黃國(guó)輝

(國(guó)家電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司，南昌 330117)

前后墻對(duì)沖燃燒系統(tǒng)布置形式由于具有單個(gè)燃燒器相對(duì)獨(dú)立的燃燒流場(chǎng)、燃燒器相互干擾小的特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越多地被應(yīng)用到鍋爐燃燒系統(tǒng)中[1-4]。與其他燃燒方式相比，大型鍋爐采用旋流燃燒器墻式布置對(duì)沖燃燒方式也可以實(shí)現(xiàn)煤的高效低污染燃燒，具有良好的煤種和負(fù)荷適應(yīng)性[5-7]。優(yōu)化燃燒試驗(yàn)對(duì)提高鍋爐效率，改善經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義[8-10]。

筆者以某660 MW超超臨界機(jī)組鍋爐為研究對(duì)象，開(kāi)展了一系列燃燒調(diào)整試驗(yàn)工作，對(duì)研究降低高負(fù)荷下煙氣CO體積分?jǐn)?shù)及貼壁CO體積分?jǐn)?shù)具有一定參考意義。

1 鍋爐概況

該燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π形鍋爐，型號(hào)為DG2060/26.15-II2。

該機(jī)組制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式正壓冷一次風(fēng)制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配6臺(tái)磨煤機(jī)(A～F)，其中1臺(tái)備用。

煤粉細(xì)度R200為70%，煤粉均勻性系數(shù)為1.10。煤粉燃燒器采用前后墻對(duì)沖燃燒，旋流式煤粉燃燒器的二次風(fēng)分為內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)通過(guò)煤粉燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)環(huán)形通道在燃燒的不同階段噴入爐內(nèi)(外側(cè)為外二次風(fēng))，實(shí)現(xiàn)分級(jí)供風(fēng)，降低NOx的生成量。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)門擋板的開(kāi)度可得到適當(dāng)?shù)膬?nèi)二次風(fēng)量，獲得最佳燃燒工況，即著火穩(wěn)燃性能良好、燃燒效率高、NOx排放量低及防止煤粉燃燒器結(jié)焦等。內(nèi)二次風(fēng)通道內(nèi)布置有軸向旋流器使經(jīng)過(guò)的二次風(fēng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，離開(kāi)煤粉燃燒器后旋轉(zhuǎn)的氣流在離心力的作用下擴(kuò)張，從而在中心區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，使高溫?zé)煔饣亓鳎瑸槊悍蹥饬鞯闹鹛峁┠芰?。?nèi)二次風(fēng)旋流器為固定式，不作調(diào)節(jié)，葉片傾角60°。進(jìn)入每個(gè)燃燒器的外二次風(fēng)量可通過(guò)煤粉燃燒器上切向布置的葉輪式風(fēng)門擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)外二次風(fēng)門擋板的開(kāi)度，即可得到適當(dāng)?shù)耐舛物L(fēng)量和外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，獲得最佳燃燒工況，見(jiàn)圖1。

圖1 旋流式煤粉燃燒器

1臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)單面墻的1層煤粉燃燒器。前、后墻各布置3層煤粉燃燒器，每層6個(gè)，共布置36個(gè)低NOx旋流煤粉燃燒器；同時(shí)，在前、后墻各布置1層下層燃盡風(fēng)噴口，其中每面墻2個(gè)側(cè)燃盡風(fēng)噴口，6個(gè)燃盡風(fēng)噴口，共布置12個(gè)燃盡風(fēng)噴口和4個(gè)側(cè)燃盡風(fēng)噴口。下層燃盡風(fēng)為內(nèi)部直流外部旋流，上層燃盡風(fēng)為改造時(shí)新增，設(shè)計(jì)為直流燃盡風(fēng)，前后墻各6個(gè)。

2 運(yùn)行現(xiàn)狀

自運(yùn)行以來(lái)，該電廠2號(hào)機(jī)組鍋爐主要存在以下問(wèn)題：(1)660 MW與600 MW負(fù)荷下空氣預(yù)熱器進(jìn)出口煙氣CO體積分?jǐn)?shù)高；(2)貼壁煙氣CO體積分?jǐn)?shù)高；(3)分隔屏過(guò)熱器結(jié)渣；(4)空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣存在偏斜，右側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)較低。

該電廠運(yùn)行習(xí)慣為低負(fù)荷運(yùn)行A、B、D、E 4臺(tái)磨煤機(jī)，540～600 MW高負(fù)荷下，運(yùn)行C磨煤機(jī)或F磨煤機(jī)，600 MW及以上運(yùn)行6臺(tái)磨煤機(jī)。表1為試驗(yàn)前空氣預(yù)熱器出口煙氣CO體積分?jǐn)?shù)。由表1可知：在高負(fù)荷下，鍋爐負(fù)荷以及磨煤機(jī)組合對(duì)空氣預(yù)熱器中煙氣CO體積分?jǐn)?shù)有較大影響。高負(fù)荷下投運(yùn)C磨煤機(jī)后空氣預(yù)熱器出口煙氣CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2 000×10-6以上。

表1 試驗(yàn)前空氣預(yù)熱器出口煙氣CO體積分?jǐn)?shù)

在660 MW、600 MW、540 MW、480 MW 4個(gè)負(fù)荷下對(duì)C、F層煤粉燃燒器至燃盡風(fēng)(鍋爐標(biāo)高30.0～38.8 m)的左墻、右墻共12個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行煙氣成分測(cè)試，試驗(yàn)前貼壁煙氣O2體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2；在600 MW、660 MW負(fù)荷下，100%測(cè)點(diǎn)的CO體積分?jǐn)?shù)>0.05；在540 MW負(fù)荷下，80%測(cè)點(diǎn)的CO體積分?jǐn)?shù)>0.05%；在480 MW負(fù)荷下，70%測(cè)點(diǎn)的CO體積分?jǐn)?shù)>0.05%。

表2 試驗(yàn)前貼壁煙氣O2體積分?jǐn)?shù)

通過(guò)在高負(fù)荷下調(diào)整二次風(fēng)門擋板[11]、燃燒器就地拉桿、燃盡風(fēng)就地拉桿以降低煙氣成分偏差，可降低局部CO體積分?jǐn)?shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 一次風(fēng)調(diào)平及制粉系統(tǒng)試驗(yàn)

為了更好地實(shí)施燃燒優(yōu)化調(diào)整，對(duì)C磨煤機(jī)進(jìn)行熱態(tài)一次風(fēng)調(diào)平后，將風(fēng)粉混合物風(fēng)速偏差保持在6.7%以內(nèi)，C磨煤機(jī)風(fēng)速為30.25 m/s，風(fēng)速較高。對(duì)C磨煤機(jī)正常運(yùn)行工況下的煤粉進(jìn)行取樣后，得到煤粉細(xì)度R90平均值為16.56%，屬于極細(xì)煤粉，煤粉均勻性系數(shù)為0.35，煤粉均勻性較差。

3.2 盤面燃燒調(diào)整

表3為各工況下二次風(fēng)門擋板開(kāi)度，表4為各工況下空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果。工況1為電廠正常運(yùn)行工況(每層燃燒器二次風(fēng)擋板的開(kāi)度跟隨該層磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的電流)，將所有燃盡風(fēng)門擋板全開(kāi)后，測(cè)試空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù)，在該運(yùn)行工況下由于各擋板全開(kāi)，阻力小，風(fēng)量大，CO體積分?jǐn)?shù)有所降低，但整體兩側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)不平衡，CO體積分?jǐn)?shù)仍較高。

表3 各工況下二次風(fēng)門擋板開(kāi)度

表4 各工況下空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù) %

經(jīng)分析，爐膛內(nèi)右側(cè)風(fēng)速過(guò)大導(dǎo)致燃燒不充分進(jìn)而引起CO體積分?jǐn)?shù)過(guò)高。故工況2將C層右側(cè)風(fēng)門關(guān)到10%，下層左側(cè)燃盡風(fēng)擋板關(guān)到0%，測(cè)試空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù)，調(diào)整后左右兩側(cè)的O2體積分?jǐn)?shù)偏差由0.76百分點(diǎn)減小到0.30百分點(diǎn)，可見(jiàn)O2體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)不平衡的現(xiàn)場(chǎng)被緩解，CO體積分?jǐn)?shù)也相應(yīng)降低。

工況3在工況2的基礎(chǔ)上，將下層左側(cè)燃盡風(fēng)擋板由0%開(kāi)到20%，并在F磨煤機(jī)沒(méi)有投運(yùn)的情況下開(kāi)啟了F層的二次風(fēng)擋板，測(cè)試空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù)，由于在F磨煤機(jī)沒(méi)有投運(yùn)的情況下開(kāi)啟了F層的二次風(fēng)擋板后，C層的部分二次風(fēng)被后墻的F層二次風(fēng)分流了一部分，導(dǎo)致C層二次風(fēng)進(jìn)一步減少。因此，CO體積分?jǐn)?shù)由工況2的800×10-6左右降低到324×10-6左右。

工況4在工況2的基礎(chǔ)上，將C層二次風(fēng)門擋板左側(cè)由100%關(guān)到50%，其他開(kāi)度不變，與工況2相比較，工況4條件下雖然兩側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)偏差已基本平衡，空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO體積分?jǐn)?shù)平均值略有降低，但左側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)升高。

工況5條件下C磨煤機(jī)沒(méi)有投運(yùn)，C層二次風(fēng)門擋板開(kāi)度均為10%，F(xiàn)層二次風(fēng)門擋板開(kāi)度均為100%，在C磨煤機(jī)沒(méi)有投運(yùn)時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)很低，各位置上的測(cè)點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)在10×10-6左右，右側(cè)4號(hào)位置CO體積分?jǐn)?shù)略高。

工況6由于沒(méi)有投運(yùn)F磨煤機(jī)，F(xiàn)層二次風(fēng)門擋板開(kāi)度均為15%。與工況5相比，C層左側(cè)二次風(fēng)門擋板開(kāi)度由10%開(kāi)大到30%。而前后墻上層左側(cè)燃盡風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度由100%關(guān)小到10%，由于上層燃盡風(fēng)風(fēng)量并不大，對(duì)燃燒影響不大，在該工況下測(cè)試空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù)。

工況7中采取將C層二次風(fēng)門擋板關(guān)到0%的方案，由于就地?fù)醢逍：嗽囼?yàn)顯示此時(shí)C層左側(cè)風(fēng)門就地開(kāi)度為10%左右，C層右側(cè)風(fēng)門就地開(kāi)度為25%左右。測(cè)試該工況下空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO及O2體積分?jǐn)?shù)。結(jié)合表3、表4數(shù)據(jù)可見(jiàn)即使把C層外二次風(fēng)門擋板關(guān)到0%，也不會(huì)影響燃燒。二次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后由爐后向爐前輸送，先經(jīng)后墻大風(fēng)箱，再到前墻大風(fēng)箱，由于經(jīng)過(guò)后墻大風(fēng)箱時(shí)的90°彎頭局部阻力較大，導(dǎo)致更多風(fēng)輸送至前墻大風(fēng)箱，所以前墻的風(fēng)量大于后墻(見(jiàn)圖2)。C層二次風(fēng)離大風(fēng)箱最近，局部阻力及沿程阻力最小，因此C層風(fēng)量最大，即使將C層風(fēng)門擋板關(guān)到5%時(shí)，仍會(huì)起到強(qiáng)化燃燒的效果(見(jiàn)圖3)。此外，前墻左側(cè)下層燃盡風(fēng)門擋板關(guān)小后，風(fēng)被分流到了A、B、C磨煤機(jī)左側(cè)及上層燃盡風(fēng)等這些更需要風(fēng)的地方，從而優(yōu)化了燃燒。

圖2 二次風(fēng)走向俯視示意圖

圖3 二次風(fēng)走向側(cè)視示意圖

3.3 就地燃燒調(diào)整

經(jīng)過(guò)第一階段盤面燃燒調(diào)整后，進(jìn)行就地二次風(fēng)及燃盡風(fēng)拉桿調(diào)整。對(duì)就地二次風(fēng)拉桿進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)二次風(fēng)通道內(nèi)布置有軸向旋流器使經(jīng)過(guò)的二次風(fēng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，離開(kāi)煤粉燃燒器后旋轉(zhuǎn)的氣流在離心力的作用下擴(kuò)張，從而在中心區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，使高溫?zé)煔饣亓?，為煤粉氣流的著火提供能量?/p>

基于流體力學(xué)原理，一分為二的流體通道中，支管中彎頭的局部阻力較大，直管的局部阻力較小。內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量示意圖見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：由于C1到C6的內(nèi)二次風(fēng)是從C1和C6兩側(cè)進(jìn)入的，所以兩側(cè)局部彎頭阻力較大，導(dǎo)致中間C3、C4的風(fēng)量較大。但就地內(nèi)二次風(fēng)拉桿開(kāi)度的刻度較大，為400～450 mm，較大的內(nèi)二次風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓過(guò)大，卷吸效果過(guò)強(qiáng)，反而影響煤粉的著火與燃燼。因此，對(duì)上4層磨煤機(jī)的中間3、4號(hào)內(nèi)二次風(fēng)門擋板進(jìn)行了關(guān)小。

圖4 內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量示意圖

下層燃盡風(fēng)拉桿為原廠配置，作用是調(diào)整下層燃盡風(fēng)的風(fēng)量大小，內(nèi)直流外旋流，但因拉桿銹死，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法調(diào)動(dòng)。建議在停機(jī)檢修過(guò)程中將2號(hào)機(jī)組鍋爐下層燃盡風(fēng)前后墻的最左、最右側(cè)直流風(fēng)開(kāi)到最大，旋流風(fēng)開(kāi)度維持在50%，以增強(qiáng)燃盡風(fēng)穿透力，降低貼壁CO體積分?jǐn)?shù)，改善受熱面高溫腐蝕。上層燃盡風(fēng)為改造后新增，外部拉桿調(diào)整直流風(fēng)開(kāi)度大小，內(nèi)部拉桿作用為調(diào)整風(fēng)向。此次燃燒調(diào)整試驗(yàn)已將前后墻外側(cè)燃盡風(fēng)直流拉桿開(kāi)度的刻度由250 mm調(diào)整到400 mm，以增加側(cè)墻的風(fēng)量穿透能力。

經(jīng)過(guò)一系列的盤面調(diào)整及就地拉桿調(diào)整后，貼壁CO體積分?jǐn)?shù)已有好轉(zhuǎn)(見(jiàn)表5，其中工況8、9、10為燃燒調(diào)整后的驗(yàn)證試驗(yàn))。燃燒調(diào)整前后鍋爐部分參數(shù)與鍋爐效率對(duì)比見(jiàn)表6。由表6可以看出：工況8在工況5基礎(chǔ)上開(kāi)啟C磨煤機(jī)并將C層二次風(fēng)門左右擋板開(kāi)度調(diào)至30%，測(cè)得飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.89%，大渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.65%；工況9各層磨煤機(jī)二次風(fēng)及燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開(kāi)度與工況5一致，并在工況5基礎(chǔ)上開(kāi)啟C層磨煤機(jī)，機(jī)組負(fù)荷為659.64 MW，與工況8相比較，工況9中C層二次風(fēng)門擋板從30%關(guān)至10%，飛灰、大渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.17%和7.64%，CO體積分?jǐn)?shù)與大渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；工況10二次風(fēng)門擋板開(kāi)度與工況9相同，將O2體積分?jǐn)?shù)降低后，其他試驗(yàn)條件相同。此時(shí)飛灰、大渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.98%和7.98%。O2體積分?jǐn)?shù)降低后，左側(cè)空氣預(yù)熱器CO體積分?jǐn)?shù)明顯升高。在驗(yàn)證試驗(yàn)工況下，鍋爐效率均達(dá)到93.19%以上，平均鍋爐效率為93.26%。

表5 燃燒調(diào)整前后空氣預(yù)熱器進(jìn)出口CO及O2體積分?jǐn)?shù)

由表6還可以看出：工況8、工況9、工況10由于CO未燃盡引起的熱損失率由修前試驗(yàn)的1.11%降低到0.17%以下，其他熱損失率變化并不大。

表6 燃燒調(diào)整前后鍋爐部分參數(shù)與鍋爐效率對(duì)比

C層燃燒器處于最上層的位置，在一次風(fēng)速較大的情況下，過(guò)細(xì)的煤粉會(huì)更早地被煙氣帶走，惡化煤粉燃盡情況，從而增加煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)，在分隔屏過(guò)熱器上產(chǎn)生結(jié)焦沾污。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一系列盤面調(diào)整及就地拉桿調(diào)整，主要是將C層二次風(fēng)門擋板關(guān)小后，該鍋爐空氣預(yù)熱器進(jìn)口CO體積分?jǐn)?shù)由3 000×10-6～4 000×10-6降低到300×10-6～400×10-6，貼壁CO體積分?jǐn)?shù)也相應(yīng)降低，分析主要原因是一次風(fēng)速較高時(shí)，C層二次風(fēng)量過(guò)大且C磨煤機(jī)煤粉較細(xì)，導(dǎo)致煤粉無(wú)法合理著火燃盡。

通過(guò)上述燃燒調(diào)整后，驗(yàn)證試驗(yàn)工況的平均鍋爐效率為93.26%，比修前試驗(yàn)高1.02百分點(diǎn)，比修后試驗(yàn)高0.57百分點(diǎn)，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。