淺談亞臨界600MW機組低負荷運行適應性優化改造分析

王進明

摘 要： 我國很多大功率火電機組在面對越來越大的電網峰谷差使得機組在很長時間內進行大范圍的偏離額定設計工況運行，導致機組的低效率運行。火力發電廠面對諸多挑戰，其發電機組面臨著如何開發其節能潛力、低煤耗、低發電成本等競爭問題。目前，越來越多的機組參與到調峰的亞臨界600 MW級別機組中，由此，有必要對機組低負荷運行適應性進行優化改造。本文以亞臨界600 MW機組的四角切圓燃燒鍋爐為例，分析了參與優化改造機組的概況，分析了影響鍋爐NOx排放的有關因素，最后提出了再次優化改造鍋爐低負荷運行適應性的方案。

關鍵詞：600 MW機組 四角切圓燃燒鍋爐 低負荷 NOx排放

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0302-01

引言

我國最開始進行汽輪機噴嘴配汽問題的研究基本上集中在軟件方面，例如對進汽順序進行優化，解決較差的機組軸系穩定性問題，還有的是對重疊度的優化，使得機組高調門的節流損失降低。后來又通過節流調節和噴嘴調節方式的無擾切換進行研究，從而使得切換過程的負荷波動和汽壓波動得到降低。火電廠機組發電會燃燒大量的煤而排放對環境造成嚴重污染的NOx，雖然當前新能源電源已經有了規模性的接入，然而我國的火力發電方式仍然占據重要的比例。當前，空氣中的NOx污染物有65%是來自煤炭燃燒。而NOx污染物的排放大戶是火力發電廠，所以必須要采取降低火力發電廠的NOx排放措施。在國家GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的發布下，使得電廠機組必須通過改造控制其NOx排放量在100mg/Nm3（O2=6%）以內。從已有的主流NOx治理措施中可以看到，控制發電廠燃燒鍋爐的NOx排放量主要采取的是燃燒過程控制與燃燒后煙氣脫硝控制技術。燃燒過程NOx排放的控制技術分為低氮燃燒、燃燒優化調整與再燃等技術，而煙氣脫硝技術分為SCR（選擇性催化還原）、SNCR、聯合煙氣脫硝等技術。

一、參與優化改造機組的概況

本文所選的亞臨界2×600 MW機組鍋爐為四角切圓燃燒鍋爐，設計和制造廠家為哈爾濱鍋爐廠，型號為HG-2008/17.4YM5，控制循環、一次中間再熱的汽包爐，其單爐膛為平衡通風，鍋爐采取固態排渣方式，為全鋼構架結構，爐膛寬、深度、容積分別是18542、17448.5、18309m3。24只燃燒器平均分布于6層，A、B層燃燒器為等離子燃燒器，C、D、E、F燃燒器為低氮燃燒器，為四角布置，單個出力最大值是11.5t/h。燃燒方式為正壓直吹四角切圓燃燒，燃燒器噴口可上下擺動，分為兩層控制，上層控制E、F層燃燒器，下層控制C、D層燃燒器，最大擺角正負30度，通過擺動來調節再熱氣溫。燃燒器部分，最上排的噴口中心標高和最下排的分別是35470、26170mm，分別到分隔屏低和冷灰斗轉角距離是201300、5969mm，各層一次風噴嘴相距1860mm。省煤器出口煙道設有調節擋板，可在低負荷時保證脫硝入口煙氣溫度。整臺爐共布置 16 支油槍（每角 4 只），油槍采用機械霧化噴嘴，設計油槍的最大出力為 30%MCR 負荷，燃燒器風箱為大風箱，燃燒器上方布置八層 OFA 燃燼風，保證 NOx 排放值。

本機組當前的低碳排放技術為上氣公司（上海電氣集團股份有限公司的簡稱）所開發，已經在多個火力發電廠的600MW 四角切圓燃燒鍋爐中得到成功應用，能將使得低負荷下鍋爐的NOx排放量降低至160～220mg/Nm3。本文中的火力發電廠已經將四角切圓燃燒鍋爐的容量等級、煤種、NOx排放濃度都根據有關運行條件進行了改造，使得低負荷下鍋爐的NOx排放量控制在100～150mg/Nm3的范圍內。而當前根據有關要求，將進一步對原方案進行優化，具體辦法是對各層煤粉燃燒器標高進行調整，延遲煤粉的還原氣氛的停留時間，還采取了控制漏風量的優化措施。優化改造后進行了模擬試驗，結果表示改造后的主燃燒器區域有更好的還原性氣氛，而鍋爐的穩燃性和抗結渣能力都得到增強，使得鍋爐排放NOx的性能的提高了。

二、優化改造方案

1.鍋爐NOx排放的影響因素

根據實踐研究，燃煤在燃燒中的NOx產物分為3種，分別是燃料型、熱力型、快速型。其中有75%～95%均為燃料型，熱力型占到了20%以上。燃煤的種類對低氮燃燒改造有很大的影響，而最適合低氮燃燒技術的最佳適用對象為高揮發分煤種的鍋爐。然后需要對主燃區過量空氣系數與氣氛、爐膛溫度、煤粉細度、還原區煤粉停留時間、燃燒器結構等因素進行綜合分析。

通常來說，越長的還原區煤粉停留時間更有助于NO還原N2，這可以作為降低NOx排放量的一個措施，具體是增長分離燃盡風和上排一次風噴嘴的距離加長煤粉停留時間。

鍋爐運行時，過量的空氣系數會造成過量的主燃燒區的空氣系數，期間會增加燃料性NOx的生成促使NOx排放量上升。而增加總的過量空氣系數帶來同樣的NOx排放量變化。

2.優化措施

在原有的優化方案中再進行低負荷運行下的低氮燃燒器的優化改造，具體改造的主要措施是減少低負荷下鍋爐燃燒器的漏風。由于處于低負荷運行時，機組的上半缸進汽會出現明顯的進汽不均造成上下缸的溫差問題，從而出現了很大的漏汽量，機組運行的經濟性下降，也會增加煤耗；由于爐膛出口出有富足的氧量，使得主燃燒區域的過量空氣系數增大。由此，需要分析爐內的熱負荷/溫度場，從而改造二次風門擋板結構，達到漏風量的減少的效果。具體是調整各層之間噴嘴的數量與尺寸，減少漏風，有助于提高鍋爐的NOx排放性能。

鍋爐適應性優化改造。兩層煤粉噴嘴之間分為：二次風和一次風的煤粉嘴，有相同的偏轉方向；二次風正切一次風煤粉噴嘴為一定的角度。利用偏置風能夠形成水平空氣分級，有助于還原反應。兩個二次風門擋板分別控制兩部分的二次風，具體是調整擋板開度控制二次風的比例，以此改變爐內切圓直徑、旋轉強度、貼壁氣氛，讓鍋爐能夠更加適應煤種。采用新型濃淡分離結構的一次風煤粉噴管在濃淡分離方面有更好的效果，使得鍋爐在NOx排放與穩燃能力方面都有較好的降低。通過增加大風箱道上的擋板門來優化二次風道，可以達到增加主燃燒器二次風的阻力的目的，可以促使分離燃盡風風量能夠增大。

同時，要使得對鍋爐的優化改造達到最佳的效果，還應該對高負荷下的煤粉在還原區停留時間進行延長。由于高負荷中鍋爐內的煙氣量大、流速快，導致煤粉在還原區的停留時間縮短。通過將全部主燃燒器進行更換，且調整各層煤粉燃燒器標高，從而將主燃區高度壓縮，其必面熱負荷得到增加。不改變最下層燃燒器噴嘴標高，將6層一次風煤粉燃燒器間距調整，將原噴嘴各層的均等布置的間距改為從下到上的不均等布置，具體為下小上大，以保護溫度場分布相適應，這樣就能減少結渣風箱和提高穩燃能力。

三、 性能試驗

通過優化改造后，對鍋爐進行性能測試，6層一次風煤粉噴嘴的間距的調整使得煤粉在還原區的停留時間延長，這就降低了鍋爐的NOx的排放；將主燃區的高度降低后使得空氣分級效果更強，和煤粉在還原區、爐內的停留時間延長，促使NOx還原N2更加充分，減少了約15%的NOx的生成。煤粉燃盡程度提高，飛灰未燃盡碳損失減少。主燃區避免熱負荷增加為可接受范圍，其貼壁風設計的增加解決了水冷壁結焦。降低燃燒器標高，相同的燃燒器擺角低負荷中，過熱器噴水量少4t/h，而高負荷減少10t/h，各自的再熱氣溫下降值分別是3～5℃和1℃。

四、結語

在對600MW亞臨界機組鍋爐進行優化改造后，并通過性能試驗得出相應的結果：穩態情況中高負荷運行鍋爐NOx的排放量在150mg/Nm3以內，而在低負荷下，NOx的排放量由減少的趨勢，其最低值為100mg/Nm3。成功地將亞臨界600MW機組在低負荷運行下鍋爐的NOx排放性能進行提高，并且在通過優化后，同類型機組在低負荷運行下采用劣質煙煤、褐煤，也同樣適用。

參考文獻

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