600MW級電站鍋爐燃用煙煤氧量控制策略

浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司 姜慶東 趙海曉 王軍民 陳天翔 劉浩然

600MW級電站鍋爐的熱效率往往較高，可在一定程度上減少煤炭消耗，降低二氧化碳排放，已經在我國火力發(fā)電主力機組中得到大量應用。目前，普遍采用反平衡法測試鍋爐熱效率，即逐項計算鍋爐各項熱損失后再得出鍋爐熱效率。雖然此方法測試結果比較準確，但計算時涉及的參數較多，而且還需要對燃煤進行煤質化驗，既沒有簡化公式，也不能即時計算結果，無法實時了解鍋爐燃燒的經濟性，不利于鍋爐節(jié)能管理。電站鍋爐日常運行時，運行人員需要找到一個能直接并且實時反映鍋爐燃燒經濟性的關鍵工藝參數做依據，只需對該參數做出有效的調整，即可令鍋爐燃燒始終保持在最經濟狀態(tài)。

本文旨在透過復雜、抽象的電站鍋爐熱效率公式，總結一種簡單、有效的氧量控制策略，用于指導電站運行人員調整鍋爐燃燒的經濟性。首先通過對電站鍋爐熱效率計算公式進行簡化，確認氧量為電站鍋爐運行的關鍵工藝參數；其后通過現場試驗測試鍋爐尾部煙氣中的氧氣含量和CO含量，分析確定出經濟氧量，并且給出了用氧量估算氣體不完全燃燒熱損失的函數。最后研究表明，600MW級電站鍋爐滿負荷運行時經濟氧量為2.5%，50%負荷運行時經濟氧量為6%，機組負荷在300～650MW區(qū)間時氧量控制策略可概括為公式：經濟氧量=9-負荷/100，經濟氧量，%；負荷，MW。

1 研究對象

本公司建設4臺650MW超臨界燃煤發(fā)電機組，鍋爐選用哈爾濱鍋爐有限責任公司與三井巴布科克（MB）公司合作設計、制造的超臨界本生（Benson）直流爐，型號：HG-1890/25.4-YM4，一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、Π型布置、固態(tài)排渣、全鋼構架懸吊結構。爐膛斷面尺寸22.18m×15.63m。

制粉系統(tǒng)為中速磨正壓直吹系統(tǒng)，配備6臺HP1003型中速磨煤機，BMCR工況下5臺運行，一臺備用。采用30只低NOx軸向旋流燃燒器，前后墻對沖燃燒，分三層對稱布置。燃燒器上部前、后墻各布置兩層過燃風裝置，每層5只，共20只。

鍋爐滿負荷下設計氧量3.35%，對應過量空氣系數1.19，50%負荷下設計氧量為5.5%，對應過量空氣系數1.36。鍋爐尾部煙道A、B兩側各設置1個氧電池式氧量測點，安裝在尾部煙道省煤器后、脫硝裝置入口。之所以采用此處氧量而非空預器出口氧量來反映鍋爐煤粉的燃盡情況，是因為可以避免空預器漏風對氧量測點的干擾，研究分析此處煙氣中的氧量和CO含量，得出的結論會更準確，也更有代表性。

鍋爐主要設計參數：過熱蒸汽壓力25.4MPa、過熱蒸汽溫度571℃、再熱蒸汽壓力4.45MPa、再熱蒸汽溫度569℃、給水溫度283.7℃、排煙溫度124.3℃、鍋爐效率（低位發(fā)熱值）93.9%、爐膛過量空氣系數1.19、煤粉細度（R90）18.38%、總風量2169.6t/h。

2 關鍵工藝參數

按照GB/T 10184《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》，鍋爐熱效率的熱損失表達式為：η=100-q2-q3-q4-q5-q6-qoth，式中：q2為排煙熱損失，%；q3為氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%；q6為灰渣物理顯熱損失，%；qoth為其他熱損失，包括石子煤排放熱損失等，%。

q2是煤粉燃燒后產生煙氣從鍋爐尾部排放帶走熱量產生的熱損失，是鍋爐燃燒時各項熱損失中最大的一項，且過量空氣系數越大，q2越大；q3是鍋爐排煙中可燃氣體未完全燃燒產生的熱損失，主要是因為排煙中含有未完全燃燒的氣體如CO、H2、CH4和CmHn，而CO是其中最主要的成分，過量空氣系數越大，q3就越小；q4是鍋爐灰、渣中含有可燃物產生的熱損失，且過量空氣系數越大，q4就越小；q5是鍋爐爐墻、輔機設備及管道（煙風道及汽、水管道及聯箱等）向四周環(huán)境散失熱量產生的熱損失，與鍋爐機組的熱負荷、外表面溫度、風速有關，與過量空氣系數無關；q6是爐渣、沉降灰和飛灰排出鍋爐設備時所帶走的顯熱損失，基本可認為是常數，也與過量空氣系數無關；qoth是石子煤和冷卻水帶走的熱量損失，也與過量空氣系數無關。

去掉與過量空氣系數無關且在表達式中實際占比極小的q5、q6、qoth，鍋爐熱效率熱損失表達式可簡化為：η∝100-q2-q3-q4，簡單來說，當q2、q3、q4之和最小時鍋爐熱效率最高，而q2、q3、q4又與過量空氣系數也就是氧量密切相關，提高鍋爐熱效率可以簡化為降低q2、q3、q4之和。

電站鍋爐日常運行時，降低煙氣中氧量一方面可以減少排煙熱損失q2，提高鍋爐熱效率；另一方面如果氧量降得過低，煙氣中CO含量會快速升高，增加氣體未完全燃燒熱損失q3，同時也使固體未完全燃燒熱損失q4增大，反而會令鍋爐熱效率下降。可見，鍋爐氧量是對q2、q3、q4影響最大的參數，也是鍋爐燃燒經濟性的關鍵工藝參數。由此，也必然存在一個經濟氧量，此氧量既能降低排煙熱損失，還能將氣體和固體未完全燃燒熱損失之和抑制在較低的水平，令鍋爐熱效率最高[1]。

3 試驗情況

3.1 試驗方法

鍋爐尾部煙氣中CO含量是反映鍋爐燃燒情況的重要指標，鍋爐熱效率計算表明，尾部煙氣中CO含量每增加2500ppm會導致鍋爐熱效率下降約1%，使600MW級發(fā)電機組供電煤耗升高約3g/kWh。由于鍋爐在中、低負荷運行時氧量較為充足，尾部煙氣中CO含量很低，基本可以忽略不計，故試驗選擇在100%負荷下進行。

試驗在鍋爐尾部煙道專用試驗測孔處進行，測點的設置符合網格法原則，鍋爐尾部煙道截面及測孔布置如圖1所示。試驗時保持鍋爐負荷不變，總煤量、一次風、二次風均調整至穩(wěn)定運行狀態(tài)，穩(wěn)定運行30min后，用煙氣分析儀依次在每個測孔的三個不同深度測量煙氣中的CO含量和氧量，再從試驗數據中探究CO含量與氧量之間的關系[2]。

圖1 鍋爐尾部煙道截面測孔、測點布置

3.2 試驗結果

試驗中測得氧量和CO含量分布分別如圖2、圖3所示。

圖2 尾部煙道氧量分布圖（單位：%）

圖3 尾部煙道CO含量分布圖（單位：ppm）

由于鍋爐尾部煙氣中CO含量隨氧量降低而急劇升高，故把試驗測得的數據擬合為指數曲線，煙氣中CO含量與氧量的關系如圖4所示。

圖4 鍋爐尾部煙氣中CO含量與氧量的關系

擬合的曲線用函數表示為：y=30000e-1.75x，其中：y表示煙氣中CO含量（單位：ppm），x表示煙氣中氧量（單位：%）。

3.3 試驗結果分析

數據顯示，尾部煙氣中CO含量隨氧量的升高而下降。當氧量小于2%時CO含量大于1000ppm，對鍋爐效率的影響超過0.4%；當氧量大于2.5%時CO含量小于400ppm，對鍋爐效率的影響小于0.15%；當氧量大于3.3%時，CO含量小于100ppm，對鍋爐效率的影響僅0.04%。

數據還顯示，尾部煙氣中氧量每下降0.4%CO含量會升高一倍。當鍋爐運行氧量低于2%時，CO含量急劇升高，化學不完全燃燒熱損失快速增大，鍋爐熱效率會快速下降；而當鍋爐運行氧量高于2.5%時，CO含量會緩慢下降，且下降速度逐漸趨緩，化學不完全燃燒熱損失緩慢減小，鍋爐熱效率會略微升高，但同時由于氧量升高會導致排煙熱損失較快增大，此時整體上鍋爐熱效率已經不會得到提升，繼續(xù)增大氧量只會導致送、引風機電率出現明顯上升，引起鍋爐整體能耗的上升。

圖4曲線的拐點位于氧量2.5%左右，可以推論：鍋爐氧量運行在2.5%時，大幅降低q2又不引起q3、q4大幅升高的經濟氧量，此時鍋爐熱效率最高[3]。延伸來說，如果鍋爐沒有安裝CO測量表計，但在某些場合下又需要考慮氣體不完全燃燒熱損失q3，可采用函數進行粗略計算：y=12e-1.75x，其中：y表示氣體不完全燃燒熱損失q3(單位：%)，x表示煙氣中氧量（單位：%）

4 電站鍋爐主要運行區(qū)間的氧量調整

電站鍋爐主要運行區(qū)間是指機組負荷調度的主要區(qū)間，即50%～100%負荷，約300～650MW。如上所述，當機組滿負荷時鍋爐運行的經濟氧量為2.5%。

機組在50%負荷運行時情況完全不同，一方面隨著鍋爐負荷降低，鍋爐各風機出力裕量會逐漸增大，容易提高鍋爐運行氧量以進一步降低化學不完全燃燒熱損失和機械不完全燃燒熱損失；另一方面，受限于鍋爐尺寸固定、燃燒器安全運行要保證最低風速、風機穩(wěn)定工作區(qū)間非線性、鍋爐漏風等因素，鍋爐送風量實際上并不能按機組負荷比例性地減小，導致鍋爐氧量不能比例性減小，所以負荷低時反而氧量更大。

本公司50%負荷下設計氧量為5.5%。實際運行當中，由于要保護燃燒器不被燒損，即使燃燒器沒有運行也需要通一定量的二次風，再加上多數風門、擋板普遍不嚴漏風，當負荷降低到50%時，要將鍋爐運行氧量調整到5.5%存在一定困難。根據電站鍋爐的實際，既要保證燃燒調整便捷、安全，又要保證鍋爐運行經濟、節(jié)能，50%負荷時鍋爐運行的經濟氧量為6%左右。300～650MW負荷下鍋爐運行的經濟氧量設定值見表1。

表1 機組負荷與對應的鍋爐經濟氧量設定值

稍加觀察，可發(fā)現表1的數據可擬合為一條直線，如圖5所示。

圖5 機組負荷與鍋爐經濟氧量設定值之間的關系

擬合的直線用函數表示：y=9.0-x/100，其中：y表示鍋爐經濟氧量設定值（單位：%），x表示機組負荷（單位：MW）。

5 結語

綜上，電站鍋爐節(jié)能是燃煤發(fā)電機組節(jié)能管理的基礎工作，機組運行人員需要每時每刻對鍋爐燃燒的經濟性有直觀的掌握。上述鍋爐氧量與機組負荷之間關系的函數，可用于電站鍋爐運行人員日常調整鍋爐燃燒，簡單好記，便于實時干預鍋爐燃燒，讓鍋爐熱效率在負荷變化時能始終保持在較高水平。600MW級電站鍋爐燃用煙煤時，滿負荷運行經濟氧量為2.5%，50%負荷運行經濟氧量為6%，50%～100%負荷運行經濟氧量可線性取值，即：經濟氧量%=9.0-負荷/100。這種氧量控制策略簡單、好記，日常使用非常方便。