300MW亞臨界電站鍋爐燃燒器優化分析

李慶華，劉存忠，李江涌，陸軍，張健

（1.晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原 030006；2.晉能控股山西電力股份有限公司侯馬熱電分公司，山西 臨汾 043000；3.晉能控股山西電力股份有限公司同贏發電分公司，山西 大同 037000；4.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710032）

電網容量的大幅增長和負荷的頻繁變化對電廠穩定燃燒提出了更高要求，我國主力調峰燃煤機組大多釆用直流燃燒器的燃燒方式。為提高機組整體經濟性，鍋爐燃用煤種普遍與設計煤種不符，配風方式、煤種特性和磨煤機的投運數量決定了燃燒器的工作狀況，進而影響火焰燃燒情況。若不能保證火焰中心位置的合理分布，則易造成水冷壁結渣、高溫腐蝕、超溫爆管等問題，嚴重時甚至觸發鍋爐MFT 動作，引發熄火停爐等事故，對電網造成巨大沖擊。因此，優化燃燒器燃燒工況對提高鍋爐的穩定性和經濟性具有重大意義。

本文針對某300MW 對沖燃燒鍋爐，結合實際運行情況，研究分析了鍋爐存在的問題及原因，并提出了相應的改造與優化方案。實際運行結果表明，改造后鍋爐燃燒穩定性顯著改善，燃煤適應性有效拓寬。

1 機組概況及問題

1.1 機組概況

本研究對象為國內某300MW 亞臨界鍋、一次中間再熱、自然循環汽包鍋爐，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式，設計燃料為煙煤。

爐膛四角布置擺動式燃燒器。配有5 臺ZGM95G-Ⅰ型中速磨煤機。燃燒器可以上下擺動，四角共裝設十五層噴嘴、五層煤粉燃燒器、七層二次風、三層燃燼風。每層煤粉燃燒器周圍配有周界風，在七層二次風之中配有三層輕油燃燒器。除三層燃燼風噴嘴由手動驅動作水平±12°擺動外，其余由擺動氣缸驅動作整體上下擺動，一次風噴嘴可作上下各20°的擺動，二次風噴嘴可作上下各30°的擺動，以此來改變燃燒中心區的位置，調節爐膛內各輻射受熱面的吸熱量。噴口擺動由氣動執行機構來實現，燃燒器部分設計參數見表1。

表1 燃燒器設計參數

對研究對象運行平均飛灰含碳、爐渣含碳進行持續統計可得，其2 月份最佳工況下平均飛灰含碳8.21%、爐渣含碳11.08%。

1.2 存在問題及原因

鍋爐飛灰含碳量、大渣含碳量高，灰渣比失調，鍋爐熱效率降低。鍋爐燃用煤種偏離設計值，來源不穩定，多為礦煤，并摻燒部分無煙煤，煤粉氣流早期著火能力不強。煤粉細度變大，每臺磨煤機出來的煤粉氣流都是混煤氣流，不同種類燃料存在“搶風”現象，對無煙煤、劣質貧煤燃燒燃盡不利，相應的著火燃燒和燃盡所需要的時間加長。而燃煤熱值的降低迫使更多的燃煤參與燃燒，導致煙氣量增大，燃煤顆粒在爐膛的停留時間變短，燃燒不充分。

燃燒器區域水冷壁高溫腐蝕嚴重。從實際數據來看，燃煤硫含量均大于1%，最高達3%。在低氮燃燒模式下，爐膛燃燒器區域整體呈現為還原性氣氛，加劇了還原反應。低氮改造后爐膛內燃燒動力場發生變化，一次風氣流與二次風氣流旋向相反，導致爐膛內氣流紊亂，局部水冷壁缺氧嚴重，產生高溫腐蝕。

鍋爐低負荷穩定燃燒困難，機組深度調峰負荷僅能達到45%135MW。摻燒了無煙煤以及劣質貧煤，原燃燒器針對煙煤燃料設計，低負荷穩燃能力一般，且磨煤機為中速磨，煤粉細度為R90，較粗的顆粒表面無法與氧氣充分接觸，也不利于燃燒。

后屏再熱器局部測點溫度接近報警值，鍋爐減溫水使用量大。低氮改造后爐膛出口氣流紊亂，局部煙溫偏差大，且摻燒貧煤、無煙煤后，存在搶風問題，存在一定程度的燃燒滯后現象，爐膛出口煙溫偏高，從而導致后屏再熱器局部壁溫偏高，減溫水量大。

2 燃燒器改造

2.1 改造思路

針對實際燃用煤質摻燒無煙煤，煤粉細度變大、粉管風速變大的情況，在重新設計一次風燃燒器時，應設置高濃縮比的百葉窗水平濃淡濃縮裝置以提高煤粉濃度；增強回流鈍體卷吸高溫煙氣來提高煤粉溫度；從適當擴大燃燒器噴口面積、降低煤粉射流速度等方面著手，實現提前著火，加強煤粉燃燒的燃盡和穩定性，從而在保證NOx排放的同時降低飛灰含碳、提高燃燒器低負荷穩燃能力。

針對目前主燃燒區高溫腐蝕嚴重的情況，取消一次風燃燒器濃側反切設計，將一次風射流方向改為與二次風氣流一致；重新設計主燃燒區域二次風噴口，適當縮小二次風噴口面積，同時減少二次風噴口的無組織漏風；對周界風風門進行改造，減小周界風風門擋板進風面積，提高周界風風門的調節特性，減少煤粉風室的漏風。通過上述措施，可以加強爐內切圓組織，實現“風包粉”，有效緩解高溫腐蝕的同時對煤粉的燃盡和穩燃有促進作用。

針對目前存在的后屏再熱器局部壁溫偏高的情況，應重點加強一次風燃燒的著火和燃盡，將SOFA 燃燒器氣流由對沖燃燒方式更改為切園燃燒方式，原來氣流發散的SOFA 噴嘴更改為氣流剛性更好的SOFA 噴嘴，4 個SOFA 整體擺動的方式更改為單個SOFA 單獨手動擺動的方式。如此，可以降低爐膛火焰中心和爐膛出口煙溫偏差，增加運行過程中的調整手段，有效控制后屏再熱器局部壁溫偏高的情況。

2.2 改造方案

維持SOFA 風四層布置方式+標高不變，SOFA 燃燒器氣流由對沖燃燒方式更改為四角切圓燃燒方式。為方便現場操作人員操作，將4 個SOFA 整體擺動的方式更改為單個SOFA 單獨手動擺動的方式。一次風射流方向改為與二次風氣流一致，可加強切圓混合燃燒強度，同時減弱燃燒氣流紊亂現象，提高鍋爐效率以及改善后屏再熱器局部壁溫偏高問題。低氮燃燒改造后，主燃燒器區域二次風量已不足，一次風氣流與二次風氣流相反，會使主燃燒器氣流旋轉減弱，違背了四角切圓燃燒的基本原理。改造后SOFA燃燒器切圓布置圖見圖1。

圖1 改造后SOFA燃燒器切園布置圖

將原來氣流發散的SOFA 噴嘴更改為氣流剛性更好的SOFA 噴嘴，改造前后對比圖見圖2。

圖2 SOFA噴嘴修改先后對比圖

一次風燃燒器采用高濃縮比的百葉窗水平濃淡濃縮裝置，一次風噴口采用預熱強回流燃燒器，可提前預熱煤粉，提高燃燒器的低負荷穩燃能力，從而滿足鍋爐深度調峰的要求，也可降低飛灰和大渣含碳量，有利于提高鍋爐效率，詳見圖3。

圖3 一次風燃燒器立面圖

磨煤機改造后，磨煤機通風量增加，需調整二次風噴嘴面積，采用擺動少漏風噴嘴設計，減少燃燒器漏風，提高二次風箱風壓，提高燃燒器二次風氣流剛性，滿足二次風總量少工況下低氮燃燒模式。

對所有主燃燒器和SOFA 燃燒器的風門進行檢查維修，減少漏風，確保風門的位置與標牌指示位置與DCS 顯示的位置一致。改造周界風風門，減小擋板進風面積，提高調節特性，減少煤粉風室漏風，詳見圖4。

圖4 煤粉周界風風室風門改造示意圖

3 治理效果

改造后在負荷分別為180MW、220MW 和270MW 工況下測試鍋爐熱效率，其中，燃煤低位發熱量均為17985kJ/kg，化學未完全燃燒損失均為0。測試結果見表2。

表2 鍋爐部分參數測試結果

結果表明，改造后的三種典型工況飛灰含碳量降幅均在1%以上，大渣含碳量降低超過3.5%，折算后排煙溫度降低10℃，修正后鍋爐熱效率分別為87.88%、87.68%、87.88%，脫硝入口NOx（干標6%O2）實測平均值分別為397.50mg/m3、391.80mg/m3、391.70 mg/m3。

為檢驗燃燒器區域水冷壁高溫腐蝕治理效果，于2022 年檢修期、2023 年檢修期對高溫腐蝕嚴重區進行了厚度測量，各區域測厚數據統計如表3和表4所示。

表3 高溫腐蝕區2021-2022年壁厚減薄量

由表3、表4 實際測量結果可知，燃燒器改造后最大月均厚度減薄量由0.2117mm 減少至0.0408mm，且水冷壁左右墻的月均減薄量之比由1.049 降低至1.038，減薄速率更加接近，火焰中心位置得到有效調整。

4 結論

受煤炭市場影響，我國調峰燃煤機組實際燃用煤種普遍與設計煤種不符。本文采取采百葉窗水平濃淡濃縮裝置、改變燃燒方式、調整二次風噴嘴面積、改進SOFA 噴嘴、減少漏風等措施，對機組燃燒器進行綜合優化。實際運行結果表明，鍋爐熱效率明顯提升，低負荷燃燒穩定性大大增強，飛灰含碳量、脫硝入口NOx實測平均值有效降低。大幅降低水冷壁高溫腐蝕區腐蝕速率，減少受熱面爆管、換管次數，進一步提升機組安全性和經濟性，對拓展燃煤適用種類具有重大借鑒意義。