高海拔地區(qū)660 MW超超臨界機(jī)組性能分析

郝 兵，徐 艷，李玉衡，張東旭，劉家利，屠競毅，方順利

(1.華能新疆輪臺熱電公司，新疆 輪臺 841600;2.國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327;3.青海黃河水電公司西寧發(fā)電分公司，青海 西寧 810000;4.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

海拔高度是影響燃煤火力發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要因素之一[1]。華中科技大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了煤粉在低壓條件下的熱重試驗(yàn)，西安熱工研究院在試驗(yàn)臺上模擬高海拔低氣壓環(huán)境,利用一維火焰爐、煤粉氣流著火爐研究了煤粉在不同海拔高度下的著火和燃盡特性，研究結(jié)果均表明高海拔條件下燃煤的著火和燃盡性能變差[2-4]。

黃海川[5]通過橋頭鋁電420 t/h鍋爐性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)由于受到高海拔地區(qū)大氣壓力降低的影響，鍋爐的各項(xiàng)性能指標(biāo)均不同程度地低于設(shè)計(jì)值或平原地區(qū)的同型鍋爐，尤其是排煙溫度偏高和飛灰含碳量高，而排煙溫度偏高是青海省大容量電站煤粉鍋爐普遍存在的問題[6]。李東鵬等[7]對高海拔地區(qū)煙煤鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行狀況進(jìn)行了全面分析，研究表明目前高海拔地區(qū)的100～300 MW等級容量機(jī)組均不同程度地存在飛灰含碳量高、鍋爐效率低、排煙溫度高、廠用電率偏高等問題，給高海拔地區(qū)火電機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了一定壓力。

劉建華等[8]指出，高海拔條件下，大氣壓力降低,氧氣擴(kuò)散速度隨之降低,炭的燃燒反應(yīng)滯后,煤粉燃盡時(shí)間延長,如果爐膛尺寸修正不合理，將導(dǎo)致排煙溫度升高。為了保證高海拔地區(qū)鍋爐的燃燒穩(wěn)定性和燃燒經(jīng)濟(jì)性，需在平原鍋爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修正。楊昆民等[9]全面分析了高海拔對高水分褐煤燃燒性能的影響，并給出了不同煤種在高海拔條件下的鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)修正原則，而DL/T 831—2015《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》(以下簡稱“爐膛選型導(dǎo)則”)中明確規(guī)定了高海拔地區(qū)鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)的修訂原則[10]。由于近20年來，國內(nèi)火力發(fā)電的迅猛發(fā)展，機(jī)組容量、蒸汽等級參數(shù)等級大大提高，超低排放也將對鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。在2015版爐膛選型導(dǎo)則中，對平原地區(qū)鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行了修訂，但高海拔地區(qū)鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)修訂原則仍沿用2002年版。張洪巖等[11]全面分析了高海拔對鍋爐傳熱及煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間的影響，并提出鍋爐設(shè)計(jì)主要是提高爐膛高度以及增加對流受熱面以保證燃盡和降低排煙溫度。黃必重等[12]進(jìn)行了1 500 m高海拔地區(qū)高灰分煙煤660 MW超臨界鍋爐的設(shè)計(jì)，提出高海拔地區(qū)需考慮增加煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，同時(shí)控制煙氣流速，以免煙氣流速過高增加對流受熱面的磨損。李東鵬等[13]得出了在2 900 m高海拔條件下，660 MW機(jī)組鍋爐的爐膛熱負(fù)荷參數(shù)推薦值，提出高原地區(qū)鍋爐相對于平原鍋爐應(yīng)適宜采用瘦高爐型。

對于高海拔地區(qū)機(jī)組鍋爐的運(yùn)行優(yōu)化，劉榮禮[14]提出應(yīng)提高煤粉細(xì)度(即降低D90)、提高一次風(fēng)溫使燃點(diǎn)提前、制粉系統(tǒng)切換時(shí)投運(yùn)下層燃燒器代替上層燃燒器進(jìn)而延長煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間等措施保證煤粉的穩(wěn)燃和燃盡。

由于現(xiàn)役高海拔機(jī)組容量較小、蒸汽參數(shù)等級較低，不能為大容量高參數(shù)等級的高海拔煤粉鍋爐提供足夠的參考。本文將以國內(nèi)首臺已投運(yùn)的海拔超過2 000 m 的660 MW超超臨界機(jī)組為例，全面分析高海拔地區(qū)大容量高參數(shù)機(jī)組的鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)。

1 機(jī)組簡介

青海黃河水電公司西寧發(fā)電分公司(以下簡稱“西寧火電”)一期工程裝機(jī)2×660 MW燃煤空冷機(jī)組，鍋爐由上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造，為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、Π型緊身封閉布置、干式機(jī)械除渣系統(tǒng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。爐后尾部布置2臺轉(zhuǎn)子φ15 m的三分倉容克式空氣預(yù)熱器。

制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式冷一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，每臺鍋爐配6臺磨煤機(jī)(5臺運(yùn)行，1臺備用)。設(shè)計(jì)煤煤粉細(xì)度D90=19%，煤粉均勻性指數(shù)n=1.1。

鍋爐在燃用設(shè)計(jì)煤種或校核煤種時(shí)，最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷不大于鍋爐的30% BMCR 工 況，鍋爐保證熱效率不低于94%，省煤器出口NOx生成濃度不超過200 mg/Nm3。

1.1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

西寧火電660 MW超超臨界鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 設(shè)計(jì)煤煤質(zhì)參數(shù)

西寧火電660 MW超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)煤和校核煤的基本煤質(zhì)參數(shù)見表2。可見，設(shè)計(jì)煤和校核煤為灰分和揮發(fā)分偏高、熱值偏低且灰熔融溫度較高的煙煤。

為了分析高海拔對設(shè)計(jì)煤燃燒性能的影響，進(jìn)行了設(shè)計(jì)煤在平原和高海拔環(huán)境下的燃燒性能參數(shù)試驗(yàn)，在海拔415和2 445 m，著火溫度IT、一維火焰爐燃盡率Bp、結(jié)渣指數(shù)Sc分別為610和690 ℃、98.81%和98.41%、0.353和0.381。試驗(yàn)時(shí)煤粉細(xì)度D90=20%，煤粉氣流IT及Bp和Sc的測試及評價(jià)方法分別參見《煤粉氣流著火溫度的測定方法》[15]和《煤粉燃燒結(jié)渣特性和燃盡率一維火焰測試方法》[16]。平原地區(qū)燃燒性能測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)煤中等著火、極易燃盡、中等偏低結(jié)渣性能。西寧海拔條件下(對應(yīng)海拔高度為2 445 m)的燃燒性能測試方法參見文獻(xiàn)[14]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他測試條件不變的情況下，由于海拔升高，設(shè)計(jì)煤的IT=690 ℃，較平原地區(qū)升高80 ℃，升高幅度較大，著火性能變差;一維火焰爐燃盡率Bp=98.41%，較平原地區(qū)下降0.4%，降幅較小，仍屬于極易燃盡性能等級;結(jié)渣指數(shù)Sc =0.381，與平原地區(qū)接近。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of boiler

表2 設(shè)計(jì)及性能測試用煤的基本煤質(zhì)參數(shù)Table 2 Properties of coal for design and performance testing

1.3 鍋爐爐膛設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在高海拔條件下，由于煤粉氣流著火溫度升高、著火推遲、燃盡率變差、空氣和煙氣體積流量增大，高海拔地區(qū)鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)需進(jìn)行適當(dāng)修正。鍋爐廠根據(jù)設(shè)計(jì)煤在平原地區(qū)及高海拔地區(qū)的燃燒性能指標(biāo)進(jìn)行了爐膛幾何尺寸的設(shè)計(jì)，爐膛寬度19.824 m，爐膛深度18.816 m，最上排燃燒器噴口中心距分隔屏底部距離為23.484 m，最下排燃燒器噴口中心至冷灰斗轉(zhuǎn)角距離為5.206 m。在主燃燒器和爐膛出口之間，標(biāo)高43.418 m和48.608 m處分別設(shè)置一組低位燃盡風(fēng)(BAGP)和一組高位燃盡風(fēng)(UAGP)噴嘴，最終對應(yīng)的爐膛熱負(fù)荷參數(shù)設(shè)計(jì)值見表3。

電廠正式投產(chǎn)后，進(jìn)行了機(jī)組的性能測試，測試用煤為青海當(dāng)?shù)佤~卡煤，其煤質(zhì)參數(shù)見表2。與設(shè)計(jì)煤相比，其主要特點(diǎn)是灰分降低、發(fā)熱量升高，其他參數(shù)變化不大。為了準(zhǔn)確反映鍋爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)，根據(jù)電廠性能測試用煤的煤質(zhì)參數(shù)、實(shí)際燃煤量及爐膛幾何尺寸計(jì)算得出實(shí)際的鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)。

1.4 燃燒器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

主風(fēng)箱設(shè)有6層24只快速著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)(周界風(fēng))。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上下2只預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴和1只直吹風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層上端部風(fēng)(FFⅠ、FFⅡ?qū)语L(fēng))噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層下端部風(fēng)(AA層風(fēng))噴嘴。

燃燒器布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。對于切圓燃燒方式鍋爐，切圓大小對燃燒穩(wěn)定性和燃燒器區(qū)結(jié)渣有明顯影響。對于難燃煤種及易結(jié)渣煤種，為了燃燒穩(wěn)定及緩解燃燒器區(qū)結(jié)渣，需采用較小一次風(fēng)切圓直徑。考慮在高海拔條件下燃煤的燃燒性能較平原地區(qū)差，上海鍋爐廠采用對沖同心正反切圓燃燒系統(tǒng)，即所有的一次風(fēng)/煤粉噴嘴指向爐膛中心，假想切圓直徑為0;二次風(fēng)中的所有偏置輔助風(fēng)采用一個(gè)順時(shí)針的偏角，這些偏置輔助風(fēng)為啟旋二次風(fēng);部分二次風(fēng)(BC、DE、FFⅠ、FFⅡ)和低位燃盡風(fēng)(BAGP)和高位燃盡風(fēng)(UAGP)可以水平擺動(dòng)。一次風(fēng)對沖、二次風(fēng)起旋-消旋系統(tǒng)，起到穩(wěn)燃作用同時(shí)還可減少煤粉氣流偏轉(zhuǎn)貼墻降低結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。

2 實(shí)際運(yùn)行情況

2.1 實(shí)際鍋爐熱負(fù)荷參數(shù)

根據(jù)電廠實(shí)際測試結(jié)果，反推出了西寧火電660 MW機(jī)組鍋爐的實(shí)際熱負(fù)荷參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臏y試值為75.2 kPa，對應(yīng)海拔高度2 445 m。由表2、3可以看出:① 實(shí)際燃用灰分較低、熱值更高的優(yōu)質(zhì)煙煤。② 設(shè)計(jì)燃煤輸入熱值為5 696 GJ/h帶660 MW負(fù)荷，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明燃煤輸入熱值需達(dá)到6 142 GJ/h才能帶滿負(fù)荷。③ 鍋爐設(shè)計(jì)爐膛容積熱負(fù)荷、截面熱負(fù)荷、燃燒器區(qū)壁面熱負(fù)荷分別為69.81 kW/m3、4.242 MW/m2和1.544 MW/m2，而實(shí)際運(yùn)行結(jié)果反推出的分別為75.27 kW/m3、4.574 MW/m2和1.655 MW/m2?？梢姡捎谌济狠斎霟崃吭黾虞^多，實(shí)際鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)較原設(shè)計(jì)高出較多。④ 設(shè)計(jì)煙氣在爐內(nèi)的上升速度和停留時(shí)間分別為10.29 m/s和2.15 s，實(shí)際運(yùn)行中分別為11.34 m/s和2.07 s。

試驗(yàn)結(jié)果表明，與原設(shè)計(jì)相比，高海拔地區(qū)鍋爐在較高的熱負(fù)荷參數(shù)和煤粉在爐內(nèi)較少的停留時(shí)間下仍可獲得良好的燃燒性能，也為高海拔地區(qū)鍋爐爐膛熱負(fù)荷參數(shù)的優(yōu)選提供了依據(jù)。這與電廠實(shí)際用煤的燃燒性能密切相關(guān)，西寧火電實(shí)際燃用煤種燃燒性能優(yōu)良，燃盡性能受海拔高度影響較小。

因此，高海拔地區(qū)鍋爐優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方向是:燃燒器設(shè)計(jì)需采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)燃措施，對于四角切圓燃燒方式可選擇帶偏置周界風(fēng)的水平濃淡燃燒器，一次風(fēng)采用較小的切圓直徑;對于墻式對沖燃燒方式，則可通過調(diào)整燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)的比例和旋流強(qiáng)度以保證燃燒穩(wěn)定。在熱負(fù)荷參數(shù)選取方面，應(yīng)根據(jù)海拔對煤種燃燒性能的影響，在保證爐內(nèi)煙氣流速的情況下，盡量提高燃燒器區(qū)壁面熱負(fù)荷和爐膛截面熱負(fù)荷，增大最上層燃燒器中心到屏底的距離，采用較小的爐膛容積熱負(fù)荷，保證煤粉在爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，進(jìn)而確保高海拔地區(qū)鍋爐的穩(wěn)燃和燃盡。

2.2 鍋爐效率

西寧火電660 MW機(jī)組在100%、75%及50%額定負(fù)荷下的鍋爐效率測試結(jié)果和試驗(yàn)用煤(魚卡煤)的煤質(zhì)參數(shù)見表4、5。試驗(yàn)期間，機(jī)組總體運(yùn)行正常，鍋爐各段受熱面金屬壁溫沒有出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，汽水參數(shù)正常。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，西寧火電廠鍋爐具有良好的燃燒性能，滿負(fù)荷時(shí)在較低的運(yùn)行氧量(2.61%)下，飛灰含碳量為2.33%，排煙溫度僅為114 ℃，修正后鍋爐效率達(dá)到94.21%，NOx質(zhì)量濃度為219 mg/Nm3?？梢?，通過鍋爐爐膛幾何尺寸、燃燒器及受熱面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可保證高海拔地區(qū)大容量高參數(shù)機(jī)組達(dá)到與平原地區(qū)鍋爐同樣的燃燒穩(wěn)定性和燃燒經(jīng)濟(jì)性。需要注意的是西寧火電660 MW機(jī)組燃煤揮發(fā)分高，燃燒性能優(yōu)良，燃盡性能受海拔高度影響較小，也為采用低氧燃燒方式提供了基礎(chǔ)，是鍋爐效率提高的重要影響因素。

表4 不同負(fù)荷下的鍋爐效率測試結(jié)果Table 4 Test results of boiler efficiency under different loads

表5 試驗(yàn)用煤煤質(zhì)參數(shù)Table 5 Quality of coal sample

2.3 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 煤粉細(xì)度

煤粉細(xì)度是影響煤粉在爐內(nèi)燃燒的重要因素之一。通過燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，最終推薦煤粉細(xì)度D90=15%左右，較設(shè)計(jì)值(D90=19%)偏低，實(shí)際測試結(jié)果顯示，各臺磨煤機(jī)的煤粉均勻性指數(shù)n=1.5左右。較細(xì)煤粉和較高的煤粉均勻性指數(shù)是保證飛灰含碳量在較低水平的重要原因，可以提高燃燒經(jīng)濟(jì)性和燃燒穩(wěn)定性，降低NOx生成濃度，也為低氧運(yùn)行提供了有利條件。

2.3.2 運(yùn)行氧含量

鍋爐運(yùn)行氧含量直接影響鍋爐的排煙損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失和固體未完全燃燒熱損失，同時(shí)也影響鍋爐的NOx生成濃度。從鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性角度分析，當(dāng)鍋爐效率最高且NOx生成濃度相對較小時(shí)的氧含量為最佳氧含量。

660 MW負(fù)荷下，不同氧含量下的鍋爐效率測試結(jié)果如圖1所示?？梢?，運(yùn)行氧含量從2.25%升高到2.75%，鍋爐效率基本不變，而NOx生成濃度略有升高，由于氧含量升高會(huì)導(dǎo)致尾部煙道震動(dòng)，推薦運(yùn)行氧含量為2.2%左右。同時(shí)，低氧運(yùn)行時(shí)入爐空氣量和煙氣量降低，可減少輔機(jī)電耗和供電煤耗。需要注意的是，低氧條件下，煤質(zhì)參數(shù)變化對飛灰含碳量的影響較大，當(dāng)摻燒燃燒性能較差的煤種時(shí)會(huì)引起飛灰含碳量的急劇升高，影響燃燒經(jīng)濟(jì)性。另外，在超低氧含量下運(yùn)行時(shí)，需注意煙氣中CO的監(jiān)測，防止CO含量過高。當(dāng)燃用硫含量較高、有嚴(yán)重結(jié)渣傾向或燃燒性能較差的煤種時(shí)，為防止?fàn)t內(nèi)高溫腐蝕、嚴(yán)重結(jié)渣及飛灰含碳量升高，不建議采取過低的運(yùn)行氧含量。

圖1 運(yùn)行氧含量對燃燒性能的影響Fig. 1 Influence of oxygen on the combustion performance

2.3.3 燃盡風(fēng)開度

該機(jī)組低位燃盡風(fēng)和高位燃盡風(fēng)各有3層，通常每組3層燃盡風(fēng)開度相同。660 MW負(fù)荷下5層磨煤機(jī)投運(yùn)時(shí)，下組燃盡風(fēng)開度保持在80%不變，上組燃盡風(fēng)開度對燃燒性能的影響如圖2所示?？梢姡辖M燃盡風(fēng)開大后，盡管NOx生成濃度有所降低，但飛灰含碳量和煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)升高，鍋爐效率明顯降低，因此上組燃盡風(fēng)開度不宜過大，推薦在30%左右。

圖2 燃盡風(fēng)開度對燃燒性能的影響Fig. 2 Influence of OFA opening on the combustion performance

2.4 最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷

最下2層燃燒器投運(yùn)時(shí)，鍋爐最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組最低可帶155 MW負(fù)荷，火檢信號穩(wěn)定，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表6。

3 結(jié) 論

1)高海拔地區(qū)鍋爐燃燒器設(shè)計(jì)需采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)燃措施。

2)高海拔地區(qū)鍋爐的熱負(fù)荷參數(shù)選取，應(yīng)盡量提高燃燒器區(qū)壁面熱負(fù)荷和爐膛截面熱負(fù)荷，增加最上層燃燒器中心到屏底的距離，采用較小的爐膛容積熱負(fù)荷，保證煤粉在爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間。

表6 鍋爐最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷測試結(jié)果Table 6 Test results of the minimum fuel free steady combustion load of the boiler

3)高海拔條件下，由于煤粉氣流著火溫度升高、著火推遲、燃盡率變差、空氣和煙氣體積流量增大，需優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，以保證機(jī)組燃燒經(jīng)濟(jì)性。

4)該機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)鍋爐效率達(dá)到94%以上，最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)23%，與平原地區(qū)機(jī)組燃燒經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。