660 MW鍋爐旋流燃燒器燒損問題分析及處理

侯本杰，劉 海，申 旭，馮仁海

（1.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003；2.華電國際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277100）

0 引言

燃燒器作為電站鍋爐的重要設(shè)備，其燃燒工況的穩(wěn)定性直接影響鍋爐的熱效率。燃燒器壁面存在復(fù)雜的換熱過程，由于爐膛燃燒室中強烈的輻射熱導(dǎo)致燃燒器出口壁溫過高，燃燒器噴嘴變形［1］。在運行過程中，燃燒器燒損現(xiàn)象較為普遍［2］。一旦燃燒器發(fā)生損壞，不僅會增加檢修費用和檢修工作量，而且對鍋爐的安全運行構(gòu)成嚴重威脅，破壞了爐內(nèi)燃燒工況［3］，極易造成火焰中心偏斜，并帶來水冷壁結(jié)焦和高溫腐蝕等問題［4］，并嚴重影響鍋爐負荷調(diào)整和機組安全經(jīng)濟運行。

山東某電廠機組鍋爐于2018年2月檢查性大修期間，發(fā)現(xiàn)上層C、D燃燒器嚴重?zé)龘p，隨后更換了部分燃燒器及穩(wěn)燃罩，2020年4月—5月擴大性小修期間，再次發(fā)現(xiàn)燃燒器的嚴重?zé)龘p，進而對燃燒器噴口燒損部件進行了整體更換，并在最上層12 支燃燒器中心筒前端加裝了溫度測點引至DCS 顯示，通過調(diào)整二次風(fēng)門開度、一次風(fēng)進風(fēng)量大小等試驗，觀察燃燒器壁溫的變化，從而得出影響燃燒器壁溫的因素，可指導(dǎo)運行控制冷卻風(fēng)量，減少燃燒器燒損事故的發(fā)生，為同類型旋流燃燒器的安全、穩(wěn)定運行提供改進依據(jù)［5］。

1 燃燒器的布置

鍋爐為超超臨界變壓運行直流爐，為一次再熱、單爐膛、對沖燃燒、尾部雙煙道、全懸吊結(jié)構(gòu)П 型鍋爐，鍋爐主要參數(shù)為29.4 MPa/605 ℃/623 ℃。鍋爐燃燒器采用外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，對沖燃燒，后墻最下層配置富氧微油點火裝置，其余層均配油槍。全爐共30 只油槍和6 只富氧微油點火裝置，用于點火、暖爐和低負荷穩(wěn)燃。

燃燒器為前后墻布置，從下往上分別為A（F）、B（E）、C（D），燃燒器從左向右布置有1～6 號燃燒器（見圖1）。每個燃燒器將燃燒用空氣被分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和中心風(fēng)四部分，當(dāng)燃燒器燃料未投入時，還設(shè)有連通大氣的中心筒旁路用以冷卻燃燒器（見圖2）。燃燒器內(nèi)的空氣主要分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)三股風(fēng)，一次風(fēng)攜帶經(jīng)磨煤機研磨并干燥后的煤粉通過一次風(fēng)風(fēng)粉管進入燃燒器，再通過對煤粉進行濃縮作用和殼體固定在一次風(fēng)管內(nèi)表面上的煤粉收集器進入爐膛與內(nèi)、外二次風(fēng)混合。內(nèi)、外二次風(fēng)分別由獨立的手動套筒擋板和手動旋流器拉桿調(diào)節(jié)風(fēng)量和旋流強度。在保證二次風(fēng)箱壓差不變的前提下，通過二次風(fēng)風(fēng)量拉桿改變內(nèi)、外二次風(fēng)套筒擋板位置來改變內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量與外二次風(fēng)風(fēng)量的比例，通過二次風(fēng)旋流強度拉桿移動內(nèi)、外二次風(fēng)旋流葉片來改變繞過葉片的直流風(fēng)和通過葉片的旋流風(fēng)的比例，最終達到改變內(nèi)、外二次風(fēng)旋流強度的目的［6］。

圖1 燃燒器布置

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)

2 燃燒器燒損問題分析

2.1 燃燒器燒損情況

燃燒器的燒損主要發(fā)生在最上層燃燒器（C、D層），燒損部分包括油槍噴嘴、流板、中心筒、穩(wěn)燃器、錐型圈等整個燃燒器部分，燒損情況見圖3、圖4。

圖3 2—4月檢修期燃燒器燒損情況

圖4 4—5月檢修期燃燒器燒損情況

2.2 燃燒器流場分析

旋流燃燒器利用強烈的旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生高溫回流區(qū)，達到強化著火和燃燒的目的［7］。通過分析廠家提供的流場模擬圖（見圖5）和同型號燃燒器火花示蹤試驗結(jié)果［8］（見圖6），在燃燒器投運的情況下，由于燃燒與燃燒器存在一定的著火距離，燃燒器中心筒、穩(wěn)燃器附近的溫度在0～500 ℃（見圖5），在燃燒器燃料未投入的情況下，卷吸主要作用于高速旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)內(nèi)部形成的低壓一次風(fēng)氣流，對于爐膛中心的高溫?zé)煔饣緵]有卷吸效果［9］（見圖6），通入一次風(fēng)和二次風(fēng)理論上能降低燃燒器區(qū)域的溫度，因而燃燒器燒損應(yīng)發(fā)生在燃燒器投入但燃燒距離過近或燃燒器未投運且冷卻風(fēng)不足的情況下，因而機組啟動后采取了提高一次風(fēng)速和未投運燃燒器投入一、二次風(fēng)冷卻燃燒器的臨時措施。

圖5 燃燒器流場模擬

圖6 火花示蹤試驗

3 燃燒器燒損試驗研究

3.1 試驗測點的安裝

在C、D 層燃燒器層中心筒逆止門后開孔，插入熱電偶進行試驗研究，熱電偶插入深度距離位于燃燒器中心筒的前端，試驗中分別測試燃燒器停運—投運、增減一次風(fēng)量、改變二次風(fēng)旋流強度和冷卻風(fēng)量對于燃燒器附近溫度的影響。

3.2 燃燒器投運和停運的影響

在C、D 層燃燒器投運的情況下，實測C、D 層燃燒器壁溫在100～300 ℃范圍內(nèi)；在C、D 層不投運的情況下，壁溫最高能到達800 ℃以上，且在負荷大于50%以上時均會存在燃燒器壁溫超溫的現(xiàn)象，在某些負荷段范圍還會出現(xiàn)隨負荷的降低，燃燒器壁溫升高的現(xiàn)象。

3.3 燃燒器配風(fēng)試驗研究

分別研究燃料未投運燃燒器二次風(fēng)總風(fēng)門開度、內(nèi)二次風(fēng)開度、外二次風(fēng)門開度、一次風(fēng)風(fēng)量等對于燃燒器壁溫的影響，通過改變其風(fēng)門開度改變各位置風(fēng)量和旋流強度，試驗期間負荷波動范圍在480～530 MW。

在C 磨停運期間，調(diào)整C 層二次風(fēng)總風(fēng)門開度大小，測試C1、C2、C4 燃燒器壁溫變化情況，測試結(jié)果顯示C 層二次風(fēng)量的增加能明顯降低燃燒器中心筒附近溫度，試驗結(jié)果見表1。

表1 二次風(fēng)總風(fēng)門對于中心筒附近溫度的影響

在C 磨煤機停運期間，C 層二次風(fēng)總風(fēng)門開度70%，選取C3 燃燒器為試驗對象，分別調(diào)整內(nèi)、外二次風(fēng)開度、中心風(fēng)開度，測試C3 燃燒器中心筒附近溫度的變化情況，試驗結(jié)果顯示在二次風(fēng)總風(fēng)門開度不變的情況下，內(nèi)外二次分和中心風(fēng)對于中心筒附近溫度的影響較小，燃燒器壁溫對于旋流強度的變化不敏感，試驗結(jié)果見表2、表3、表4。

表3 改變內(nèi)二次風(fēng)門開度對中心筒附近溫度的影響

表4 改變中心風(fēng)風(fēng)門開度對中心筒附近溫度的影響

在C 磨煤機停運期間，C 層二次風(fēng)門開度70%，逐漸減少磨煤機入口冷一次風(fēng)量，測試C3、C4、C5中心筒附近溫度，試驗顯示提高磨入口風(fēng)量能明顯降低燃燒器附近溫度，試驗結(jié)果見表5。

表5 磨煤機入口風(fēng)量對于中心筒附近溫度的影響

4 設(shè)備材質(zhì)及配風(fēng)的改進

4.1 燃燒器壁溫測點的安裝

為避免燃燒器再次燒損，在鍋爐C、D層燃燒器噴口前端加裝了12支溫度測點，引入DCS系統(tǒng)作為燃燒器配風(fēng)調(diào)整的依據(jù)。溫度測點為K分度鎧裝熱電偶，量程為-40～1 200 ℃，測量精度為±0.5%（見圖7）。

圖7 燃燒器測點加裝位置

4.2 配風(fēng)優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)安裝在C、D層燃燒器前端的在線溫度測量裝置，調(diào)整磨煤機入口風(fēng)量、二次風(fēng)總風(fēng)門開度，控制燃燒器壁溫在750 ℃以下，防止燃燒器的燒損，運行過程中除要求壁溫外，另根據(jù)表1 的試驗結(jié)果，要求控制二次風(fēng)總風(fēng)門開度不低于30%。

4.3 燃燒器材質(zhì)的改進

燃燒器材質(zhì)更換為JCZG40-HTRSS，JCZG40-HTRSS是奧氏體鉻鎳不銹鋼，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，更好的蠕變強度，在高溫下能持續(xù)作業(yè)，具有良好的耐高溫性。在800 ℃氧化800 h，在氧化初期的200 h內(nèi)形成氧化層保護膜后，其質(zhì)量一直保持恒定。在溫度達到900 ℃時，氧化膜保護層由于揮發(fā)而失去保護作用，外層開始脫落，質(zhì)量明顯降低，因而控制壁溫800 ℃以下，保證燃燒器的安全運行。

5 結(jié)語

在磨煤機運行工況下，燃燒器由于受到一次風(fēng)粉的冷卻，其壁溫均在安全運行范圍內(nèi)。但在磨煤機停運后，對應(yīng)燃燒器的壁溫高達800 ℃以上，如果不采取措施，極易燒損燃燒器。

根據(jù)流場分析和試驗研究，在磨煤機停運工況下，通入磨煤機一次風(fēng)、二次風(fēng)總風(fēng)量、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)、中心風(fēng)對于燃燒器均有冷卻作用，磨煤機一次風(fēng)和二次風(fēng)總風(fēng)量的影響最為明顯，燃燒器本身的內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)及旋流角度影響不明顯，通過試驗也證實了停運燃燒器并不會因通入二次風(fēng)引起高溫?zé)煔饩砦鵁龘p。本次試驗在上層燃燒器中心筒加裝了測點，由于測點位置限制，測量結(jié)果只能代表燃燒器區(qū)域的壁溫，且對于一次風(fēng)反應(yīng)更加敏感，因而具有一定的局限性，但這些測點可在一定程度上監(jiān)視燃燒器壁溫變化，防止燃燒器燒損。