630MW機組W”型鍋爐深度調峰過程燃燒惡化分析及穩燃措施

0 引言

隨著我國新能源的快速發展，降低碳排放的目標推進，光伏、風電容量占比不斷增加，電力市場主導地位不斷發生變化。在這一背景下，火電機組面臨多方面挑戰，在運行中需要上能頂峰帶負荷，下能深調參與市場輔助，快速適應市場變化和需求，這就對設備維護和運行調整提出了更高要求。對于火電機組，在搶發電量的同時，調峰深度也決定了輔助收益，但也進一步增加了鍋爐燃燒的安全風險，因此對鍋爐穩燃方面的研究至關重要。

1設備概況

某電廠630MW超臨界機組鍋爐采用北京巴布科克威爾克斯有限公司生產的超臨界參數、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的“W\"火焰型爐，鍋爐型號：Bamp;WB-1950/25.4-M. 。配備A、B、C、D、E、F六套雙進雙出鋼球磨正壓直吹式制粉系統，其中B、E磨各配置一套等離子穩燃裝置，8個等離子發生器對應B、E磨8個燃燒器

燃燒設備采用雙拱絕熱爐膛、濃縮型低NO雙調風旋流燃燒器，燃燒器平行對稱布置于爐膛下部的爐拱上，前、后各12只，共24只；在燃燒器下部，與燃燒器相對應，前后墻各布置12個乏氣噴口，共24只；與煤粉燃燒器對應同時配置了24只點火油槍；每個燃燒器下部均設有分級風管，每個分級風管分成2個支管（即噴口），每臺鍋爐共有48個分級風噴口，前后墻各24個。爐型與燃燒器及配風布置情況如圖1所示。

2 “W\"型火焰鍋爐的燃燒特性及深調主要風險點

2.1“W\"型火焰鍋爐的燃燒特性及現狀

“W\"型火焰鍋爐由下部爐膛（燃燒室）和上部爐膛（燃燼室）組成，一般下部爐膛的深度比上部爐膛大 80%～120% ，燃料燃燒過程基本上是在下爐膛完成（ 75% 以上），上部爐膛主要是冷卻煙氣用。上、下爐膛之間有一縮腰，可減少上部爐膛水冷壁對著火和燃燒區的輻射吸熱，有利于提高著火區的溫度，創造更好的著火條件。同時由于“W\"型火焰的形成，火焰下沖使煤粉在爐膛內的燃燒行程增加，著火距離長，更有利于煤粉的燃爆，燃燒穩定性顯著增加。對于低揮發分的貧煤和無煙煤等劣質煤種，可使其表現出較好的燃燒特性。

但實際運行中入爐煤種摻配等情況往往會造成入爐煤與設計煤種偏離，煤質的多變使得配風及燃燒調整等方面難以與之匹配，導致燃燒調整中仍存在燃燒穩定性差、結焦嚴重、飛灰含碳量高、排煙損失大、污染物排放量增加等問題。

2.2“W\"型火焰鍋爐深度調峰主要風險點

2.2.1 鍋爐滅火

鍋爐深度調峰過程中，抗干擾能力差，鍋爐漏風、給煤機斷煤等擾動對鍋爐燃燒影響較大；低負荷下煤粉著火困難、著火點后移，將使燃燒穩定性下降[1。除采取配風調整、煤粉細度控制、等離子穩燃技術及其他穩燃措施外，配煤的準確性和穩定性與深度調峰過程中鍋爐的運行安全性直接相關。煤種的摻配方案需要緊跟負荷的變化，做好負荷預測，滿足高負荷需求和深調的穩燃需求。鍋爐深調工況下需要提高入爐煤揮發分，保證煤粉著火及燃燒穩定性；同時適當降低入爐煤熱值，利于低負荷下磨煤機出力控制，從而保證鍋爐熱負荷均勻分布，防止出現鍋爐燃燒惡化、滅火等風險。

2.2.2 水動力不足

低負荷下鍋爐給水流量大幅下降，給水泵出力較小， 630MW 機組深調至 30% 負荷工況下，鍋爐已介于干濕態轉換的臨界點。此時，鍋爐給水流量接近最小流量，水冷壁溫及溫差顯著升高，水動力不足。如果出現給水流量波動或燃燒擾動情況，極易發生受熱面大面積超溫、應力撕裂導致爆管事故。

2.2.3 水沖擊

30% 負荷深調工況下，鍋爐介于干濕態轉換的臨界點，在燃燒正常調整和擾動中極易發生干濕態頻繁切換，對鍋爐承壓部件產生交替的應力損壞。同時深調工況下煤水比容易失衡，若燃燒大幅減弱或給水流量過大會導致汽溫大幅下降，造成汽輪機水沖擊。

2.2.4 鍋爐承壓部件應力損壞

鍋爐正常啟停及變負荷過程中，鍋爐本體會發生不同程度的膨脹變形，其變形程度隨變負荷的幅度大小和速率而不同。當變形過大導致局部膨脹受阻時，會對鍋爐承壓部件產生較大應力作用，造成承壓部件損壞、受熱面變形拉裂等情況。同時鍋爐深調至低負荷時，受熱負荷分布不均、水動力不足的影響，鍋爐受熱偏差及水冷壁溫偏差也會產生較大應力，造成水冷壁拉裂損壞。

3“W\"型火焰鍋爐深度調峰過程中燃燒惡化現象及處理分析

3.1 發生燃燒惡化后的現象

該電廠 630MW 機組深度調峰至 200MW ，協調在機跟隨方式，A、B、E三臺磨煤機運行，爐水泵運行，主汽壓 10.8MPa ，蒸發量 ?590t/h ，給水流量 737t/h 氧量 6.6% ，汽水分離器貯水箱水位 11.8m ，一次風壓8.8kPa 。爐側主汽溫 559^°C/562^°C ，再熱汽溫 558°C/ 557°C ，機組運行工況穩定。

此時，B1給煤機發生斷煤，B2、E4煤火檢相繼失去，爐膛負壓無異常波動，氧量突升至 7.3% ，主汽壓下降 0.2MPa ，幅度較小，一次風壓穩定，分離器水位快速下降。爐側A、B側主、再熱汽溫同時升高，但B側主、再熱汽溫快速上升幅度較大，主汽溫兩側最大偏差 13^°C ，再熱汽溫兩側最大偏差達 ，過再熱器壁溫快速升高。從給煤機斷煤擾動發生，燃燒惡化至各參數調整正常，過程持續 15min 左右，其間上水冷壁屏間差、屏過出口、二過進出口、再熱器壁溫均出現持續超溫情況，燃燒調整穩定后各參數恢復正常。

3.2 處理過程分析

B1給煤機發生斷煤后，監盤人員立即聯系敲倉人員啟動空氣炮振打，恢復下煤正常。隨之發現B2、E4煤火檢相繼失去，依次投入B、E層等離子磨油槍穩燃，B2煤火檢恢復正常。

因鍋爐主、再熱汽溫及各受熱面壁溫升高較快，立即增加給水流量，并調整一級、二級過熱蒸汽減溫水量控制主汽溫；同時關小再熱煙氣擋板控制再熱汽溫，開啟B側再熱蒸汽事故減溫水；將主、再熱汽溫控制在正常范圍，各受熱面壁溫逐步下降至正常。

但E4煤火檢仍持續頻閃，分離器水位下降至 7m 后又快速升高至 16.4m ，開啟341排放閥控制水位正常。啟動D磨煤機運行，E4煤火檢恢復正常。逐支退B、E層油槍，燃燒穩定，調整各參數正常，恢復初始運行工況。

3.3 原因分析及對應穩燃措施

此次鍋爐深度調峰過程燃燒惡化情況的發生，是一次典型的給煤機斷煤引起的燃燒擾動，這也是事故的主要原因。現從事件發生后鍋爐各參數變化進行以下方面的分析。

3.3.1 給煤機斷煤

給煤機斷煤為鍋爐燃燒調整過程中最常見的擾動，也是鍋爐深調在低負荷運行中對燃燒影響最大的因素之一。原煤倉空倉、蓬煤、原煤含水量大等原因引起的給煤機斷煤，會造成磨煤機出力下降，出粉量變化，引起短時燃燒劇烈擾動。其中空倉斷煤造成的返風情況，更會導致磨煤機一次風壓驟降，燃燒減弱。本次燃燒擾動工況是煤倉蓬煤導致給煤機短時斷煤引起的，因鍋爐負荷較低，給煤機斷煤后磨煤機兩側出粉量形成較大偏差，造成局部熱負荷減弱，燃燒瞬間惡化。因此，在日常鍋爐配煤摻燒工作中，應充分考慮機組負荷變化，摻配煤種要根據負荷情況及時調整，保證入爐煤水分、揮發分、熱值、可磨性系數在可控范圍，在滿足磨煤機出力要求的同時，保證煤粉著火、燃燼，確保鍋爐燃燒安全。

3.3.2 煤火檢失去

本次燃燒惡化過程中兩只煤火檢相繼失去，由給煤機斷煤引起，使鍋爐燃燒失穩。局部燃燒惡化，伴隨氧量突升、主汽壓下降等，均表現出燃燒惡化的典型特征。雖然爐膛負壓無大幅波動，但鍋爐燃燒明顯減弱。此時，運行人員發現異常及時采取投油穩燃操作尤為重要，即優先保證鍋爐燃燒，防止燃燒持續惡化導致鍋爐滅火。

3.3.3汽溫偏差及壁溫超限

主、再熱汽溫突升原因為鍋爐燃燒惡化后，火焰中心后移，輻射換熱減少，對流換熱增加，且投油穩燃后燃料增加。而主、再熱汽溫偏差增大，原因為燃燒局部減弱，造成鍋爐兩側火焰大幅偏移。鍋爐燃燒的劇烈變化，導致汽溫突變，同時引起各受熱面壁溫超限。在汽溫及受熱面壁溫整體升高且超限情況下，優先考慮增加鍋爐給水量，并增加爐水泵循環流量，避免持續超溫對金屬材質產生不可逆損壞，防止偏差大水冷壁拉裂、超溫嚴重鍋爐爆管等后果。

3.3.4 磨煤機運行方式

該電廠配備6臺雙進雙出鋼球磨煤機，對應的24只燃燒器平行對稱布置于爐膛下部的爐拱上，前后各12只。燃燒器分布情況如圖2所示。

由圖2可以看出，當磨煤機運行方式為A、B、E三臺磨時，燃燒器的分布雖然較為對稱，但鍋爐左后及右前燃燒室均為單只燃燒器，抗干擾能力差。當出現斷煤或其他擾動時，很容易引起燃燒偏移、局部燃燒減弱。超臨界鍋爐爐膛寬度、深度都較大，熱負荷分布分散。在燃燒調整時，要保證鍋爐熱負荷集中且均勻分布，才能有效保證燃燒穩定[3]。

本次處理過程中，在發生鍋爐燃燒不穩情況時及時改變磨煤機運行方式，改善燃燒，啟動D磨煤機后燃燒好轉至穩定。但深度調峰過程中四臺磨煤機較三臺磨煤機運行，降負荷調整難度加大，也對磨煤機出力調整和配煤熱值控制提出了更高要求。

3.3.5一次風壓控制

從本次燃燒擾動惡化前的穩定工況看，一次風壓維持在 8.8kPa ，風壓接近磨煤機出力上限。深調工況下，一次風壓過高會導致“W”火焰下沖嚴重，風速過高，燃燒器脫火；同時風粉比例增加，煤粉濃度降低，不利于煤粉著火和穩定燃燒，這也是造成鍋爐燃燒不穩的原因之一。因此，深度調峰時對磨煤機的出力控制應保留相對余量，在合理范圍內調整一次風壓，使鍋爐燃燒維持在最佳狀態[4]。

4結束語

通過對“W\"型火焰鍋爐深度調峰過程燃燒惡化的分析可以看出，“W\"型火焰鍋爐深調時具有其燃燒特殊性。而隨著現在大型燃煤機組深調的常態化，更深度的調峰決定了燃煤機組發展的必然命運。據不完全統計，目前我國已投運和在建的“W\"型火焰鍋爐已達130臺左右，但針對“W\"型火焰鍋爐深度調峰穩燃方面的研究，可指導性措施還不完善，目前深調至 20% BMCR負荷還面臨一定挑戰。本文對一次鍋爐燃燒惡化工況進行了全面分析，并提出了相應的調整及穩燃措施，為大容量“W\"型火焰鍋爐未來進一步極深度調峰積累了經驗， 提供了參考。

[參考文獻]

[1］王科.“W\"型火焰鍋爐燃燒優化與氮氧化物控制研究[D].武漢：華中科技大學，2018.

[2]黃曉剛，陳文，曾俊.超臨界W鍋爐啟動階段水冷壁壁溫特性分析[J].應用能源技術，2021（7）：46-50.

[3]楊仕強.新電力市場環境下火力發電廠運行技術的創新實踐——600MW超臨界“W\"火焰鍋爐燃煤機組深度調峰技術研究與應用[C]//2017火電靈活性與智慧熱電技術