于 龍

(通遼霍林河坑口發(fā)電有限責任公司， 內蒙古通遼 029200)

電廠燃煤鍋爐的主蒸汽及再熱蒸汽溫度對鍋爐實際運行過程中的經(jīng)濟性和安全性有著重要的影響，研究改善燃燒工況是解決鍋爐主要受熱面超溫爆管的重要途徑。

寧新宇等[1]對某1 000 MW超超臨界鍋爐運行氧量和分離燃盡風的配風方式進行優(yōu)化，有效解決了高溫過熱器、再熱器局部超溫的問題。羅韶輝等[2]對某1 000 MW機組鍋爐再熱蒸汽溫度長期偏低進行了分析，采取燃燒調整和吹灰優(yōu)化等措施，使再熱蒸汽溫度比調整前提高了近20 K，再熱器出口溫度偏差也從原來的20 K左右降至10 K以內。劉進等[3]針對鍋爐高溫再熱器局部超溫進行了不同負荷下、不同燃燒器組合和不同配風下的鍋爐熱力性能試驗，測得不同工況下高溫再熱器壁溫分布，分析了超溫的原因，并且通過計算確定了超溫管圈縮短的長度,從而使高溫再熱器最高壁溫下降約20 K。王春昌[4]提出對于切圓燃燒鍋爐煙氣溫度分布偏差，除采用提高受熱面材質水平、部分燃燒器反切、蒸汽側導汽管交叉等技術措施外，還可以通過調整各角一次風粉濃度、三次風粉濃度、二次風量等改變鍋爐四角風粉參數(shù)偏差。

針對某電廠燃煤鍋爐自實際投產(chǎn)以來便存在蒸汽溫度嚴重偏低、管壁超溫等問題，從改善燃燒的角度考慮，提高一次風溫度，優(yōu)化一次風率，并對3種方案分別進行分析對比，以找到最合適的改造方案，提高鍋爐效率，延長高溫管壁壽命。

1 設備概況

該電廠鍋爐為亞臨界壓力，一次中間再熱，強制循環(huán)汽包鍋爐，型號為HG-2080/17.5-HM12，鍋爐整體呈Π形布置，鍋爐額定負荷為600 MW。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下，設計汽包壓力為19.95 MPa，主蒸汽質量流量為2 080 t/h，主蒸汽溫度為541 ℃。

對1、2號鍋爐進行了相關技術改造：將原有水平濃淡燃燒器更換為低氮燃燒器；割除低溫過熱器(簡稱低過)原有受熱面積的38%，以提高熱一次風溫度；在省煤器與空氣預熱器(簡稱空預器)之間的煙道增設脫硝反應器。為提高脫硝系統(tǒng)對負荷的適應性，鍋爐省煤器改造為分級布置，將原省煤器管束割除40%布置在選擇性催化還原(SCR)脫硝反應器A、B側出口煙道，并將其作為一級省煤器(即低溫段省煤器)，同時將原省煤器剩余管束作為二級省煤器。

2號鍋爐增設了一次風加熱裝置，分別布置在A、B空預器出口熱一次風管道上，從鍋爐再熱器出口母管引出加熱蒸汽對熱一次風進行加熱，回汽送入3號高壓加熱器(簡稱高加)作為加熱蒸汽。

2 運行問題及分析

2.1 運行問題

2.1.1 煙氣溫度偏低

以鍋爐額定負荷(600 MW)為例，不同位置煙氣的設計溫度和運行溫度見表1，其中：末級再熱器簡稱末再，末級過熱器簡稱末過。在600 MW下，各段受熱面煙氣的運行溫度與設計溫度相比，均出現(xiàn)不同程度的偏差，并且爐膛煙氣的運行溫度嚴重低于設計溫度。

表1 不同位置煙氣的設計溫度與運行溫度

2.1.2 屏間熱偏差

分隔屏過熱器(簡稱分隔屏)和末再的管屏間沿爐膛寬度的熱偏差較大，并且在低負荷時的表現(xiàn)更加明顯，具體見圖1。

圖1 分隔屏和末再的管屏間沿爐膛寬度的熱偏差系數(shù)

2.1.3 蒸汽溫度偏低

由于管壁超溫，導致蒸汽的運行溫度低于設計溫度，具體見表2，其中：后屏過熱器簡稱后屏，低溫再熱器簡稱低再。

表2 不同位置蒸汽的設計溫度與運行溫度

2.1.4 一、二次風溫度偏低

空預器出口一、二次風溫度偏低，磨煤機干燥出力不足，一次風率(風的質量流量占比)達到52%，遠高于設計值(35%)。600 MW時，空預器進出口風、煙氣的運行溫度與設計溫度見表3。

表3 空預器進出口風、煙氣的運行溫度與設計溫度

空預器進出口參數(shù)與設計值偏差較大，空預器進口煙氣溫度較低，傳熱溫差小，傳熱能力差。按照現(xiàn)有空預器設計，一次風量偏大，二次風量偏小，空預器傳熱效率沒有體現(xiàn)出來?？疹A器進口煙氣的運行溫度比設計溫度低54 K，而運行排煙溫度(空預器出口溫度)比設計排煙溫度高11 K，嚴重影響鍋爐效率。

2.2 問題分析

2.2.1 燃盡區(qū)設計過高

爐膛燃盡區(qū)設計過高是主蒸汽、再熱蒸汽、熱風溫度偏低的原因。在設計時，為了保證煤粉的充分燃燒，最上層燃燒器噴口至屏底距離為24 245 mm，比常規(guī)爐膛高1 890 mm。600 MW時，屏底煙氣的設計溫度為1 331 ℃，運行溫度在1 050 ℃，溫差達到281 K，導致后續(xù)受熱面進口煙氣溫度均出現(xiàn)不同程度的偏低情況。鍋爐各段受熱面煙氣溫度偏低，引起主蒸汽及再熱蒸汽溫度偏低。低氮燃燒器改造后，爐膛燃燒溫度降低，水冷壁結焦情況改善，進一步導致爐膛出口煙氣溫度降低。

2.2.2 一次風溫度偏低

一次風溫度偏低，磨煤機干燥出力不足，需要提高一次風量保證干燥出力。二次風組織燃燒的作用十分有限，特別是在低負荷階段，二次風量減少會使爐內空氣動力場變差，風粉混合不均，燃燒推遲，火焰剛度變大，進而造成燃燒火焰中心更靠近爐膛中心，左右兩側煙氣溫度則偏低。另外，可供分級的風量有限，二次風量減少會使低氮燃燒效果變差。

3 改造方案

3.1 方案一

方案一為從省煤器出口抽取鍋爐高溫煙氣進入磨煤機，將磨煤機進口干燥劑的溫度提高到400 ℃以上，進而滿足磨煤機的干燥出力。具體系統(tǒng)布置見圖2(虛線為新增系統(tǒng))。

圖2 省煤器出口抽取高溫煙氣的系統(tǒng)

抽取高溫煙氣提高磨煤機進口一次風溫度后，進入磨煤機干燥劑含氧量降低，制粉系統(tǒng)可安全運行。磨煤機出口溫度提高后，入爐熱量提高，鍋爐效率也會提高。

采用煙氣再循環(huán)可降低爐膛溫度，使主燃區(qū)形成還原性氣氛，燃燒初期氧量降低，可抑制煤粉燃燒中氮氧化物(NOx)的形成。再循環(huán)率為15%～20%時，NOx的生成量可以降低25%左右。增加煙氣再循環(huán)后，可將一次風率由52%降至設計值(35%)附近，一次風速度會相應地下降，一次風溫度升高約70 K。因此，二次風率會增加，二次風箱壓力和燃燒器的二次風速度也會增加，可改善二次風分配的均勻性和與煤粉的混合效果，進而解決局部管子超溫問題。采用煙氣再循環(huán)后，爐膛溫度下降，輻射傳熱減弱，對流傳熱增強，能有效提高主蒸汽和再熱蒸汽溫度，飛灰與爐渣的含碳量均有較大程度的下降。綜合考慮，鍋爐效率能有效提高0.64百分點。

中速磨煤機正壓直吹式制粉系統(tǒng)摻爐煙輔助制粉問題，主要在于高壓爐煙風機的選型問題。對于全壓升為11 kPa、進口溫度為450 ℃的含灰氣流，因為單級風機的葉輪大、轉速高，不可忽視風機葉輪磨損問題的影響。

3.2 方案二

方案二為在熱一次風管道設置一次風加熱器，抽取進入汽輪機中壓缸的再熱蒸汽來加熱一次風，加熱后的蒸汽進入3號高加繼續(xù)加熱給水，原3號高加蒸汽抽取管路切除不投用。進入到一次風加熱器的蒸汽量通過加熱器入口調節(jié)閥進行控制。兩側風道各安裝1個一次風加熱器。具體系統(tǒng)布置見圖3。

圖3 熱一次風加熱器蒸汽系統(tǒng)

選取來自再熱熱段的蒸汽作為一次風加熱器熱源，可將一次風率由52%降至44%，一次風速也相應地下降，一次風溫度升高35 K。飛灰與爐渣的含碳量均有一定程度的下降。綜合考慮，鍋爐效率能提高0.25百分點。

3.3 方案三

3.3.1 改造方案

方案三為在一級省煤器進口及出口母管管道分別加裝手動閥，在給水操作平臺處逆止閥后將一級省煤器進口給水管道與出口給水管道相連接，連接管道上設手動閥，在至一級省煤器的再循環(huán)管道上加裝手動閥，將省煤器再循環(huán)管接至二級省煤器進口并在管路上加裝手動閥。具體系統(tǒng)布置見圖4(虛線為改動系統(tǒng))。

圖4 低溫段省煤器干燒運行方案

機組啟動前，關閉一級省煤器進口和出口給水管道手動閥，開啟一級省煤器旁路閥，給水直接進入二級省煤器，一級省煤器干燒運行。為防止一級省煤器進口及出口給水管道手動閥關閉不嚴，導致一級省煤器進入微量給水汽化，進而影響二級省煤器的安全運行，開啟一級省煤器放水手動閥和電動閥，保證一級省煤器處于無壓狀態(tài)運行。一級省煤器進口再循環(huán)手動閥關閉，開啟二級省煤器進口再循環(huán)手動閥。

3.3.2 影響分析

(1) 對一級省煤器本體安全性的影響。

省煤器材質是20G，允許最高溫度為470 ℃，一級省煤器上方是脫硝催化劑，催化劑允許運行溫度為321～427 ℃，機組在任何工況運行時一級省煤器進口煙氣溫度均低于427 ℃。一級省煤器能在干燒狀態(tài)下安全運行。

(2) 對給水溫度的影響。

低溫段省煤器旁路干燒運行時，省煤器受熱面積減小40%，給水溫度降低13 K。給水溫度降低，水冷壁將承擔給水預熱的作用，更多的熱量將分配給水冷壁。為保證鍋爐蒸發(fā)量，鍋爐燃燒量增加，爐膛出口煙氣溫度升高，各受熱面進口煙氣溫度也升高，進而提高了主蒸汽及再熱蒸汽溫度。給水溫度降低，省煤器出口給水欠焓增加，水冷壁運行更加安全。二級省煤器進口煙氣、進出口水的溫度的運行參數(shù)見表4。

表4 額定工況省煤器的運行參數(shù)

(3) 對排煙溫度的影響。

空預器三分倉傳熱元件面積是與一、二次風量相對應的。一次風量小，對應的傳熱面積??；二次風量大，對應的傳熱面積大。運行中若一次風量大、二次風量小，則空預器的傳熱效率達不到設計值?？疹A器進口煙氣的運行溫度比設計溫度低54 K，而運行排煙溫度比設計排煙溫度高11 K，嚴重影響鍋爐效率。

采用方案三后，空預器進口煙氣溫度為410 ℃，與設計溫度(409 ℃)一致。一次風溫度升高，一次風量降低，二次風量升高，空預器傳熱效率提高，排煙溫度降低2 K。

(4) 對鍋爐燃燒的影響。

一次風率降低至35%，一次風溫度提高約70 K，磨煤機出口溫度可以控制在70～80 ℃。一次風速度降低，二次風速度增加，可以改變爐膛空氣動力場，消除各屏間熱偏差，解決受熱面壁溫超限問題，同時可提高蒸汽溫度。二次風量和二次風溫度的提高有利于強化煤粉燃燒，降低爐渣、飛灰的含碳量。

一次風量降低，二次風量增加，分級燃燒效果變好，NOx的生成量降低20%，脫硝還原劑使用量降低，可降低發(fā)電成本。

4 改造投資與收益比較

表5為改造前后鍋爐主要參數(shù)對比。

表5 改造前后鍋爐主要參數(shù)對比

3種方案的經(jīng)濟性對比見表6。

表6 3種方案的經(jīng)濟性對比

由表5和表6可得：方案二的改造效果較差，方案一與方案三均能達到預期效果。但是，方案一存在風機磨損，導致機組可靠性降低的情況，需要增加大量維護工作；方案三則具有改造量小、收益高、免維護的優(yōu)點。綜合考慮，選取方案三作為一次風率優(yōu)化改造方案。

5 結語

(1) 針對鍋爐一次風率偏大的問題，在脫硝催化劑上下部位分級布置的省煤器，可以采用低溫段省煤器旁路干燒作為降低一次風率的改造方案。

(2) 低溫段省煤器旁路干燒方案具有投資少、改造量小、改造效果好、運行方式靈活等特點，排煙溫度不會升高，鍋爐效率有所提升。

(3) 降低一次風率，合理組織燃燒工況，能夠有效提高蒸汽溫度，降低管壁金屬溫度。