500MW 塔式鍋爐超溫問題解析

王興濤 羅建科 劉志華

（1.華能新疆吉木薩爾發(fā)電有限公司，新疆吉木薩爾 831799；2.陜西君創(chuàng)智盈能源科技有限公司，陜西西安 710000）

0.引言

某電廠鍋爐型號(hào)為1650t/h-17.46/3.85-540/540 的塔式爐、亞臨界、低倍率強(qiáng)制循環(huán)、一次中間再熱、塔式布置、固態(tài)排渣爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)、正壓直吹式冷一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[1]。鍋爐分別于2014 年、2016 年對(duì)燃燒器進(jìn)行了改造。低氮燃燒器改造后出現(xiàn)超溫限負(fù)荷現(xiàn)象，限制鍋爐負(fù)荷只能達(dá)到470MW～480MW，受到電網(wǎng)頻繁考核，為此電廠想通過燃燒調(diào)整來解決此問題。

1.問題分析

由于電廠在進(jìn)行低氮燃燒器改造過程中時(shí)連續(xù)對(duì)3、4號(hào)爐進(jìn)行了改造，而目前3 號(hào)爐并不限制負(fù)荷運(yùn)行，通過對(duì)比3 號(hào)爐低氮燃燒器歷次改造后參數(shù)發(fā)現(xiàn)，3 號(hào)爐燃燒器第一次改造后存在超溫限負(fù)荷現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)認(rèn)為是燃燒區(qū)域二次風(fēng)量過小，缺少燃燒初期的氧量，造成燃燒中心上移；4 號(hào)爐第一次改造時(shí)，燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)道截面積較3 號(hào)爐第一次改造增加17%，啟動(dòng)后同樣存在超溫限負(fù)荷現(xiàn)象，但幅度有所緩解。3 號(hào)爐第二次改造時(shí)，噴燃器內(nèi)、外二次風(fēng)道截面積較4 號(hào)爐第一次改造增加30%，基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但二次風(fēng)壓較高。4 號(hào)爐第二次改造時(shí)，規(guī)格尺寸與3 號(hào)爐第二次改造相同，區(qū)別主要是3號(hào)爐在內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)入口處，安裝有縱向隔板和分室隔板；4 號(hào)爐將這兩個(gè)隔板全部拆除。為比較3 號(hào)、4 號(hào)爐燃燒器結(jié)構(gòu)中兩處差異對(duì)燃燒器出口流場的影響，對(duì)兩臺(tái)爐燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 3號(hào)、4號(hào)鍋爐燃燒器出口風(fēng)量計(jì)算

由模擬及計(jì)算結(jié)果可知，雖然3 號(hào)、4 號(hào)鍋爐在燃燒器結(jié)構(gòu)上存在差異，但該結(jié)構(gòu)差異對(duì)燃燒器噴口的速度場、流場并無影響，排除燃燒器結(jié)構(gòu)差異造成4 號(hào)爐鍋爐超溫的原因。分析可能存在的原因：（1）低氮燃燒器改造后主燃燒器二次風(fēng)噴口面積減小，燃燒器區(qū)域缺氧燃燒，導(dǎo)致爐膛火焰中心上移，此外，煤質(zhì)變化也一定程度上影響爐內(nèi)燃燒。進(jìn)而影響爐內(nèi)受熱面的換熱，從運(yùn)行數(shù)據(jù)可看出（見表2），一級(jí)過熱器出口氣溫較設(shè)計(jì)值平均升高近50℃，且C 路（爐左后區(qū)域）存在熱偏差，導(dǎo)致一、二級(jí)受熱面出口C 路超溫；（2）低再入口氣溫高負(fù)荷偏高10℃左右，低再出口D 路存在熱偏差；（3）高溫再熱器系統(tǒng)吸熱量偏大。

表2 480MW下蒸氣溫度實(shí)際值與設(shè)計(jì)值比較（℃）

針對(duì)以上可能的原因制定燃燒調(diào)整的思路為降低爐膛火焰中心并減少熱偏差。

2.摸底試驗(yàn)

2.1 氧量測點(diǎn)校核試驗(yàn)

分別在機(jī)組電負(fù)荷300MW、450MW 工況下對(duì)DCS部分測點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)核對(duì)，并找出各測點(diǎn)的代表點(diǎn)，測試結(jié)果如表3 所示。

由表3 可知，300MW、450MW 負(fù)荷下，脫硝入口、空預(yù)器入口氧量就地測試值與DCS 顯示值偏差較小，兩個(gè)工況下空預(yù)器入口還原性氣氛（煙氣中CO 含量）不高，爐內(nèi)還原性氣氛不明顯。

2.2 制粉系統(tǒng)摸底試驗(yàn)

在進(jìn)行鍋爐燃燒調(diào)整前，首先對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括冷態(tài)一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)、各臺(tái)磨入口風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)、各臺(tái)磨煤粉細(xì)度和粉管粉量分配摸底試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，制粉系統(tǒng)存在的問題主要包括以下幾個(gè)。

（1）煤粉細(xì)度偏粗。4 號(hào)爐設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度R90 為25%，考慮到實(shí)際煤質(zhì)比設(shè)計(jì)煤質(zhì)燃燒特性差，目前煤粉細(xì)度應(yīng)該維持在20%～22%左右，6 臺(tái)磨煤機(jī)煤粉細(xì)度普遍高于該值，尤其1 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)磨煤機(jī)偏離較多。

（2）煤粉濃度偏差較大。前墻3 臺(tái)磨煤機(jī)4 路粉管煤粉分配不均，前墻煤粉濃度整體偏爐右側(cè)，高于《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》（DL-T466-2004）6.2.3.7“MPS 磨煤機(jī)分離器出口各管最大煤粉分配不均勻性：風(fēng)量不均勻性5%，濃度不均勻性為20%”的要求；爐內(nèi)煤粉分配的偏差也是導(dǎo)致一級(jí)過熱器、再熱蒸汽部分支路超溫的主要原因。1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)磨煤機(jī)分配不均的問題比較突出。

（3）1 號(hào)磨煤機(jī)出力受限。通過試驗(yàn)觀察，1 號(hào)磨煤機(jī)出力受限，主要表現(xiàn)在電流偏大、通風(fēng)阻力大、石子煤排量高、磨入口風(fēng)量偏低。1 號(hào)磨2017 年12 月進(jìn)入大修周期，磨輥磨損比較嚴(yán)重，檢修時(shí)由于配件原因只更換了一個(gè)磨輥，目前是一個(gè)新磨輥加兩個(gè)磨損嚴(yán)重的磨輥，嚴(yán)重影響磨煤機(jī)出力及煤粉細(xì)度的均勻性。

針對(duì)摸底試驗(yàn)掌握的數(shù)據(jù)及暴露出的問題，展開優(yōu)化調(diào)整工作，主要內(nèi)容包括：（1）煤粉細(xì)度的優(yōu)化調(diào)整；（2）煤粉分配偏差的調(diào)整；（3）變外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度。

3.優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

3.1 煤粉細(xì)度調(diào)整

通過對(duì)4 號(hào)爐進(jìn)行摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4 號(hào)爐制粉系統(tǒng)優(yōu)化空間較大，因此主要從煤粉細(xì)度及煤粉分配方面開展調(diào)整工作。對(duì)4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)磨煤機(jī)進(jìn)行煤粉細(xì)度調(diào)整工作，通過調(diào)整分離器擋板開度來實(shí)現(xiàn)。調(diào)整前后的分離器擋板開度及煤粉細(xì)度結(jié)果如表4 所示。

表4 煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

鍋爐4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)磨分離器擋板調(diào)整后，煤粉細(xì)度總體有所下降，5 號(hào)磨下降8%，整體煤粉細(xì)度在28%～30%左右，對(duì)爐內(nèi)降低火焰高度有利，較調(diào)整前減溫水有明顯好轉(zhuǎn)。由于5 號(hào)磨煤機(jī)分離器擋板在45°，磨煤機(jī)出力在52t/h 以上有堵磨的趨勢，因此，將煤粉細(xì)度保持在目前狀態(tài)，不再繼續(xù)降低煤粉細(xì)度至設(shè)計(jì)值25%。

3.2 煤粉分配調(diào)整

由于鍋爐制粉系統(tǒng)未配置專門的煤粉分配器，煤粉濃度的再次分配只能依靠磨組本身結(jié)構(gòu)及分離器擋板進(jìn)行二次分配[2]。為了解決部分磨組煤粉濃度分配偏差大的問題，采用改變粉管系統(tǒng)阻力的方法來解決這一問題。針對(duì)前期摸底發(fā)現(xiàn)前墻燃燒器對(duì)應(yīng)的1 號(hào)、2 號(hào)、5 號(hào)磨煤機(jī)出口一次風(fēng)速偏差較大的問題，對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)、5 號(hào)磨進(jìn)行了熱態(tài)調(diào)平，通過調(diào)整，3 臺(tái)磨組的粉管煤粉粉量偏差明顯下降，滿足《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》（DLT466-2004）6.2.3.7“MPS 磨煤機(jī)分離器出口安置格珊型的煤粉分配器后，各管最大煤粉分配不均勻性風(fēng)量不均勻性5%，濃度不均勻性為20%”的要求。

調(diào)整后鍋爐超溫及減溫水量大問題進(jìn)一步得到解決，鍋爐可帶至500MW 負(fù)荷運(yùn)行。

3.3 變外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度試驗(yàn)

變外二次風(fēng)旋流片角度試驗(yàn)的目的是加強(qiáng)燃燒器噴口的卷吸能力，使煤粉著火提前、強(qiáng)化中心回流區(qū)域的燃燒，以達(dá)到整體火焰中心下降的目的。在450MW 負(fù)荷下，保持其余參數(shù)不變將燃燒器外二次風(fēng)旋流片角度由60°調(diào)至40°，以此加強(qiáng)燃燒器著火區(qū)域的回流擾動(dòng)，提高燃燒器區(qū)域煤粉的燃盡促進(jìn)整體火焰中心下移，然而在調(diào)整后發(fā)現(xiàn)外二次風(fēng)旋流片角度調(diào)小后墻過出口C 路、低再出口D 路氣溫并沒有下降，反而有上升的趨勢，同時(shí)飛灰含碳量及爐渣含碳量都有大幅度的增加。這是由于外二次風(fēng)旋流片角度關(guān)小，使得燃燒器阻力增加，進(jìn)入主燃燒區(qū)域的二次風(fēng)量相對(duì)減少，燃盡風(fēng)區(qū)域風(fēng)量增加，雖然旋流角度減小增加了燃燒器的旋流強(qiáng)度，但進(jìn)入燃燒器二次風(fēng)量的減小遠(yuǎn)大于旋流強(qiáng)度增加對(duì)燃燒組織的影響。

3.4 變氧量試驗(yàn)

變氧量試驗(yàn)的目的在于通過降低爐膛出口氧量，減少爐內(nèi)煙氣量，降低對(duì)流受熱面的吸熱量，以緩解超溫現(xiàn)象。分別在400MW 和450MW 穩(wěn)定負(fù)荷工況下進(jìn)行了爐內(nèi)變氧量試驗(yàn)，主要考察了氧量下降對(duì)墻過出口、低再出口氣溫的影響，并對(duì)450MW 負(fù)荷下的工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，400MW、450MW 兩個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下，降低爐膛出口氧量，雖然煙氣量的減少使尾部對(duì)流受熱面的吸熱相對(duì)降低，但由于超溫區(qū)域墻式過熱器、高溫再熱蒸汽系統(tǒng)輻射換熱特性大于對(duì)流換熱，該區(qū)域的氣溫并無明顯下降趨勢。

4.調(diào)整結(jié)果

通過調(diào)整煤粉細(xì)度、粉量分配、變氧量以及改變外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度后原超溫區(qū)域的熱偏差問題得到改善，特別是墻過出口C 路的氣溫由最高482.7℃降低到446℃左右，對(duì)應(yīng)二級(jí)過熱器同側(cè)氣溫也相應(yīng)降低。調(diào)整前，在相同煤種狀況下，機(jī)組負(fù)荷最高維持在475MW，調(diào)整后在同種煤質(zhì)下機(jī)組基本能在額定負(fù)荷500MW 下穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)整前、后過熱蒸汽參數(shù)變化如圖1 和圖2 所示。

圖1 調(diào)整前后一過出口溫度對(duì)比圖

圖2 調(diào)整前后二過出口溫度對(duì)比圖

5.結(jié)語

（1）塔式爐上、下層燃燒器間距較大，本身具備分級(jí)燃燒的特性。加上低氮燃燒器改造后，主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)量進(jìn)一步減少，爐膛整體火焰中心上移，以墻式過熱器、高溫再熱器為代表的輻射式換熱面吸熱量增加是導(dǎo)致鍋爐高負(fù)荷超溫的主要原因，可適當(dāng)對(duì)主燃燒器二次風(fēng)噴口面積進(jìn)行改造，保證主燃燒器區(qū)域配風(fēng)調(diào)整的裕度。

（2）塔式爐上、下層燃燒器間距較大（此廠間距近8m），因此要使火焰中心下移需保證下層燃燒器對(duì)應(yīng)磨煤機(jī)的出力以及煤粉細(xì)度不要過大。

（3）目前，低氮燃燒器改造后不同程度出現(xiàn)煤種適應(yīng)能力差現(xiàn)象，因此在調(diào)整過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)制粉系統(tǒng)的優(yōu)化，尤其是加強(qiáng)主力磨組的檢修維護(hù)，重點(diǎn)檢查分離器擋板、磨輥與磨盤、襯板、落煤管、筒體、石子煤箱等部位，高負(fù)荷期間加強(qiáng)石子煤清理工作的頻次，以保證磨煤機(jī)出力滿足要求。

（4）為加強(qiáng)底部燃燒器的補(bǔ)氧，高負(fù)荷期間應(yīng)全開下兩層燃燒器二次風(fēng)門；最上層磨組投用時(shí)，隨著煤量的增加最上層燃燒器二次風(fēng)開度不應(yīng)過大；燃盡風(fēng)只需投用下層，且不宜過大；增加燃盡風(fēng)直流風(fēng)的比例，增強(qiáng)后期補(bǔ)風(fēng)的剛性。

（5）加強(qiáng)鍋爐本體漏風(fēng)的治理，重點(diǎn)是撈渣機(jī)水封、吹灰器區(qū)域，杜絕不參與燃燒組織的風(fēng)量進(jìn)入爐膛，使燃燒中心區(qū)域工況劣化。