高海拔地區660 MW超超臨界機組性能分析

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.國電泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327;3.青海黃河水電公司西寧發電分公司，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電機組經濟性指標的主要因素之一[1]。華中科技大學在實驗室進行了煤粉在低壓條件下的熱重試驗，西安熱工研究院在試驗臺上模擬高海拔低氣壓環境,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鍋爐性能試驗研究，發現由于受到高海拔地區大氣壓力降低的影響，鍋爐的各項性能指標均不同程度地低于設計值或平原地區的同型鍋爐，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]對高海拔地區煙煤鍋爐設計與運行狀況進行了全面分析，研究表明目前高海拔地區的100～300 MW等級容量機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，給高海拔地區火電機組的安全和經濟運行帶來了一定壓力。

劉建華等[8]指出，高海拔條件下，大氣壓力降低,氧氣擴散速度隨之降低,炭的燃燒反應滯后,煤粉燃盡時間延長,如果爐膛尺寸修正不合理，將導致排煙溫度升高。為了保證高海拔地區鍋爐的燃燒穩定性和燃燒經濟性，需在平原鍋爐的基礎上進行適當修正。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荷參數修正原則，而DL/T 831—2015《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》(以下簡稱“爐膛選型導則”)中明確規定了高海拔地區鍋爐爐膛熱負荷參數的修訂原則[10]。由于近20年來，國內火力發電的迅猛發展，機組容量、蒸汽等級參數等級大大提高，超低排放也將對鍋爐的設計和運行產生一定影響。在2015版爐膛選型導則中，對平原地區鍋爐爐膛熱負荷參數進行了修訂，但高海拔地區鍋爐爐膛熱負荷參數修訂原則仍沿用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停留時間的影響，并提出鍋爐設計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]進行了1 500 m高海拔地區高灰分煙煤660 MW超臨界鍋爐的設計，提出高海拔地區需考慮增加煤粉在爐內的停留時間，同時控制煙氣流速，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機組鍋爐的爐膛熱負荷參數推薦值，提出高原地區鍋爐相對于平原鍋爐應適宜采用瘦高爐型。

對于高海拔地區機組鍋爐的運行優化，劉榮禮[14]提出應提高煤粉細度(即降低D90)、提高一次風溫使燃點提前、制粉系統切換時投運下層燃燒器代替上層燃燒器進而延長煤粉在爐內的停留時間等措施保證煤粉的穩燃和燃盡。

由于現役高海拔機組容量較小、蒸汽參數等級較低，不能為大容量高參數等級的高海拔煤粉鍋爐提供足夠的參考。本文將以國內首臺已投運的海拔超過2 000 m 的660 MW超超臨界機組為例，全面分析高海拔地區大容量高參數機組的鍋爐設計和運行特點。

1 機組簡介

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

制粉系統采用中速磨正壓直吹式冷一次風機系統，每臺鍋爐配6臺磨煤機(5臺運行，1臺備用)。設計煤煤粉細度D90=19%，煤粉均勻性指數n=1.1。

鍋爐在燃用設計煤種或校核煤種時，最低不投油穩燃負荷不大于鍋爐的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 鍋爐主要設計參數

西寧火電660 MW超超臨界鍋爐主要設計參數見表1。

1.2 設計煤煤質參數

西寧火電660 MW超超臨界機組的設計煤和校核煤的基本煤質參數見表2。可見，設計煤和校核煤為灰分和揮發分偏高、熱值偏低且灰熔融溫度較高的煙煤。

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

表1 鍋爐主要設計參數Table 1 Main design parameters of boiler

表2 設計及性能測試用煤的基本煤質參數Table 2 Properties of coal for design and performance testing

1.3 鍋爐爐膛設計特點

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，高海拔地區鍋爐爐膛熱負荷參數需進行適當修正。鍋爐廠根據設計煤在平原地區及高海拔地區的燃燒性能指標進行了爐膛幾何尺寸的設計，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角距離為5.206 m。在主燃燒器和爐膛出口之間，標高43.418 m和48.608 m處分別設置一組低位燃盡風(BAGP)和一組高位燃盡風(UAGP)噴嘴，最終對應的爐膛熱負荷參數設計值見表3。

電廠正式投產后，進行了機組的性能測試，測試用煤為青海當地魚卡煤，其煤質參數見表2。與設計煤相比，其主要特點是灰分降低、發熱量升高，其他參數變化不大。為了準確反映鍋爐設計特點，根據電廠性能測試用煤的煤質參數、實際燃煤量及爐膛幾何尺寸計算得出實際的鍋爐爐膛熱負荷參數。

1.4 燃燒器設計特點

主風箱設有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(周界風)。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置1層輔助風噴嘴，其中包括上下2只預置水平偏角的輔助風噴嘴和1只直吹風噴嘴。在主風箱上部設有2層上端部風(FFⅠ、FFⅡ層風)噴嘴，在主風箱下部設有1層下端部風(AA層風)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，切圓大小對燃燒穩定性和燃燒器區結渣有明顯影響。對于難燃煤種及易結渣煤種，為了燃燒穩定及緩解燃燒器區結渣，需采用較小一次風切圓直徑。考慮在高海拔條件下燃煤的燃燒性能較平原地區差，上海鍋爐廠采用對沖同心正反切圓燃燒系統，即所有的一次風/煤粉噴嘴指向爐膛中心，假想切圓直徑為0;二次風中的所有偏置輔助風采用一個順時針的偏角，這些偏置輔助風為啟旋二次風;部分二次風(BC、DE、FFⅠ、FFⅡ)和低位燃盡風(BAGP)和高位燃盡風(UAGP)可以水平擺動。一次風對沖、二次風起旋-消旋系統，起到穩燃作用同時還可減少煤粉氣流偏轉貼墻降低結焦風險。

2 實際運行情況

2.1 實際鍋爐熱負荷參數

根據電廠實際測試結果，反推出了西寧火電660 MW機組鍋爐的實際熱負荷參數。試驗時，當地大氣壓的測試值為75.2 kPa，對應海拔高度2 445 m。由表2、3可以看出:① 實際燃用灰分較低、熱值更高的優質煙煤。② 設計燃煤輸入熱值為5 696 GJ/h帶660 MW負荷，實際運行結果表明燃煤輸入熱值需達到6 142 GJ/h才能帶滿負荷。③ 鍋爐設計爐膛容積熱負荷、截面熱負荷、燃燒器區壁面熱負荷分別為69.81 kW/m3、4.242 MW/m2和1.544 MW/m2，而實際運行結果反推出的分別為75.27 kW/m3、4.574 MW/m2和1.655 MW/m2。可見，由于燃煤輸入熱量增加較多，實際鍋爐爐膛熱負荷參數較原設計高出較多。④ 設計煙氣在爐內的上升速度和停留時間分別為10.29 m/s和2.15 s，實際運行中分別為11.34 m/s和2.07 s。

試驗結果表明，與原設計相比，高海拔地區鍋爐在較高的熱負荷參數和煤粉在爐內較少的停留時間下仍可獲得良好的燃燒性能，也為高海拔地區鍋爐爐膛熱負荷參數的優選提供了依據。這與電廠實際用煤的燃燒性能密切相關，西寧火電實際燃用煤種燃燒性能優良，燃盡性能受海拔高度影響較小。

因此，高海拔地區鍋爐優化設計的主要方向是:燃燒器設計需采取適當的穩燃措施，對于四角切圓燃燒方式可選擇帶偏置周界風的水平濃淡燃燒器，一次風采用較小的切圓直徑;對于墻式對沖燃燒方式，則可通過調整燃燒器內、外二次風的比例和旋流強度以保證燃燒穩定。在熱負荷參數選取方面，應根據海拔對煤種燃燒性能的影響，在保證爐內煙氣流速的情況下，盡量提高燃燒器區壁面熱負荷和爐膛截面熱負荷，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荷，保證煤粉在爐內有足夠的停留時間，進而確保高海拔地區鍋爐的穩燃和燃盡。

2.2 鍋爐效率

西寧火電660 MW機組在100%、75%及50%額定負荷下的鍋爐效率測試結果和試驗用煤(魚卡煤)的煤質參數見表4、5。試驗期間，機組總體運行正常，鍋爐各段受熱面金屬壁溫沒有出現超溫現象，汽水參數正常。實際運行結果表明，西寧火電廠鍋爐具有良好的燃燒性能，滿負荷時在較低的運行氧量(2.61%)下，飛灰含碳量為2.33%，排煙溫度僅為114 ℃，修正后鍋爐效率達到94.21%，NOx質量濃度為219 mg/Nm3。可見，通過鍋爐爐膛幾何尺寸、燃燒器及受熱面的優化設計，可保證高海拔地區大容量高參數機組達到與平原地區鍋爐同樣的燃燒穩定性和燃燒經濟性。需要注意的是西寧火電660 MW機組燃煤揮發分高，燃燒性能優良，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，是鍋爐效率提高的重要影響因素。

表4 不同負荷下的鍋爐效率測試結果Table 4 Test results of boiler efficiency under different loads

表5 試驗用煤煤質參數Table 5 Quality of coal sample

2.3 運行參數優化

2.3.1 煤粉細度

煤粉細度是影響煤粉在爐內燃燒的重要因素之一。通過燃燒優化調整試驗，最終推薦煤粉細度D90=15%左右，較設計值(D90=19%)偏低，實際測試結果顯示，各臺磨煤機的煤粉均勻性指數n=1.5左右。較細煤粉和較高的煤粉均勻性指數是保證飛灰含碳量在較低水平的重要原因，可以提高燃燒經濟性和燃燒穩定性，降低NOx生成濃度，也為低氧運行提供了有利條件。

2.3.2 運行氧含量

鍋爐運行氧含量直接影響鍋爐的排煙損失、化學不完全燃燒熱損失和固體未完全燃燒熱損失，同時也影響鍋爐的NOx生成濃度。從鍋爐燃燒經濟性角度分析，當鍋爐效率最高且NOx生成濃度相對較小時的氧含量為最佳氧含量。

660 MW負荷下，不同氧含量下的鍋爐效率測試結果如圖1所示。可見，運行氧含量從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，由于氧含量升高會導致尾部煙道震動，推薦運行氧含量為2.2%左右。同時，低氧運行時入爐空氣量和煙氣量降低，可減少輔機電耗和供電煤耗。需要注意的是，低氧條件下，煤質參數變化對飛灰含碳量的影響較大，當摻燒燃燒性能較差的煤種時會引起飛灰含碳量的急劇升高，影響燃燒經濟性。另外，在超低氧含量下運行時，需注意煙氣中CO的監測，防止CO含量過高。當燃用硫含量較高、有嚴重結渣傾向或燃燒性能較差的煤種時，為防止爐內高溫腐蝕、嚴重結渣及飛灰含碳量升高，不建議采取過低的運行氧含量。

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

2.3.3 燃盡風開度

該機組低位燃盡風和高位燃盡風各有3層，通常每組3層燃盡風開度相同。660 MW負荷下5層磨煤機投運時，下組燃盡風開度保持在80%不變，上組燃盡風開度對燃燒性能的影響如圖2所示。可見，上組燃盡風開大后，盡管NOx生成濃度有所降低，但飛灰含碳量和煙氣中CO體積分數升高，鍋爐效率明顯降低，因此上組燃盡風開度不宜過大，推薦在30%左右。

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

2.4 最低不投油穩燃負荷

最下2層燃燒器投運時，鍋爐最低不投油穩燃負荷試驗結果表明機組最低可帶155 MW負荷，火檢信號穩定，具體試驗數據參見表6。

3 結 論

1)高海拔地區鍋爐燃燒器設計需采取適當的穩燃措施。

2)高海拔地區鍋爐的熱負荷參數選取，應盡量提高燃燒器區壁面熱負荷和爐膛截面熱負荷，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荷，保證煤粉在爐內有足夠的停留時間。

表6 鍋爐最低不投油穩燃負荷測試結果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，需優化運行參數，以保證機組燃燒經濟性。

4)該機組滿負荷時鍋爐效率達到94%以上，最低不投油穩燃負荷可達23%，與平原地區機組燃燒經濟性相當。