武岳

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北分公司，西安 710065)

0 引言

直吹式制粉系統(tǒng)的風(fēng)量及煤粉均勻性是影響燃煤機(jī)組鍋爐燃燒的主要因素之一。由于缺少有效監(jiān)測(cè)和調(diào)整風(fēng)粉流量的手段，單臺(tái)磨煤機(jī)、燃燒器間的一次風(fēng)量和煤粉量的偏差高達(dá)±50%，甚至±80%。這對(duì)采用四角切圓燃燒方式的爐內(nèi)燃燒工況影響不大，但對(duì)采用W形火焰燃燒方式的爐內(nèi)燃燒會(huì)產(chǎn)生較大影響。鍋爐采用W形火焰燃燒方式時(shí)，燃燒器噴口布置在前、后墻的拱頂上，要求前、后墻燃燒器噴口的管道風(fēng)速及攜帶煤粉量均相同，以形成對(duì)稱的V形火焰，并匯合成W形火焰，從而促進(jìn)煤粉著火、燃盡。各燃燒器風(fēng)粉偏差較大，在風(fēng)煤比低的燃燒器內(nèi)將造成飛灰含碳量升高，并產(chǎn)生還原性氣氛，降低鍋爐效率，增加發(fā)生高溫腐蝕和水冷壁結(jié)渣現(xiàn)象的可能性，而在風(fēng)煤比高的燃燒器所對(duì)應(yīng)的爐內(nèi)局部區(qū)域氧濃度過(guò)高，生成大量NOx。指爪擋板式粉量分配器是W形火焰鍋爐機(jī)組燃燒制粉系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其對(duì)粉量的分配效果對(duì)火力發(fā)電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大影響[1-3]。

本文研究了指爪擋板式粉量分配器對(duì)粉量的調(diào)節(jié)特性，通過(guò)粉量均勻性優(yōu)化調(diào)整，降低了粉量偏差，改善了W形火焰鍋爐爐內(nèi)燃燒狀況，解決了金屬壁溫超溫問(wèn)題。

1 設(shè)備概況

1.1 鍋爐及燃燒制粉系統(tǒng)

某廠鍋爐為F·W公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的350 MW亞臨界、自然循環(huán)、W形火焰煤粉鍋爐。在爐膛高度約1/3處，前墻和后墻向內(nèi)形成爐拱，拱上布置有2×12個(gè)雙旋風(fēng)筒煤粉分離式燃燒器，每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)6個(gè)燃燒器。單個(gè)煤粉燃燒器最大出力1.8 kg/s，煤粉流速26 m/s，風(fēng)煤質(zhì)量比1.4～1.6。鍋爐燃燒器布置見(jiàn)表1。

表1 燃燒器布置

采用鋼球磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置4臺(tái)F·W公司制造的D-10D型雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，煤粉分離器與磨煤機(jī)直接連在一起，兩端各有1臺(tái)。單臺(tái)磨煤機(jī)最大出力45.71 t/h，煤粉細(xì)度R200為15%，R100為3%。

1.2 指爪擋板粉量分配器

指爪擋板位于磨煤機(jī)出口兩側(cè)粉管母管上，一次風(fēng)攜帶煤粉流經(jīng)指爪擋板后分別進(jìn)入3個(gè)一次風(fēng)管，編號(hào)1，2和3的粉管為一側(cè)，編號(hào)4，5和6的粉管為另一側(cè)。磨煤機(jī)出口兩側(cè)共6套指爪擋板，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)粉管，指爪擋板位于對(duì)應(yīng)粉管的正下方，同側(cè)的3套在粉管母管的圓周上均勻分布。

每套指爪擋板由內(nèi)、中和外3層結(jié)構(gòu)不同的擋板組成，可由外面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別控制，擋板全開(kāi)時(shí)與水平夾角103°，全關(guān)時(shí)與水平夾角21°，在82°的范圍內(nèi)可調(diào)，將全行程關(guān)度定義為0～100%，全開(kāi)即為0%，全關(guān)即為100%。

表2 A磨煤機(jī)粉量及偏差

表3 B磨煤機(jī)粉量及偏差

內(nèi)層擋板和中層擋板均由角鋼組成，中間有縫隙，而外層擋板由耐磨鋼板組成，防止擋板被含煤粉氣流沖刷磨損。調(diào)整時(shí)可由外面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別控制，一般保持3層擋板在同一關(guān)度，例如A1指爪擋板的關(guān)度為60%，表示內(nèi)層、中層和外層擋板的關(guān)度均為60%；亦可使3層擋板在不同關(guān)度，例如A2指爪擋板的關(guān)度為80%/60%/40%，表示內(nèi)層、中層和外層擋板的關(guān)度分別為80%，60%和40%。指爪擋板實(shí)物如圖1所示。

圖1 指爪擋板實(shí)物

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 制粉系統(tǒng)摸底試驗(yàn)

在進(jìn)行鍋爐粉量均勻性優(yōu)化調(diào)整之前，基于正常運(yùn)行工況，對(duì)制粉系統(tǒng)的粉量、煤粉細(xì)度和一次風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試，以便掌握鍋爐制粉系統(tǒng)運(yùn)行情況。

2.1.1 各臺(tái)磨煤機(jī)粉量及偏差

保持磨煤機(jī)出力(給煤量35 t/h左右)及通風(fēng)量(一次風(fēng)量46 t/h左右)不變，指爪擋板全開(kāi)(關(guān)度為0%)的條件下，利用取樣槍在粉管上對(duì)煤粉進(jìn)行等速取樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～5。可以看出，4臺(tái)磨煤機(jī)各粉管的粉量偏差較大，粉量最低為A6的38.23 g，最高為A5的165.37 g，相差127.14 g，粉量偏差基本在20%以上，最大偏差為A5的97.51%?？梢?jiàn)，各粉管粉量均勻性較差。

2.1.2 各臺(tái)磨煤機(jī)一次風(fēng)速及偏差

保持磨煤機(jī)通風(fēng)量(一次風(fēng)量46 t/h左右)不變，指爪擋板全開(kāi)(關(guān)度為0%)的條件下，對(duì)一次風(fēng)速進(jìn)行熱態(tài)測(cè)試，各臺(tái)磨煤機(jī)一次風(fēng)速平均值分別是25.60，21.27，21.95和26.68 m/s，4臺(tái)磨煤機(jī)各粉管的一次風(fēng)速較平，除個(gè)別粉管外，一次風(fēng)速偏差基本在8%以內(nèi)。

2.2 粉量均勻性優(yōu)化

由摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A3和A5粉量偏大，分別為101.87 g和165.37 g，粉量偏差分別為21.67%和97.51%，而A4和A6粉量偏小，分別為49.70 g和38.23 g，粉量偏差分別為-40.64%和-54.35%。A磨煤機(jī)指爪擋板的調(diào)整應(yīng)降低A3和A5粉量，適當(dāng)提高A4和A6粉量。B3和B6粉量偏大，分別為112.73 g和116.57 g，粉量偏差分別為32.61%和37.13%，而B(niǎo)2和B4粉量偏小，分別為57.73 g和42.30 g，粉量偏差分別為-32.08%和-50.24%。B磨煤機(jī)指爪擋板的調(diào)整應(yīng)降低B3和B6粉量，適當(dāng)提高B2和B4粉量。C3和C4粉量偏大，分別為110.85 g和101.33 g，粉量偏差分別為40.11%和28.08%，而C1和C2粉量偏小，分別為56.38 g和60.53 g，粉量偏差分別為-28.74%和-23.50%。同時(shí)，由于再熱器管壁超溫，長(zhǎng)期以來(lái)C4和D3燃燒器噴嘴處于關(guān)閉狀態(tài)。C磨煤機(jī)指爪擋板的調(diào)整應(yīng)降低C3和C4粉量，適當(dāng)提高C1和C2粉量。D4粉量偏大，為102.55 g，與同側(cè)粉管粉量偏差43.06%，而D6粉量偏小，為41.40 g，與同側(cè)粉管粉量偏差-42.25%。D磨煤機(jī)指爪擋板的調(diào)整應(yīng)降低D3和D4粉量，適當(dāng)提高D6粉量。

表4 C磨煤機(jī)粉量及偏差

表5 D磨煤機(jī)粉量及偏差

表6 A磨煤機(jī)優(yōu)化后粉量及偏差

表7 B磨煤機(jī)優(yōu)化后粉量及偏差

通過(guò)探究指爪擋板的協(xié)同調(diào)節(jié)特性，最終調(diào)整各指爪擋板的關(guān)度和粉量分別見(jiàn)表6～9。

可以看出，A磨煤機(jī)各粉管粉量最大偏差由A5的97.51%下降到A6的-32.78%，同側(cè)粉管粉量最大偏差由A5的95.86%下降到A6的32.3%。B磨煤機(jī)各粉管粉量最大偏差由B4的-50.24%下降到B4的-29.46%，同側(cè)粉管粉量最大偏差由B4的-49.35%下降到B4的-25.16%。C磨煤機(jī)各粉管粉量最大偏差由C3的40.11%下降到C6的18.44%，同側(cè)粉管粉量最大偏差由C3的46.01%下降到C3的15.91%。D磨煤機(jī)各粉管粉量最大偏差由D6的-47.60%下降到D2的25.42%，同側(cè)粉管粉量最大偏差由D4的43.06%下降到D6的15.59%。粉量均勻性得到優(yōu)化。

2.3 前后墻粉量及偏差對(duì)比

表10和表11分別是優(yōu)化前后的前后墻粉量，可以看出，優(yōu)化前粉量最低為A6的38.23 g，最高為A5的165.37 g，優(yōu)化后粉量最低為B4的52.15 g，最高為C6的114.62 g，粉量最高和最低的差值由127.14 g下降到62.47 g，下降了64.67 g。

表8 C磨煤機(jī)優(yōu)化后粉量及偏差

表9 D磨煤機(jī)優(yōu)化后粉量及偏差

表10 優(yōu)化前前后墻粉量 g

表11 優(yōu)化后前后墻粉量 g

圖2 優(yōu)化前后粉量偏差

優(yōu)化前后粉量偏差如圖2所示，由圖2可知，前墻粉量最大偏差由B4的50.24%下降到29.46%，下降了20.78百分點(diǎn)；后墻粉量最大偏差由A5的97.51%下降到A6的32.78%，下降了64.73百分點(diǎn)。

2.4 溫度場(chǎng)

優(yōu)化前后爐膛溫度場(chǎng)如圖3所示，省煤器出口溫度場(chǎng)如圖4所示?？梢钥闯?，粉量均勻性優(yōu)化調(diào)整后，爐膛中心溫度下降了近40 ℃，省煤器出口溫度場(chǎng)比原來(lái)分布均勻，煙道中間區(qū)域煙溫偏差由23.53 ℃下降到12.86 ℃，下降了10.67 ℃。爐膛中心溫度的降低有利于降低NOx生成，煙溫偏差的降低表明粉量均勻優(yōu)化后有利于減輕火焰偏斜、爐膛熱負(fù)荷和汽溫偏差，降低高溫腐蝕和爆管的可能。

圖3 優(yōu)化前后爐膛溫度場(chǎng)

圖4 優(yōu)化前后省煤器出口溫度場(chǎng)

2.5 省煤器出口氧量場(chǎng)和NOx場(chǎng)

優(yōu)化前后省煤器出口氧量場(chǎng)如圖5所示，粉量均勻性優(yōu)化調(diào)整后，省煤器出口氧量偏差由4.76%下降到3.60%，下降了1.16百分點(diǎn)。優(yōu)化前后省煤器出口NOx場(chǎng)如圖6所示，省煤器出口NOx體積濃度由368.74 μL/L下降到351.95 μL/L，下降了16.79 μL/L。研究發(fā)現(xiàn)在燃料過(guò)濃的區(qū)域易生成NOx，粉量均勻性優(yōu)化調(diào)整后，沿爐膛寬度方向各燃燒器燃燒更加均勻，風(fēng)粉配合更加合理，有利于降低NOx生成。

圖5 優(yōu)化前后省煤器出口氧量場(chǎng)

圖6 優(yōu)化前后省煤器出口NOx場(chǎng)

2.6 解決金屬管壁超溫問(wèn)題

粉量均勻性：優(yōu)化調(diào)整前，因再熱器管壁超溫，C4和D3燃燒器噴嘴長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒工況組織不均衡，易造成火焰偏斜、爐膛熱負(fù)荷和煙溫汽溫偏差；優(yōu)化調(diào)整后，所有燃燒器噴嘴正常投運(yùn)，極大地改善了爐內(nèi)(尤其是爐膛中部)燃燒狀況。

3 結(jié)論

(1)研究了指爪擋板對(duì)一次風(fēng)管粉量的調(diào)節(jié)特性：當(dāng)指爪擋板關(guān)度在0～40%時(shí)，對(duì)粉量調(diào)節(jié)效果不明顯，甚至出現(xiàn)關(guān)度增加粉量也增加的趨勢(shì)；當(dāng)關(guān)度在40%～80%時(shí)，能較好地提高粉量均勻性。

(2)通過(guò)調(diào)整指爪擋板，優(yōu)化了粉量均勻性，磨煤機(jī)出口粉量偏差基本在15%以下，粉量最大偏差由97.51%下降到32.78%。

(3)粉量均勻性優(yōu)化調(diào)整后，爐膛中心溫度下降了近40 ℃，省煤器出口煙道中間區(qū)域煙溫偏差下降了10.67 ℃，省煤器出口氧量偏差下降了1.16%，NOx體積濃度下降了16.79 μL/L。研究發(fā)現(xiàn)，在燃料過(guò)濃的區(qū)域易生成NOx，煙溫偏差的降低表明粉量均勻優(yōu)化后有利于減輕火焰偏斜、爐膛熱負(fù)荷和汽溫偏差，降低高溫腐蝕和爆管的可能。爐膛中心溫度的降低，以及沿爐膛寬度方向各燃燒器燃燒更加均勻，使得風(fēng)粉配合更加合理，有利于降低NOx生成。

(4)解決了再熱器管壁超溫問(wèn)題，所有燃燒器噴嘴能夠正常投運(yùn)，極大地改善了爐內(nèi)(尤其是爐膛中部)的燃燒狀況。

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