300MW亞臨界電站鍋爐燃燒器優(yōu)化分析

李慶華，劉存忠，李江涌，陸軍，張健

（1.晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原 030006；2.晉能控股山西電力股份有限公司侯馬熱電分公司，山西 臨汾 043000；3.晉能控股山西電力股份有限公司同贏發(fā)電分公司，山西 大同 037000；4.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710032）

電網(wǎng)容量的大幅增長(zhǎng)和負(fù)荷的頻繁變化對(duì)電廠穩(wěn)定燃燒提出了更高要求，我國(guó)主力調(diào)峰燃煤機(jī)組大多釆用直流燃燒器的燃燒方式。為提高機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性，鍋爐燃用煤種普遍與設(shè)計(jì)煤種不符，配風(fēng)方式、煤種特性和磨煤機(jī)的投運(yùn)數(shù)量決定了燃燒器的工作狀況，進(jìn)而影響火焰燃燒情況。若不能保證火焰中心位置的合理分布，則易造成水冷壁結(jié)渣、高溫腐蝕、超溫爆管等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至觸發(fā)鍋爐MFT 動(dòng)作，引發(fā)熄火停爐等事故，對(duì)電網(wǎng)造成巨大沖擊。因此，優(yōu)化燃燒器燃燒工況對(duì)提高鍋爐的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重大意義。

本文針對(duì)某300MW 對(duì)沖燃燒鍋爐，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，研究分析了鍋爐存在的問題及原因，并提出了相應(yīng)的改造與優(yōu)化方案。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，改造后鍋爐燃燒穩(wěn)定性顯著改善，燃煤適應(yīng)性有效拓寬。

1 機(jī)組概況及問題

1.1 機(jī)組概況

本研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某300MW 亞臨界鍋、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包鍋爐，采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為煙煤。

爐膛四角布置擺動(dòng)式燃燒器。配有5 臺(tái)ZGM95G-Ⅰ型中速磨煤機(jī)。燃燒器可以上下擺動(dòng)，四角共裝設(shè)十五層噴嘴、五層煤粉燃燒器、七層二次風(fēng)、三層燃燼風(fēng)。每層煤粉燃燒器周圍配有周界風(fēng)，在七層二次風(fēng)之中配有三層輕油燃燒器。除三層燃燼風(fēng)噴嘴由手動(dòng)驅(qū)動(dòng)作水平±12°擺動(dòng)外，其余由擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)作整體上下擺動(dòng)，一次風(fēng)噴嘴可作上下各20°的擺動(dòng)，二次風(fēng)噴嘴可作上下各30°的擺動(dòng)，以此來改變?nèi)紵行膮^(qū)的位置，調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)各輻射受熱面的吸熱量。噴口擺動(dòng)由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，燃燒器部分設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)研究對(duì)象運(yùn)行平均飛灰含碳、爐渣含碳進(jìn)行持續(xù)統(tǒng)計(jì)可得，其2 月份最佳工況下平均飛灰含碳8.21%、爐渣含碳11.08%。

1.2 存在問題及原因

鍋爐飛灰含碳量、大渣含碳量高，灰渣比失調(diào)，鍋爐熱效率降低。鍋爐燃用煤種偏離設(shè)計(jì)值，來源不穩(wěn)定，多為礦煤，并摻燒部分無煙煤，煤粉氣流早期著火能力不強(qiáng)。煤粉細(xì)度變大，每臺(tái)磨煤機(jī)出來的煤粉氣流都是混煤氣流，不同種類燃料存在“搶風(fēng)”現(xiàn)象，對(duì)無煙煤、劣質(zhì)貧煤燃燒燃盡不利，相應(yīng)的著火燃燒和燃盡所需要的時(shí)間加長(zhǎng)。而燃煤熱值的降低迫使更多的燃煤參與燃燒，導(dǎo)致煙氣量增大，燃煤顆粒在爐膛的停留時(shí)間變短，燃燒不充分。

燃燒器區(qū)域水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重。從實(shí)際數(shù)據(jù)來看，燃煤硫含量均大于1%，最高達(dá)3%。在低氮燃燒模式下，爐膛燃燒器區(qū)域整體呈現(xiàn)為還原性氣氛，加劇了還原反應(yīng)。低氮改造后爐膛內(nèi)燃燒動(dòng)力場(chǎng)發(fā)生變化，一次風(fēng)氣流與二次風(fēng)氣流旋向相反，導(dǎo)致爐膛內(nèi)氣流紊亂，局部水冷壁缺氧嚴(yán)重，產(chǎn)生高溫腐蝕。

鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒困難，機(jī)組深度調(diào)峰負(fù)荷僅能達(dá)到45%135MW。摻燒了無煙煤以及劣質(zhì)貧煤，原燃燒器針對(duì)煙煤燃料設(shè)計(jì)，低負(fù)荷穩(wěn)燃能力一般，且磨煤機(jī)為中速磨，煤粉細(xì)度為R90，較粗的顆粒表面無法與氧氣充分接觸，也不利于燃燒。

后屏再熱器局部測(cè)點(diǎn)溫度接近報(bào)警值，鍋爐減溫水使用量大。低氮改造后爐膛出口氣流紊亂，局部煙溫偏差大，且摻燒貧煤、無煙煤后，存在搶風(fēng)問題，存在一定程度的燃燒滯后現(xiàn)象，爐膛出口煙溫偏高，從而導(dǎo)致后屏再熱器局部壁溫偏高，減溫水量大。

2 燃燒器改造

2.1 改造思路

針對(duì)實(shí)際燃用煤質(zhì)摻燒無煙煤，煤粉細(xì)度變大、粉管風(fēng)速變大的情況，在重新設(shè)計(jì)一次風(fēng)燃燒器時(shí)，應(yīng)設(shè)置高濃縮比的百葉窗水平濃淡濃縮裝置以提高煤粉濃度；增強(qiáng)回流鈍體卷吸高溫?zé)煔鈦硖岣呙悍蹨囟?；從適當(dāng)擴(kuò)大燃燒器噴口面積、降低煤粉射流速度等方面著手，實(shí)現(xiàn)提前著火，加強(qiáng)煤粉燃燒的燃盡和穩(wěn)定性，從而在保證NOx排放的同時(shí)降低飛灰含碳、提高燃燒器低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。

針對(duì)目前主燃燒區(qū)高溫腐蝕嚴(yán)重的情況，取消一次風(fēng)燃燒器濃側(cè)反切設(shè)計(jì)，將一次風(fēng)射流方向改為與二次風(fēng)氣流一致；重新設(shè)計(jì)主燃燒區(qū)域二次風(fēng)噴口，適當(dāng)縮小二次風(fēng)噴口面積，同時(shí)減少二次風(fēng)噴口的無組織漏風(fēng)；對(duì)周界風(fēng)風(fēng)門進(jìn)行改造，減小周界風(fēng)風(fēng)門擋板進(jìn)風(fēng)面積，提高周界風(fēng)風(fēng)門的調(diào)節(jié)特性，減少煤粉風(fēng)室的漏風(fēng)。通過上述措施，可以加強(qiáng)爐內(nèi)切圓組織，實(shí)現(xiàn)“風(fēng)包粉”，有效緩解高溫腐蝕的同時(shí)對(duì)煤粉的燃盡和穩(wěn)燃有促進(jìn)作用。

針對(duì)目前存在的后屏再熱器局部壁溫偏高的情況，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)一次風(fēng)燃燒的著火和燃盡，將SOFA 燃燒器氣流由對(duì)沖燃燒方式更改為切園燃燒方式，原來氣流發(fā)散的SOFA 噴嘴更改為氣流剛性更好的SOFA 噴嘴，4 個(gè)SOFA 整體擺動(dòng)的方式更改為單個(gè)SOFA 單獨(dú)手動(dòng)擺動(dòng)的方式。如此，可以降低爐膛火焰中心和爐膛出口煙溫偏差，增加運(yùn)行過程中的調(diào)整手段，有效控制后屏再熱器局部壁溫偏高的情況。

2.2 改造方案

維持SOFA 風(fēng)四層布置方式+標(biāo)高不變，SOFA 燃燒器氣流由對(duì)沖燃燒方式更改為四角切圓燃燒方式。為方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員操作，將4 個(gè)SOFA 整體擺動(dòng)的方式更改為單個(gè)SOFA 單獨(dú)手動(dòng)擺動(dòng)的方式。一次風(fēng)射流方向改為與二次風(fēng)氣流一致，可加強(qiáng)切圓混合燃燒強(qiáng)度，同時(shí)減弱燃燒氣流紊亂現(xiàn)象，提高鍋爐效率以及改善后屏再熱器局部壁溫偏高問題。低氮燃燒改造后，主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)量已不足，一次風(fēng)氣流與二次風(fēng)氣流相反，會(huì)使主燃燒器氣流旋轉(zhuǎn)減弱，違背了四角切圓燃燒的基本原理。改造后SOFA燃燒器切圓布置圖見圖1。

圖1 改造后SOFA燃燒器切園布置圖

將原來氣流發(fā)散的SOFA 噴嘴更改為氣流剛性更好的SOFA 噴嘴，改造前后對(duì)比圖見圖2。

圖2 SOFA噴嘴修改先后對(duì)比圖

一次風(fēng)燃燒器采用高濃縮比的百葉窗水平濃淡濃縮裝置，一次風(fēng)噴口采用預(yù)熱強(qiáng)回流燃燒器，可提前預(yù)熱煤粉，提高燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，從而滿足鍋爐深度調(diào)峰的要求，也可降低飛灰和大渣含碳量，有利于提高鍋爐效率，詳見圖3。

圖3 一次風(fēng)燃燒器立面圖

磨煤機(jī)改造后，磨煤機(jī)通風(fēng)量增加，需調(diào)整二次風(fēng)噴嘴面積，采用擺動(dòng)少漏風(fēng)噴嘴設(shè)計(jì)，減少燃燒器漏風(fēng)，提高二次風(fēng)箱風(fēng)壓，提高燃燒器二次風(fēng)氣流剛性，滿足二次風(fēng)總量少工況下低氮燃燒模式。

對(duì)所有主燃燒器和SOFA 燃燒器的風(fēng)門進(jìn)行檢查維修，減少漏風(fēng)，確保風(fēng)門的位置與標(biāo)牌指示位置與DCS 顯示的位置一致。改造周界風(fēng)風(fēng)門，減小擋板進(jìn)風(fēng)面積，提高調(diào)節(jié)特性，減少煤粉風(fēng)室漏風(fēng)，詳見圖4。

圖4 煤粉周界風(fēng)風(fēng)室風(fēng)門改造示意圖

3 治理效果

改造后在負(fù)荷分別為180MW、220MW 和270MW 工況下測(cè)試鍋爐熱效率，其中，燃煤低位發(fā)熱量均為17985kJ/kg，化學(xué)未完全燃燒損失均為0。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 鍋爐部分參數(shù)測(cè)試結(jié)果

結(jié)果表明，改造后的三種典型工況飛灰含碳量降幅均在1%以上，大渣含碳量降低超過3.5%，折算后排煙溫度降低10℃，修正后鍋爐熱效率分別為87.88%、87.68%、87.88%，脫硝入口NOx（干標(biāo)6%O2）實(shí)測(cè)平均值分別為397.50mg/m3、391.80mg/m3、391.70 mg/m3。

為檢驗(yàn)燃燒器區(qū)域水冷壁高溫腐蝕治理效果，于2022 年檢修期、2023 年檢修期對(duì)高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)進(jìn)行了厚度測(cè)量，各區(qū)域測(cè)厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3和表4所示。

表3 高溫腐蝕區(qū)2021-2022年壁厚減薄量

由表3、表4 實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，燃燒器改造后最大月均厚度減薄量由0.2117mm 減少至0.0408mm，且水冷壁左右墻的月均減薄量之比由1.049 降低至1.038，減薄速率更加接近，火焰中心位置得到有效調(diào)整。

4 結(jié)論

受煤炭市場(chǎng)影響，我國(guó)調(diào)峰燃煤機(jī)組實(shí)際燃用煤種普遍與設(shè)計(jì)煤種不符。本文采取采百葉窗水平濃淡濃縮裝置、改變?nèi)紵绞?、調(diào)整二次風(fēng)噴嘴面積、改進(jìn)SOFA 噴嘴、減少漏風(fēng)等措施，對(duì)機(jī)組燃燒器進(jìn)行綜合優(yōu)化。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，鍋爐熱效率明顯提升，低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，飛灰含碳量、脫硝入口NOx實(shí)測(cè)平均值有效降低。大幅降低水冷壁高溫腐蝕區(qū)腐蝕速率，減少受熱面爆管、換管次數(shù)，進(jìn)一步提升機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)拓展燃煤適用種類具有重大借鑒意義。