600MW級(jí)電站鍋爐燃用煙煤氧量控制策略

浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司 姜慶東 趙海曉 王軍民 陳天翔 劉浩然

600MW級(jí)電站鍋爐的熱效率往往較高，可在一定程度上減少煤炭消耗，降低二氧化碳排放，已經(jīng)在我國火力發(fā)電主力機(jī)組中得到大量應(yīng)用。目前，普遍采用反平衡法測試鍋爐熱效率，即逐項(xiàng)計(jì)算鍋爐各項(xiàng)熱損失后再得出鍋爐熱效率。雖然此方法測試結(jié)果比較準(zhǔn)確，但計(jì)算時(shí)涉及的參數(shù)較多，而且還需要對(duì)燃煤進(jìn)行煤質(zhì)化驗(yàn)，既沒有簡化公式，也不能即時(shí)計(jì)算結(jié)果，無法實(shí)時(shí)了解鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，不利于鍋爐節(jié)能管理。電站鍋爐日常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員需要找到一個(gè)能直接并且實(shí)時(shí)反映鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵工藝參數(shù)做依據(jù)，只需對(duì)該參數(shù)做出有效的調(diào)整，即可令鍋爐燃燒始終保持在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。

本文旨在透過復(fù)雜、抽象的電站鍋爐熱效率公式，總結(jié)一種簡單、有效的氧量控制策略，用于指導(dǎo)電站運(yùn)行人員調(diào)整鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性。首先通過對(duì)電站鍋爐熱效率計(jì)算公式進(jìn)行簡化，確認(rèn)氧量為電站鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵工藝參數(shù)；其后通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試鍋爐尾部煙氣中的氧氣含量和CO含量，分析確定出經(jīng)濟(jì)氧量，并且給出了用氧量估算氣體不完全燃燒熱損失的函數(shù)。最后研究表明，600MW級(jí)電站鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)氧量為2.5%，50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)氧量為6%，機(jī)組負(fù)荷在300～650MW區(qū)間時(shí)氧量控制策略可概括為公式：經(jīng)濟(jì)氧量=9-負(fù)荷/100，經(jīng)濟(jì)氧量，%；負(fù)荷，MW。

1 研究對(duì)象

本公司建設(shè)4臺(tái)650MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐選用哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司與三井巴布科克（MB）公司合作設(shè)計(jì)、制造的超臨界本生（Benson）直流爐，型號(hào)：HG-1890/25.4-YM4，一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、Π型布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)。爐膛斷面尺寸22.18m×15.63m。

制粉系統(tǒng)為中速磨正壓直吹系統(tǒng)，配備6臺(tái)HP1003型中速磨煤機(jī)，BMCR工況下5臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。采用30只低NOx軸向旋流燃燒器，前后墻對(duì)沖燃燒，分三層對(duì)稱布置。燃燒器上部前、后墻各布置兩層過燃風(fēng)裝置，每層5只，共20只。

鍋爐滿負(fù)荷下設(shè)計(jì)氧量3.35%，對(duì)應(yīng)過量空氣系數(shù)1.19，50%負(fù)荷下設(shè)計(jì)氧量為5.5%，對(duì)應(yīng)過量空氣系數(shù)1.36。鍋爐尾部煙道A、B兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)氧電池式氧量測點(diǎn)，安裝在尾部煙道省煤器后、脫硝裝置入口。之所以采用此處氧量而非空預(yù)器出口氧量來反映鍋爐煤粉的燃盡情況，是因?yàn)榭梢员苊饪疹A(yù)器漏風(fēng)對(duì)氧量測點(diǎn)的干擾，研究分析此處煙氣中的氧量和CO含量，得出的結(jié)論會(huì)更準(zhǔn)確，也更有代表性。

鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)：過熱蒸汽壓力25.4MPa、過熱蒸汽溫度571℃、再熱蒸汽壓力4.45MPa、再熱蒸汽溫度569℃、給水溫度283.7℃、排煙溫度124.3℃、鍋爐效率（低位發(fā)熱值）93.9%、爐膛過量空氣系數(shù)1.19、煤粉細(xì)度（R90）18.38%、總風(fēng)量2169.6t/h。

2 關(guān)鍵工藝參數(shù)

按照GB/T 10184《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，鍋爐熱效率的熱損失表達(dá)式為：η=100-q2-q3-q4-q5-q6-qoth，式中：q2為排煙熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%；q6為灰渣物理顯熱損失，%；qoth為其他熱損失，包括石子煤排放熱損失等，%。

q2是煤粉燃燒后產(chǎn)生煙氣從鍋爐尾部排放帶走熱量產(chǎn)生的熱損失，是鍋爐燃燒時(shí)各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，且過量空氣系數(shù)越大，q2越大；q3是鍋爐排煙中可燃?xì)怏w未完全燃燒產(chǎn)生的熱損失，主要是因?yàn)榕艧熤泻形赐耆紵臍怏w如CO、H2、CH4和CmHn，而CO是其中最主要的成分，過量空氣系數(shù)越大，q3就越??；q4是鍋爐灰、渣中含有可燃物產(chǎn)生的熱損失，且過量空氣系數(shù)越大，q4就越??；q5是鍋爐爐墻、輔機(jī)設(shè)備及管道（煙風(fēng)道及汽、水管道及聯(lián)箱等）向四周環(huán)境散失熱量產(chǎn)生的熱損失，與鍋爐機(jī)組的熱負(fù)荷、外表面溫度、風(fēng)速有關(guān)，與過量空氣系數(shù)無關(guān)；q6是爐渣、沉降灰和飛灰排出鍋爐設(shè)備時(shí)所帶走的顯熱損失，基本可認(rèn)為是常數(shù)，也與過量空氣系數(shù)無關(guān)；qoth是石子煤和冷卻水帶走的熱量損失，也與過量空氣系數(shù)無關(guān)。

去掉與過量空氣系數(shù)無關(guān)且在表達(dá)式中實(shí)際占比極小的q5、q6、qoth，鍋爐熱效率熱損失表達(dá)式可簡化為：η∝100-q2-q3-q4，簡單來說，當(dāng)q2、q3、q4之和最小時(shí)鍋爐熱效率最高，而q2、q3、q4又與過量空氣系數(shù)也就是氧量密切相關(guān)，提高鍋爐熱效率可以簡化為降低q2、q3、q4之和。

電站鍋爐日常運(yùn)行時(shí)，降低煙氣中氧量一方面可以減少排煙熱損失q2，提高鍋爐熱效率；另一方面如果氧量降得過低，煙氣中CO含量會(huì)快速升高，增加氣體未完全燃燒熱損失q3，同時(shí)也使固體未完全燃燒熱損失q4增大，反而會(huì)令鍋爐熱效率下降?？梢姡仩t氧量是對(duì)q2、q3、q4影響最大的參數(shù)，也是鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵工藝參數(shù)。由此，也必然存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)氧量，此氧量既能降低排煙熱損失，還能將氣體和固體未完全燃燒熱損失之和抑制在較低的水平，令鍋爐熱效率最高[1]。

3 試驗(yàn)情況

3.1 試驗(yàn)方法

鍋爐尾部煙氣中CO含量是反映鍋爐燃燒情況的重要指標(biāo)，鍋爐熱效率計(jì)算表明，尾部煙氣中CO含量每增加2500ppm會(huì)導(dǎo)致鍋爐熱效率下降約1%，使600MW級(jí)發(fā)電機(jī)組供電煤耗升高約3g/kWh。由于鍋爐在中、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氧量較為充足，尾部煙氣中CO含量很低，基本可以忽略不計(jì)，故試驗(yàn)選擇在100%負(fù)荷下進(jìn)行。

試驗(yàn)在鍋爐尾部煙道專用試驗(yàn)測孔處進(jìn)行，測點(diǎn)的設(shè)置符合網(wǎng)格法原則，鍋爐尾部煙道截面及測孔布置如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)保持鍋爐負(fù)荷不變，總煤量、一次風(fēng)、二次風(fēng)均調(diào)整至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)行30min后，用煙氣分析儀依次在每個(gè)測孔的三個(gè)不同深度測量煙氣中的CO含量和氧量，再從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中探究CO含量與氧量之間的關(guān)系[2]。

圖1 鍋爐尾部煙道截面測孔、測點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中測得氧量和CO含量分布分別如圖2、圖3所示。

圖2 尾部煙道氧量分布圖（單位：%）

圖3 尾部煙道CO含量分布圖（單位：ppm）

由于鍋爐尾部煙氣中CO含量隨氧量降低而急劇升高，故把試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)擬合為指數(shù)曲線，煙氣中CO含量與氧量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 鍋爐尾部煙氣中CO含量與氧量的關(guān)系

擬合的曲線用函數(shù)表示為：y=30000e-1.75x，其中：y表示煙氣中CO含量（單位：ppm），x表示煙氣中氧量（單位：%）。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

數(shù)據(jù)顯示，尾部煙氣中CO含量隨氧量的升高而下降。當(dāng)氧量小于2%時(shí)CO含量大于1000ppm，對(duì)鍋爐效率的影響超過0.4%；當(dāng)氧量大于2.5%時(shí)CO含量小于400ppm，對(duì)鍋爐效率的影響小于0.15%；當(dāng)氧量大于3.3%時(shí)，CO含量小于100ppm，對(duì)鍋爐效率的影響僅0.04%。

數(shù)據(jù)還顯示，尾部煙氣中氧量每下降0.4%CO含量會(huì)升高一倍。當(dāng)鍋爐運(yùn)行氧量低于2%時(shí)，CO含量急劇升高，化學(xué)不完全燃燒熱損失快速增大，鍋爐熱效率會(huì)快速下降；而當(dāng)鍋爐運(yùn)行氧量高于2.5%時(shí)，CO含量會(huì)緩慢下降，且下降速度逐漸趨緩，化學(xué)不完全燃燒熱損失緩慢減小，鍋爐熱效率會(huì)略微升高，但同時(shí)由于氧量升高會(huì)導(dǎo)致排煙熱損失較快增大，此時(shí)整體上鍋爐熱效率已經(jīng)不會(huì)得到提升，繼續(xù)增大氧量只會(huì)導(dǎo)致送、引風(fēng)機(jī)電率出現(xiàn)明顯上升，引起鍋爐整體能耗的上升。

圖4曲線的拐點(diǎn)位于氧量2.5%左右，可以推論：鍋爐氧量運(yùn)行在2.5%時(shí)，大幅降低q2又不引起q3、q4大幅升高的經(jīng)濟(jì)氧量，此時(shí)鍋爐熱效率最高[3]。延伸來說，如果鍋爐沒有安裝CO測量表計(jì)，但在某些場合下又需要考慮氣體不完全燃燒熱損失q3，可采用函數(shù)進(jìn)行粗略計(jì)算：y=12e-1.75x，其中：y表示氣體不完全燃燒熱損失q3(單位：%)，x表示煙氣中氧量（單位：%）

4 電站鍋爐主要運(yùn)行區(qū)間的氧量調(diào)整

電站鍋爐主要運(yùn)行區(qū)間是指機(jī)組負(fù)荷調(diào)度的主要區(qū)間，即50%～100%負(fù)荷，約300～650MW。如上所述，當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)氧量為2.5%。

機(jī)組在50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)情況完全不同，一方面隨著鍋爐負(fù)荷降低，鍋爐各風(fēng)機(jī)出力裕量會(huì)逐漸增大，容易提高鍋爐運(yùn)行氧量以進(jìn)一步降低化學(xué)不完全燃燒熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失；另一方面，受限于鍋爐尺寸固定、燃燒器安全運(yùn)行要保證最低風(fēng)速、風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)間非線性、鍋爐漏風(fēng)等因素，鍋爐送風(fēng)量實(shí)際上并不能按機(jī)組負(fù)荷比例性地減小，導(dǎo)致鍋爐氧量不能比例性減小，所以負(fù)荷低時(shí)反而氧量更大。

本公司50%負(fù)荷下設(shè)計(jì)氧量為5.5%。實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，由于要保護(hù)燃燒器不被燒損，即使燃燒器沒有運(yùn)行也需要通一定量的二次風(fēng)，再加上多數(shù)風(fēng)門、擋板普遍不嚴(yán)漏風(fēng)，當(dāng)負(fù)荷降低到50%時(shí)，要將鍋爐運(yùn)行氧量調(diào)整到5.5%存在一定困難。根據(jù)電站鍋爐的實(shí)際，既要保證燃燒調(diào)整便捷、安全，又要保證鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、節(jié)能，50%負(fù)荷時(shí)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)氧量為6%左右。300～650MW負(fù)荷下鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)氧量設(shè)定值見表1。

表1 機(jī)組負(fù)荷與對(duì)應(yīng)的鍋爐經(jīng)濟(jì)氧量設(shè)定值

稍加觀察，可發(fā)現(xiàn)表1的數(shù)據(jù)可擬合為一條直線，如圖5所示。

圖5 機(jī)組負(fù)荷與鍋爐經(jīng)濟(jì)氧量設(shè)定值之間的關(guān)系

擬合的直線用函數(shù)表示：y=9.0-x/100，其中：y表示鍋爐經(jīng)濟(jì)氧量設(shè)定值（單位：%），x表示機(jī)組負(fù)荷（單位：MW）。

5 結(jié)語

綜上，電站鍋爐節(jié)能是燃煤發(fā)電機(jī)組節(jié)能管理的基礎(chǔ)工作，機(jī)組運(yùn)行人員需要每時(shí)每刻對(duì)鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性有直觀的掌握。上述鍋爐氧量與機(jī)組負(fù)荷之間關(guān)系的函數(shù)，可用于電站鍋爐運(yùn)行人員日常調(diào)整鍋爐燃燒，簡單好記，便于實(shí)時(shí)干預(yù)鍋爐燃燒，讓鍋爐熱效率在負(fù)荷變化時(shí)能始終保持在較高水平。600MW級(jí)電站鍋爐燃用煙煤時(shí)，滿負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)氧量為2.5%，50%負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)氧量為6%，50%～100%負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)氧量可線性取值，即：經(jīng)濟(jì)氧量%=9.0-負(fù)荷/100。這種氧量控制策略簡單、好記，日常使用非常方便。