鍋爐低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度低的原因分析及燃燒器改造

王禮鵬，王磊，秦淇，藍(lán)曉村，姬亞

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

鍋爐低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度低的原因分析及燃燒器改造

王禮鵬，王磊，秦淇，藍(lán)曉村，姬亞

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某350 MW鍋爐低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度低的問(wèn)題，經(jīng)摸底和燃燒調(diào)整試驗(yàn)，確定僅通過(guò)運(yùn)行調(diào)整難以有效緩解該問(wèn)題，需進(jìn)行燃燒器優(yōu)化改造。提出了減弱爐膛吸熱和減小爐膛上部煙氣旋轉(zhuǎn)殘余的燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案，改造后的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)組低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度明顯提高，爐膛燃燒及結(jié)渣情況得到改善，機(jī)組NOx排放質(zhì)量濃度有所降低。改造后的燃燒調(diào)整試驗(yàn)為運(yùn)行人員提供了機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整指導(dǎo)卡片，有效提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

鍋爐；低負(fù)荷；再熱蒸汽溫度；燃燒器；改造

0 引言

電力工業(yè)關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著十分重要的地位，2014年全國(guó)電力生產(chǎn)總量達(dá)56 495.8億kW·h。目前雖然有1 000 MW大型燃煤機(jī)組陸續(xù)投入生產(chǎn)，但國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組容量仍以300 MW和600 MW為主。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，國(guó)內(nèi)300 MW機(jī)組鍋爐燃燒器大部分進(jìn)行了低氮改造，但改造后普遍存在再熱蒸汽溫度低于設(shè)計(jì)值，尤其是低負(fù)荷時(shí)鍋爐再熱蒸汽溫度低的問(wèn)題。再熱蒸汽溫度低不僅影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且會(huì)增加汽輪機(jī)的排汽濕度，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)降低末級(jí)葉片的壽命，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)鍋爐再熱蒸汽溫度低的問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，喬永生等人[1]從運(yùn)行控制和設(shè)備改進(jìn)兩個(gè)方面提出了防治措施；孟建國(guó)等人[2]通過(guò)減少分隔屏過(guò)熱器受熱面、增加省煤器受熱面的方法研究了某600 MW機(jī)組低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度偏低問(wèn)題；王英坤等人[3]提出了將冷段再熱器入口由爐前側(cè)改為爐后側(cè)，強(qiáng)化再熱器換熱，以提高再熱蒸汽溫度；強(qiáng)君剛等人[4]針對(duì)某300 MW鍋爐再熱蒸汽溫度低的問(wèn)題，通過(guò)熱力計(jì)算，提出了敷設(shè)衛(wèi)燃帶的治理方案；吳云輝[5]則系統(tǒng)分析了燃煤鍋爐主、再熱蒸汽溫度偏低的影響因素，針對(duì)某125 MW機(jī)組設(shè)計(jì)資料，通過(guò)各受熱面熱力計(jì)算提出了解決再熱蒸汽溫度低的不同改造方案。雖然相關(guān)的專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)不同電廠出現(xiàn)的再熱蒸汽溫度偏低問(wèn)題，都提出了自己的解決方案[6-16]，但這些都是通過(guò)受熱面面積改造或衛(wèi)燃帶敷設(shè)解決再熱蒸汽溫度偏低問(wèn)題，通過(guò)燃燒器改造改善低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度偏低的試驗(yàn)研究并不多見(jiàn)。

國(guó)內(nèi)某350 MW亞臨界壓力自然循環(huán)汽包鍋爐低氮燃燒器改造后一直存在低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度低的問(wèn)題，本文針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)熱力計(jì)算及燃燒器配風(fēng)改造，研究提高低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度的方法，并結(jié)合燃燒調(diào)整試驗(yàn)進(jìn)行改造效果驗(yàn)證。

1 設(shè)備概況

國(guó)內(nèi)某電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HG-1172/17.2-PM2型亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，配有5臺(tái)HP863型碗式中速磨煤機(jī)，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)。該鍋爐的爐膛斷面近似正方形(寬14 048 mm、深14 019 mm)，爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域的水冷壁采用內(nèi)螺紋管的膜式水冷壁，爐膛上部布置有墻式再熱器、分隔屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器；水平煙道中布置有屏式再熱器、末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器和立式低溫過(guò)熱器；后煙道豎井布置有水平低溫過(guò)熱器和膜式省煤器，煙道豎井下部布置有2臺(tái)空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空預(yù)器)。過(guò)熱器采用兩級(jí)噴水減溫：一級(jí)在分隔屏過(guò)熱器入口作為粗調(diào)，保護(hù)分隔屏過(guò)熱器不超溫；二級(jí)在后屏過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器之間作為細(xì)調(diào)，保證主蒸汽溫度。再熱器設(shè)計(jì)為通過(guò)改變?nèi)紵鲊娍趦A角來(lái)調(diào)節(jié)汽溫，異常時(shí)利用再熱器入口的事故噴水進(jìn)行減溫。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1(表中：BMCR工況為鍋爐最大連續(xù)出力工況；ECR工況為鍋爐經(jīng)濟(jì)出力工況)。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該鍋爐爐膛四角布置了4組擺動(dòng)式燃燒器，每組有8個(gè)噴嘴，其中5個(gè)煤粉噴嘴、3個(gè)油槍噴嘴。共11層二次風(fēng)噴口，其中布置有2層上燃盡風(fēng)和1層下燃盡風(fēng)。煤粉噴嘴內(nèi)部布置有百葉窗式分離器，利于向火側(cè)的著火與穩(wěn)燃，防止背火側(cè)區(qū)域的結(jié)焦；同時(shí)，噴口周?chē)加兄芙顼L(fēng)，以冷卻煤粉噴嘴。2012年進(jìn)行了低NOx燃燒改造,主要改造內(nèi)容為：在主燃燒器上方增加2層分離燃盡風(fēng)(SOFA)燃燒器；主燃燒器各層(5層)一次風(fēng)、二次風(fēng)標(biāo)高及數(shù)量均不變，緊湊燃盡風(fēng)(CCOFA)二次風(fēng)由原來(lái)的3層改為2層，最上層EE4風(fēng)密封；爐膛減少部分衛(wèi)燃帶，避免結(jié)焦；一次風(fēng)室采用水平濃淡燃燒器并配有周界二次風(fēng)；B層燃燒器為帶小油槍的燃燒器，沒(méi)有百葉窗濃淡分離裝置；一次風(fēng)周界風(fēng)小風(fēng)門(mén)遮蓋部分面積，增加風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)特性。

2 原因分析

通過(guò)改造前的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，確定該鍋爐低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度低的原因主要如下。

(1)爐內(nèi)熱偏差無(wú)法消除。燃燒調(diào)整過(guò)程中由于爐內(nèi)熱偏差較大，在提高火焰中心高度、提高爐膛出口煙溫時(shí)，分隔屏過(guò)熱器及高溫再熱器出口壁溫容易超限，分隔屏過(guò)熱器壁溫易超限點(diǎn)主要靠左側(cè)及中部，而高溫再熱器壁溫易超限點(diǎn)在中間偏右側(cè)位置。試驗(yàn)中采用增大SOFA反切角度的方法加強(qiáng)反切風(fēng)動(dòng)量矩，但不能消除高溫再熱器出口汽溫、壁溫偏差；也曾采用增大反切風(fēng)開(kāi)度的方法提高反切風(fēng)動(dòng)量矩，下兩層反切SOFA開(kāi)度增大到50%，同樣無(wú)法消除壁溫偏差，進(jìn)一步增大下2層SOFA開(kāi)度時(shí)，爐膛風(fēng)箱壓差降至0.35 kPa以下，易引起燃燒不穩(wěn)；采取增、減某一角主燃區(qū)風(fēng)量的措施同樣無(wú)法消除壁溫偏差。

(2)水冷壁吸熱量偏大，爐膛出口煙溫偏低。低氮燃燒器改造后，過(guò)熱器減溫水量及各段煙溫明顯降低，表明對(duì)流吸熱份額減小。改造后雖然主燃區(qū)放熱量減少，但主燃區(qū)二次風(fēng)量減少，所以主燃區(qū)爐膛溫度變化不大。但是，改造后一方面二次風(fēng)量降低，另一方面二次風(fēng)噴口外壁與二次風(fēng)箱間隙偏大，其間的漏風(fēng)使二次風(fēng)噴口風(fēng)速降低，造成二次風(fēng)動(dòng)量減小，進(jìn)而使二次風(fēng)切圓直徑增大，二次風(fēng)區(qū)域燃燒更靠近水冷壁壁面，使水冷壁吸熱量增加，降低了爐膛出口煙氣溫度，導(dǎo)致再熱蒸汽溫度降低。

3 改造方案

通過(guò)摸底燃燒調(diào)整試驗(yàn)，基本確定了鍋爐低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度低的原因，因受熱面部分壁溫容易超溫，僅通過(guò)運(yùn)行調(diào)整難以有效緩解再熱蒸汽溫度低的問(wèn)題，需進(jìn)行燃燒器優(yōu)化改造，改造的主要方向?yàn)闇p弱爐膛吸熱和減小爐膛上部煙氣旋轉(zhuǎn)殘余，最終確定的優(yōu)化改造方案如下。

(1)對(duì)燃燒器上部EE2，EE3二次風(fēng)進(jìn)行可調(diào)水平擺角改造。拆除原EE2，EE3層共8只二次風(fēng)噴口，更換為新加工件，同時(shí)為其增設(shè)手動(dòng)的水平切角擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(原來(lái)的垂直擺動(dòng)機(jī)構(gòu)依舊)，實(shí)現(xiàn)水平方向左、右20°范圍內(nèi)的擺動(dòng)，垂直方向的擺動(dòng)不受影響。實(shí)際運(yùn)行中這2層二次風(fēng)可反切運(yùn)行，削減主燃區(qū)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩，減小爐膛上部的煙氣旋轉(zhuǎn)殘余。

(2)SOFA噴口及主燃區(qū)二次風(fēng)噴口局部封堵。對(duì)各層SOFA噴口及主燃區(qū)二次風(fēng)噴口進(jìn)行局部封堵(除本次已改造的EE2，EE3層及AA1層)，減小二次風(fēng)噴口總面積，提高二次風(fēng)風(fēng)速及動(dòng)量，增強(qiáng)二次風(fēng)后期對(duì)一次風(fēng)的卷吸控制能力，以達(dá)到提高運(yùn)行穩(wěn)定性、減輕或消除結(jié)渣、降低爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差及降低飛灰可燃物的目的。封堵方法為在噴口左、右側(cè)筋板上焊接銷(xiāo)釘，并布置耐火澆注料。

改造前、后燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，燃燒器改造情況如圖1所示。

4 改造效果

改造前進(jìn)行了A，B，C和C，D，E兩種磨煤機(jī)運(yùn)行方式的原始工況摸底試驗(yàn)及C，D，E磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，改造后同樣是先進(jìn)行摸底試驗(yàn)，再進(jìn)行A，B，C和C，D，E兩種磨煤機(jī)運(yùn)行方式的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，各試驗(yàn)工況參數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表2 燃燒器改造前、后設(shè)計(jì)參數(shù)

由表3可以看出：改造后低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度比改造前原始工況分別提高了27 ℃(C，D，E磨煤機(jī)運(yùn)行)、36 ℃(A，B，C磨煤機(jī)運(yùn)行)，比改造前優(yōu)化工況平均提高了19 ℃(C，D，E磨煤機(jī)運(yùn)行)；改造后各工況選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置入口NOx質(zhì)量濃度比改造前各工況有所降低，末級(jí)再熱器最高壁溫相差不大。通過(guò)觀察和運(yùn)行人員反映，改造后爐膛結(jié)渣情況也有明顯好轉(zhuǎn)。

圖1 燃燒器改造

工況機(jī)組負(fù)荷/MW磨煤機(jī)運(yùn)行方式再熱蒸汽溫度/℃過(guò)熱蒸汽溫度/℃氧量(A/B)/%SCR入口NOx質(zhì)量濃度(A/B，標(biāo)態(tài))/(mg·m-3)末級(jí)再熱器最高壁溫/℃改前原始工況174C，D，E504．0536．03．35/2．75563/607570．0177A，B，C489．0530．03．30/2．60468/528558．0改前燃燒調(diào)整試驗(yàn)工況177C，D，E510．0536．03．60/2．80618/637569．0176C，D，E514．0538．73．60/3．10601/635571．0改后原始工況175C，D，E517．0536．03．07/3．11420/501569．0改后燃燒調(diào)整試驗(yàn)工況177C，D，E531．0538．04．50/4．00480/580573．0177A，B，C525．0538．03．22/3．04448/509561．0

5 結(jié)論

(1)通過(guò)調(diào)整優(yōu)化，改造后低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度比改造前原始工況提高27 ℃(C，D，E磨煤機(jī)運(yùn)行)、36 ℃(A，B，C磨煤機(jī)運(yùn)行)，比改造前優(yōu)化工況平均提高19 ℃(C，D，E磨煤機(jī)運(yùn)行)。

(2)優(yōu)化后低負(fù)荷工況C，D，E磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式下再熱蒸汽溫度能穩(wěn)定在531 ℃左右，與額定溫度540 ℃尚有9 ℃差距，為進(jìn)一步解決該問(wèn)題，建議進(jìn)行衛(wèi)燃帶的核算敷設(shè)。

(3)通過(guò)總結(jié)改造后燃燒調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果，提供了機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)整指導(dǎo)卡片，建議機(jī)組低負(fù)荷時(shí)按照推薦方式運(yùn)行。

(4)改造后優(yōu)化工況SCR脫硝裝置入口煙氣NOx平均質(zhì)量濃度為480～550 mg/m3(標(biāo)態(tài))，低于600 mg/m3(標(biāo)態(tài))，比改造前工況有所降低，而末級(jí)再熱器最高壁溫相差不大，爐膛結(jié)渣情況也有明顯好轉(zhuǎn)。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2016-11-14；

2017-06-06

TM 621.2

B

1674-1951(2017)07-0036-03

王禮鵬(1988—),男，河南鄭州人,助理工程師，工學(xué)碩士，從事燃煤電廠鍋爐的環(huán)保、節(jié)能、高效運(yùn)行研究(E-mail:michealwlp@163.com)。