劉彥鵬，李皓宇，李興旺，高智溥，黃治軍，肖海平

（1.中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040；2.內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010200；3.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206）

近年來，我國許多電廠為了節(jié)約燃料成本，燃用大量劣質(zhì)煤，尤其是低灰熔點煤，造成鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象嚴重[1-5]。其中，屏式受熱面底部掛焦是鍋爐運行中比較常見的問題[6]。焦塊的掉落會影響燃燒的穩(wěn)定性，造成爐膛負壓大幅度波動，甚至砸穿水冷壁，引起爐膛滅火等安全事故[7-11]。

鍋爐結(jié)焦過程是個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，發(fā)生的同時還伴隨著燃燒、流動、傳熱等過程，因此解決起來非常困難。結(jié)焦的影響因素有很多，如煤質(zhì)成分及灰熔點、爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計、爐內(nèi)空氣動力場、燃燒器結(jié)構(gòu)布置等[12-14]。煤的灰熔點作為煤灰顆粒開始熔融、燒結(jié)的重要特征溫度通常被用作評價煤種沾污、結(jié)焦傾向的判定依據(jù)[3,7]。當爐內(nèi)溫度水平低于灰熔點時，結(jié)焦往往不易發(fā)生，或程度很輕；當爐內(nèi)溫度水平高于灰熔點，且其他條件具備的條件下（如火焰沖墻貼壁等），鍋爐就容易發(fā)生結(jié)焦。煤的灰熔點與灰成分密切相關(guān)。通常認為，灰中的SiO2、Al2O3、TiO2等酸性氧化物能夠提高灰熔點，CaO、MgO、Na2O、K2O等堿性氧化物能夠降低灰熔點[3]。Fe2O3對灰熔點的影響與爐內(nèi)氣氛環(huán)境有關(guān)。當爐內(nèi)CO含量較高，還原性氣氛較強烈時，F(xiàn)e2O3被還原成FeO，F(xiàn)eO與CaO、MgO形成共晶體，具有很高的沉積黏附傾向，會使灰熔點降低，結(jié)焦傾向加劇[15-20]。目前，多以灰熔點、硅鋁比、堿酸比等參數(shù)定性判斷煤的結(jié)焦傾向[7,13]，通過燃燒調(diào)整、配煤摻燒等方式加以緩解[9,20]。該方法多為分段函數(shù)，即給出幾個典型負荷下劣質(zhì)煤的摻燒比例，運行人員根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)整，真正操作起來人為經(jīng)驗影響很大，安全性、經(jīng)濟性很難得到保證。

本文以某600 MW機組鍋爐為對象，針對其摻燒劣質(zhì)煤出現(xiàn)的屏底結(jié)焦問題，通過對焦塊進行了SEM、XRD分析，測試煤灰成分、灰熔點，建立了灰熔點蟻群前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，同時開發(fā)了鍋爐結(jié)焦預(yù)警平臺，可方便運行人員進行配煤摻燒運行調(diào)整。

1 設(shè)備概況

某600 MW機組鍋爐為B&WB-1885/17.5-M型、亞臨界、一次再熱、單爐膛平衡通風、Π型布置、單爐筒自然循環(huán)鍋爐。爐膛寬20 100 mm，深17 400 mm，爐頂標高60 060 mm，爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成。爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方有二級高溫過熱器，在水平煙道處布置了垂直再熱器。尾部豎井由隔墻分隔成前后2個煙道，前部布置水平再熱器和省煤器，后部布置一級過熱器和省煤器。在分煙道底部設(shè)置了煙氣調(diào)節(jié)擋板裝置，用來分流煙氣量。煙氣通過調(diào)節(jié)擋板后又匯集在一起經(jīng)2個尾部煙道引入左右各回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

燃燒系統(tǒng)采用中速磨煤機正壓直吹制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，配置低NOx旋流燃燒器。鍋爐設(shè)計燃料為準格爾煙煤，為了節(jié)約燃料成本，該廠大量摻燒劣質(zhì)煤，設(shè)計煤質(zhì)和摻燒煤質(zhì)主要參數(shù)見表1。從表1可以看出，摻燒煤灰熔點較低，從而導(dǎo)致該廠鍋爐出現(xiàn)經(jīng)常性掉焦現(xiàn)象。

表1 鍋爐設(shè)計煤質(zhì)和摻燒煤質(zhì)主要參數(shù)Tab.1 Main quality parameters of the design coal and blending coal

2 結(jié)焦原因分析

該600 MW機組鍋爐在運行過程中發(fā)生了嚴重結(jié)焦，掉落的焦塊將渣井液壓關(guān)斷門砸開，無法關(guān)閉。停爐檢修過程判斷結(jié)焦部位主要為屏式受熱面底部。為了分析鍋爐結(jié)焦的原因，在屏式過熱器不同位置現(xiàn)場采集了7種具有不同外觀的焦塊樣，如圖1所示。從圖1可以看出，焦塊整體無光澤，顏色不深，結(jié)構(gòu)較為松散，未出現(xiàn)琉璃狀，表明爐內(nèi)溫度尚未達到使大部分煤灰熔融琉璃化的程度。其中，3號和4號樣品呈現(xiàn)出明顯的紅黃色，表明焦塊中鐵的含量較高。

圖1 焦塊樣原始形態(tài)Fig.1 Original form of the coke sample

2.1 焦塊的SEM分析

圖2 分別為1號、4號、7號焦塊樣放大500倍和10 000倍的微觀形貌。從圖2可以看出：1號焦塊樣表面凹凸不平，整體孔隙較大，多以50 μm左右的大顆粒形式存在，有少量2 μm左右的細小顆粒粘連在表面，少有直徑1 μm左右的細小孔洞，僅在10 000倍放大下才發(fā)現(xiàn)少量塑型絮狀，顆粒表面幾乎沒有連片的光滑的熔融面，表明該焦塊樣尚未經(jīng)歷大規(guī)模深度熔融過程，只是松散地聚合在一起；4號焦塊樣沒有連片的光滑的熔融面，但顆粒聚合度依次增強，直徑2 μm以下的孔洞逐漸增多，10 000倍下，可見更多1 μm以下的熔融孔，且孔內(nèi)有熔融顆粒，大顆粒表面粘有許多細小的球狀、桿狀顆粒和細小孔洞，這是熔融的必要前提，表明焦塊已經(jīng)發(fā)生一定程度的熔融；7號焦塊樣顆粒聚合度最高，有一部分層次，也有少量的球狀顆粒，低倍數(shù)下存在一定熔融孔和凹凸不平的熔融面，顆粒表面熔融分層相對清晰，存在一定數(shù)量的2 μm左右的細小熔融孔，孔內(nèi)有熔融的小顆粒，在7個焦塊樣中熔融程度最高。

圖2 焦塊樣SEM微觀形貌Fig.2 SEM micro-morphology of the coke samples

總體來看，焦塊尚未發(fā)生整體超溫生成琉璃狀焦塊的情況，但已開始出現(xiàn)局部熔融粘連結(jié)焦的現(xiàn)象，表明入爐煤中存在低灰熔點煤，只是數(shù)量比例還不高，尚不足以形成大的熔融焦塊。正是由于這部分灰熔點相對較低煤顆粒的存在，當鍋爐整體或局部達到并超過灰熔點時就會發(fā)生結(jié)焦。

2.2 焦塊的XRD分析

為了更精準地分析焦塊的組成成分，對焦塊進行了XRD分析。將樣品干燥，研磨至75 μm以下，以滿足XRD實驗的樣品需求，研磨后的焦塊樣宏觀形貌如圖3所示。圖中從左至右依次為1—7號樣品。

圖3 研磨后的焦塊樣宏觀形態(tài)Fig.3 Macroscopical morphology of the grinded coke

圖4 是7個焦塊樣的XRD圖譜。整體來看，7個樣品中的主要礦物是莫來石、石英及其同質(zhì)異象體。其中，1號—4號樣品中存在極少量的長石族礦物，包含鈣長石、鈉長石及中間體的鈣鈉長石。3號、4號樣品，灰焦塊顆粒呈紅黃色，與XRD圖譜中檢測到Fe2O3的衍射峰相吻合。5號—7號樣品，衍射峰的位置及形狀幾乎完全相同，且?guī)缀醪缓渌V物質(zhì)，僅僅是石英的相對含量有少許的變化。XRD分析結(jié)果同樣表明，煤種存在低灰熔點煤灰的成分，但其比例不高，且由于莫來石、石英等高灰熔點礦物質(zhì)的存在，其結(jié)焦能力有限，還不足以引起大規(guī)模結(jié)焦。

圖4 焦塊樣的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the coke samples

2.3 灰成分及灰熔點分析

當前鍋爐燃用的煤種較多、較雜。在對全年燃料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，得出主力煤為伊泰煤，摻燒部分九洲煤，少量摻燒納源、暖水煤，其煤質(zhì)分析見表2和表3。

表2 煤質(zhì)分析Tab.2 The coal quality analysis result

表3 灰成分分析 w/%Tab.3 The ash composition analysis result

為了進一步分析混煤的一些特性，對伊泰、九洲等主力煤種進行了不同比例的混合，并進行了化驗分析，其中表3僅列出了伊泰與九洲煤質(zhì)量比按3:1、1:1、1:3混合后的測試結(jié)果。從表3可以看出：九洲、納源、暖水3種煤灰分的Al2O3質(zhì)量分數(shù)不到20%，明顯偏低；MgO、Na2O、K2O等質(zhì)量分數(shù)之和達4%左右，明顯偏高，且Fe2O3的質(zhì)量分數(shù)在7%以上，也明顯偏高，結(jié)焦傾向嚴重。

表4 給出了弱還原性氣氛下灰熔點測試結(jié)果。從表4可以看出，暖水、納源、九洲煤灰熔點相對較低，ST分別為1 200、1 250、1 300 ℃左右，這3種煤的鐵含量普遍高于其他煤種，灰熔點受還原性氣氛的影響程度更大，比氧化性氣氛下低了約100 ℃，均屬易結(jié)焦煤種。而且，當電廠少摻燒或不摻燒這3種煤時，結(jié)焦明顯緩解或幾乎不發(fā)生，因此可以推斷這3種煤是造成結(jié)焦的主要原因。

表4 弱還原性氣氛的灰熔點 單位：℃Tab.4 The ash melting points in weak reductive atmosphere

3 解決方案

由于鍋爐采用前后墻對沖的燃燒方式，可調(diào)整的配風方式相對較少，通過調(diào)整入爐煤比例、配煤摻燒的方式進行解決將是一個很好的選擇[10]。由于爐膛整體溫度水平隨鍋爐負荷的降低而降低，爐內(nèi)出現(xiàn)結(jié)焦的可能性與區(qū)域都隨之減小，因此，應(yīng)在低負荷時盡可能多地摻燒低灰熔點劣質(zhì)煤，以獲得最大的經(jīng)濟效益；在高負荷時，應(yīng)適當降低低灰熔點煤的摻配比例，以保障機組安全運行。對此，可通過比較入爐混煤的灰熔點與屏底煙溫的方式調(diào)整各磨煤機的出力，使入爐煤的灰熔點始終比屏底煙溫低50~100 ℃，在確保爐內(nèi)燃燒安全的基礎(chǔ)上獲得最大的摻燒效益。

不同混煤的灰熔點（ST）的預(yù)測是判斷結(jié)焦是否發(fā)生的一項重要工作。由于結(jié)焦影響因素的多樣性，及爐內(nèi)燃燒環(huán)境的復(fù)雜性，采用筆者提出的蟻群前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行預(yù)測，結(jié)合多年積累的數(shù)據(jù)可獲得較高的預(yù)測精度，具體的建模方法可參見文獻[16]，這里不再贅述。

屏底煙溫通過在水冷壁上打孔加裝測溫元件，獲得屏底煙溫的實時數(shù)值。

通過現(xiàn)場運行調(diào)整與試驗測試，獲得一系列摻燒比例-負荷工作點，將其繪制成曲線可指導(dǎo)現(xiàn)場運行調(diào)整工作。九洲-伊泰配煤摻燒比例-鍋爐負荷曲線如圖5所示。

圖5 九洲-伊泰配煤摻燒比例-鍋爐負荷曲線Fig.5 The change curves of Jiuzhou and Yitai coal blending ratio with boiler load

從圖5可以看出，整個運行區(qū)域分為安全區(qū)、結(jié)焦風險區(qū)及過渡區(qū)。安全區(qū)內(nèi)，灰熔點ST要高于屏底煙溫，結(jié)焦的可能性很低；風險區(qū)內(nèi)，灰熔點ST要低于屏底煙溫，結(jié)焦的概率明顯偏高。實際運行過程中，考慮到爐內(nèi)燃燒工況的復(fù)雜性，以及運行人員調(diào)整的不確定性等因素，指導(dǎo)曲線還留出過渡區(qū)，給運行人員提供一定的操作裕度，確保安全。運行時應(yīng)當確保工作點落在安全區(qū)以內(nèi)，并盡可能地向安全過渡區(qū)的下限靠近，在確保安全的同時提高劣質(zhì)煤的摻燒比例。由于采用大數(shù)據(jù)方法預(yù)算混煤的灰熔點，存在一定范圍內(nèi)的誤差，本文擬合誤差在±5%左右。

4 結(jié)焦預(yù)警平臺開發(fā)

為了進一步實現(xiàn)對運行人員的指導(dǎo)，將上述曲線編制成軟件，開發(fā)出鍋爐結(jié)焦預(yù)警平臺，方便運行人員實時調(diào)整應(yīng)用。軟件利用電廠DCS接入機組的實時運行數(shù)據(jù)。平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主畫面分別如圖6和圖7所示。

圖6 鍋爐結(jié)焦預(yù)警平臺硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 The hardware network structure diagram of boiler coking early warning platform

圖7 平臺主畫面Fig.7 The main screen of the platform

運行人員可以根據(jù)實際上煤情況，選擇每臺磨煤機實際煤種。計算區(qū)域與結(jié)焦曲線可根據(jù)具體用煤與負荷情況等給出摻燒劣質(zhì)煤最大比例推薦值。該平臺可分析多種煤的摻混情況，根據(jù)入爐煤的比例計算出不同灰成分的百分比，利用預(yù)測模型得出灰熔點。混煤上煤過程中主要限制混煤的灰分和灰熔點，灰分設(shè)定最高限值A(chǔ)max，而灰熔點最低限值DTmin，約束條件為：

式中：x1，x2…xn為摻配煤種比例，%；A1，A2，…，An為摻配煤種灰分，%；DThun為混煤灰熔點，℃，該溫度根據(jù)各摻配煤灰分，采用大數(shù)據(jù)算法計算得出?；曳肿罡呦拗艫max和灰熔點最低限值DTmin根據(jù)該鍋爐具體運行參數(shù)，其中Amax根據(jù)鍋爐受熱面磨損關(guān)系確定，DTmin根據(jù)鍋爐屏底煙溫確定，具體分機組負荷給出：600 MW負荷下Amax為33%，DTmin為1 350 ℃；450 MW負荷下Amax為42%，DTmin為1 210 ℃；300 MW負荷下Amax為51%，DTmin為1 020 ℃，其他負荷點采用線性內(nèi)插值法得出。

根據(jù)以上約束條件，選擇目標函數(shù)：

式中，Ci為摻配煤價格，元/t。具體摻配比例以約束條件為邊界，以目標函數(shù)最小為追求目標，采用網(wǎng)格法計算得出，計算參考文獻[19]。

軟件同時還具有以下功能：1）實現(xiàn)了鍋爐主要受熱面的運行狀況顯示及污染程度的可視化（圖8）；2）參與指導(dǎo)鍋爐吹灰及機組配煤；3）具備數(shù)據(jù)采集、計算結(jié)果存貯等功能，為用戶端提供相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的查詢等；4）平臺將計算爐膛出口煙溫及其他各受熱面進出口的煙氣平均溫度繪制煙氣溫度分布圖，以便運行人員實時監(jiān)控鍋爐內(nèi)部的煙溫分布；同時預(yù)留了根據(jù)煤種灰成分輸入功能畫面，顯示灰熔點計算結(jié)果，以及機組的最佳配煤摻燒比例推薦值等；新煤種煤質(zhì)數(shù)據(jù)的更新有獨立的平臺界面，由采購部門錄入，自動更新關(guān)聯(lián)至主運行界面。

平臺已在現(xiàn)場應(yīng)用1年多，效果良好。原來各負荷下，運行人員只摻燒15%~20%的低灰熔點煤；在該平臺的指導(dǎo)下，運行人員根據(jù)不同的負荷，最高已經(jīng)將摻燒比例提高至40%以上，并逐步摸索進一步提高。

圖9 為鍋爐燃用低灰熔點煤的實際工作點。從圖9可以看出，當前工作點“☆”距離摻配安全曲線還有較遠距離，運行人員可以進一步增加低灰熔點煤的摻配比例，以獲得更大經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

某600 MW機組鍋爐結(jié)焦是因低灰熔點煤的摻配比例不當所致。根據(jù)不同混煤的灰熔點數(shù)據(jù)建立了蟻群前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，獲得了不同混煤的最大摻配比例曲線，據(jù)此開發(fā)了電站鍋爐結(jié)焦預(yù)警軟件平臺，在該平臺的指導(dǎo)下，運行人員根據(jù)不同的負荷，最高已經(jīng)將摻燒比例由原來的15%~20%提高至40%以上，應(yīng)用效果良好。