馬悟明， 陳 祿， 李 明

(1. 西北電力試驗研究院， 西安 710000； 2. 東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 吉林吉林 132012)

燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐傳統(tǒng)的點火方式是將煤粉噴入爐膛后被相鄰的油槍火焰點燃，點火期間需要消耗大量的燃油，1 000 MW超超臨界機(jī)組整套啟動試運用燃油約為5 042 t，鍋爐分部試運用燃油約為1 698 t[1]。

為適應(yīng)節(jié)能降耗的大趨勢，近幾年新建機(jī)組絕大多數(shù)采用了等離子或微油點火技術(shù)，但是微油點火并不能實現(xiàn)100%的節(jié)油目標(biāo)，在同樣點火能量的條件下，點火性能沒有等離子點火好，并且等離子燃燒器點火后可以立即投入電除塵系統(tǒng)，減少了煙塵的排放量，降低了對大氣環(huán)境的污染。因此，等離子點火技術(shù)占有重要的市場地位[2]。等離點火技術(shù)是利用高溫的等離子體在燃燒器內(nèi)部直接點燃煤粉。目前，采用等離子點火技術(shù)的機(jī)組絕大多數(shù)只設(shè)置了1層等離子燃燒器，啟動試運過程中往往由于部分等離子點火器的故障導(dǎo)致無法正常進(jìn)行等離子點火啟動；且正常啟動后，須等熱一次風(fēng)溫達(dá)到160 ℃后才能投入第2套制粉系統(tǒng)，制約升負(fù)荷速率，浪費能源[3]。為解決以上弊端，某1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐采用了雙層等離子點火技術(shù)。

1 設(shè)備及系統(tǒng)概況

該1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐采用單爐膛、雙切圓的燃燒方式。鍋爐爐膛為長方形結(jié)構(gòu)，其燃燒器采用前后墻布置，共計8個，前后墻各布置4個，8個燃燒器均為擺動式燃燒器，在爐膛內(nèi)部形成反向雙切圓，具體布置見圖1。

圖1 雙切圓鍋爐流場形態(tài)示意圖

燃燒器共設(shè)6層一次風(fēng)口，16層二次風(fēng)口，整個燃燒器與水冷壁固定連接，并隨水冷壁一起向下膨脹。在距上層煤粉噴嘴中心線上方6.475 m處布置有3層低位分離燃盡風(fēng)(LSOFA)噴嘴、10.485 m處布置有3層高位分離燃盡風(fēng)(HSOFA)噴嘴，其作用是補(bǔ)充燃料后期燃燒所需要的空氣，同時實現(xiàn)分級燃燒，降低爐內(nèi)溫度，抑制NOx的生成，燃盡風(fēng)燃燒器與煤粉燃燒器一起構(gòu)成低NOx燃燒系統(tǒng)。

該電廠使用的等離子燃燒器型號為ZRH580/12-YM，等離子發(fā)生器的型號為DLZ-200-V。A、D層布置等離子燃燒器，其余4層為多相污染物最小(MPM)低NOx燃燒器。圖2為爐膛某一個角的燃燒器結(jié)構(gòu)布置圖，其中上段燃燒器為D、E、F層燃燒器及二次風(fēng)燃燒器，下段燃燒器為A、B、C層燃燒器及二次風(fēng)燃燒器。等離子燃燒器主要設(shè)計參數(shù)見表1。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)布置示意圖

表1 等離子燃燒器主要設(shè)計參數(shù)表

2 爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力特性

鍋爐冷態(tài)空氣動力場試驗是雙層等離子燃燒特性試驗研究的基礎(chǔ)，對雙層等離子燃燒器進(jìn)行風(fēng)量的標(biāo)定，研究周界風(fēng)和二次風(fēng)擋板的開度對爐內(nèi)空氣動力場的影響，為鍋爐熱態(tài)實際運行提供參考，并以此為依據(jù)研究不同層等離子燃燒器的點火特性和燃燒特性。

2.1 爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場試驗

爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場試驗理論依據(jù)為：

(1) 模型與實物應(yīng)幾何相似。

(2) 保證氣流運動狀態(tài)進(jìn)入自模化區(qū)。

(3) 邊界條件相似。

鍋爐額定參數(shù)見表2。

表2 鍋爐額定參數(shù)

通過理論計算，一次風(fēng)風(fēng)速為30.2 m/s、二次風(fēng)風(fēng)速為34.6 m/s時爐膛進(jìn)入自?；瘏^(qū)，可用冷態(tài)運行工況模擬熱態(tài)運行工況。為保證爐內(nèi)空氣動力場氣流分布均勻，首先對一、二次風(fēng)量的標(biāo)定和磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管風(fēng)速進(jìn)行調(diào)平，然后測繪出一、二次風(fēng)射流混合情況及爐內(nèi)切圓的大小和位置。A、D磨煤機(jī)出口一次風(fēng)風(fēng)速調(diào)平結(jié)果見表3。

表3 磨煤機(jī)出口支管風(fēng)速相對偏差表 %

從表3可以看出：A、D磨煤機(jī)出口支管風(fēng)速基本調(diào)平，相對偏差在允許的范圍內(nèi)，但D磨煤機(jī)出口支管風(fēng)速最大相對偏差較A磨煤機(jī)低，如果在鍋爐熱態(tài)運行中，單投D層等離子燃燒器時爐膛各墻的受熱面受熱可能會更均勻。

2.2 爐內(nèi)空氣動力場試驗結(jié)果

此次試驗選擇了2個工況：工況一是A、B、C磨煤機(jī)同時投運以及下段燃燒器10層(AAL層、A層、AAU層、AB層、BBL層、B層、BBU層、CCL層、C層、CCU層)二次風(fēng)全投；工況二是D、E、F磨煤機(jī)同時投運以及上段燃燒器12層(DDL層、D層、DDU層、DE層、EEL層、E層、EEU層、EF層、FFL層、F層、FFU層、FFU1層)二次風(fēng)全投。

圖3為工況一爐內(nèi)空氣動力場的氣流分布，橢圓長軸為10.2 m，短軸為7.5 m。

圖3 工況一爐內(nèi)速度場分布圖

圖4為工況二爐內(nèi)空氣動力場的氣流分布，橢圓長軸為9.8 m，短軸為7.2 m。

圖4 工況二爐內(nèi)速度場分布圖

根據(jù)鍋爐設(shè)計經(jīng)驗,一般規(guī)定測量切圓直徑為設(shè)計切圓直徑的3～8倍，當(dāng)測量切圓直徑為設(shè)計切圓直徑的7～8倍時，易造成沖刷水冷壁和結(jié)焦等問題。由于該電廠設(shè)計切圓直徑為1.678 m，此次A、D層等離子燃燒器冷態(tài)空氣動力場試驗測量切圓直徑均約為設(shè)計切圓直徑的5倍左右，說明該鍋爐運行時氣流分布均勻，氣流充滿度良好，能夠有效地防止煤粉氣流沖刷水冷壁。

3 雙層等離子燃燒特性試驗

雙層等離子燃燒技術(shù)不僅實現(xiàn)了100%的節(jié)油目標(biāo)，降低了大氣環(huán)境的污染，而且解決了單層等離子燃燒技術(shù)存在的弊端，未來具有比較大的發(fā)展前景，因此對雙層等離子燃燒特性進(jìn)行試驗研究意義重大。雙層等離子燃燒特性試驗研究主要從以下幾個方面進(jìn)行：

(1) 投運不同層等離子燃燒器，研究在點火過程煤粉著火燃燒情況，判斷等離子燃燒器設(shè)計的可行性。

(2) 投運不同層等離子燃燒器，研究爐內(nèi)燃燒對鍋爐升溫、升壓速率的影響。

(3) 投運不同層等離子燃燒器，對鍋爐水動力特性的影響，主要通過燃燒過程水冷壁壁溫變化進(jìn)行試驗研究。

(4) 通過投運不同層等離子燃燒器，在相同工況下，分析煙氣中NOx排放量，并以此評價不同層等離子燃燒器投運時機(jī)組對環(huán)境的影響。

3.1 點火過程

等離子在點火燃燒過程中影響燃燒的因素很多，如等離子發(fā)生器的功率、磨煤機(jī)出口溫度、煤粉細(xì)度等，但是主要的因素是磨煤機(jī)入口的一次風(fēng)量。為了保證等離子燃燒器點火正常，穩(wěn)定燃燒，按照表1設(shè)計等離子燃燒器的出口最小風(fēng)速為18 m/s。

磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量為：

qm=ρ·ν·A·3.6·n-qm,1

(1)

式中：qm為磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量，t/h；ρ為磨煤機(jī)入口一次風(fēng)密度，kg/m3；ν為磨煤機(jī)出口每個粉管的風(fēng)速，m/s；A為磨煤機(jī)出口粉管內(nèi)徑截面積，m2；n為磨煤機(jī)出口粉管的數(shù)量(該磨煤機(jī)為8個)；qm,1為磨煤機(jī)密封風(fēng)質(zhì)量流量，t/h。

經(jīng)過計算,該等離子燃燒器點火所需的磨煤機(jī)最小入口風(fēng)質(zhì)量流量約為120 t/h。表4為A、D層等離子燃燒器點火過程磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量情況。

表4 磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量 t/h

由表4可以看出：A、D層等離子燃燒器在點火過程中，磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量基本保持在120 t/h左右，由于磨煤機(jī)入口風(fēng)量受到其他因素(如磨煤機(jī)在運行時密封風(fēng)壓力的波動，磨煤機(jī)暖磨時入口風(fēng)溫度的變化等)的影響，導(dǎo)致磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量微大于或微小于120 t/h，這是正常的。

在相同煤種、相同等離子發(fā)生器電流、相同磨煤機(jī)入口風(fēng)量條件下，對A、D層等離子燃燒器在點火過程中的著火情況進(jìn)行對比，結(jié)果見表5(其中，A、D磨煤機(jī)的鋪煤質(zhì)量為1.5 t)。

表5 啟磨時間表

由表5可以看出：在相同條件下，A磨煤機(jī)降磨輥后約80 s，出現(xiàn)第1個火檢，約120 s后出現(xiàn)第6個火檢，約133 s后8個火檢全部出現(xiàn)，著火正常穩(wěn)定；D磨煤機(jī)降磨輥后約89 s，出現(xiàn)第1個火檢，約127 s后出現(xiàn)第6個火檢，約151 s后8個火檢全部出現(xiàn)，著火正常穩(wěn)定。A層等離子燃燒器點火時比D層等離子燃燒器點火時較先著火，因為A層等離子燃燒器在鍋爐23.8 m處，D層等離子燃燒器在鍋爐32.2 m處，但是A、D磨煤機(jī)均在鍋爐房0 m處，如果不考慮其他因素的影響(如煤粉細(xì)度、煤質(zhì)偏差)，A磨煤機(jī)出口的煤粉氣流到達(dá)等離子燃燒器的用時比D磨煤機(jī)出口的煤粉氣流到達(dá)等離子燃燒器的用時要短，所以A層等離子燃燒器點火時比D層等離子燃燒器點火時較先著火。

3.2 對鍋爐升溫、升壓速率的影響

在A、D層等離子燃燒器點火成功穩(wěn)定燃燒過程中，A、D層等離子發(fā)生器的實際電流均為290 A,電壓為335 V，磨煤機(jī)出口風(fēng)粉溫度為60 ℃，磨煤機(jī)入口一次風(fēng)質(zhì)量流量為120 t/h，給煤質(zhì)量流量為35 t/h(磨煤機(jī)最小給煤質(zhì)量流量)，爐膛總風(fēng)質(zhì)量流量為1 593 t/h時,單投A層等離子燃燒器和單投D層等離子燃燒器時鍋爐啟動升壓過程見圖5。

圖5 冷態(tài)啟動升壓曲線圖

由圖5可以看出：單投A層等離子燃燒器在鍋爐啟動過程中的升壓速率較D層快，因為A層等離子燃燒器在爐膛燃燒區(qū)的最下部，煤粉燃燒后高溫?zé)煔庠跔t膛的停留時間較長，水冷壁吸收的爐膛輻射熱較多，產(chǎn)生的蒸汽量較多，主蒸汽壓力較單投D層等離子燃燒器變化較快。但A、D2層等離子燃燒器的升壓速率都沒有超過設(shè)計值，升壓速率較為平緩，各受熱面管道的承壓能力在允許的范圍內(nèi)。由于單投A層等離子燃燒器升壓速率較快，在啟動過程中燃燒更充分，從燃燒經(jīng)濟(jì)性考慮，建議在鍋爐啟動過程中先用A層等離子燃燒器點燃煤粉。

在A、D層等離子燃燒器點火成功穩(wěn)定燃燒過程中，單投A層等離子燃燒器和單投D層等離子燃燒器時鍋爐啟動升溫過程曲線見圖6、圖7。

圖6 冷態(tài)啟動主蒸汽升溫曲線圖

圖7 冷態(tài)啟動再熱蒸汽升溫曲線圖

由圖6、圖7可以看出：鍋爐主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度從點火開始的30 min內(nèi)，溫度不升反而降低了，是由于在點火之前鍋爐停爐時間較短(距離上次停爐時間約為12 h)，管壁溫度較高，A、D層等離子燃燒器在點火燃燒初期鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度較低，在流經(jīng)過熱器時帶走管壁熱量使管壁溫度降低，因此點火前30 min的溫度變化率向負(fù)向變化。點火30 min后主蒸汽溫度和再熱器溫度開始上升，點火30～60 min，A層等離子燃燒器或D層等離子燃燒器投運時，主蒸汽的升溫速率基本和設(shè)計值一致，而再熱蒸汽的升溫速率低于設(shè)計值，這是因為在該時間段A層等離子燃燒器或D層等離子燃燒器燃燒逐漸變好，煙氣溫度上升較快，但是該階段產(chǎn)生的蒸汽量較少，導(dǎo)致主蒸汽升溫速率較快；經(jīng)過過熱器吸收的煙氣溫度會降低，而再熱蒸汽溫度比過熱蒸汽溫度要高出將近30 K，傳熱溫差小，因此該階段再熱蒸汽升溫速率比過熱蒸汽升溫速率低，低于再熱器升溫速率的設(shè)計值。點火60 min后主、再熱蒸汽升溫速率明顯變緩且低于設(shè)計值，因為隨著時間的推移燃燒也更充分穩(wěn)定，產(chǎn)生的蒸汽量足以將過熱器和再熱器的管壁從煙氣中吸收的熱量帶走。

3.3 對水冷壁壁溫的影響

該1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁管采用直徑為28.6 mm、壁厚為5.8 mm的內(nèi)螺紋管+光管，材質(zhì)均為12Cr1MoVG，節(jié)距為44.5 mm，共2 288根，其中前后墻各布置768根，左右墻各布置376根。引起每根水冷壁管的壁溫偏差主要有3個方面：熱力不均、流量不均和結(jié)構(gòu)不均。由于水冷壁下集箱外面的水冷壁入口管段上安裝了入口節(jié)流孔圈以保證每根管子進(jìn)入的工質(zhì)均勻，并且每根管子的面積結(jié)構(gòu)差異很小，因此在實際運行中導(dǎo)致各個水冷壁管道出現(xiàn)壁溫偏差的主要原因是受熱不均。而爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場試驗就是保證爐內(nèi)空氣動力場均勻，爐內(nèi)火焰中心不偏斜，煙溫分布均勻。圖8為單投A層等離子燃燒器和單投D層等離子燃燒器時的水冷壁爐膛出口壁溫變化曲線，其中1～18為前墻的管道測點，19～26為后墻的管道測點，27～35為右墻的管道測點，36～44為左墻的管道測點。

圖8 水冷壁爐膛出口壁溫變化曲線圖

由圖8可以看出：單投A層等離子燃燒器時，前墻管壁溫度最大偏差為7 K，后墻管壁溫度最大偏差為8 K，右墻管壁溫度最大偏差為5 K，左墻管壁溫度最大偏差為7 K；單投D層等離子燃燒器時，前墻管壁溫度最大偏差為9 K，后墻管壁溫度最大偏差為6 K，右墻管壁溫度最大偏差為5 K，左墻管壁溫度最大偏差為6 K。無論是單投A層等離子燃燒器，還是單投D層等離子燃燒器，前、后、左、右墻的管壁溫度整體偏差較小，符合設(shè)計要求，爐內(nèi)截面溫度場分布均勻，各受熱面管道的吸熱較為均勻，水動力特性良好，鍋爐能夠安全穩(wěn)定地運行。由于爐內(nèi)空氣動力場試驗中測出的爐內(nèi)空氣動力場呈橢圓形，并不能保證前、后、左、右墻的管壁溫完全一致，所以這種偏差是存在的。進(jìn)一步計算2組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，得出在相同工況下，單投D層等離子燃燒器時水冷壁爐膛出口壁溫的標(biāo)準(zhǔn)差為3.28，單投A層等離子燃燒器時水冷壁爐膛出口壁溫的標(biāo)準(zhǔn)差為3.79，可以看出單投D層等離子燃燒器時水冷壁爐膛出口壁溫的標(biāo)準(zhǔn)差低于A層，說明單投D層等離子燃燒器時各墻水冷壁管道受熱更為均勻；但是單投D層等離子燃燒器時水冷壁爐膛出口壁溫整體高于A層，這是因為D層等離子燃燒器布置在A層的上面，火焰中心整體上移。

3.4 對NOx排放量的影響

該1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐燃燒器采用了低NOx燃燒技術(shù)，煙氣脫硝裝置采用選擇性催化還原(SCR)法，運用液氨作為脫硝還原劑，其主要成分為NH3，可以有效地降低NOx對環(huán)境的污染。

在相應(yīng)條件不變的條件下，SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx濃度增加時，系統(tǒng)脫硝效率明顯下降，噴氨量上升。

NOx的生成主要有3種途徑：熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。相關(guān)研究表明：爐內(nèi)溫度低于1 500 ℃時，熱力型NOx生成量很小，而且快速型NOx的生成量也很小，所占比例不到燃煤電站鍋爐NOx總生成量的5%[4]。由于在鍋爐點火啟動過程中，爐內(nèi)溫度較低，所以影響點火啟動過程中NOx的生成量主要來源于燃料型NOx。而鍋爐點火啟動過程中為保證燃燒一般會供應(yīng)充足的氧量導(dǎo)致點火初期NOx質(zhì)量濃度急劇上升。圖9為A、D層等離子燃燒器分別投運過程中SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度變化曲線。

圖9 SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度變化曲線

由圖9可以看出：A、D層等離子燃燒器在燃燒初期燃燒產(chǎn)生的NOx不斷增加，大約在距離等離子點火啟動100 min后產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度達(dá)到最大，而且D層等離子燃燒器投運時產(chǎn)生的NOx比A層等離子燃燒器投運時產(chǎn)生的NOx多，后期隨著燃燒不斷加強(qiáng)，A、D層等離子燃燒器投運時產(chǎn)生的NOx不斷減少，并趨于平緩、一致。

反應(yīng)溫度對脫硝效率及催化劑的活性都有較大的影響，在313～420 ℃，SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)催化劑有較高的活性，一般日常生產(chǎn)中保證進(jìn)口煙溫在這個溫度范圍內(nèi)。如果煙氣溫度低于催化劑正常運行的溫度時，催化劑的活性就會降低，反應(yīng)效率會明顯下降。而且此時噴入的氨氣與煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生成的硫酸銨附著在催化劑表面，反應(yīng)器前后壓差明顯增加，增加了煙氣的流通阻力，降低了鍋爐效率并對機(jī)組運行帶來不利影響。圖10為A、D層等離子燃燒器分別投運過程中SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口溫度變化曲線。

圖10 SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口左右側(cè)煙溫變化曲線

由圖10可以看出：A、D層等離子燃燒器在燃燒過程中SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙溫不斷上升，而且D層等離子燃燒器投運時SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口溫度上升的速度比A層等離子燃燒器投運時SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口溫度上升的速率快，而且在任意時刻，投運D層等離子燃燒器時其進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器的入口煙溫較A層高，這就意味著D層等離子燃燒器投運時，能夠更早地達(dá)到SCR脫硝系統(tǒng)脫硝所要求的最低溫度。

4 結(jié)語

通過試驗研究A、D層等離子燃燒器爐內(nèi)冷態(tài)動力場分布情況，試驗測得的實際切圓直徑約為設(shè)計切圓直徑的5倍，滿足鍋爐設(shè)計要求，說明該鍋爐無論在投運A層等離子燃燒器運行，還是投運D層等離子燃燒器運行，爐內(nèi)氣流分布均勻，氣流充滿度良好，能夠有效地防止煤粉氣流沖刷水冷壁。

鍋爐在冷態(tài)啟動過程中，無論是單投A層等離子燃燒器，還是單投D層等離子燃燒器，主蒸汽升壓速率在設(shè)計值范圍，符合鍋爐安全運行要求；主蒸汽溫度及再熱蒸汽溫度變化率在設(shè)計值范圍，符合鍋爐安全運行要求；鍋爐前、后、左、右墻水冷壁管壁溫度整體偏差較小，符合設(shè)計要求，爐內(nèi)截面溫度場分布均勻，各受熱面管道的吸熱較為均勻，水動力特性良好，符合鍋爐能安全穩(wěn)定運行的要求。

鍋爐在冷態(tài)啟動過程中，無論是單投A層等離子燃燒器，還是單投D層等離子燃燒器，在燃燒初期燃燒產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度不斷增加，大約在距離等離子點火啟動100 min后產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度達(dá)到最大，而且D層等離子燃燒器投運時產(chǎn)生的NOx比A層等離子燃燒器投運時產(chǎn)生的NOx要多，后期隨著燃燒不斷加強(qiáng)，A、D層等離子燃燒器投運時產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度不斷減小，并趨于平緩、一致。但是在該過程中D層等離子燃燒器投運時SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口的溫度比A層等離子燃燒器投運時高且升溫速率大，這使得投運D層等離子燃燒器時能夠更早地達(dá)到SCR脫硝系統(tǒng)投運所要求的最低溫度。因此，從環(huán)保方面考慮在鍋爐首次啟動過程中采用D層等離子燃燒器有利于降低NOx對環(huán)境的污染。