350 MW超臨界旋流燃燒鍋爐低負荷燃燒優化試驗研究

鞏時尚，雍紹平，李韓亮，耿伯儒，梁 銳，殷德祥

(1. 中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 國家電投集團寧夏能源鋁業有限公司臨河發電分公司，寧夏 銀川 751400)

0 引言

隨著國民經濟的發展和風電、光伏、光熱、儲能等新能源的大規模入網，電網負荷及峰谷差越來越大，電網調峰壓力也隨之增大。越來越多的大容量電站鍋爐參與調峰，使其長期處于低負荷狀態運行[1]，涌現出一些負面現象：高負荷運行時鍋爐水動力良好、爐膛火焰充滿度高、爐膛溫度場分布均勻[2]；但在低負荷運行時，存在汽水流量低、水動力差、鍋爐受熱面對爐膛煙氣均勻的敏感性增強、爐內溫度低、燃燒不穩定、燃盡困難以及脫硝入口NOx濃度高等問題[3]。

本文以寧夏某350 MW超臨界機組旋流燃燒鍋爐為研究對象，針對低負荷鍋爐燃燒不穩定，原始NOx濃度高，煤粉燃盡差等問題開展了試驗，為同類型旋流燃燒鍋爐在低負荷下安全穩定運行提供技術參考。

1 鍋爐概況

寧夏某電廠2×350 MW機組鍋爐為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、前后墻對沖旋流燃燒方式、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼架懸吊結構∏型鍋爐，鍋爐型號為DG1147/25.4－II1，主要性能數據見表1所列。

表1 鍋爐主要性能數據表

該鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式，前墻布置三層燃燒器，后墻布置二層燃燒器，使沿爐膛寬度方向的熱負荷及煙氣溫度分布更均勻。燃燒器上部布置有兩層燃盡風風口，分別位于前、后墻上，燃燒器布置如圖1所示。鍋爐共配備5臺中速磨煤機，編號分別為A、B、C、D、E。

圖1 燃燒器布置圖

該機組鍋爐長期在280～350 MW之間的較高負荷下運行，鍋爐水動力良好，各受熱面壁溫偏差小，飛灰含碳量和爐渣含碳量均小于1.5%，煤粉燃盡高，且脫硝入口NOx濃度低于280 mg/Nm3。但近年來隨著周圍地區風電、光伏等新能源大量入網，使得該機組鍋爐白天負荷長期處于140～175 MW之間，低負荷運行時，鍋爐火檢偶爾出現閃爍，燃燒不穩定；機組脫硝入口NOx濃度最高達到了600 mg/Nm3，遠高于設計值350 mg/Nm3；飛灰和爐渣含碳量達到3%以上，煤粉燃盡率不佳；此外主蒸汽溫度降低至540～545 ℃，比40%熱耗率驗收工況(turbine heat acceptance，THA)設計值(571 ℃)低26～31 ℃，再熱蒸汽溫度降低至531～535 ℃，比40%THA設計值(549 ℃)低14 ～ 18 ℃。

2 低負荷燃燒優化試驗

針對鍋爐低負荷運行時出現的各種問題，文章主要從燃燒器穩燃冷態試驗，熱負荷均勻性試驗以及磨煤機組合、氧量、配風方式、磨煤機煤粉細度的調整試驗進行優化。

2.1 燃燒器穩燃冷態試驗

煤粉能否穩定燃燒，取決于燃燒器自身對高溫煙氣的卷吸能力，而燃燒器外二次風旋流葉片的開度對高溫煙氣的卷吸效果有著重要影響，為探究不同外二次風旋流強度對鍋爐低負荷穩燃的影響，本研究采用冷態煙花法在外二次風旋流葉片不同開度下開展燃燒器穩燃試驗。圖2為寧夏某電廠旋流燃燒器外二次風葉片在65°、50°、35°角度下的煙花軌跡圖。

圖2 旋流燃燒器外二次風葉片在35°、50°、65°角度下的煙花軌跡圖

由圖2可知，旋流燃燒器外二次風葉片角度為65°時，燃燒器無法卷吸高溫煙氣產生回流，火焰四散，對水冷壁形成沖刷，不利于煤粉著火及穩定燃燒；旋流燃燒器外二次風葉片角度為50°時，旋流強度增大，火焰能夠產生良好的卷吸現象，形成風包粉，著火穩定；繼續關小旋流燃燒器燒器外二次風葉片角度至35°時，渦流較小，火焰拉長，回流區最大半徑減小，高溫煙氣卷吸減弱，不利于煤粉穩定燃燒[4]。因此，為增強鍋爐低負荷運行時旋流燃燒器的穩燃性，建議將旋流燃燒器外二次風角度調整為50°左右。

2.2 燃燒器熱負荷均勻性試驗

機組低負荷運行時，汽水流量低，水動力差，從而加劇爐內燃燒不均的現象。燃燒器熱負荷是否均勻，不僅關系到鍋爐各受熱面是否超溫，而且對鍋爐低負荷運行時能否穩定燃燒至關重要[5]。

為了更好地控制煤粉偏差，保證燃燒穩定，確保每個燃燒器熱負荷基本一致，煤粉量偏差控制在5%以內，本研究對鍋爐配備的每臺磨煤機都進行了燃燒器熱負荷均勻性試驗，試驗結果見表2所列。本次試驗用靠背管伸入磨煤機出口粉管進行差壓測量，通過密度修正換算成風速，核算風速是否在偏差范圍之內。若偏差較大，則調節一次風管道上的可調縮孔，然后重新測量計算，直至同一臺磨煤機出口風速與平均風速偏差控制在5%以內。

表2 燃燒器熱負荷均勻性試驗結果

試驗結果表明，每臺磨煤機自身各出口粉管風速基本相同，與平均風速偏差均保持在5%以內，可認為攜粉量基本相同，保證燃燒器熱負荷的均勻性。此次調整有效防止因燃燒器熱負荷不均導致的爐內火焰偏斜，避免了在機組低負荷運行過程中因局部熱負荷過高導致的水冷壁超溫、兩側煙溫及蒸汽溫度偏差等現象[6]。

2.3 磨煤機組合調整試驗

磨煤機組合方式的不同不僅影響煤粉穩定燃燒，而且對提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度、降低脫硝入口NOx濃度、提高煤粉燃盡率也具有決定性作用，合理的磨煤機組合是鍋爐低負荷安全穩定運行的基礎。

本次試驗依托鍋爐配備5臺中速磨煤機，最上層為D磨煤機，中間為B、E磨煤機，下層為A、C磨煤機。為保證煤粉燃盡率，本次試驗優先選取下層磨煤機組合，具體試驗組合方式：工況1為B、C、E磨煤機組合，工況2為A、B、C磨煤機組合，工況3為A、C、E磨煤機組合。不同磨煤機組合下主要參數見表3所列。由表3可知，采用A、B、C磨煤機組合和A、C、E磨煤機組合時，脫硝入口NOx濃度遠低于采用B、C、E磨煤機組合，這是由于采用這兩種組合時，火焰中心靠下，水冷壁吸熱較多，從而起到風粉分離的作用，使得脫硝入口NOx濃度低于含有2臺中層磨煤機的組合。

表3 不同磨煤機組合主要參數

無論采用哪種磨煤機組合，水冷壁最高壁溫均遠低于報警值(報警溫度為532 ℃)，且左右兩側主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度偏差均小于5 ℃，三種磨煤機組合鍋爐水動力均較好，水冷壁壁溫無明顯偏差，各受熱面無超溫現象。從水動力角度分析，在低負荷運行過程中改變磨煤機組合方式并無明顯影響。

采用B、C、E磨煤機組合試驗時，鍋爐飛灰含碳量為3.73%，而采用A、B、C磨煤機和A、C、E磨煤機組合時飛灰含碳量分別為1.49%和1.57%，說明采用兩臺下層磨的組合時，煤粉在爐內燃盡率高，有利于機組經濟性運行。

綜合分析，三種磨煤機組合在低負荷燃燒時，鍋爐燃燒穩定，水動力良好，脫硝入口煙溫均滿足要求，但采用A、B、C磨煤機和A、C、E磨煤機組合時脫硝入口NOx要低于B、C、E磨煤機組合，有利于控制脫硝入口NOx，并且飛灰含碳量也更低，有利于提高機組經濟性，三種磨煤機組合水動力均性能良好，綜合分析，建議鍋爐低負荷運行時優先采用A、B、C磨煤機組合和A、C、E磨煤機組合(即兩臺下層磨煤機，一臺中層磨煤機)。

2.4 氧量調整試驗

氧量過小，會導致爐內缺氧，飛灰含碳量升高，未完全燃燒損失增大；氧量過大，會導致煙氣量增加，排煙損失增大。氧量的調整主要是通過調整二次風總量來實現。本研究為探究鍋爐低負荷運行期間的氧量合理數據，在140 MW負荷時，進行氧量調整試驗，空預器入口氧量分別10.0%、9.0%和7.8%，對應總風量為368 t/h、360 t/h和352 t/h（由于該電廠送風機動葉偏離零位，送風機動葉開度為0%時，該負荷氧量最低為7.8%），各工況具體參數見表4所列。

表4 不同氧量下鍋爐主要參數

由表4可知：空預器入口氧量由10.0%降至7.8%時，NOx排放濃度下降101/140 mg/Nm3，脫硝入口煙溫降低3.1/2.7 ℃。這是因為氧量是由二次風總量控制，總風量的變化不改變各級燃燒空氣的比例，所以降低氧量時降低了整個燃燒區和還原區的氧濃度，有利于降低NOx濃度。氧量由10.0%降至7.8%時，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度無明顯變化，這是因為雖然氧量的提高令煙氣量增加，使對流換熱加強，有利于提高再熱蒸汽溫度，但氧量過高，也導致再熱蒸汽溫度已無提高裕量[7]。該鍋爐負荷在140 MW時，建議氧量控制在7.8%，有利于脫硝入口NOx的控制。

2.5 配風方式調整試驗

本次試驗依托鍋爐在低于200 MW負荷運行時，二次風箱壓力為0 kPa，與爐內幾乎無差壓，導致二次風剛性不足，煤粉燃燒時旋流強度極弱。隨著爐內負壓的影響，使得出口氣流不能有效深入爐內，下層火焰在爐內負壓的作用下上移，造成爐內火焰中心高，煤粉燃盡率低。為解決該問題，進行了二次風門開度調整試驗，具體結果見表5所列。

表5 二次風門調整前后鍋爐主要參數

由表5可知，機組在140 MW負荷運行期間，鍋爐總風量維持穩定。，將投運磨煤機對應二次風門關小后，主蒸汽溫度提高1.6 ℃，再熱蒸汽溫度提高1.8 ℃，過熱度提高4.7 ℃，過熱器一級減溫水流量下降4.4 t/h，二級減溫水流量下降3.1 t/h，并且調整后飛灰含碳量降低1.92%，爐渣含碳量降低0.78%。這是由于在總風量不變的前提下，關小二次風門開度，提高了二次風速，使得二次風剛性增強，煤粉在爐內旋流強度增加，有利于提高煤粉燃盡率及鍋爐低負荷運行時的穩燃性能[8]。

2.6 磨煤機煤粉細度調整試驗

本次試驗依托鍋爐配置的磨煤機分離器為靜態分離器，分離器通過折向擋板葉片開度來控制煤粉細度。為提高鍋爐在低負荷運行期間的效率，降低飛灰和爐渣含碳量，本研究在鍋爐負荷140MW、其他參數不變的條件下對磨煤機分離器折項擋板進行了調整[9]，折向擋板開度分別為20%、30%、40%三個工況，調整后具體參數見表6。由表可知，分離器折向擋板在30%時，煤粉細度為19.7%，煤粉最細(該電廠靜態分離器折向擋板開度為20%～90%，開度20%時，由于開度過小，導致該處風速過高，反而不利于提高煤粉細度)，飛灰含碳量和爐渣含碳量最低，且脫硝入口煙溫度略高于粗煤粉工況，說明煤粉燃盡程度高，鍋爐穩燃性能好。因此，鍋爐在較低負荷運行時，應適當降低煤粉細度。

表6 不同煤粉細度下鍋爐主要參數

3 結論

通過對350 MW超臨界旋流燃燒鍋爐低負荷燃燒試驗研究，得出如下結論。

1)旋流燃燒器外二次風開度對旋流強度起重要作用，低負荷運行時，關小外二次風葉片開度，旋流強度增強，火焰卷吸高溫煙氣，形成有效風包粉，有利于煤粉的穩定燃燒。

2)投入2臺下層磨煤機，1臺中層磨煤機組合時(即A、B、C磨煤機組合和A、C、E磨煤機組合)，有利于降低脫硝入口NOx濃度和飛灰含碳量，提高鍋爐低負荷運行時的經濟性和環保性。

3)運行氧量對NOx排放濃度和再熱蒸汽溫度有著重要影響，鍋爐低負荷運行時，應在保證再熱蒸汽溫度的基礎上適當降低氧量，有利于NOx的控制。

4)鍋爐低負荷運行時，在保證脫硝入口煙溫和蒸汽溫度的前提下，建議優先采用2臺下層磨煤機，1臺中層磨煤機組合的方式，同時適當提高煤粉細度，關小二次風門開度，不僅有利于煤粉的穩定燃燒，而且可以降低飛灰和爐渣含碳量，達到提高鍋爐效率的目的。