某300 MW 機(jī)組燃燒器及二次風(fēng)噴口改造研究

董志強(qiáng)

（山西臨汾熱電有限公司，山西臨汾 041000）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，全球二氧化碳減排的步伐加快，能源結(jié)構(gòu)將會發(fā)生變化。近年來，以風(fēng)能、太陽能為代表的低碳新能源發(fā)展迅速[1]，大規(guī)模風(fēng)、光能源并網(wǎng)，然而這些電力都有著隨機(jī)性強(qiáng)、能源生產(chǎn)是間歇性的、不能隨電網(wǎng)的需求而調(diào)節(jié)的特征，這對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)[2-3]。據(jù)分析，風(fēng)電、光伏在電力系統(tǒng)中到達(dá)一定比例（15%～20%）后，每提高一個百分點(diǎn)，對于電力系統(tǒng)的調(diào)峰要求都是質(zhì)的改變。但是我國大部分地區(qū)電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性不足，系統(tǒng)亟需較大比例靈活電源改善調(diào)峰電源結(jié)構(gòu)，緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力[4-6]。

從全國資源特性和現(xiàn)有技術(shù)條件的角度來看，煤電是最為經(jīng)濟(jì)可靠和最具開發(fā)潛力的靈活性電源，煤電機(jī)組將越來越多地作為配合新能源發(fā)電的調(diào)峰手段[7-10]。目前的調(diào)峰，主要是針對電網(wǎng)低谷時煤電機(jī)組的低負(fù)荷跟蹤能，分為深度調(diào)峰[11]和啟停調(diào)峰[12-13]。2018 年2 月28 日，國家發(fā)展改革委、國家能源局下發(fā)了《關(guān)于提電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》[14]，指出要實(shí)施火電靈活性提升工程，根據(jù)不同地區(qū)調(diào)節(jié)能力需求，科學(xué)制定火電靈活性提升工程實(shí)施方案。2019 年9 月，山西省委省政府印發(fā)了《山西能源革命綜合改革試點(diǎn)行動方案》[15]，要求先行選擇30 萬千瓦級及以上機(jī)組開展煤電機(jī)組靈活性改造試點(diǎn)，加快推進(jìn)煤電機(jī)組靈活性改造步伐，提升電網(wǎng)的調(diào)峰能力。參與調(diào)峰的機(jī)組通常運(yùn)行于低負(fù)荷工況下，燃燒穩(wěn)定性影響著機(jī)組的安全運(yùn)行。

某300 MW 機(jī)組鍋爐目前低負(fù)荷穩(wěn)燃能力在45%左右，飛灰含碳量、爐渣含碳較高。鍋爐A 層四只一次風(fēng)煤粉燃燒器為安裝有氣化小油槍的煤粉燃燒器，運(yùn)行時微油過大存在噴嘴燒壞的風(fēng)險，微油過小則容易被一次風(fēng)吹滅，且A 層燃燒器在不投油燃燒時煤粉的穩(wěn)燃性不好?，F(xiàn)有一次風(fēng)濃淡燃燒器，煤粉氣流的組織性差，不利于煤粉及時著火和穩(wěn)定燃燒。隨著電網(wǎng)對鍋爐低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性要求越來越高，為提高某300 MW 機(jī)組鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，擬對1#機(jī)組A、B、C 三層燃燒器、底層二次風(fēng)噴口進(jìn)行低負(fù)荷穩(wěn)燃能力提升改造。

1 設(shè)備概況

某300 MW 機(jī)組鍋爐型號為DG1060/17.4-Ⅱ4，是由東方鍋爐股份有限公司制造的亞臨界自然循環(huán)汽包爐、單爐膛、∏型布置、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、爐頂帶金屬防雨罩。燃燒器布置于爐膛水冷壁四角，采用四角切圓燃燒方式。燃燒器噴口布置如圖1 所示，水冷壁每角的燃燒器共有17 層噴口，一次風(fēng)噴口（四周有周界風(fēng)）6 層，二次風(fēng)噴口9層，其中3 層二次風(fēng)噴口內(nèi)設(shè)有油槍、用于降低氮氧化物生成量的頂二次風(fēng)噴口2 層。每角燃燒器分上下兩組，上組燃燒器有3 層噴口，下組燃燒器有14 層噴口。

圖1 燃燒器噴口布置

2 燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

為提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，解決目前鍋爐存在的下層燃燒器掉粉導(dǎo)致爐渣含碳偏高的問題，現(xiàn)對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，改造方案如下：

（1）采用強(qiáng)回流燃燒器，將A層（最底層）改為帶微油功能的強(qiáng)回流燃燒器，B、C 層為強(qiáng)回流燃燒器。

（2）重新設(shè)計AA 層托底二次風(fēng)噴口，更換4 個托底二次風(fēng)噴口。

強(qiáng)回流燃燒器如圖2 所示。強(qiáng)回流燃燒器在形成濃淡燃燒的條件下，布置豎直穩(wěn)然齒，增強(qiáng)噴嘴附近高溫?zé)煔饩砦芰兔悍蹥饬髟趪娮旄浇耐Ａ魰r間，保留了利于煤粉的著火與穩(wěn)燃的特性，又可確保濃淡燃燒，減少NOx的生成，且更有利于降低飛灰和大渣含碳量。在保證燃燒器冷卻的前提下，盡可能控制周界風(fēng)的風(fēng)量和動量，使一次風(fēng)直接卷吸高溫?zé)煔?，大大提高火焰溫度，抑制煤粉著火時間的推遲，進(jìn)而達(dá)到更好的燃燒效果，保證煤粉在出口處及時著火，能更好地控制爐膛火焰中心，改善結(jié)焦和高溫腐蝕，降低飛灰含碳量。

圖2 強(qiáng)回流燃燒器

3 改造效果

3.1 鍋爐熱效率

為了解1#機(jī)組在改造前后的性能，采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的反平衡法，對1#機(jī)組鍋爐熱效率進(jìn)行計算，灰渣平衡比率取飛灰90%、爐底大渣10%。鍋爐熱效率η 按式（1）計算：

式中 Q2——1 kg 煤的排煙損失熱量，kJ/kg

Q3——1 kg 煤的氣體未完全燃燒損失熱量，kJ/kg

Q4——1 kg 煤的固體未完全燃燒損失熱量，kJ/kg

Q5——1 kg 煤的散熱損失熱量，kJ/kg

Q6——1 kg 煤的灰渣物理損失熱量，kJ/kg

Qr——1 kg 煤引入的熱量，kJ/kg

q2——排煙熱損失，%

q3——?dú)怏w未完全燃燒熱損失，%

q4——固體未完全燃燒熱損失，%

q5——散熱損失，%

q6——灰渣物理熱損失，%

3.1.1 改造前鍋爐熱效率

試驗(yàn)期間機(jī)組穩(wěn)定在兩個調(diào)整工況下，在270 MW、220 MW、150 MW 工況下進(jìn)行原煤取樣、灰渣取樣，以及對空預(yù)器進(jìn)出口氧量、溫度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1 所示。

從表1 可知，270 MW 負(fù)荷下的實(shí)測鍋爐熱效率為89.26%，均小于220 MW 負(fù)荷（90.09%）和150 MW負(fù)荷（90.22%）下的實(shí)測鍋爐熱效率。修正后270 MW的鍋爐熱效率為89.25%，仍小于220 MW 負(fù)荷（90.01%）和150 MW 負(fù)荷（90.13%）。

3.1.2 改造后鍋爐熱效率

試驗(yàn)前，鍋爐保持穩(wěn)定，各設(shè)備調(diào)整至最佳運(yùn)行狀態(tài)，然后對#1 鍋爐進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)期間機(jī)組穩(wěn)定在兩個負(fù)荷工況下，在270 MW、240 MW、180 MW 工況下進(jìn)行原煤取樣、灰渣取樣，以及對空預(yù)器進(jìn)出口氧量、溫度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 改造后各工況下鍋爐爐效

由表2 可以得出，270 MW 負(fù)荷下的修正后鍋爐熱效率為90.60%；隨著負(fù)荷降低，鍋爐熱效率升高，180 MW 負(fù)荷下的修正后鍋爐熱效率最大、為91.23%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，改造前后1#機(jī)組鍋爐熱效率都出現(xiàn)隨負(fù)荷降低而升高的趨勢。在270 MW 負(fù)荷下，改造后的修正后鍋爐熱效率為90.60%，大于改造前的修正后鍋爐熱效率（89.25%），鍋爐熱效率提高了1.5%。

3.2 爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力工況實(shí)驗(yàn)

為了解改造后爐內(nèi)動力場情況，現(xiàn)對1#機(jī)組進(jìn)行鍋爐冷態(tài)動力場試驗(yàn)。在爐內(nèi)A 層、B、C 層一次風(fēng)噴口上沿高度，用風(fēng)速儀進(jìn)行爐內(nèi)冷態(tài)風(fēng)速測量，確定燃燒器出口氣流在爐內(nèi)形成的強(qiáng)風(fēng)環(huán)大小，并在四周水冷壁實(shí)測貼壁風(fēng)速，同時在各一次風(fēng)噴口處進(jìn)行飄帶示蹤試驗(yàn)。爐膛截面積（寬×深）13335 mm×12829 mm，燃燒器實(shí)際切圓示意及貼壁風(fēng)見圖3。

從圖3 可以看出，A 層燃燒器爐內(nèi)冷態(tài)實(shí)際切圓為橢圓形，長徑7335 mm，短徑6329 mm，貼壁風(fēng)在3.6～4.7 m/s；B、C 層燃燒器爐內(nèi)冷態(tài)實(shí)際切圓為一橢圓，長徑7835 mm，短徑5829 mm，貼壁風(fēng)在1.4～2.4 m/s。速度場測量完畢后在爐內(nèi)燃燒器噴口處進(jìn)行飄帶試驗(yàn)，氣流不刷墻。結(jié)果表明，爐膛主燃燒區(qū)域?qū)嶋H切圓直徑在7 m 左右，切圓偏前墻與左墻。

3.3 爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力工況實(shí)驗(yàn)

為確定1#機(jī)組的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷，現(xiàn)在保證1#機(jī)組運(yùn)行參數(shù)正常的條件下，將1#機(jī)組從210 MW 負(fù)荷開始，按每分鐘1.5%額定負(fù)荷的速度降低鍋爐負(fù)荷，并在150 MW、135 MW各級負(fù)荷狀態(tài)下保持30 min，直至燃燒穩(wěn)定的最低負(fù)荷，并在該負(fù)荷下維持2 h。

隨著負(fù)荷的降低，整個爐膛溫度水平也相應(yīng)下降。當(dāng)1#機(jī)組負(fù)荷降至120 MW 時，不投助燃油，沒有出現(xiàn)劇烈的火焰閃爍及爐膛溫度大幅下降的不良狀況，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定、氧量波動正常。繼續(xù)降低機(jī)組負(fù)荷至110 MW 時，火檢信號閃爍較為頻繁，再熱汽溫降為470 ℃，油槍投入助燃。由試驗(yàn)結(jié)果可得，1#機(jī)組的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為120 MW 負(fù)荷。結(jié)果表明，改造前1#機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷為135 MW，改造后1#機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷為120 MW，實(shí)現(xiàn)鍋爐最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷≤40%BMCR（BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）。

4 結(jié)論

為提高某300 MW 機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，以滿足深度調(diào)峰需求，現(xiàn)將機(jī)組A 層燃燒器改為帶微油功能的強(qiáng)回流燃燒器，B、C 層改為強(qiáng)回流燃燒器，同時更換AA 層4 個托底二次風(fēng)噴口。對機(jī)組改造前后的鍋爐熱效率、冷態(tài)空氣動力廠、最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）改造前，270 MW 負(fù)荷下的修正后鍋爐熱效率為89.25%，均小于220 MW 負(fù)荷（90.01%）和150 MW 負(fù)荷（90.13%）。

（2）改造后，270 MW 負(fù)荷下的修正后鍋爐熱效率為90.60%，鍋爐熱效率提高了1.5%。

（3）改造后的爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑在7～8 m，切圓偏前墻與左墻。

（4）1#機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)到120 MW，實(shí)現(xiàn)鍋爐最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷≤40%BMCR。