鞏時(shí)尚，雍紹平，李韓亮，耿伯儒，梁 銳，殷德祥

(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 國(guó)家電投集團(tuán)寧夏能源鋁業(yè)有限公司臨河發(fā)電分公司，寧夏 銀川 751400)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和風(fēng)電、光伏、光熱、儲(chǔ)能等新能源的大規(guī)模入網(wǎng)，電網(wǎng)負(fù)荷及峰谷差越來(lái)越大，電網(wǎng)調(diào)峰壓力也隨之增大。越來(lái)越多的大容量電站鍋爐參與調(diào)峰，使其長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行[1]，涌現(xiàn)出一些負(fù)面現(xiàn)象：高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鍋爐水動(dòng)力良好、爐膛火焰充滿度高、爐膛溫度場(chǎng)分布均勻[2]；但在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，存在汽水流量低、水動(dòng)力差、鍋爐受熱面對(duì)爐膛煙氣均勻的敏感性增強(qiáng)、爐內(nèi)溫度低、燃燒不穩(wěn)定、燃盡困難以及脫硝入口NOx濃度高等問(wèn)題[3]。

本文以寧夏某350 MW超臨界機(jī)組旋流燃燒鍋爐為研究對(duì)象，針對(duì)低負(fù)荷鍋爐燃燒不穩(wěn)定，原始NOx濃度高，煤粉燃盡差等問(wèn)題開(kāi)展了試驗(yàn)，為同類型旋流燃燒鍋爐在低負(fù)荷下安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 鍋爐概況

寧夏某電廠2×350 MW機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖旋流燃燒方式、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)∏型鍋爐，鍋爐型號(hào)為DG1147/25.4－II1，主要性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1 鍋爐主要性能數(shù)據(jù)表

該鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，前墻布置三層燃燒器，后墻布置二層燃燒器，使沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷及煙氣溫度分布更均勻。燃燒器上部布置有兩層燃盡風(fēng)風(fēng)口，分別位于前、后墻上，燃燒器布置如圖1所示。鍋爐共配備5臺(tái)中速磨煤機(jī)，編號(hào)分別為A、B、C、D、E。

圖1 燃燒器布置圖

該機(jī)組鍋爐長(zhǎng)期在280～350 MW之間的較高負(fù)荷下運(yùn)行，鍋爐水動(dòng)力良好，各受熱面壁溫偏差小，飛灰含碳量和爐渣含碳量均小于1.5%，煤粉燃盡高，且脫硝入口NOx濃度低于280 mg/Nm3。但近年來(lái)隨著周圍地區(qū)風(fēng)電、光伏等新能源大量入網(wǎng)，使得該機(jī)組鍋爐白天負(fù)荷長(zhǎng)期處于140～175 MW之間，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐火檢偶爾出現(xiàn)閃爍，燃燒不穩(wěn)定；機(jī)組脫硝入口NOx濃度最高達(dá)到了600 mg/Nm3，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值350 mg/Nm3；飛灰和爐渣含碳量達(dá)到3%以上，煤粉燃盡率不佳；此外主蒸汽溫度降低至540～545 ℃，比40%熱耗率驗(yàn)收工況(turbine heat acceptance，THA)設(shè)計(jì)值(571 ℃)低26～31 ℃，再熱蒸汽溫度降低至531～535 ℃，比40%THA設(shè)計(jì)值(549 ℃)低14 ～ 18 ℃。

2 低負(fù)荷燃燒優(yōu)化試驗(yàn)

針對(duì)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，文章主要從燃燒器穩(wěn)燃冷態(tài)試驗(yàn)，熱負(fù)荷均勻性試驗(yàn)以及磨煤機(jī)組合、氧量、配風(fēng)方式、磨煤機(jī)煤粉細(xì)度的調(diào)整試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 燃燒器穩(wěn)燃冷態(tài)試驗(yàn)

煤粉能否穩(wěn)定燃燒，取決于燃燒器自身對(duì)高溫?zé)煔獾木砦芰?，而燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片的開(kāi)度對(duì)高溫?zé)煔獾木砦Ч兄匾绊懀瑸樘骄坎煌舛物L(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的影響，本研究采用冷態(tài)煙花法在外二次風(fēng)旋流葉片不同開(kāi)度下開(kāi)展燃燒器穩(wěn)燃試驗(yàn)。圖2為寧夏某電廠旋流燃燒器外二次風(fēng)葉片在65°、50°、35°角度下的煙花軌跡圖。

圖2 旋流燃燒器外二次風(fēng)葉片在35°、50°、65°角度下的煙花軌跡圖

由圖2可知，旋流燃燒器外二次風(fēng)葉片角度為65°時(shí)，燃燒器無(wú)法卷吸高溫?zé)煔猱a(chǎn)生回流，火焰四散，對(duì)水冷壁形成沖刷，不利于煤粉著火及穩(wěn)定燃燒；旋流燃燒器外二次風(fēng)葉片角度為50°時(shí)，旋流強(qiáng)度增大，火焰能夠產(chǎn)生良好的卷吸現(xiàn)象，形成風(fēng)包粉，著火穩(wěn)定；繼續(xù)關(guān)小旋流燃燒器燒器外二次風(fēng)葉片角度至35°時(shí)，渦流較小，火焰拉長(zhǎng)，回流區(qū)最大半徑減小，高溫?zé)煔饩砦鼫p弱，不利于煤粉穩(wěn)定燃燒[4]。因此，為增強(qiáng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)旋流燃燒器的穩(wěn)燃性，建議將旋流燃燒器外二次風(fēng)角度調(diào)整為50°左右。

2.2 燃燒器熱負(fù)荷均勻性試驗(yàn)

機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽水流量低，水動(dòng)力差，從而加劇爐內(nèi)燃燒不均的現(xiàn)象。燃燒器熱負(fù)荷是否均勻，不僅關(guān)系到鍋爐各受熱面是否超溫，而且對(duì)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能否穩(wěn)定燃燒至關(guān)重要[5]。

為了更好地控制煤粉偏差，保證燃燒穩(wěn)定，確保每個(gè)燃燒器熱負(fù)荷基本一致，煤粉量偏差控制在5%以內(nèi)，本研究對(duì)鍋爐配備的每臺(tái)磨煤機(jī)都進(jìn)行了燃燒器熱負(fù)荷均勻性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所列。本次試驗(yàn)用靠背管伸入磨煤機(jī)出口粉管進(jìn)行差壓測(cè)量，通過(guò)密度修正換算成風(fēng)速，核算風(fēng)速是否在偏差范圍之內(nèi)。若偏差較大，則調(diào)節(jié)一次風(fēng)管道上的可調(diào)縮孔，然后重新測(cè)量計(jì)算，直至同一臺(tái)磨煤機(jī)出口風(fēng)速與平均風(fēng)速偏差控制在5%以內(nèi)。

表2 燃燒器熱負(fù)荷均勻性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，每臺(tái)磨煤機(jī)自身各出口粉管風(fēng)速基本相同，與平均風(fēng)速偏差均保持在5%以內(nèi)，可認(rèn)為攜粉量基本相同，保證燃燒器熱負(fù)荷的均勻性。此次調(diào)整有效防止因燃燒器熱負(fù)荷不均導(dǎo)致的爐內(nèi)火焰偏斜，避免了在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中因局部熱負(fù)荷過(guò)高導(dǎo)致的水冷壁超溫、兩側(cè)煙溫及蒸汽溫度偏差等現(xiàn)象[6]。

2.3 磨煤機(jī)組合調(diào)整試驗(yàn)

磨煤機(jī)組合方式的不同不僅影響煤粉穩(wěn)定燃燒，而且對(duì)提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度、降低脫硝入口NOx濃度、提高煤粉燃盡率也具有決定性作用，合理的磨煤機(jī)組合是鍋爐低負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

本次試驗(yàn)依托鍋爐配備5臺(tái)中速磨煤機(jī)，最上層為D磨煤機(jī)，中間為B、E磨煤機(jī)，下層為A、C磨煤機(jī)。為保證煤粉燃盡率，本次試驗(yàn)優(yōu)先選取下層磨煤機(jī)組合，具體試驗(yàn)組合方式：工況1為B、C、E磨煤機(jī)組合，工況2為A、B、C磨煤機(jī)組合，工況3為A、C、E磨煤機(jī)組合。不同磨煤機(jī)組合下主要參數(shù)見(jiàn)表3所列。由表3可知，采用A、B、C磨煤機(jī)組合和A、C、E磨煤機(jī)組合時(shí)，脫硝入口NOx濃度遠(yuǎn)低于采用B、C、E磨煤機(jī)組合，這是由于采用這兩種組合時(shí)，火焰中心靠下，水冷壁吸熱較多，從而起到風(fēng)粉分離的作用，使得脫硝入口NOx濃度低于含有2臺(tái)中層磨煤機(jī)的組合。

表3 不同磨煤機(jī)組合主要參數(shù)

無(wú)論采用哪種磨煤機(jī)組合，水冷壁最高壁溫均遠(yuǎn)低于報(bào)警值(報(bào)警溫度為532 ℃)，且左右兩側(cè)主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度偏差均小于5 ℃，三種磨煤機(jī)組合鍋爐水動(dòng)力均較好，水冷壁壁溫?zé)o明顯偏差，各受熱面無(wú)超溫現(xiàn)象。從水動(dòng)力角度分析，在低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中改變磨煤機(jī)組合方式并無(wú)明顯影響。

采用B、C、E磨煤機(jī)組合試驗(yàn)時(shí)，鍋爐飛灰含碳量為3.73%，而采用A、B、C磨煤機(jī)和A、C、E磨煤機(jī)組合時(shí)飛灰含碳量分別為1.49%和1.57%，說(shuō)明采用兩臺(tái)下層磨的組合時(shí)，煤粉在爐內(nèi)燃盡率高，有利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

綜合分析，三種磨煤機(jī)組合在低負(fù)荷燃燒時(shí)，鍋爐燃燒穩(wěn)定，水動(dòng)力良好，脫硝入口煙溫均滿足要求，但采用A、B、C磨煤機(jī)和A、C、E磨煤機(jī)組合時(shí)脫硝入口NOx要低于B、C、E磨煤機(jī)組合，有利于控制脫硝入口NOx，并且飛灰含碳量也更低，有利于提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，三種磨煤機(jī)組合水動(dòng)力均性能良好，綜合分析，建議鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)優(yōu)先采用A、B、C磨煤機(jī)組合和A、C、E磨煤機(jī)組合(即兩臺(tái)下層磨煤機(jī)，一臺(tái)中層磨煤機(jī))。

2.4 氧量調(diào)整試驗(yàn)

氧量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)缺氧，飛灰含碳量升高，未完全燃燒損失增大；氧量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致煙氣量增加，排煙損失增大。氧量的調(diào)整主要是通過(guò)調(diào)整二次風(fēng)總量來(lái)實(shí)現(xiàn)。本研究為探究鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行期間的氧量合理數(shù)據(jù)，在140 MW負(fù)荷時(shí)，進(jìn)行氧量調(diào)整試驗(yàn)，空預(yù)器入口氧量分別10.0%、9.0%和7.8%，對(duì)應(yīng)總風(fēng)量為368 t/h、360 t/h和352 t/h（由于該電廠送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉偏離零位，送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度為0%時(shí)，該負(fù)荷氧量最低為7.8%），各工況具體參數(shù)見(jiàn)表4所列。

表4 不同氧量下鍋爐主要參數(shù)

由表4可知：空預(yù)器入口氧量由10.0%降至7.8%時(shí)，NOx排放濃度下降101/140 mg/Nm3，脫硝入口煙溫降低3.1/2.7 ℃。這是因?yàn)檠趿渴怯啥物L(fēng)總量控制，總風(fēng)量的變化不改變各級(jí)燃燒空氣的比例，所以降低氧量時(shí)降低了整個(gè)燃燒區(qū)和還原區(qū)的氧濃度，有利于降低NOx濃度。氧量由10.0%降至7.8%時(shí)，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度無(wú)明顯變化，這是因?yàn)殡m然氧量的提高令煙氣量增加，使對(duì)流換熱加強(qiáng)，有利于提高再熱蒸汽溫度，但氧量過(guò)高，也導(dǎo)致再熱蒸汽溫度已無(wú)提高裕量[7]。該鍋爐負(fù)荷在140 MW時(shí)，建議氧量控制在7.8%，有利于脫硝入口NOx的控制。

2.5 配風(fēng)方式調(diào)整試驗(yàn)

本次試驗(yàn)依托鍋爐在低于200 MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，二次風(fēng)箱壓力為0 kPa，與爐內(nèi)幾乎無(wú)差壓，導(dǎo)致二次風(fēng)剛性不足，煤粉燃燒時(shí)旋流強(qiáng)度極弱。隨著爐內(nèi)負(fù)壓的影響，使得出口氣流不能有效深入爐內(nèi)，下層火焰在爐內(nèi)負(fù)壓的作用下上移，造成爐內(nèi)火焰中心高，煤粉燃盡率低。為解決該問(wèn)題，進(jìn)行了二次風(fēng)門開(kāi)度調(diào)整試驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 二次風(fēng)門調(diào)整前后鍋爐主要參數(shù)

由表5可知，機(jī)組在140 MW負(fù)荷運(yùn)行期間，鍋爐總風(fēng)量維持穩(wěn)定。，將投運(yùn)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)二次風(fēng)門關(guān)小后，主蒸汽溫度提高1.6 ℃，再熱蒸汽溫度提高1.8 ℃，過(guò)熱度提高4.7 ℃，過(guò)熱器一級(jí)減溫水流量下降4.4 t/h，二級(jí)減溫水流量下降3.1 t/h，并且調(diào)整后飛灰含碳量降低1.92%，爐渣含碳量降低0.78%。這是由于在總風(fēng)量不變的前提下，關(guān)小二次風(fēng)門開(kāi)度，提高了二次風(fēng)速，使得二次風(fēng)剛性增強(qiáng)，煤粉在爐內(nèi)旋流強(qiáng)度增加，有利于提高煤粉燃盡率及鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)燃性能[8]。

2.6 磨煤機(jī)煤粉細(xì)度調(diào)整試驗(yàn)

本次試驗(yàn)依托鍋爐配置的磨煤機(jī)分離器為靜態(tài)分離器，分離器通過(guò)折向擋板葉片開(kāi)度來(lái)控制煤粉細(xì)度。為提高鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行期間的效率，降低飛灰和爐渣含碳量，本研究在鍋爐負(fù)荷140MW、其他參數(shù)不變的條件下對(duì)磨煤機(jī)分離器折項(xiàng)擋板進(jìn)行了調(diào)整[9]，折向擋板開(kāi)度分別為20%、30%、40%三個(gè)工況，調(diào)整后具體參數(shù)見(jiàn)表6。由表可知，分離器折向擋板在30%時(shí)，煤粉細(xì)度為19.7%，煤粉最細(xì)(該電廠靜態(tài)分離器折向擋板開(kāi)度為20%～90%，開(kāi)度20%時(shí)，由于開(kāi)度過(guò)小，導(dǎo)致該處風(fēng)速過(guò)高，反而不利于提高煤粉細(xì)度)，飛灰含碳量和爐渣含碳量最低，且脫硝入口煙溫度略高于粗煤粉工況，說(shuō)明煤粉燃盡程度高，鍋爐穩(wěn)燃性能好。因此，鍋爐在較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低煤粉細(xì)度。

表6 不同煤粉細(xì)度下鍋爐主要參數(shù)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)350 MW超臨界旋流燃燒鍋爐低負(fù)荷燃燒試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

1)旋流燃燒器外二次風(fēng)開(kāi)度對(duì)旋流強(qiáng)度起重要作用，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，關(guān)小外二次風(fēng)葉片開(kāi)度，旋流強(qiáng)度增強(qiáng)，火焰卷吸高溫?zé)煔猓纬捎行эL(fēng)包粉，有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。

2)投入2臺(tái)下層磨煤機(jī)，1臺(tái)中層磨煤機(jī)組合時(shí)(即A、B、C磨煤機(jī)組合和A、C、E磨煤機(jī)組合)，有利于降低脫硝入口NOx濃度和飛灰含碳量，提高鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

3)運(yùn)行氧量對(duì)NOx排放濃度和再熱蒸汽溫度有著重要影響，鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在保證再熱蒸汽溫度的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低氧量，有利于NOx的控制。

4)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在保證脫硝入口煙溫和蒸汽溫度的前提下，建議優(yōu)先采用2臺(tái)下層磨煤機(jī)，1臺(tái)中層磨煤機(jī)組合的方式，同時(shí)適當(dāng)提高煤粉細(xì)度，關(guān)小二次風(fēng)門開(kāi)度，不僅有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒，而且可以降低飛灰和爐渣含碳量，達(dá)到提高鍋爐效率的目的。