鍋爐低負荷時再熱蒸汽溫度低的原因分析及燃燒器改造

王禮鵬，王磊，秦淇，藍曉村，姬亞

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

鍋爐低負荷時再熱蒸汽溫度低的原因分析及燃燒器改造

王禮鵬，王磊，秦淇，藍曉村，姬亞

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

針對國內某350 MW鍋爐低負荷時再熱蒸汽溫度低的問題，經摸底和燃燒調整試驗，確定僅通過運行調整難以有效緩解該問題，需進行燃燒器優化改造。提出了減弱爐膛吸熱和減小爐膛上部煙氣旋轉殘余的燃燒器優化設計改造方案，改造后的優化調整試驗結果表明：機組低負荷時再熱蒸汽溫度明顯提高，爐膛燃燒及結渣情況得到改善，機組NOx排放質量濃度有所降低。改造后的燃燒調整試驗為運行人員提供了機組低負荷運行優化調整指導卡片，有效提高了機組運行的經濟性和安全性。

鍋爐；低負荷；再熱蒸汽溫度；燃燒器；改造

0 引言

電力工業關乎國計民生，在整個國民經濟中占據著十分重要的地位，2014年全國電力生產總量達56 495.8億kW·h。目前雖然有1 000 MW大型燃煤機組陸續投入生產，但國內燃煤機組容量仍以300 MW和600 MW為主。為響應國家節能減排政策，國內300 MW機組鍋爐燃燒器大部分進行了低氮改造，但改造后普遍存在再熱蒸汽溫度低于設計值，尤其是低負荷時鍋爐再熱蒸汽溫度低的問題。再熱蒸汽溫度低不僅影響機組的經濟性，而且會增加汽輪機的排汽濕度，長期運行會降低末級葉片的壽命，影響機組運行的安全性。

國內學者針對鍋爐再熱蒸汽溫度低的問題開展了大量研究，喬永生等人[1]從運行控制和設備改進兩個方面提出了防治措施；孟建國等人[2]通過減少分隔屏過熱器受熱面、增加省煤器受熱面的方法研究了某600 MW機組低負荷時再熱蒸汽溫度偏低問題；王英坤等人[3]提出了將冷段再熱器入口由爐前側改為爐后側，強化再熱器換熱，以提高再熱蒸汽溫度；強君剛等人[4]針對某300 MW鍋爐再熱蒸汽溫度低的問題，通過熱力計算，提出了敷設衛燃帶的治理方案；吳云輝[5]則系統分析了燃煤鍋爐主、再熱蒸汽溫度偏低的影響因素，針對某125 MW機組設計資料，通過各受熱面熱力計算提出了解決再熱蒸汽溫度低的不同改造方案。雖然相關的專家和學者對不同電廠出現的再熱蒸汽溫度偏低問題，都提出了自己的解決方案[6-16]，但這些都是通過受熱面面積改造或衛燃帶敷設解決再熱蒸汽溫度偏低問題，通過燃燒器改造改善低負荷時再熱蒸汽溫度偏低的試驗研究并不多見。

國內某350 MW亞臨界壓力自然循環汽包鍋爐低氮燃燒器改造后一直存在低負荷時再熱蒸汽溫度低的問題，本文針對該問題，通過熱力計算及燃燒器配風改造，研究提高低負荷時再熱蒸汽溫度的方法，并結合燃燒調整試驗進行改造效果驗證。

1 設備概況

國內某電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產的HG-1172/17.2-PM2型亞臨界壓力一次中間再熱自然循環鍋爐。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，配有5臺HP863型碗式中速磨煤機，采用正壓直吹式制粉系統。該鍋爐的爐膛斷面近似正方形(寬14 048 mm、深14 019 mm)，爐膛高熱負荷區域的水冷壁采用內螺紋管的膜式水冷壁，爐膛上部布置有墻式再熱器、分隔屏過熱器和后屏過熱器；水平煙道中布置有屏式再熱器、末級再熱器、末級過熱器和立式低溫過熱器；后煙道豎井布置有水平低溫過熱器和膜式省煤器，煙道豎井下部布置有2臺空氣預熱器(以下簡稱空預器)。過熱器采用兩級噴水減溫：一級在分隔屏過熱器入口作為粗調，保護分隔屏過熱器不超溫；二級在后屏過熱器和高溫過熱器之間作為細調，保證主蒸汽溫度。再熱器設計為通過改變燃燒器噴口傾角來調節汽溫，異常時利用再熱器入口的事故噴水進行減溫。鍋爐主要設計參數見表1(表中：BMCR工況為鍋爐最大連續出力工況；ECR工況為鍋爐經濟出力工況)。

表1 鍋爐主要設計參數

該鍋爐爐膛四角布置了4組擺動式燃燒器，每組有8個噴嘴，其中5個煤粉噴嘴、3個油槍噴嘴。共11層二次風噴口，其中布置有2層上燃盡風和1層下燃盡風。煤粉噴嘴內部布置有百葉窗式分離器，利于向火側的著火與穩燃，防止背火側區域的結焦；同時，噴口周圍均布有周界風，以冷卻煤粉噴嘴。2012年進行了低NOx燃燒改造,主要改造內容為：在主燃燒器上方增加2層分離燃盡風(SOFA)燃燒器；主燃燒器各層(5層)一次風、二次風標高及數量均不變，緊湊燃盡風(CCOFA)二次風由原來的3層改為2層，最上層EE4風密封；爐膛減少部分衛燃帶，避免結焦；一次風室采用水平濃淡燃燒器并配有周界二次風；B層燃燒器為帶小油槍的燃燒器，沒有百葉窗濃淡分離裝置；一次風周界風小風門遮蓋部分面積，增加風門調節特性。

2 原因分析

通過改造前的燃燒調整試驗，確定該鍋爐低負荷時再熱蒸汽溫度低的原因主要如下。

(1)爐內熱偏差無法消除。燃燒調整過程中由于爐內熱偏差較大，在提高火焰中心高度、提高爐膛出口煙溫時，分隔屏過熱器及高溫再熱器出口壁溫容易超限，分隔屏過熱器壁溫易超限點主要靠左側及中部，而高溫再熱器壁溫易超限點在中間偏右側位置。試驗中采用增大SOFA反切角度的方法加強反切風動量矩，但不能消除高溫再熱器出口汽溫、壁溫偏差；也曾采用增大反切風開度的方法提高反切風動量矩，下兩層反切SOFA開度增大到50%，同樣無法消除壁溫偏差，進一步增大下2層SOFA開度時，爐膛風箱壓差降至0.35 kPa以下，易引起燃燒不穩；采取增、減某一角主燃區風量的措施同樣無法消除壁溫偏差。

(2)水冷壁吸熱量偏大，爐膛出口煙溫偏低。低氮燃燒器改造后，過熱器減溫水量及各段煙溫明顯降低，表明對流吸熱份額減小。改造后雖然主燃區放熱量減少，但主燃區二次風量減少，所以主燃區爐膛溫度變化不大。但是，改造后一方面二次風量降低，另一方面二次風噴口外壁與二次風箱間隙偏大，其間的漏風使二次風噴口風速降低，造成二次風動量減小，進而使二次風切圓直徑增大，二次風區域燃燒更靠近水冷壁壁面，使水冷壁吸熱量增加，降低了爐膛出口煙氣溫度，導致再熱蒸汽溫度降低。

3 改造方案

通過摸底燃燒調整試驗，基本確定了鍋爐低負荷時再熱蒸汽溫度低的原因，因受熱面部分壁溫容易超溫，僅通過運行調整難以有效緩解再熱蒸汽溫度低的問題，需進行燃燒器優化改造，改造的主要方向為減弱爐膛吸熱和減小爐膛上部煙氣旋轉殘余，最終確定的優化改造方案如下。

(1)對燃燒器上部EE2，EE3二次風進行可調水平擺角改造。拆除原EE2，EE3層共8只二次風噴口，更換為新加工件，同時為其增設手動的水平切角擺動機構(原來的垂直擺動機構依舊)，實現水平方向左、右20°范圍內的擺動，垂直方向的擺動不受影響。實際運行中這2層二次風可反切運行，削減主燃區旋轉動量矩，減小爐膛上部的煙氣旋轉殘余。

(2)SOFA噴口及主燃區二次風噴口局部封堵。對各層SOFA噴口及主燃區二次風噴口進行局部封堵(除本次已改造的EE2，EE3層及AA1層)，減小二次風噴口總面積，提高二次風風速及動量，增強二次風后期對一次風的卷吸控制能力，以達到提高運行穩定性、減輕或消除結渣、降低爐膛出口兩側煙溫偏差及降低飛灰可燃物的目的。封堵方法為在噴口左、右側筋板上焊接銷釘，并布置耐火澆注料。

改造前、后燃燒器設計參數見表2，燃燒器改造情況如圖1所示。

4 改造效果

改造前進行了A，B，C和C，D，E兩種磨煤機運行方式的原始工況摸底試驗及C，D，E磨煤機運行時的燃燒調整試驗，改造后同樣是先進行摸底試驗，再進行A，B，C和C，D，E兩種磨煤機運行方式的燃燒調整試驗，各試驗工況參數對比情況見表3。

表2 燃燒器改造前、后設計參數

由表3可以看出：改造后低負荷時再熱蒸汽溫度比改造前原始工況分別提高了27 ℃(C，D，E磨煤機運行)、36 ℃(A，B，C磨煤機運行)，比改造前優化工況平均提高了19 ℃(C，D，E磨煤機運行)；改造后各工況選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置入口NOx質量濃度比改造前各工況有所降低，末級再熱器最高壁溫相差不大。通過觀察和運行人員反映，改造后爐膛結渣情況也有明顯好轉。

圖1 燃燒器改造

工況機組負荷/MW磨煤機運行方式再熱蒸汽溫度/℃過熱蒸汽溫度/℃氧量(A/B)/%SCR入口NOx質量濃度(A/B，標態)/(mg·m-3)末級再熱器最高壁溫/℃改前原始工況174C，D，E504．0536．03．35/2．75563/607570．0177A，B，C489．0530．03．30/2．60468/528558．0改前燃燒調整試驗工況177C，D，E510．0536．03．60/2．80618/637569．0176C，D，E514．0538．73．60/3．10601/635571．0改后原始工況175C，D，E517．0536．03．07/3．11420/501569．0改后燃燒調整試驗工況177C，D，E531．0538．04．50/4．00480/580573．0177A，B，C525．0538．03．22/3．04448/509561．0

5 結論

(1)通過調整優化，改造后低負荷時再熱蒸汽溫度比改造前原始工況提高27 ℃(C，D，E磨煤機運行)、36 ℃(A，B，C磨煤機運行)，比改造前優化工況平均提高19 ℃(C，D，E磨煤機運行)。

(2)優化后低負荷工況C，D，E磨煤機組合運行方式下再熱蒸汽溫度能穩定在531 ℃左右，與額定溫度540 ℃尚有9 ℃差距，為進一步解決該問題，建議進行衛燃帶的核算敷設。

(3)通過總結改造后燃燒調整試驗結果，提供了機組低負荷運行的優化調整指導卡片，建議機組低負荷時按照推薦方式運行。

(4)改造后優化工況SCR脫硝裝置入口煙氣NOx平均質量濃度為480～550 mg/m3(標態)，低于600 mg/m3(標態)，比改造前工況有所降低，而末級再熱器最高壁溫相差不大，爐膛結渣情況也有明顯好轉。

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(本文責編：劉芳)

2016-11-14；

2017-06-06

TM 621.2

B

1674-1951(2017)07-0036-03

王禮鵬(1988—),男，河南鄭州人,助理工程師，工學碩士，從事燃煤電廠鍋爐的環保、節能、高效運行研究(E-mail:michealwlp@163.com)。