低氮改造后再熱汽溫偏低的燃燒調整研究

胡勝林，李源，毛睿，詹勝平，任利明，郭志成，岑可法

低氮改造后再熱汽溫偏低的燃燒調整研究

胡勝林1，李源1，毛睿1，詹勝平1，任利明1，郭志成1，岑可法2

（1．潤電能源科學技術有限公司，河南省 鄭州市 450042；2．能源清潔利用國家重點實驗室(浙江大學)，浙江省 杭州市 310027）

針對某330MW燃煤鍋爐低氮改造后出現的再熱汽溫偏低問題，從鍋爐燃燒調整策略角度進行對策研究，主要分析了燃燒器擺角、配風方式、燃燒器投運層分布、上層煤種、上層煤粉細度、水平煙道吹灰和機組自動調節品質等因素對再熱汽溫的影響。結果表明，再熱汽溫偏低的現象主要出現在鍋爐中低負荷 (250MW以下)工況，通過增加燃燒器仰角、采用倒寶塔配風方式、提高上層燃燒器利用率、加大上層入爐煤發熱量、減小上層入爐煤粉細度、加強水平煙道吹灰和優化機組自動調節品質等手段可改善再熱汽溫偏低問題。提出的燃燒調整策略對同類鍋爐改造問題具有重要借鑒意義。

燃煤鍋爐；低氮改造；再熱汽溫；燃燒調整

0 引言

在我國，煤炭作為主要的一次能源占能源消費總量的65%，燃煤發電量占總發電量的近70%[1-2]。NO是煤炭燃燒過程中形成的一種危害極大的污染物[3]。近年來，隨著整個社會對生態環境的要求越來越高，國家和地方都出臺了環保政策法規，對煤電機組的NO排放限制日益嚴格。為控制NO排放，各燃煤電廠都進行了NO控制技術改造[4-6]，包括低NO燃燒[7]、選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)脫硝[8-9]、選擇性非催化還原法(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝[10]以及SNCR-SCR聯合脫硝[11]等。

低氮燃燒技術具有工藝成熟、運行可靠、投資和運行成本較低等優點，已在燃煤機組的NO控制中得到廣泛應用[12]。但是，燃煤鍋爐在進行低氮改造后也產生了諸多問題[13-17]，如鍋爐效率降低，機組主蒸汽壓力和溫度調節特性發生改變，再熱汽溫偏低等。其中，低氮改造后再熱汽溫偏低問題較為普遍，且這種現象在低負荷時尤為明顯，嚴重影響機組的深度調峰能力。此外，再熱汽溫低于一定限值后會嚴重侵蝕汽機末級葉片，降低汽機末機效率，誘發汽機軸系故障。因此，研究機組低氮改造后的再熱汽溫偏低問題具有重要意義。本文從鍋爐燃燒調整策略角度對低氮改造后再熱汽溫偏低問題進行對策研究。

1 鍋爐概況

某燃煤電廠#1機組330MW鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG1025/18.2-II 12型亞臨界自然循環汽包爐，為單爐膛Π型布置、一次再熱、平衡通風、鋼構架、燃煤、固態排渣鍋爐，采用四角布置、切向燃燒、固定直流式煤粉燃燒器，爐內假設切圓直徑為790mm。采用中速磨(型號為ZGM95G)冷一次風正壓直吹式制粉系統，共5套。機組額定負荷為330MW，額定主、再熱汽溫均為540℃。屏式過熱器和壁式再熱器布置在爐膛上部，為輻射換熱面；高溫過熱器、中間再熱器和高溫再熱器均布置在水平煙道內，為對流換熱面；低溫過熱器布置在尾部豎井煙道內，為對流換熱面。 表1為鍋爐設計參數。鍋爐設計煤種為晉東南貧煤，該煤種的主要特點為發熱量較高、揮發份含量較低、燃盡性稍差，表2為該煤種的工業分析和元素分析。

表1 鍋爐設計參數

注：ECR為鍋爐額定節能出力工況。

表2 設計煤種工業分析和元素分析

#1機組于2013年進行了低氮改造。圖1為燃燒器平面布置圖，燃燒器布置在爐膛的四角位置。圖2為低氮改造前、后燃燒器立面布置對比。可以看出，低氮改造后燃燒器布置較改造前更加緊湊，且燃盡風(overfire air，OFA)層高度也更低，燃燒器共布置16層噴口，其中5層煤粉一次風噴口、6層二次風噴口、1層OFA噴口、4層分離燃盡風(separated overfire air，SOFA)噴口。煤粉一次風噴口可上下擺動20°(A層不參與擺動)；二次風噴口可上下擺動30°(AA層上翹5°，不參與擺動)。

圖1 燃燒器平面布置圖

2 再熱汽溫偏低現象

從圖2可以看出，與低氮改造前相比，低氮改造后A層煤粉一次風噴口至E層煤粉一次風噴口之間的距離縮短了1980mm，爐內燃燒器噴口布置更集中，爐膛內煤粉濃度場及容積熱負荷也更集中。E層煤粉一次風噴口的高度較改造前降低了1545mm，火焰中心高度有所下降。爐膛內的熱負荷分布較改造前有較大幅度的下移，燃料顆粒及高溫煙氣在爐內停留的時間更長，爐膛內水冷壁及布置在爐膛上部的壁式再熱器的吸熱量均有明顯增加，爐膛出口煙溫有所下降，布置在爐膛頂部及水平煙道內的屏式過熱器、中間再熱器、高溫再熱器、高溫過熱器的吸熱量均有所減少。另外，低氮運行方式下爐膛出口煙氣量有一定的減少，這會進一步降低布置在水平煙道及后煙道內的對流換熱面吸熱量。以上變化對鍋爐原設計各級受熱面的吸熱量分配造成了較大影響，直接導致了鍋爐出現再熱汽溫偏低的問題。

圖2 低氮改造前、后燃燒器立面布置對比

表3為低氮改造后不同負荷下鍋爐運行參數對比。可以看出，再熱汽溫偏低的現象主要出現在中低負荷工況。隨著機組負荷的降低，爐膛出口煙氣量和煙溫均有所降低，水平煙道內的對流換熱面吸熱量減少，再熱汽溫偏低的現象比較突出。由此可見，再熱汽溫偏低問題實際是由水平煙道內各級受熱面的吸熱量不足導致的。

表3 不同負荷下鍋爐參數對比

3 再熱汽溫的影響因素及調整策略

針對再熱汽溫偏低問題，提出了基于燃燒調整的改善措施，主要有以下2方面：

1）改善鍋爐蒸發吸熱面和蒸汽升溫吸熱面熱量分配不合理的現狀，減少爐膛區域蒸發受熱面的吸熱量，提高爐膛出口以后的各級蒸汽升溫換熱面的吸熱量；

2）改善水平煙道區域內受熱面的換熱效果，主要是增大煙氣換熱系數。

3.1 燃燒器擺角

表4為200MW負荷時不同燃燒器擺角下鍋爐運行參數對比。可以看出，通過增加鍋爐燃燒器仰角，可在一定程度上提高再熱汽溫。這是因為燃燒器噴口上仰時，爐內火焰中心高度有一定 幅度的增加，爐內熱負荷向上部偏移，減少了中下部水冷壁區域的吸熱量，提高了爐膛出口煙溫，使水平煙道內各級受熱面的吸熱量均有一定程度的增加，鍋爐熱量分配不合理的情況得到了改善。

表4 不同燃燒器擺角下鍋爐參數對比(200MW)

3.2 配風方式

表5為200MW負荷時不同配風方式下鍋爐運行參數對比。可以看出，正寶塔配風方式使再熱汽溫下降，而倒寶塔式配風方式可提高再熱汽溫。其原因是：在采用正寶塔配風方式時，總風量保持不變，爐膛下部供風量加大，使得爐膛中下部的燃燒反應更劇烈，燃料在燃燒區域的放熱量增加，水冷壁吸熱量也相應增加，爐膛出口煙溫降低，導致水平煙道內受熱面的吸熱量有所減少，從而使再熱汽溫偏低的現象惡化；在采用倒寶塔配風方式時，總風量保持不變，爐膛下部供風量減小，燃料在爐膛中下部的放熱量減小，水冷壁區域內的總吸熱量減小，爐膛出口煙溫升高，導致爐膛出口以后的各級換熱面的吸熱量增加，從而改善了再熱汽溫偏低的現象。

表5 不同配風方式下鍋爐參數對比(200MW)

3.3 燃燒器投運層分布

爐膛內火焰中心高度直接影響蒸發吸熱面和蒸汽升溫吸熱面的熱量分配比例。燃燒器高度越高，噴入爐膛內的燃料燃燒放出的熱量對蒸汽升溫吸熱面產生的影響越大，下層燃燒器對汽溫的影響呈逐級遞減趨勢，下面以E層燃燒器投運對再熱汽溫的影響為例進行分析。

表6為220MW負荷時不同燃燒器層投運方式下鍋爐運行參數對比。可以看出，投運E層燃燒器能有效提升再熱汽溫，且E層燃料投入比例越大，再熱汽溫提升幅度越大。這是因為在中低負荷工況下，投運E層燃燒器及增大E層燃料投入比例，可有效提升爐內火焰中心高度，爐內熱負荷向上部集中，減少了中下部水冷壁區域的吸熱量，提高了爐膛出口煙溫，使爐膛出口熱量分配不足的情況得到改善，水平煙道內受熱面的吸熱量相應增加，從而使再熱汽溫得到提升。

表6 不同燃燒器層投運方式下鍋爐參數對比(220MW)

3.4 上層入爐煤種

表7為210MW負荷時不同上層入爐煤種下鍋爐運行參數對比。可以看出，E層燃燒器投入熱值較高的煤種時，再熱汽溫有一定程度的升高。這是因為上層燃燒器投入熱值較高的煤種時，爐膛上部火焰中心溫度升高，使爐膛上部燃燒放熱比例增大，改善了爐膛出口熱量分配不足的情況，提高了爐膛出口煙溫，從而使再熱汽溫偏低的現象得以改善。在電廠實際運行中，可以根據實際情況調整配煤方案，使爐膛上層燃燒器盡可能投入熱值相對較高的煤種。

表7 不同上層煤種下鍋爐參數對比(210 MW)

3.5 上層入爐煤粉細度

通過對鍋爐的運行情況進行觀察，發現鍋爐在中低負荷運行時爐膛上部燃燒情況較差，爐膛出口煙溫較低，飛灰含碳量較高。表8為230MW負荷時不同上層煤粉細度下鍋爐運行參數對比。可以看出，E層煤粉細度減小后，飛灰含碳量明顯降低，說明爐膛上部的燃燒放熱總量有所增加，相應地，供給爐膛出口以后各級受熱面的總熱量也得以增加，再熱汽溫明顯升高。爐膛上部燃燒情況的優劣對爐膛出口煙溫影響較大，在爐膛上部燃燒狀況不佳的情況下，通過減小上層煤粉細度，可以有效改善爐膛上部煤粉的燃盡率，提高爐膛出口煙溫，增大水平煙道內受熱面的吸熱量，從而有效改善再熱汽溫偏低的問題。

3.6 水平煙道吹灰

表9為210MW負荷時鍋爐水平煙道吹灰前后鍋爐運行參數對比。可以看出，通過加強水平煙道吹灰，可明顯提高再熱汽溫。這是因為加強水平煙道吹灰，可以改善再熱器受熱面表面清潔度，增強水平煙道區域內過熱器及再熱器的換熱能力，在從爐膛飛出煙氣所攜帶的總熱量不變的情況下有效增大再熱器吸熱量，從而改善了再熱汽溫偏低的問題。

表9 水平煙道吹灰前后鍋爐參數對比(210MW)

3.7 機組自動調節品質

圖3為鍋爐運行參數曲線。可以看出，在機組協調投入自動發電控制(automatic generation control，AGC)模式下，當機組負荷出現小幅波動時，再熱汽溫波動較大。這是因為機組自動品質不佳，當機組負荷小幅波動時，給煤量波動幅度較大，直接引起再熱汽溫劇烈波動，尤其當上層燃料波動較大時這一情況更為明顯。通過對機組自動調節品質進行優化調整，將負荷波動引起的加減燃料自動控制優化調整為不對稱速率控制，當機組在AGC模式下負荷出現小幅波動時，在保持自動加燃料的速率及頻率不變的情況下，單獨減小自動減燃料的速率及頻率，使再熱汽溫的下波動量減小，從而使再熱汽溫始終維持在一個相對較高的水平。此外，在投入制粉系統自動控制時，將投入的上層燃料設定為手動控制，盡量維持上層燃料穩定，也可有效改善再熱汽溫的波動問題。

圖3 鍋爐運行參數曲線

4 結論

基于燃燒調整策略對鍋爐低氮改造后再熱汽溫偏低問題進行了研究，得到的主要結論如下：

1）通過增加燃燒器噴口角度、采用倒寶塔配風方式、增大上層燃料投入比例、改善上層投入煤種和減小上層煤粉細度等手段，提升了火焰中心高度，使爐膛出口煙溫升高，從而有效提升了再熱汽溫；

2）通過加強水平煙道吹灰，增強了水平煙道區域內受熱面的換熱能力，有效提升了再熱汽溫；

3）通過優化調整機組自動調節品質，減少了燃料量和再熱汽溫的波動量，有效改善了再熱汽溫偏低的問題。

[1] Leung G C K，Cherp A，Jewell J，et al．Securitization of energy supply chains in China[J]．Applied Energy，2014，123：316-26．

[2] 戴德立．BP世界能源統計年鑒[Z/OL]．北京：BP集團，2017．https://www.bp.com/zh_cn/china/reports- and-publications/_bp_2017-_.html．

[3] 王志軒，趙毅，潘荔，等．中國燃煤電廠NO排放估算方法及排放量研究[J]．中國電力，2009，42(4)：59-62．

[4] 游松林，羅洪輝，王振，等．燃煤電廠SCR脫硝系統氨逃逸率控制技術研究[J]．華電技術，2019，41(2)：55-59．

[5] 吳躍明，吳智泉．660 MW超臨界燃煤鍋爐引入生物質氣再燃方案及運行特性分析[J]．分布式能源，2018，3(1)：14-20．

[6] 唐艷梅，閆華光，朱彬若，等．基于自適應遺傳算法的分布式綜合能源系統優化設計[J]．電網與清潔能源，2018，34(2)：30-35，42．

[7] Zheng L，Zhou H，Cen K，et al．A comparative study of optimization algorithms for low NOcombustion modification at a coal-fired utility boiler[J]．Expert Systems with Applications，2009，36(2)：2780-2793．

[8] Shi R，Lin X，Zheng Z，et al．Selective catalytic reduction of NOwith NH3over Sb modified CeZrOcatalyst[J]．Reaction Kinetics，Mechanisms and Catalysis，2018，124(1)：217-227．

[9] 李二欣，王特，韋飛．燃煤電廠SCR脫硝系統尿素熱解制氨技術節能改造[J]．廣東電力，2018，31(3)：27-31．

[10] Fu S，Song Q，Yao Q．Mechanism study on the adsorption and reactions of NH3, NO, and O2on the CaO surface in the SNCR deNOprocess[J]．Chemical Engineering Journal，2016，285：137-143．

[11] Gullett B K，Groff P W，Lin M L，et al．NOremoval with combined selective catalytic reduction and selective noncatalytic reduction：pilot-scale test results[J]．Air & Waste，1994，44(10)：1188-1194．

[12] Liu X，Tan H Z，Wang Y B，et al．Low NOcombustion and SCR flow field optimization in a low volatile coal fired boiler[J]．Journal of Environmental Management，2018，220：30-35．

[13] 胡志宏，李德功，邵紅軍，等．600 MW機組鍋爐低氮燃燒改造[J]．熱力發電，2014，43(4)：131-134．

[14] 劉志江．低氮燃燒器改造及其存在問題處理[J]．熱力發電，2013，42(3)：77-81．

[15] 李翠翠，鄭國寬，陳廣林．600 MW級燃褐煤直流鍋爐超低排放技術路線分析[J]．電力科學與工程，2017，33(3)：68-73．

[16] 黨黎軍，楊輝，應文忠，等．660 MW超超臨界鍋爐再熱汽溫偏低問題分析及技術改造[J]．動力工程學報，2017，37(4)：261-266．

[17] 肖琨，張建文，王振東．600 MW亞臨界鍋爐低氮改造后汽溫特性研究[J]．動力工程學報，2015，35(9)：699-703．

Study on Low Reheat Steam Temperature After Low NORetrofit Based on Combustion Adjustment

HU Shenglin1, LI Yuan1, MAO Rui1, ZHAN Shengping1, REN Liming1, GUO Zhicheng1, CEN Kefa2

(1.Rundian Energy Science and Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450042, Henan Province, China; 2. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization (Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

To solve the problem of low reheat steam temperature after low NOretrofit in a 330MW coal-fired boiler, the countermeasure study was conducted based on combustion adjustment strategies. The effects of burner angle, air distribution mode, burner layer distribution, coal type of upper layer, coal fineness of upper layer, ash blowing of horizontal flue, and automatic control quality on reheat steam temperature were analyzed. The results indicate that the low reheat steam temperature mainly occurs at medium-low load (lower than 250MW). Increasing burner angle, using inverted tower air distribution, increasing utilization rate of upper burner, improving coal calorific of upper layer, decreasing coal fineness of upper layer, strengthening ash blowing of horizontal flue and optimizing automatic control quality are conducive to improving the reheat steam temperature. The proposed combustion adjustment strategies provide important reference for the similar problem in boiler retrofit.

coal-fired boiler; low NOretrofit; reheat steam temperature; combustion adjustment

10.12096/j.2096-4528.pgt.19084

國家自然科學基金創新研究群體項目(51621005)。

Project Supported by the Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (51621005).

2019-05-22。

胡勝林(1983)，男，工程師，研究方向為火力發電廠系統調試與超低排放，hushenglin@crpower.com.cn；

李源(1990)，男，博士，工程師，研究方向為能源清潔高效利用，liyuan355@crpower.com.cn；

岑可法(1935)，男，中國工程院院士，主要從事化石燃料的能源高效清潔利用、城市生活垃圾等廢棄物資源化、能源化、生物質燃燒氣化制油、水煤漿代油技術等方面的研究工作。

胡勝林

(責任編輯 尚彩娟)