1000MW對沖燃燒鍋爐配煤摻燒優(yōu)化試驗研究

國家電投集團河南發(fā)電有限公司沁陽分公司 李延偉 劉亞平 王霄霄 郝秉迎 邢旭光

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 趙 旭

根據(jù)國家能源局/國家發(fā)改委的多項政策，深度挖掘火電調(diào)峰潛力、提高機組靈活性成為當(dāng)前火電機組的重要任務(wù)，而燃料靈活性作為火電靈活性的重要組成部分，在當(dāng)前煤炭市場價格波動劇烈、電廠燃用煤源復(fù)雜的情況下，具有降低燃料成本、提高電廠收益的重要意義[1]。目前火電機組目前多采用配煤摻燒的方式摻燒低價劣質(zhì)煤，深度調(diào)峰下有效控制發(fā)電成本。但由于往往配煤的情況和設(shè)計煤種偏差較大、所摻燒低價煤的水分/灰分/硫分等較高，導(dǎo)致機組運行時鍋爐穩(wěn)燃、結(jié)焦、SOx/NOx 排放等特性會發(fā)生變化，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生滅火、非停等嚴(yán)重事故[2]。因此通過配煤摻燒試驗，研究經(jīng)濟合理的摻燒方案以及摻燒煤種對制粉系統(tǒng)、鍋爐燃燒的影響，并通過調(diào)節(jié)配風(fēng)等燃燒優(yōu)化手段指導(dǎo)調(diào)節(jié)鍋爐安全、經(jīng)濟運行。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

以某1000MW燃煤發(fā)電機組作為配煤摻燒試驗對象，鍋爐采用東方鍋爐股份有限公司設(shè)計的DG3063.81/29.3-Ⅱ1型高效超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，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，鍋爐采用∏型布置方式，前后墻對沖燃燒方式，采用微油點火系統(tǒng)，燃燒器采用外濃內(nèi)淡型低NOx 旋流煤粉燃燒器，制粉系統(tǒng)采用采用6臺ZGM133-II 中速磨煤機，鍋爐的主要參數(shù)如表1。

1 配煤特性研究

1.1 混煤混熔點特性研究

本次試驗的電廠現(xiàn)階段配煤主要由人工計算完成，主要考慮煤中揮發(fā)分和硫含量，煤場對于堆放的現(xiàn)狀同樣也主要基于煤揮發(fā)分和硫含量，分四大類（高揮高硫、高揮低硫、低揮高硫、低揮低硫）進行堆放以便取用。經(jīng)過工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量檢測，得到6種原煤的煤質(zhì)信息分別為：收到基水分Mar（%）5.0/5.5/9.2/9.9/5.5/1.9、揮發(fā)分Var（%）11.19/11.20/22.35/20.65/12.04/16.54、灰分Aar（%）32.06/27.18/20.29/18.06/18.84/45.6 8、低位發(fā)熱量Qnet.ar20.24/21.80/21.42/22.15/25.8 8/15.95、硫Sar（%）0.46/1.51/0.81/1.20/0.95/0.71、碳Car（%）54.24/59.34/56.78/58.88/68.56/43.6 8、氫Har（%）2.73/2.79/3.42/3.26/3.28/2.57、氮Nar（%）0.83/0.85/0.75/0.81/0.88/0.65、氧Oar（%）4.68/2.83/8.75/7.89/1.99/4.81。

可以看出，1號煤屬于低揮低硫煤、2號煤屬于低揮高硫煤、3號煤屬于高揮低硫煤、4號煤屬于高揮高硫煤、5號煤屬于低揮中硫煤、6號煤屬于中揮低硫煤。基于這六種原煤制備混合煤樣，采用空氣干燥狀態(tài)下各原煤兩兩混合，質(zhì)量取1:1比例制備，制得15種混合煤樣（表2）。煤的灰熔點溫度是衡量煤質(zhì)好壞、影響鍋爐結(jié)焦的重要因素。為研究配煤摻燒對于鍋爐結(jié)渣特性的影響，對于所制備的21種煤樣進行灰熔融特性試驗，試驗選取粒徑小于0.2mm 的21種煤樣在815℃的溫度下分別進行燃燒制灰（表3）。

表2 混合煤樣編號

按照ST 指數(shù)來看，6種原煤中2號煤、5號煤、6號煤屬于弱結(jié)渣傾向，1號煤、3號煤、4號煤為中等結(jié)渣傾向；混合煤樣中7～11號煤的軟化溫度相較于其未摻配時兩種原煤的軟化溫度都有所增加，特別是8、9號煤，未摻配時兩組原煤都是中等結(jié)渣傾向，摻配后變成弱結(jié)渣傾向，軟化溫度有較大的增加。14～17號煤和21號煤的軟化溫度相較于其未摻配時兩種原煤的軟化溫度有所降低?？梢?號煤與其他五種煤摻配都有提高配煤的灰熔點的作用。

1.2 混煤燃燒特性研究

基于上述的21中混煤樣本選取粒徑小于0.1mm的煤粉，使用熱重分析儀分別進行燃燒特性試驗，得到原煤與混煤的燃燒特性，包括平均燃燒速率、最大燃燒速率、著火溫度、燃盡溫度、綜合燃燒特性指數(shù)、穩(wěn)燃特性指數(shù)等。由試驗結(jié)果可得，六種原煤中3號煤的綜合燃燒特性指數(shù)最高，其次為4號煤，這主要是因為3、4號煤揮發(fā)分產(chǎn)率高，導(dǎo)致其著火、燃盡溫度低，從而提高了綜合燃燒特性。2號煤的揮發(fā)分產(chǎn)率最低，其著火溫度、燃盡溫度高，導(dǎo)致其綜合燃燒特性較差。6號煤固定碳含量低，燃燒速率低導(dǎo)致綜合燃燒特性較差；六種原煤中穩(wěn)燃指數(shù)最高的是3號煤，其次為4號煤；穩(wěn)燃性能最差的為2號煤，其次為6號煤。

從綜合燃燒特性指數(shù)角度考慮，16號煤的綜合燃燒特性指數(shù)最高，其次為12號煤。16號煤由原煤中綜合燃燒特性最好的3、4混合后得到，然而其綜合燃燒指數(shù)有所降低，11號混煤也有類似結(jié)論。15號煤由原煤中綜合燃燒特性最差的2、6混合后得到，其綜合燃燒指數(shù)有所上升，同樣情況發(fā)生在14號煤樣。其余煤樣的綜合燃燒特性指數(shù)介于其組成原煤的綜合燃燒特性指數(shù)之間。

從穩(wěn)燃特性指數(shù)研究，混合煤樣中穩(wěn)燃性能最好的是12號煤和16號煤，最差的是7號煤和11號煤，15種混合煤樣中，10、11、17號煤的穩(wěn)燃性能比未摻配時的原煤都低，其他12種煤的穩(wěn)燃指數(shù)都介于未摻配時兩種原煤的穩(wěn)燃指數(shù)之間。

綜上可得出結(jié)論，配煤摻燒的燃燒性能并不是簡單的線性疊加，相對于原煤燃燒特性來說，配煤摻燒改變混煤燃燒特性多數(shù)情況下會使其燃燒特性介于二者之間，但也會出現(xiàn)性能綜合上升下降的情況，具體情況需要按試驗判斷分析。

表3 灰熔融特性試驗結(jié)果

1.3 制粉系統(tǒng)試驗

制粉系統(tǒng)系統(tǒng)試驗主要研究動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速、分離器出口溫度、磨煤機出力及通風(fēng)量對煤粉細度、均勻性和經(jīng)濟性的影響，試驗結(jié)果顯示煤粉整體的R90低于國標(biāo)推薦值，高硫煤泥的R90高于其他煤，但細煤粉占比很大。煤粉平均含水率為0.22%，說明各煤種含水量較小且磨煤機干燥出力情況較好，其中煤泥煤粉的含水率最高，為0.51%。由于整體煤粉較細，可以適當(dāng)降低動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

當(dāng)給煤量增加時：當(dāng)風(fēng)煤比較高且分離器轉(zhuǎn)速較高，此時細煤粉少，增加給煤量填補了研磨空隙，煤粉整體會變細。當(dāng)風(fēng)煤比較低且分離器轉(zhuǎn)速較低時，由于研磨出力不足，給煤量較大時煤粉會變粗；當(dāng)一次風(fēng)量的增加量較小時細煤粉會被更容易帶走，R90變化不明顯。當(dāng)一次風(fēng)量較大時較細的煤粉更容易被帶走，煤粉整體略有變粗，R90略有增加；隨著液壓加載力增加煤粉先變細后變粗，是因為當(dāng)磨輥與磨盤的空間被逐漸填滿后更多的顆粒無法參與研磨，但較大的加載力會導(dǎo)致磨煤機振動，需要選取合適的液壓加載力值，保證磨煤機的安全。

表4 目前鍋爐配煤情況表

2 燃燒調(diào)整

2.1 配煤摻燒現(xiàn)狀

本次試驗電廠采用配煤摻燒（表4），700～850MW 運行1、2、3、5、6號磨，600～750MW 運行2、3、5、6號磨，440～600MW 運行2、3、6號磨?？傊鹉?yōu)先起前墻磨，停磨優(yōu)先停后墻磨。3號磨的象山煤與6號磨的高揮高硫煤為440～1000MW 全負荷穩(wěn)燃用；1號磨的市場煤、2號磨的混煤與5號磨的煤泥都屬于低價煤種，可考慮多摻燒；4號磨的高熱低揮低硫煤價格較高，為帶滿負荷用。

440MW以下負荷采用配煤摻燒，較為穩(wěn)定的方式為底層兩臺磨投用高揮、中層磨投用一臺中揮，該方法至400MW也能保證燃燒，但該方案燃用的煤價格較高，就燃煤的成本來說并不合理。同時采用配煤摻燒后，在高負荷和低負荷下均出現(xiàn)火檢不穩(wěn)定，爐膛溫度左右偏差等一系列問題，針對以上問題，結(jié)合對于煤質(zhì)、混煤、磨煤機運行的相關(guān)規(guī)律，對于1000MW 超臨界機組進行燃燒調(diào)整優(yōu)化。

2.2 低負荷下燃燒調(diào)整

低負荷下主要出現(xiàn)的問題在于2號磨火檢不穩(wěn)定的情況，靠近左側(cè)，SCR 前NOx 值偏高。就地測量看火孔溫度，2層燃燒器左側(cè)溫度偏低，初步分析認(rèn)為與2號磨投用貧煤揮發(fā)分低有關(guān)，爐膛溫度低使其著火延遲有關(guān)，針對上述問題，就地加大內(nèi)二次風(fēng)開度、降低一次風(fēng)壓和風(fēng)量以加強中層燃燒器的卷吸，使煤粉能夠短時間內(nèi)得到充分的著火熱；同時減小磨煤機分離器轉(zhuǎn)速和減小分離器轉(zhuǎn)速加載壓，根據(jù)制粉系統(tǒng)試驗的規(guī)律總結(jié)，該措施能夠加大煤粉出力、提升煤粉細度，有利于著火。經(jīng)過多次驗證，采用這樣的措施火檢明顯好轉(zhuǎn)。

在上述基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)外二次風(fēng)，結(jié)合火檢變化以及就地測溫，爐膛左側(cè)NOx 高，爐膛左側(cè)溫度低，認(rèn)為與風(fēng)量有關(guān)，猜測左側(cè)風(fēng)量較低，之后可進行低負荷下風(fēng)量的標(biāo)定驗證。針對2層燃燒器逐個調(diào)節(jié)，最終火檢狀況好轉(zhuǎn)。

2.3 高負荷下燃燒調(diào)整

高負荷下出現(xiàn)了底層磨火檢變差的情況，通過嘗試，發(fā)現(xiàn)減小燃盡風(fēng)開度、加大底層磨外二次風(fēng)開度，火檢會有好轉(zhuǎn)，結(jié)合二次風(fēng)風(fēng)箱的布置形式，結(jié)合以往相關(guān)的經(jīng)驗[3]認(rèn)為出現(xiàn)該情況為高負荷下出現(xiàn)搶風(fēng)，致使底層燃燒器風(fēng)量不夠，尤其是6號磨，由觀火孔觀察爐膛也出現(xiàn)了明顯的黑色，通過降低磨煤機轉(zhuǎn)速、減小煤粉出力，風(fēng)量與煤風(fēng)量相匹配，使得火檢有所好轉(zhuǎn)，更加驗證了出現(xiàn)搶風(fēng)的可能性。針對上述現(xiàn)象，可采用提風(fēng)箱壓力、加氧量偏置的措施。為驗證高負荷下底層磨火檢不穩(wěn)定的原因，在950MW 負荷下就地測量風(fēng)量（表5）。

表5 實測二次風(fēng)風(fēng)量

950MW 穩(wěn)定工況下在上述開度進行了就地風(fēng)量測試，發(fā)現(xiàn)對于燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)，即使在上層擋板開度關(guān)小的情況下，離大風(fēng)箱最近的1號磨及4號磨風(fēng)量最大，平均59t/h；而最下層由于開度最大故風(fēng)量也不小，平均44.3t/h；中層磨風(fēng)量最小，為34t/h，且前墻風(fēng)量大于后墻。下層燃盡風(fēng)風(fēng)量大于上層燃盡風(fēng)風(fēng)量。

高負荷下下層磨火檢不好的原因主要是中高揮發(fā)分的煤在燃燒初期需要消耗大量的氧氣，而底層磨的空氣量并不是最多的。擋板開度80～85%已接近最大流量，當(dāng)運行過程中，如稍微開大1、2、4、5號磨或燃盡風(fēng)層的層操風(fēng)門擋板，就會將底層的風(fēng)搶走很多。

3 結(jié)語

本文針對1000MW 超臨界鍋爐配煤摻燒試驗，從煤質(zhì)、制粉系統(tǒng)試驗、燃燒優(yōu)化調(diào)整等方面進行了相關(guān)研究和分析，得出以下結(jié)論：配煤摻燒多種煤摻混會對煤的煤質(zhì)、灰熔點、燃燒性質(zhì)等產(chǎn)生影響，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體試驗來采用合理的摻配方案；制粉系統(tǒng)對于不同煤種、不同混煤有著不同的出力規(guī)律，通過試驗掌握煤粉出力和磨煤機運行方式之間的聯(lián)系對于燃燒調(diào)整具有重要；由于入爐煤質(zhì)發(fā)生變化，對于燃燒的控制方式需要響應(yīng)的改變，本次燃燒優(yōu)化主要解決：低負荷下由于爐膛溫度低、一次風(fēng)量大導(dǎo)致煤粉點火延后造成2層磨火檢不穩(wěn)定，采用加強卷吸、加強點火的措施；高負荷下由于底層磨缺風(fēng)導(dǎo)致底層火檢不穩(wěn)定，采用減小燃盡風(fēng)，加強底層磨二次風(fēng)等措施加強燃燒。