1 000 MW 超超臨界二次再熱塔式鍋爐運(yùn)行優(yōu)化研究

王俊洋，鞏時(shí)尚，王 飛，李韓亮

( 中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710032 )

0 引言

隨著在高溫材料方面的研究與應(yīng)用逐步成熟，清潔高效的燃煤發(fā)電方式已成為我國火力發(fā)電發(fā)展的主要方向。集清潔、高效、環(huán)保于一體的二次再熱燃煤發(fā)電技術(shù)，其發(fā)電效率較傳統(tǒng)一次再熱機(jī)組提高2%～3%，已成為我國燃煤機(jī)組建設(shè)的更優(yōu)選擇。二次再熱機(jī)組是在傳統(tǒng)過熱、再熱蒸汽系統(tǒng)外，增加了一級再熱系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，各級受熱面的熱量分配及汽溫調(diào)節(jié)更加困難[1]。由于我國超超臨界二次再熱技術(shù)起步較晚，缺乏設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，部分二次再熱機(jī)組塔式鍋爐投產(chǎn)后出現(xiàn)了蒸汽溫度偏低、飛灰含碳量高等問題，未能真正體現(xiàn)二次再熱的節(jié)能減排效果[2]，因此分析二次再熱機(jī)組塔式鍋爐蒸汽溫度偏低原因并探究解決方法，對提高二次再熱機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

本文以某1 000 MW 超超臨界二次再熱塔式鍋爐為研究對象，針對其主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度偏低等問題開展了試驗(yàn)研究，為同類型二次再熱塔式鍋爐的設(shè)計(jì)、調(diào)整提供技術(shù)參考。

1 鍋爐概況

廣西某1 000 MW 超超臨界二次再熱塔式鍋爐為國產(chǎn)變壓直流爐，單爐膛、二次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐配6 臺磨煤機(jī)，從下往上依次為A →F 磨煤機(jī)，在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR) 工況下，5 臺運(yùn)行，1 臺備用。設(shè)計(jì)燃用神華混煤，爐后尾部煙道出口有一臺選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)反應(yīng)裝置，SCR 下方布置兩臺四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。鍋爐采用雙層等離子點(diǎn)火方式，主要性能參數(shù)見表1 所列，煤質(zhì)分析見表2 所列。

表1 鍋爐主要性能參數(shù)

表2 鍋爐煤質(zhì)分析

2 運(yùn)行現(xiàn)狀及分析

對該塔式鍋爐在50%和75%額定負(fù)荷進(jìn)行摸底試驗(yàn)，結(jié)果見表3 所列。由表3 可知，鍋爐在中高負(fù)荷段NOx排放量小于250 mg/Nm3，優(yōu)于設(shè)計(jì)值，但在75%額定負(fù)荷時(shí)主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度均低于設(shè)計(jì)值，在50%額定負(fù)荷時(shí)與設(shè)計(jì)值差距更大，同時(shí)機(jī)組飛灰含碳量均大于2%，煤粉燃盡性較差。針對上述問題，本研究通過單一變量法進(jìn)行試驗(yàn)分析，對該鍋爐優(yōu)化調(diào)整。

表3 機(jī)組優(yōu)化調(diào)整前主要參數(shù)

3 運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整及效果分析

3.1 燃燒器熱負(fù)荷均勻性

該鍋爐為四角切圓燃燒方式，每臺磨煤機(jī)提供2 層燃燒器所需的煤粉。磨煤機(jī)出口的4 根煤粉管道在燃燒器前通過煤粉均分器，分成8 根煤粉管道，進(jìn)入4 個(gè)角燃燒器的2 層煤粉噴嘴中。上層4 個(gè)煤粉噴嘴為S1 →S4，下層4 個(gè)煤粉噴嘴為X1 →X4。

燃燒器熱負(fù)荷分配不均不僅會造成切圓中心偏斜，煤粉沖刷水冷壁，部分受熱面超溫，左右兩側(cè)工質(zhì)溫度偏差大，同時(shí)也令主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度無法達(dá)到設(shè)計(jì)值，鍋爐飛灰含碳量過高。因此對燃燒器進(jìn)行了一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平試驗(yàn)，見表4 所列，調(diào)整后各粉管偏差明顯減小，為提高蒸汽溫度奠定了基礎(chǔ)。

表4 燃燒器一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平試驗(yàn)結(jié)果

3.2 運(yùn)行O2優(yōu)化調(diào)整

負(fù)荷750 MW，在鍋爐參數(shù)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行了O2優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，具體測量以省煤器出口數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，O2分別選取為3.4%、3.7%和4.0%，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)行O2由3.4%上升到4.0%時(shí)，飛灰含碳量由3.7%降至2.5%，主蒸汽和一、二再熱蒸汽溫度均呈現(xiàn)增加趨勢，并且一、二次再熱蒸汽溫度的上升程度大于主蒸汽溫度。這是由于運(yùn)行O2是由總風(fēng)量控制，在不改變各級空氣比例的前提下，中高負(fù)荷時(shí)適當(dāng)提高總風(fēng)量，能夠增加各區(qū)域的氧濃度，從而使燃燒更完全，飛灰含碳量降低，同時(shí)也提高了煙氣流量，增強(qiáng)了再熱器對流換熱。鍋爐效率隨著運(yùn)行O2的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，這是初始運(yùn)行O2增加時(shí)，鍋爐飛灰含碳量降低，固體可燃物損失降低。但隨著O2過大，使得排煙熱損失增加[3]，而且隨著運(yùn)行O2的增加，燃燒區(qū)氧濃度加大，生成的原始NOx同步增加，不利于環(huán)保參數(shù)控制。

圖1 運(yùn)行O2對蒸汽溫度的影響

圖2 運(yùn)行O2對飛灰含碳量和鍋爐效率的影響

3.3 磨煤機(jī)組合優(yōu)化調(diào)整

磨煤機(jī)組合方式不僅影響燃燒器高寬比和爐內(nèi)切圓大小，而且對原始NOx濃度、鍋爐效率、主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度等參數(shù)都有著決定性作用，合理的磨煤機(jī)組合是保證機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。

本次試驗(yàn)機(jī)組負(fù)荷為750 MW，在其他參數(shù)穩(wěn)定不變的前提下選取兩種磨煤機(jī)組合，具體試驗(yàn)工況為：工況1 為A/B/C/E 磨煤機(jī)組合，工況2 為B/C/D/E 磨煤機(jī)組合；不同磨煤機(jī)組合主要參數(shù)見表5 所列。由表5 可知，采用B/C/D/E 磨煤機(jī)組合時(shí)主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度要高于A/B/C/E 磨煤機(jī)組合，同樣原始NOx生成量要高于A/B/C/E 磨煤機(jī)組合，這是由于采用B/C/D/E 磨煤機(jī)組合時(shí)，整體爐內(nèi)火焰中心較高，鍋爐水冷壁吸熱減少，屏式過熱器輻射熱增加，一、二次再熱器入口煙溫提高，增加了再熱器對流換熱，使得蒸汽溫度提高[4]。但B/C/D/E 磨煤機(jī)組合時(shí)火焰中心較高，還原區(qū)距離縮短，令原始NOx生成量增加，不利于環(huán)保。

表5 不同磨煤機(jī)組合機(jī)組主要參數(shù)

3.4 燃盡風(fēng)優(yōu)化調(diào)整

燃盡風(fēng)的主要作用是調(diào)節(jié)火焰中心，控制爐內(nèi)各受熱面吸熱比例，進(jìn)而調(diào)節(jié)蒸汽溫度，同時(shí)燃盡風(fēng)還能調(diào)節(jié)爐內(nèi)氧量場分布，控制NOx生成。該二次再熱機(jī)組在主燃燒器上方布置8 層燃盡風(fēng)，每4 層為一組，下組從下至上依次命名為LL1 →LL4，上組從下至上依次命名為：UU1 →UU4。燃盡風(fēng)射流角度與主燃燒器一致，同時(shí)為了減弱爐膛內(nèi)煙氣氣流的殘余旋轉(zhuǎn)，燃盡風(fēng)還可水平擺動±25°。

機(jī)組其他參數(shù)保持不變，750 MW 負(fù)荷下進(jìn)行燃盡風(fēng)優(yōu)化調(diào)整，在燃盡風(fēng)進(jìn)風(fēng)量不變的基礎(chǔ)上通過開度變化投入不同高度的燃盡風(fēng)，試驗(yàn)結(jié)果見表6 所列。由表6 可知，燃盡風(fēng)投入層數(shù)逐漸由下層轉(zhuǎn)入上層時(shí)主蒸汽溫度、一次再熱蒸汽溫度、二次再熱蒸汽溫度分別增加5.7 ℃、3.3 ℃和3.4 ℃，脫硝入口NOx下降24 mg/Nm3，排煙溫度和飛灰含碳量略微升高，這是由于燃盡風(fēng)進(jìn)入爐內(nèi)的位置提高，爐內(nèi)火焰中心上移，整體火焰拉長，水冷壁吸熱減少，靠近過熱器側(cè)煙氣溫度增加，過熱器輻射熱吸熱增多，使得主蒸汽溫度增加[5]，由于煙氣流量未發(fā)生變化，再熱蒸汽溫度增加幅度小于主蒸汽溫度。同時(shí)燃盡風(fēng)轉(zhuǎn)入上層后，燃燒高溫區(qū)域氧量減少，使得燃燒生成的NOx減少，飛灰含碳量略有上升。

表6 不同燃盡風(fēng)投入位置時(shí)機(jī)組主要參數(shù)

3.5 煙氣擋板優(yōu)化調(diào)整

在鍋爐出口處設(shè)計(jì)煙氣擋板，通過平衡一、二次再熱器煙氣流量，從而調(diào)整一、二次再熱蒸汽溫度，煙氣擋板調(diào)整主要適用于以下情況：①一次再熱蒸汽溫度偏高，且一次再熱減溫水投入量大，二次再熱蒸汽溫度未達(dá)到額定值且二次再熱減溫水未投入；②二次再熱蒸汽溫度偏高，且二次再熱減溫水投入量大，一次再熱減溫水未投入且一次再熱蒸汽溫度未達(dá)到額定值。

機(jī)組其他參數(shù)保持不變，750 MW 負(fù)荷下分析煙氣擋板對一、二次再熱蒸汽溫度及鍋爐效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表7 所列。

表7 不同煙氣擋板開度下機(jī)組主要參數(shù)

工況1 為調(diào)整前工況：一、二次再熱煙氣擋板均處于全開狀態(tài)，一次再熱蒸汽溫度較高且減溫水投入量大，而二次再熱蒸汽溫度低，適用于情況①，此時(shí)一次再熱器側(cè)煙氣流量偏大。調(diào)整后工況2 如下：關(guān)小一次再熱煙氣擋板，提高二次再熱側(cè)煙氣流量，增加二次再熱器對流換熱，提高二次再熱蒸汽溫度，同時(shí)一次再熱減溫水在自動狀態(tài)下逐漸關(guān)小，一次再熱減溫水流量減少，有利于提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。依據(jù)此方法，將一次再熱煙氣擋板關(guān)至少50%開度后為工況3，相比原始工況(工況1)，主蒸汽和一次再熱蒸汽溫度基本穩(wěn)定，二次再熱蒸汽溫度提高6.2 ℃，同時(shí)一次再熱減溫水流量減少29.5 t/h，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高，建議機(jī)組運(yùn)行時(shí)通過煙氣擋板平衡一次、二次再熱器煙氣流量，從而調(diào)整一、二次再熱蒸汽溫度。

3.6 煙氣再循環(huán)率優(yōu)化調(diào)整

該機(jī)組配備有煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，如圖3 所示，該技術(shù)是將鍋爐尾部低溫?zé)煔馔ㄟ^再循環(huán)風(fēng)機(jī)重新送回爐膛，爐煙噴口設(shè)置在爐膛燃燒器區(qū)域下方、兩側(cè)冷灰斗水冷壁進(jìn)入。煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的引入降低了火焰溫度，增加了煙氣流量，能夠削弱爐膛內(nèi)的輻射換熱，強(qiáng)化再熱器對流吸熱，實(shí)現(xiàn)主蒸汽和一、二次再熱蒸汽吸熱量的調(diào)整。

圖3 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)示意圖

機(jī)組其他參數(shù)保持不變，750 MW 負(fù)荷下進(jìn)行煙氣再循環(huán)率優(yōu)化調(diào)整，煙氣再循環(huán)率分別選取4%、6%、8%、10%四個(gè)工況，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示。由圖可知主蒸汽、一、二次再熱蒸汽溫度隨著煙氣再循環(huán)率的增加均呈上升趨勢，一、二次再熱蒸汽溫度受煙氣再循環(huán)影響較大，主蒸汽溫度受煙氣再循環(huán)影響較小，這是由于主蒸汽同時(shí)受到輻射和對流換熱影響，當(dāng)煙氣再循環(huán)量增加時(shí)，爐膛溫度下降，輔熱吸熱減少，而爐膛火焰中心上移，同時(shí)煙氣流量增大，對流吸熱增加，所以主蒸汽溫度呈略微升高，一、二次再熱蒸汽溫度增加幅度較大[6]。而且隨著煙氣再循環(huán)率的增加，由于蒸汽溫度均提升，鍋爐效率隨之增加，飛灰含碳量整體呈下降趨勢。

圖4 煙氣再循環(huán)率對蒸汽溫度的影響

圖5 煙氣再循環(huán)率對飛灰含碳量和鍋爐效率的影響

圖6 煤粉細(xì)度對蒸汽溫度的影響

圖7 煤粉細(xì)度對飛灰含碳量和鍋爐效率的影響

同時(shí)隨著煙氣再循環(huán)量的增加，主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度變化率減少，其受煙氣再循環(huán)影響減弱，這是由于隨著煙氣再循環(huán)量增加，爐膛溫度降低，煙氣和蒸汽間的溫差減小，從而使得對流換熱減弱，一、二次再熱器吸熱量減少[7]。另外，由于低負(fù)荷時(shí)煙氣再循環(huán)量過大將影響下層火焰穩(wěn)定性，因此低負(fù)荷進(jìn)行煙氣再循環(huán)率調(diào)整時(shí)應(yīng)關(guān)注火檢強(qiáng)度和火焰穩(wěn)定性。

3.7 煤粉細(xì)度優(yōu)化調(diào)整

機(jī)組其他參數(shù)保持不變，750 MW 負(fù)荷下進(jìn)行煤粉細(xì)度優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，煤粉細(xì)度R90分別為21.6%、18.4%和15.7%。試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7 所示。當(dāng)煤粉細(xì)度由21.6%提高至15.7%時(shí)，鍋爐主蒸汽溫度提高5.0 ℃，一次再熱蒸汽溫度提高5.9 ℃，二次再熱蒸汽溫度提高4.9 ℃。這是由于煤粉越細(xì)，著火時(shí)間越提前，并且隨著煤粉細(xì)度增加，煤粉顆粒比表面積增大，有利于煤粉燃盡，從而使得飛灰含碳量降低，鍋爐效率提高。同時(shí)煤粉細(xì)度的調(diào)整主要靠磨煤機(jī)加載力和分離器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，分離器轉(zhuǎn)速越高，煤粉越細(xì)，煤粉均勻性更高，從而使得水冷壁吸熱更加均勻，有利于提高蒸汽溫度[8,9]。但煤粉細(xì)度越細(xì)，磨煤機(jī)電耗增加，同時(shí)生成NOx含量增加，綜合考慮，建議煤粉細(xì)度R90控制在18%左右。

3.8 吹灰優(yōu)化調(diào)整

鍋爐運(yùn)行時(shí)受負(fù)荷和煤質(zhì)影響，各受熱面積灰輕重程度不同，合理有序的吹灰方式不僅有利于清除受熱面積灰，增加受熱面吸熱，提高主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度，而且能夠減少沾污腐蝕，提高機(jī)組運(yùn)行安全性。

機(jī)組其他參數(shù)保持不變，750 MW 負(fù)荷下分別對過熱器和再熱器吹灰，吹灰前后主要參數(shù)見表8 所列。由表可知，過熱器受熱面吹灰后，主蒸汽一級減溫水流量增加42.1 t/h，主蒸汽溫度穩(wěn)定，一、二次再熱蒸汽溫度略微下降，這是由于過熱器受熱面吹灰后過熱器吸熱增加，進(jìn)入再熱器的煙氣溫度下降，一、二次再熱器對流換熱減弱。再熱器受熱面吹灰后，主蒸汽溫度維持穩(wěn)定，一、二次再熱蒸汽溫度分別提高4.4 ℃和4.6 ℃。因此需要提高一次、二次再熱蒸汽溫度，可減少過熱器及水冷壁吹灰，適當(dāng)增加再熱器受熱面吹灰，增加再熱器的吸熱，提高再熱汽溫。

表8 過熱器吹灰前后鍋爐主要參數(shù)

4 結(jié)語

針對某二次再熱塔式鍋爐投運(yùn)后主蒸汽和再熱蒸汽溫度低、煤粉燃盡性差的問題，分析了主要原因，首先進(jìn)行了一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平試驗(yàn)，保證了燃燒器熱負(fù)荷分配的均勻性，在此基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)得出磨煤機(jī)組合和煙氣再循環(huán)是影響主蒸汽、一二再熱蒸汽溫度的主要因素，選用上層磨煤機(jī)組合可提高火焰中心，有利于提高主蒸汽、一二次再熱蒸汽溫度；增加煙氣再循環(huán)量，水冷壁吸熱減少，過熱器、一、二次再熱器受熱面吸熱增加，提高了蒸汽溫度；同時(shí)通過燃盡風(fēng)配風(fēng)調(diào)整、煙氣擋板優(yōu)化調(diào)整、運(yùn)行煤粉細(xì)度和運(yùn)行O2等反復(fù)優(yōu)化調(diào)整，提升了主汽溫和一、二次再熱汽溫，降低了飛灰含碳量。本研究通過各種試驗(yàn)手段總結(jié)摸索經(jīng)驗(yàn)，為超超臨界二次再熱塔式鍋爐的設(shè)計(jì)、調(diào)整優(yōu)化提供了參考。