張林，周大慧，英燏，王勃，雷雨

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司，安徽銅陵 244002；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710032）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)蒸汽用戶數(shù)量的增加，不少電廠越來越多地應(yīng)用小型背壓機(jī)組。這些機(jī)組設(shè)備相對落后，采用“以熱定電”的運(yùn)行方式，主要滿足附近用戶的蒸汽用量。由于用戶的需求量不穩(wěn)定，因此對小型鍋爐的深度調(diào)峰提出了嚴(yán)峻的考驗。在熱負(fù)荷不高的情況下，機(jī)組只能靠對空排汽的方式維持穩(wěn)定運(yùn)行，造成較大的資源浪費(fèi)。

為維持蒸汽的供需平衡，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，各電廠開始進(jìn)行鍋爐的靈活性改造。陳江濤等［1］在煤粉管道上增設(shè)濃淡分離器，配備燃燒器進(jìn)行深度濃淡分離燃燒，利用動態(tài)分離器和落煤管改造實現(xiàn)超低負(fù)荷穩(wěn)燃。王俊文等［2］用數(shù)值模擬分析衛(wèi)燃帶導(dǎo)熱系數(shù)、面積、厚度與衛(wèi)燃帶表面溫度的關(guān)系，通過優(yōu)化衛(wèi)燃帶參數(shù)，解決了鍋爐低負(fù)荷燃燒不穩(wěn)定的問題。莊志寶等［3］基于進(jìn)化算法，建立火電機(jī)組低負(fù)荷非線性動態(tài)模型，設(shè)計低負(fù)荷協(xié)調(diào)控制策略，提高機(jī)組參與深度調(diào)峰的能力。陳明等［4］針對百萬機(jī)組低負(fù)荷調(diào)峰水冷壁壁溫局部偏高、燃燒不穩(wěn)定、主汽溫度偏差較大等問題進(jìn)行分析，提出解決方案。目前的靈活性改造方案或多或少地存在調(diào)峰深度不足、運(yùn)行成本高、初投資高等缺點，如何釋放原有設(shè)備的深度調(diào)峰潛力，成為不少電廠亟待解決的問題［5-6］。本文以安徽某電廠220 t/h 四角切圓燃燒器鍋爐為研究對象，進(jìn)行低負(fù)荷穩(wěn)燃改造，以期為其他電廠鍋爐的靈活性改造提供借鑒。

1 鍋爐概況

某電廠的2 臺220 t/h 鍋爐是四川鍋爐廠制造的型號為CG-220/9.81-M 的自然循環(huán)煤粉爐，具體備置為中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，直流式濃淡分離燃燒器，采用切向燃燒方式，固態(tài)排渣，平衡通風(fēng)，全鋼構(gòu)架，半露天“P”形布置。鍋爐前部為爐膛，四周布滿膜式水冷壁。爐頂、水平煙道兩側(cè)及轉(zhuǎn)向室設(shè)置頂棚和包墻管，尾部豎井煙道交錯布置2 級省煤器和2級空氣預(yù)熱器。

爐內(nèi)燃燒器假想切圓直徑為?560 mm，每角設(shè)置3 個一次風(fēng)噴口、4 個二次風(fēng)噴口、1 個燃盡風(fēng)噴口（如圖1 所示）。在燃燒器以上區(qū)域設(shè)置2 層分離燃盡風(fēng)，以減少NOx 的生成。燃燒器燃盡風(fēng)噴口傾角可在±10°范圍內(nèi)（垂直方向）調(diào)整，尾氣氣流上翹后，可通過調(diào)整燃燒中心調(diào)整過熱的蒸汽溫度。鍋爐主要熱力參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

圖1 燃燒器噴口示意圖 （單位：mm）

2 鍋爐存在的問題及改造方案

2.1 鍋爐存在的問題

目前，2 臺機(jī)組鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力較差，鍋爐最低穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷約130 t/h，在120 t/h 負(fù)荷運(yùn)行時曾發(fā)生滅火。負(fù)荷偏低時火檢閃動嚴(yán)重，無法繼續(xù)降低負(fù)荷。爐膛水冷壁存在小面積結(jié)焦，同時爐膛出口的NOx濃度較高，最高時可達(dá)580 mg/m3。

2.2 改造目標(biāo)

通過對鍋爐燃燒器及二次風(fēng)的設(shè)計改造，實現(xiàn)鍋爐最低蒸發(fā)量在95 t/h 時穩(wěn)定運(yùn)行，維持蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定，緩解爐膛水冷壁的結(jié)焦，達(dá)到提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與安全性、降低機(jī)組煤耗、減少污染物排放、提升經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的目的。

2.3 改造方案

本次燃燒器改造整體設(shè)計思路：在保持鍋爐較高燃燒效率的情況下，提高鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，防止水冷壁結(jié)渣，降低爐膛出口的NOx濃度。

（1）對原鍋爐燃燒器進(jìn)行改造，適當(dāng)增大一次風(fēng)噴口的面積，降低一次風(fēng)射流速度，使著火提前［7］。

（2）中間3 層二次風(fēng)噴口進(jìn)行一定角度的偏置，形成“風(fēng)包粉”的燃燒結(jié)構(gòu)。

（3）燃燒器出口背火側(cè)增加少量衛(wèi)燃帶，衛(wèi)燃帶呈棋盤型散狀分布，確保衛(wèi)燃帶在不形成結(jié)焦的情況下改善燃燒系統(tǒng)著火穩(wěn)燃條件，提高對煤質(zhì)的適應(yīng)性。

（4）下層微油燃燒器噴口增加穩(wěn)燃齒，增加噴口氣粉擾動，強(qiáng)化著火。

（5）改變風(fēng)量分配條件，在燃盡風(fēng)道中設(shè)置導(dǎo)流板，增加SOFA（分離燃盡風(fēng)）風(fēng)量，確保燃盡風(fēng)在不同負(fù)荷段可以單層或2層組合運(yùn)行，從而使鍋爐在不同負(fù)荷下均保持高風(fēng)速和適宜風(fēng)量，降低鍋爐運(yùn)行中NOx的生成。

3 改造前后運(yùn)行狀況對比

3.1 爐膛火焰溫度對比

增強(qiáng)鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)主要有燃燒器改造、提高熱一次風(fēng)溫、磨煤機(jī)動態(tài)分離改造、等離子油槍改造、富氧燃燒等，都是通過提高爐膛主燃燒區(qū)溫度，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的［1］。此鍋爐有A、B、C 3 臺磨煤機(jī)，分別對應(yīng)下、中、上3 層燃燒器，每兩臺磨煤機(jī)組合時鍋爐內(nèi)部運(yùn)行工況均有一定差異。在相同運(yùn)行工況下，對比120 t/h 時#1 爐改造前后爐膛火焰溫度的變化，利用高溫紅外線測溫儀，從3 層煤粉燃燒器4個角及燃盡風(fēng)看火孔，分別測量爐膛燃燒火焰溫度，鍋爐改造前后爐膛火焰溫度數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 改造前后爐膛火焰溫度對比數(shù)值表

120 t/h 為改造前鍋爐所能達(dá)到的最低負(fù)荷。由于負(fù)荷較低，爐膛火焰溫度為700～930 ℃，煤粉進(jìn)入爐膛后在主燃燒區(qū)開始初步燃燒，到爐膛上部燃盡風(fēng)區(qū)域燃燒更加劇烈，此處爐膛火焰溫度高于主燃燒區(qū)。由表1可以看出，鍋爐改造后，任意磨組合時的爐膛火焰溫度均有不同程度的提高，其中A、B 磨組合時，#2 角上層測點火焰溫度升高最大，達(dá)到54 ℃，爐膛整體火焰溫度平均升高19.3 ℃。此次燃燒器改造對提高爐膛火焰溫度有顯著效果。

鍋爐改造前后，不同磨之間組合運(yùn)行時爐膛火焰溫度分布均存在一定差異，A、B 磨組合時爐膛下層火焰溫度較高，A、C 磨組合和B、C 磨組合時火焰中心上移，爐膛出口火焰溫度有一定程度的提高。在鍋爐運(yùn)行負(fù)荷較低時宜采用A、B 磨組合，這是因為上層磨組合時，下層燃燒器周界風(fēng)只有270 ℃左右，相對于上層主燃燒區(qū)是一股冷卻風(fēng)，對爐膛火焰有干擾作用，不利于燃燒的穩(wěn)定性；并且上層磨組合時爐膛出口煙溫較高，容易引起過熱器、再熱器超溫。

3.2 爐膛負(fù)壓波動對比

鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時，隨著爐膛溫度的降低，火焰出現(xiàn)擾動，會引起爐膛負(fù)壓波動，甚至偶爾變?yōu)檎龎海藭r鍋爐負(fù)壓的小幅度波動都可能引發(fā)滅火，對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此，爐膛負(fù)壓的變化是檢測爐內(nèi)燃燒狀況的重要參數(shù)，通過觀察爐膛負(fù)壓變化就能及時反映運(yùn)行的穩(wěn)定性［8］。記錄鍋爐改造前后不同負(fù)荷下爐膛負(fù)壓的變化情況，通過對比負(fù)壓波動情況判斷改造對鍋爐穩(wěn)燃的效果。負(fù)壓隨時間變化的波動如圖2至圖4所示。

圖2 改造前120 t/h負(fù)荷爐膛負(fù)壓變化情況

圖3 改造后120 t/h負(fù)荷爐膛負(fù)壓變化情況

圖4 改造后95 t/h負(fù)荷爐膛負(fù)壓變化情況

已知改造前120 t/h 為鍋爐穩(wěn)定燃燒的最低負(fù)荷，到120 t/h 時爐膛火焰出現(xiàn)閃動，個別噴口會有脫火現(xiàn)象。從圖2 可以看出，此時爐膛負(fù)壓波動幅度較大，最大差值可達(dá)59 Pa；改造后，相同負(fù)荷下的爐膛負(fù)壓波動如圖3 所示，相較于改造前，負(fù)壓波動幅度明顯減小，趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，爐膛火焰呈穩(wěn)定切圓燃燒狀；隨著負(fù)荷進(jìn)一步降低，負(fù)壓波動逐漸增大，在降低到本次改造目標(biāo)值95 t/h 時，負(fù)壓波動愈發(fā)劇烈，最大差值可達(dá)57 Pa，但相較于改造前120 t/h 時的負(fù)壓波動幅度略小且變化頻率有所降低，爐內(nèi)火焰偶爾閃動，無噴口脫火現(xiàn)象，在不投油時仍可以穩(wěn)定燃燒。從爐膛負(fù)壓波動可以看出，隨著負(fù)荷的降低，鍋爐的穩(wěn)燃能力逐漸下降，火焰燃燒越來越不穩(wěn)定。爐膛在改造前120 t/h 負(fù)荷、改造后120 t/h 負(fù)荷、改造后95 t/h 負(fù)荷這3 個工況下，負(fù)壓平均值分別為34.98 Pa、35.78 Pa、38.42 Pa，均在鍋爐正常運(yùn)行的負(fù)壓范圍內(nèi)，燃燒基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 鍋爐效率對比

對于整個供電流程而言，鍋爐效率會隨著運(yùn)行負(fù)荷的改變而變化，隨著負(fù)荷的降低，爐膛溫度有所下降，鍋爐排煙溫度同步降低會減小排煙損失，但會使煤粉燃盡率降低，增大固體不完全燃燒損失［9］。測量鍋爐在120 t/h 負(fù)荷下（A、B 磨組合）的空預(yù)器出口氧量、溫度、脫硝入口NOx 含量，對入爐煤、灰、渣進(jìn)行化驗分析，計算鍋爐效率，對比改造前后鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 改造前后鍋爐經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比

由表3 可知，2 次測試期間入爐煤質(zhì)接近，揮發(fā)成分、發(fā)熱量等主要參數(shù)相差不大，對測試結(jié)果影響可忽略不計。鍋爐改造后灰渣含碳量降低，這與爐膛火焰溫度升高的測量結(jié)果相吻合，主燃燒區(qū)火焰溫度上升及燃盡風(fēng)量的增大，都有利于提高煤粉燃盡率。并且，隨著燃盡風(fēng)量的增大，主燃燒區(qū)煤粉處于缺氧燃燒狀態(tài)，對爐內(nèi)NOx 生成起到一定的抑制作用，爐膛出口的NOx 含量為395 mg/Nm3，較改造前降低137 mg/Nm3，減少了鍋爐污染物排放，可降低SCR脫硝成本，大幅度提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)計算可知，改造后鍋爐的機(jī)械不完全燃燒損失和化學(xué)不完全燃燒損失降低，隨著爐膛煙溫的升高，雖然排煙熱損失增大，鍋爐效率較改造前有所降低，但是基本達(dá)到了本次改造的主要目的，提高了鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，最低運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到目標(biāo)值95 t/h，爐膛出口NOx排放量明顯降低。

4 結(jié)論

本次鍋爐改造研究解決了低負(fù)荷穩(wěn)燃的問題，得出的結(jié)論總結(jié)如下。

（1）主燃燒區(qū)水冷壁敷設(shè)一定量的衛(wèi)燃帶以及控制煤粉進(jìn)入爐膛的燃燒距離，均對提高鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力有明顯作用。

（2）鍋爐運(yùn)行負(fù)荷較低時宜采用下層相鄰磨組合，爐膛著火相較于上層磨組合更加穩(wěn)定，并且上層磨組合時爐膛出口煙溫較高，易造成過熱器、再熱器超溫。

（3）熱風(fēng)配比對鍋爐運(yùn)行至關(guān)重要，燃盡風(fēng)量的增大能有效降低爐膛出口的NOx 含量，提高煤粉燃盡率，減少鍋爐的機(jī)械不完全燃燒損失。

（4）鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃和降氮改造，會相對降低鍋爐效率，增加煤耗；但從長期來看，避免了對空排汽造成的資源浪費(fèi)及污染物排放導(dǎo)致的環(huán)境惡化，可提高鍋爐運(yùn)行的安全性，產(chǎn)生顯著的社會效益。