不同負荷下SOFA系統調整策略的試驗研究

夏文靜，何長征，韋紅旗

不同負荷下SOFA系統調整策略的試驗研究

夏文靜1，何長征2，韋紅旗3

（1.中冶華天工程技術有限公司，江蘇南京210019；2.南京博沃科技有限公司，江蘇南京210001；3.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096）

分離燃盡風（SOFA）系統作為控制NOx排放的主要調整設備，其調整策略的制訂對于鍋爐運行至關重要。以某660 MW超臨界燃煤鍋爐為研究對象，基于調整試驗，分析SOFA系統對爐效、NOx排放及其運行成本的影響規律，結果表明不同負荷下的調整策略不盡相同，運行中應進行差異化調整。

SOFA；NOx；爐效；調整策略

隨著環保力度的加強，低氮燃燒器已成為大型鍋爐的標準配置，然而低NOx的控制原理卻與煤粉燃燼的原則有所背離，易出現飛灰可燃物及煙氣CO濃度上升的現象［1，2］，使得經濟運行與環保達標不能同時滿足。分離燃盡風（SOFA）系統作為控制NOx排放的主要調整設備，其調整策略的制訂對于鍋爐運行至關重要，然而目前國內關于大型機組SOFA試驗調整的文獻［2，3］較少，多為SOFA的數值模擬研究［4-6］。針對660 MW超臨界燃煤鍋爐，進行了不同負荷下SOFA系統的專項試驗研究，以分析該系統對爐效、NOx排放及其運行成本的影響規律，并制定相關調整策略。

1　設備概述

試驗鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造，型號SG-2090/25.4-M975，為超臨界參數變壓運行直流爐，一次中間再熱，四角切圓燃燒，單爐膛，固態排渣，全鋼構架，全懸吊結構，平衡通風，露天布置，Π型鍋爐。主要設計參數、設計煤種如表1、表2所示。該鍋爐燃燒系統為低NOx同軸燃燒系統（LFNCSTM），共24只直流式燃燒器，分6層布置于爐膛4角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈四角切圓方式燃燒，而主燃燒器之上設置有5層SOFA，由1臺氣動執行器集中帶動SOFA作上下擺動。

2　研究方法及內容

試驗在不同負荷下對運行氧量、主燃燒器系統、SOFA系統及制粉系統進行單因素燃燒調整。為避免其他運行因素參于調整，允許部分參數在較大范圍內波動，如主汽溫度、再熱汽溫度、選擇性催化反應器（SCR）出口NOx等，并盡量通過水煤比或減溫水量對汽溫進行調整。

通過眾多運行因素的大幅調整，分析其對燃煤成本、尿素成本及其波動幅度的影響規律。針對典型負荷下的SOFA系統進行較為全面的調整試驗，以了解不同負荷下SOFA系統運行方式對爐效與NOx排放的關系及規律特性。

表1　主要設計參數

表2　煤質分析數據

試驗調整中，機組保持定負荷運行、煤質盡量穩定，各工況均對多個重要參數與指標進行測試及計算，其中包括SCR進口煙氣成分、空預器出口煙氣成分、排煙溫度及環境參數的測量；煤粉、飛灰及爐渣的取樣及分析；修正爐效、各項熱損失、脫硝效率、煙氣總量、燃煤量及尿素量等性能指標的計算。

3　研究分析及結果

3.1燃煤與尿素成本對調整策略的影響

針對高、中、低負荷下的試驗工況（對運行氧量、主燃燒系統、SOFA系統及制粉系統進行燃燒調整），對燃煤及尿素成本進行了核算及統計，得出不同負荷下相關成本的變化曲線，如圖1所示。

由圖1可知，高、中、低負荷各工況尿素成本最大波動幅度分別為200、217、230元/h，而燃煤成本最大波動幅度分別為2832、3066、2718元/h。隨著運行因素的調整，尿素成本波動幅度遠小于燃煤成本，兩者總成本幾乎完全取決于燃煤成本。可見從經濟運行角度出發，在滿足SCR進口NOx不超設計值、出口NOx達標的情況下，合理爐效應為SOFA調整策略的主導方向。

圖1　燃煤成本、尿素成本及兩者總成本變化曲線

3.2鍋爐負荷對調整策略的影響

針對高、中、低負荷下的試驗工況，選擇各負荷運行氧量相對接近的10個典型工況，對其爐效、SCR進口NOx等相關參數進行平均，以分析負荷對爐效及SCR進口NOx的變化規律，如表3所示。隨著機組負荷的降低，爐內溫度下降、煤粉停留時間增長，導致NOx排放降低、爐效上升，且變化幅度較大。同時，SCR進口煙溫也隨之降低，在420 MW負荷時已降至304℃，略高于最低設計運行值（300℃），若負荷繼續下降，則SCR退停的可能性很大，進而導致NOx排放嚴重超標。

由此可見，高負荷運行時，爐效相對較低，上升空間較大，在NOx排放不超標的情況下，爐效應為SOFA調整策略的主導方向。低負荷運行時，爐效相對較高，而SCR退停的可能性又較大，控制NOx排放應為SOFA調整策略的主導方向。

表3　不同負荷試驗工況數據匯總

3.3SOFA運行方式對調整策略的影響

3.3.1SOFA風門開度

在高、低兩種典型負荷下（運行氧量分別維持在2.7%，3.8%），僅對5層SOFA開度進行單因素調整，以考察其對爐效、NOx排放的影響規律，相關曲線如表4所示。SOFA風門開度的調整，可有效降低NOx排放，整體呈現開度越大，NOx排放越小的趨勢，然而對爐效的影響不大。可見，該爐型SOFA系統設計較為合理，能有效調整SOFA風和煙氣的混合過程，降低飛灰含碳量和CO含量。因此，為保證SCR進口NOx不超設計值，不同負荷下SOFA可保持在大開度下運行。

表4　不同SOFA風門開度試驗工況數據匯總

3.3.2SOFA風投運層

在高、低兩種典型負荷下（運行氧量分別維持在2.3%，4.2%），僅對SOFA投運層的運行方式進行單因素調整，以考察其對爐效、NOx排放的影響規律，如表5所示（該爐型SOFA系統共5層SOFA噴口，試驗中各層SOFA噴口一旦投運，則保持100%開度，否則保持10%開度，以便冷卻噴口）。

表5　不同SOFA風投運層試驗工況數據匯總

（1）高低負荷下，隨著SOFA風投運層數的增加，SOFA風量有所增加，NOx排放呈現明顯下降趨勢；

（2）高低負荷下，5層SOFA風全投，會導致主燃燒器區域的空氣量減小，CO排放可能會有所增加（如660 MW試驗工況），但飛灰含碳量呈明顯下降趨勢，說明SOFA風量的增加對飛灰燃燼有改善作用，因此5層SOFA全投時爐效較高；

（3）通過投運上3層SOFA與投運下3層的對比，可知上層SOFA由于與主燃燒器距離相對較大、NOx還原時間更長，其降NOx的效果相對明顯，但爐效會有所損失。

綜上所述，該爐SOFA設計較為合理，投5層SOFA后NOx排放最低、爐效較高。因此，為了保證SCR進口NOx不超設計值，不同負荷下SOFA可保持5層全投狀態。

3.3.3SOFA風箱/爐膛差壓

在高、低兩種典型負荷下（運行氧量分別維持在2.6%、4.5%），5層SOFA全部投運、各層開度均為100 %時，僅對主燃燒器二次風門開度（25%～50%）進行單因素調整，以改變SOFA風箱/爐膛差壓，考察其對爐效、NOx排放的影響規律，如表6所示。

由表6可知，隨著二次風開度減小、風箱/爐膛差壓上升、SOFA風量增加，導致NOx排放降低，但下降幅度較為有限。同時，差壓與爐效不呈線性變化，規律性及變化幅度均較弱。分析認為，出于運行安全及降氮需要，運行中需保持較高的風箱/爐膛差壓，加之二次風門（除SOFA、CCOFA風以外）多達72個、組合方式眾多，不便快速調整，因此二次風開度及調整范圍均較小。

表6　不同SOFA風箱/爐膛差壓試驗工況數據匯總

由此可見，試驗條件下SOFA風箱/爐膛差壓對爐效及NOx排放影響較弱，因此鍋爐的安全運行應作為該因素的主導方向。

3.3.4SOFA風上下擺角

在高、低兩種典型負荷下（運行氧量分別維持在3.0%，4.6%），5層SOFA全部投運、各層開度均為100%時，僅對5層SOFA上下擺角進行單因素調整，考察其對爐效、NOx排放的影響規律，如表7所示。

表7　不同SOFA上下擺角試驗工況數據匯總

（1）高低負荷下，SOFA上擺，NOx還原區高度增加，進而NOx還原時間增加、降氮效果增強，整體來看SOFA每上擺25%，NOx約下降14 mg/m3；

（2）高負荷下，SOFA上擺，爐效呈明顯上升趨勢；低負荷下，SOFA上擺，爐效卻呈明顯下降趨勢，說明不同負荷下擺角對爐效的影響規律有所差異。

分析認為，高負荷運行時，爐內火焰中心較高，由于SOFA自身及存在的故障，當SOFA下擺時，可能對爐內燃燒形成了一定的干擾，導致爐效有所下降。低負荷運行時，爐內火焰中心明顯下移（上兩層燃燒器停用），當SOFA下擺時，對爐內燃燒的干擾作用已不存在，但對爐內火焰的下壓作用卻有所突顯，導致排煙溫度、飛灰含碳量均有較為明顯的下降，進而爐效上升。

在不考慮汽溫及其偏差的情況下［7］，由于SOFA風上下擺角在不同負荷下對爐效及NOx排放的影響較大，且調節迅速，因此可作為SOFA系統調整的主要手段。同時，由于上下擺角在不同負荷下對爐效的影響規律不同，進而其調整策略也有所不同，建議不同負荷下的調整策略如下：

（1）高負荷運行時，SOFA可上擺至最高位置，以同時滿足高效與低NOx排放的要求；

（2）低負荷運行時，總NOx排放較低，為保證較高的爐效，SOFA可下擺至最低位置；

（3）SCR退停時，NOx排放嚴重超標前，SOFA可迅速上擺至最高位置，以控制NOx排放，但運行中應注意爐內穩燃狀況。

4　結束語

對于試驗機組而言，通過SOFA系統調整策略的試驗研究，發現其低氮燃燒器設計合理，正常運行方式下，對爐效的影響較小，但不同負荷下仍需采用不同的調整策略。在爐效與低NOx排放的聯合優化中，合理的爐效應為調整的主導因素，也即在滿足SCR進口NOx不超設計值、SCR出口NOx達標及生產安全的情況下，運行調整應以爐效為主導；高負荷運行時，爐效相對較低，上升空間較大，應通過燃燒調整優化，在保證NOx排放不超標的情況下，盡可能高效運行；低負荷運行時，爐效相對較高，但SCR退停的可能性明顯增大，為避免NOx嚴重超標，應通過燃燒調整優化，保證較低的NOx排放，以保持一定的調節余量；為保證不同負荷較高的爐效及SCR進口NOx不超設計值，SOFA系統應維持5層全投、大開度及較大差壓運行，同時將其上下擺角作為SOFA系統調整的主要手段，試驗數據表明該擺角對爐效的調整幅度為0.3%～0.5%，對NOx的調整幅度可達到50 mg/m3；SCR退停時，對NOx排放控制及爐內穩燃的要求很高，在對SOFA系統調整的基礎上，還應結合運行氧量、磨煤機運行方式等其他調整手段進行聯合控制。

［1］夏文靜，衡麗君，何長征，等.660 MW超超臨界燃煤鍋爐降低CO排放的試驗研究［J］.熱能動力工程，2014，29（1）：58-64.

［2］何小平，文力.SOFA對NOx排放及燃燒的影響［J］.陜西電力，2014，42（12）：91-93.

［3］卞康麟.1000 MW機組塔式鍋爐NOx排放的試驗研究［J］.江蘇電機工程，2014，33（5）：73-75.

［4］呂太，閆晨帥，路昆，等.不同負荷下變SOFA風率對低NOx燃燒特性影響分析［J］.熱能動力工程，2014，29（4）：67-72.

［5］鐘亞峰，孫保民.600 MW鍋爐SOFA風率降低NOx影響研究［J］.電站系統工程，2013，29（6）：33-36.

［6］趙振寧，童家麟，葉學民.燃盡風對300 MW鍋爐燃燒特性影響的數值模擬［J］.華東電力，2013，41（1）：219-224.

［7］周立群，張碧珠.600 MW超臨界機組燃燒調整中SOFA擺角的作用［J］.華電技術，2010，32（4）：08-11.

Experimental Study of SOFA System Adjusting Strategy under Different Loads

XIA Wenjing1，HE Changzheng2，WEI Hongqi3
（1.Huatian Engineering&Technology Corporation，MCC，Nanjing 210019，China；2.Nanjing Bowo Technology Co.Ltd.，Nanjing 210001，China；3.School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

As the main adjusting method for reducing NOxemission，the adjusting strategy of SOFA system is essential for boiler operation.Using 600 MW supercritical coal-fired boiler as the research object，analysis on the influence of SOFA system on the boiler efficiency，the NOxemission，and the operating cost has been carried out based on combustion adjustment tests.The results indicated that variable adjusting strategies for SOFA system should be adopted under different loads.

SOFA；NOx；boiler efficiency；adjusting strategy

TK227.1

A

1009-0665（2015）05-0068-04

夏文靜（1978），女，江西南昌人，高級工程師，從事電廠熱力系統設計工作；

何長征（1978），男，江西新余人，工程師，從事電力熱力設備性能測試及優化運行；

韋紅旗（1966），男，安徽霍山人，副教授，研究方向為電力熱力設備性能測試及優化運行。

2015-03-20；

2015-06-05