鍋爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化分析

段明源 王成文 韓 磊

（1.晉控電力山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 041000；2.山西大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

新能源的大規(guī)模并網(wǎng)及電網(wǎng)用電負(fù)荷峰谷差的加大，造成電網(wǎng)的調(diào)峰壓力越來越大，迫切需要火電機(jī)組大比例地參與電網(wǎng)的深度調(diào)峰[1-2]。在此過程中，火電機(jī)組的負(fù)荷率大幅下降，許多火電機(jī)組被迫長時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷和偏離常規(guī)負(fù)荷的工況下，使得機(jī)組很難適應(yīng)滿負(fù)荷設(shè)計(jì)工況與常規(guī)設(shè)計(jì)工況下設(shè)定的燃燒優(yōu)化調(diào)節(jié)方案。與此同時(shí)，在機(jī)組低負(fù)荷和頻繁變負(fù)荷運(yùn)行過程中鍋爐顯現(xiàn)出水動(dòng)力循環(huán)變差，爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，污染物排放濃度升高等問題。另外，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷降低時(shí)，現(xiàn)有的自動(dòng)控制系統(tǒng)很難有良好的控制效果，而電網(wǎng)對機(jī)組AGC的考核卻愈發(fā)嚴(yán)格，迫于此情況，運(yùn)行人員不得不大規(guī)模手動(dòng)參與調(diào)節(jié)。然而，受限于調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)的不足，手動(dòng)調(diào)節(jié)通常也很難達(dá)到令人滿意的效果。為此需要對鍋爐低負(fù)荷及變負(fù)荷工況進(jìn)行燃燒優(yōu)化，使?fàn)t內(nèi)的溫度場、動(dòng)力場分布均勻、合理，進(jìn)而提高鍋爐的燃燒性能，減少污染物氣體的排放，更好地保障機(jī)組出力和電網(wǎng)考核。

開展鍋爐的燃燒優(yōu)化是火電廠最基本、最煩瑣的一項(xiàng)工作，但卻有著重要的意義。通過對鍋爐的燃燒過程進(jìn)行調(diào)整，合理配置進(jìn)入爐內(nèi)的燃料量和風(fēng)量，可以使?fàn)t內(nèi)的燃料燃燒更加高效，機(jī)爐協(xié)調(diào)更加迅速，確保鍋爐運(yùn)行的高效穩(wěn)定。同時(shí)，燃燒優(yōu)化調(diào)整還可以降低鍋爐的熱偏差，減少水冷壁爆管和爐內(nèi)結(jié)渣，確保鍋爐運(yùn)行的安全性。穩(wěn)定的著火熱源可使鍋爐蒸發(fā)量滿足基本需求，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度穩(wěn)定，機(jī)組的出力滿足外界負(fù)荷的需要。

鍋爐燃燒優(yōu)化的最終目標(biāo)是降低運(yùn)營成本，要想取得良好的燃燒優(yōu)化結(jié)果，必須首先建立起合適的優(yōu)化目標(biāo)。傳統(tǒng)的燃燒優(yōu)化往往更關(guān)注較高的鍋爐熱效率，隨著國家對大氣污染物排放要求的不斷提高，減少氮氧化物的排放也變得越來越重要。如何在減少氮氧化物生成的同時(shí)保證鍋爐有較高的熱效率成為當(dāng)前鍋爐燃燒優(yōu)化的卡脖子問題。因?yàn)檫@兩者之間本身是對立、矛盾的，降低氮氧化物生成，需要的是低溫、缺氧的環(huán)境條件，而提高鍋爐熱效率的條件是高溫、足氧。因此，在制定燃燒優(yōu)化調(diào)整措施時(shí)需要充分考慮兩者的內(nèi)在耦合，建立起同時(shí)滿足這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)施方案。只有這樣，才能使?fàn)t內(nèi)的燃燒始終保持在最佳狀態(tài)，才能保證火電機(jī)組持續(xù)發(fā)展，保證企業(yè)的生存空間，保證火力發(fā)電模式不被其他能源發(fā)電模式所取代。

1 燃燒優(yōu)化機(jī)理分析

圖1為煤粉爐機(jī)組鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖。在實(shí)際工作過程中，經(jīng)過磨煤機(jī)破碎、研磨、干燥后將滿足細(xì)度要求的煤粉經(jīng)一次風(fēng)輸送到爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒放熱，其中，每臺磨煤機(jī)可滿足爐內(nèi)同一高度燃燒器的煤粉量需求。爐內(nèi)還布置有大量的換熱設(shè)備，包括低溫過、再熱器，高溫過、再熱器以及前、后屏過熱器。過熱器的主要作用是熱量交換，將爐內(nèi)燃燒生成的煙氣熱轉(zhuǎn)化為蒸汽熱，從而為汽輪機(jī)做功提供良好動(dòng)力。此外，為維持煙氣在爐內(nèi)的正常流動(dòng)，需要滿足平衡通風(fēng)的要求，鍋爐空氣側(cè)采用正壓運(yùn)行方式以克服送風(fēng)流程中的阻力，鍋爐煙氣側(cè)則采用微負(fù)壓運(yùn)行方式以減少爐膛和尾部煙道的漏風(fēng)量。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

鍋爐的燃燒優(yōu)化，其核心本質(zhì)是通過調(diào)節(jié)風(fēng)煤比使?fàn)t內(nèi)燃燒達(dá)到適宜的條件。在該條件下鍋爐的熱效率高，熱損失低，且爐內(nèi)還原性氣氛強(qiáng)，污染物氣體的原始生成量少。在燃燒過程中，可燃物與助燃劑將發(fā)生劇烈反應(yīng)，可采用降低灰渣中可燃物含量，減少煙氣生成量的方法來提高鍋爐熱效率。對煤粉爐機(jī)組來說，可燃物主要指送入爐內(nèi)的煤粉，因煤質(zhì)組分的不同，不同類型的煤熱值不同，對鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。此外，煤粉的濃度與煤粉的燃盡率對鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行亦有很大的影響[3]。

風(fēng)量是指燃燒過程中一次風(fēng)量與二次風(fēng)量的和。煤粉爐中一次風(fēng)作為輸送介質(zhì)將煤粉送入爐膛，而二次風(fēng)的主要作用是助燃。二次風(fēng)將送入爐膛的熱空氣與一次風(fēng)和煤粉的混合物相結(jié)合，保證煤粉的充分燃燒。二次風(fēng)量的大小可用爐膛出口的煙氣含氧量表示，煙氣含氧量的大小可以間接反映鍋爐風(fēng)煤比的好壞，從而反映當(dāng)前鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)風(fēng)量過大時(shí)，鍋爐煙氣含氧量會升高，煙氣的生成量增加，這將引起鍋爐排煙熱損失增加，鍋爐效率降低[4]。過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)和控制是降低爐內(nèi)污染物氣體氮氧化物的有效措施，當(dāng)爐內(nèi)氧濃度降低時(shí)，爐內(nèi)的還原性氣氛增強(qiáng)，可以有效抑制并還原氮氧化物的生成。但低氧的燃燒氛圍會造成爐內(nèi)燃燒溫度不高，不利于飛灰顆粒的燃盡，會引起固體不完全燃燒熱損失的增加，從而降低鍋爐熱效率[5]。

大量的研究表明，污染物氣體氮氧化物的排放量與鍋爐的燃燒過程存在著密切的聯(lián)系。燃燒過程中生成的三類氮氧化物中，燃料型氮氧化物的占比最大，它是由燃料中的氮化合物發(fā)生熱分解、氧化而生成的。燃料型氮氧化物的生成機(jī)理如圖2所示。

從圖2可知，原煤中的氮經(jīng)過一次熱解后形成揮發(fā)分氮與焦炭氮這兩種產(chǎn)物。接著不穩(wěn)定的揮發(fā)分氮與穩(wěn)定的焦炭氮再經(jīng)過二次熱解形成HCN、NH3等主要中間產(chǎn)物。之后HCN、NH3在氧化性氣氛中生成氮氧化物氣體，在還原性氣氛中生成氮?dú)狻４送?，由圖2燃料型氮氧化物的生成機(jī)理過程可得到影響氮氧化物生成量的因素有煤種、煤種中氮化合物分解時(shí)揮發(fā)分氮與焦炭氮的分配比例以及氧濃度等。綜合考量各影響因素的調(diào)控方法，選取十分有效且便捷的降低爐內(nèi)氧氣濃度即減小過量空氣系數(shù)的方法來控制燃料性氮氧化物的生成量。

圖2 燃料型氮氧化物的生成機(jī)理

2 燃燒系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化改進(jìn)措施

當(dāng)前階段，鍋爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化主要從兩方面開展，一是設(shè)備改進(jìn)，二是燃燒優(yōu)化調(diào)整[6]。

2.1 設(shè)備改進(jìn)

（1）先進(jìn)檢測設(shè)備應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展，先進(jìn)的檢測技術(shù)得到大力發(fā)展，如煙氣含氧量在線測量裝置、飛灰含碳量在線測量裝置、煤粉濃度在線測量裝置、爐膛火焰檢測裝置等。投用先進(jìn)的檢測設(shè)備可以更直觀、準(zhǔn)確地掌握鍋爐的燃燒過程及燃燒產(chǎn)物，以此進(jìn)行鍋爐燃燒調(diào)節(jié)，確保鍋爐運(yùn)行中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。此外，先進(jìn)檢測設(shè)備的大量應(yīng)用，也為基于燃燒理論開展的鍋爐建模仿真燃燒優(yōu)化技術(shù)提供了更好的基礎(chǔ)。利用采集到的大量的高維特性參數(shù)，結(jié)合人工智能建模方法，能夠形成新的鍋爐燃燒優(yōu)化方案。

（2）傳感器改進(jìn)。在鍋爐新設(shè)備的研發(fā)過程中，要充分考慮到爐內(nèi)燃燒時(shí)惡劣的環(huán)境和磨損狀況以及信號傳遞過程中會出現(xiàn)的失真、丟失等問題，結(jié)合最新研究技術(shù)成果，采用更加耐高溫、耐磨損的傳感器設(shè)備采集爐內(nèi)重要的熱工信號。

（3）主燃燒器合理選型與改造。依據(jù)鍋爐“低氮高效”的燃燒目標(biāo)，對鍋爐的燃燒器進(jìn)行有效選型和改造。盡管水平濃淡燃燒器與垂直濃淡燃燒器都可以實(shí)現(xiàn)對不同濃度煤粉的劃分，但實(shí)際過程中還要依據(jù)分離比例、運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)要求對燃燒器進(jìn)行科學(xué)有效的選型。同時(shí)，在主燃燒器改造中，要確定好主燃燒器的標(biāo)準(zhǔn)高度，還要固定好四角風(fēng)箱風(fēng)道與擋板風(fēng)箱的位置，將彎頭、噴口全部更換，使其達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[7]。

2.2 燃燒優(yōu)化調(diào)整

通過大量的研究分析可知，鍋爐燃燒優(yōu)化即通過調(diào)節(jié)影響爐內(nèi)燃燒的關(guān)鍵操作變量來提高鍋爐熱效率，降低污染物氣體的生成。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況發(fā)生改變時(shí)，爐內(nèi)的速度場、溫度場也隨之發(fā)生變化，需要通過合理調(diào)節(jié)來優(yōu)化爐內(nèi)各場的分布特性，達(dá)到均勻、合理的運(yùn)行目標(biāo)[8]。具體的燃燒優(yōu)化調(diào)整措施如下：

（1）開展不同煤種煤粉細(xì)度燃燒調(diào)整試驗(yàn)。當(dāng)煤粉細(xì)度過小時(shí)極易造成爐內(nèi)燃燒著火提前，燃燒器的噴口出現(xiàn)結(jié)焦或燃燒損壞；而當(dāng)煤粉細(xì)度過大時(shí)，則會引起著火滯后，導(dǎo)致爐內(nèi)的燃燒效率大大降低，鍋爐出力不足。試驗(yàn)得到不同煤種磨煤機(jī)出口分離器的擋板開度，通過調(diào)節(jié)擋板開度來改變?nèi)霠t煤粉的細(xì)度。

（2）對燃燒器熱負(fù)荷的均勻性進(jìn)行試驗(yàn)，校正每臺磨煤機(jī)出口流量。運(yùn)行過程中火焰中心偏斜會引起爐內(nèi)水冷壁局部高溫，造成煙溫和蒸汽溫度偏差，水冷壁受熱面受力不均，會導(dǎo)致水冷壁結(jié)渣和反常變形。

（3）依據(jù)機(jī)組不同運(yùn)行負(fù)荷，匹配燃燒器運(yùn)行個(gè)數(shù)。通過調(diào)整與機(jī)組負(fù)荷相適應(yīng)的燃燒器個(gè)數(shù)，使?fàn)t內(nèi)的溫度場與速度場達(dá)到適宜，保障爐內(nèi)煤粉的燃盡率。

（4）依據(jù)燃燒調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果，建立調(diào)節(jié)燃燒器二次風(fēng)葉片開度的樣本庫。依據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷直接選取與其相匹配的燃燒器二次風(fēng)葉片開度調(diào)節(jié)值，從而增大燃燒器外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，達(dá)到良好的煙氣卷吸效果，使?fàn)t內(nèi)著火穩(wěn)定，燃燒穩(wěn)定。

（5）開展氧量調(diào)節(jié)試驗(yàn)，設(shè)置不同工況下氧量調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)表。氧量的大小，直接關(guān)系到鍋爐的燃燒效率與污染物控制。不同負(fù)荷下最佳的氧量值，可以有效降低熱損失之和，提高爐內(nèi)燃燒性能，有效減少污染物氣體的生成。

（6）對爐膛二次風(fēng)的配風(fēng)方式進(jìn)行試驗(yàn)。在煤粉爐中通過優(yōu)化調(diào)節(jié)沿爐高方向的二次風(fēng)擋板開度，改變風(fēng)粉量在爐內(nèi)不同區(qū)域的燃燒份額，從而控制火焰的位置，調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫、灰渣可燃物含量、排煙溫度及氮氧化物排放濃度等運(yùn)行參數(shù)值。

（7）建立排煙溫度修正公式。在鍋爐尾部煙道中不可避免地存在漏風(fēng)，在鍋爐低負(fù)荷時(shí)漏風(fēng)現(xiàn)象尤為明顯，為有效降低漏風(fēng)帶來的負(fù)面影響，需要對鍋爐不同負(fù)荷下的排煙溫度測量值進(jìn)行修正。通過對比在線測量的排煙溫度值與實(shí)測的排煙溫度值二者的擬合特性，建立起鍋爐高、中、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的排煙溫度修正關(guān)系式。

（8）對鍋爐引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能進(jìn)行優(yōu)化。通過對鍋爐引風(fēng)機(jī)的優(yōu)化，引風(fēng)量可隨鍋爐負(fù)荷及送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)同步快速變化，使得爐膛始終保持在負(fù)壓狀態(tài)，充分保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（9）整理出燃燒系統(tǒng)各子系統(tǒng)的燃燒優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律，擬合出負(fù)荷與控制量之間的函數(shù)關(guān)系?；诖罅康娜紵{(diào)整試驗(yàn)，得到各控制量與負(fù)荷、煤種的變化關(guān)系，從而為低負(fù)荷鍋爐燃燒優(yōu)化的自動(dòng)調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

隨著火電機(jī)組廣泛參與電網(wǎng)調(diào)峰，開展鍋爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化將成為一項(xiàng)長期工作。在機(jī)組頻繁地變負(fù)荷、變煤種運(yùn)行過程中，燃燒系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)劣不僅關(guān)系到公司的運(yùn)營成本和效益，而且對于鍋爐的使用壽命和安全性也有較大影響。因此，必須積極開展深度調(diào)峰下鍋爐的燃燒優(yōu)化工作，從而使運(yùn)行人員積累燃燒調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，提高技能水平，促進(jìn)火電廠長遠(yuǎn)發(fā)展。

本文介紹了當(dāng)前煤粉爐機(jī)組燃燒優(yōu)化的背景以及需要解決的核心問題，并依據(jù)燃燒優(yōu)化理論提出了具體的燃燒優(yōu)化改進(jìn)措施，包括對燃燒系統(tǒng)投用設(shè)備的改進(jìn)及燃燒優(yōu)化調(diào)整的具體措施。燃燒優(yōu)化調(diào)整措施包括對不同煤質(zhì)的細(xì)度、濃度及輸送流量特性進(jìn)行試驗(yàn)，對不同負(fù)荷下鍋爐氧量、二次風(fēng)配風(fēng)方式進(jìn)行尋優(yōu)試驗(yàn)以及通過試驗(yàn)建立排煙溫度修正公式等，這一系列措施可使鍋爐熱效率與氮氧化物生成量這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)在機(jī)組參與調(diào)峰過程中達(dá)到理想的平衡狀態(tài)。