胡勝林(1983)，男，工程師，研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠系統(tǒng)調(diào)試與超低排放，hushenglin@crpower.com.cn；

李源(1990)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)槟茉辞鍧嵏咝Ю?，liyuan355@crpower.com.cn；

岑可法(1935)，男，中國(guó)工程院院士，主要從事化石燃料的能源高效清潔利用、城市生活垃圾等廢棄物資源化、能源化、生物質(zhì)燃燒氣化制油、水煤漿代油技術(shù)等方面的研究工作。

胡勝林

(責(zé)任編輯 尚彩娟)