某900 MW超臨界機組低氮燃燒器改造后存在的問題與優(yōu)化

金 閃，郭正飆

(上海外高橋第二發(fā)電有限責任公司，上海 200137)

某公司有兩臺900 MW機組于2005年左右正式投入運行，鍋爐設計排放NOx濃度為400 mg/Nm3。隨著國家環(huán)保政策的提高，對燃煤鍋爐排放監(jiān)管日趨嚴格，公司于2013年新增應用SCR工藝的脫硝系統(tǒng)，實現(xiàn)NOx濃度小于50 mg/Nm3排放；2015年完成給水旁路系統(tǒng)改造，使低負荷爐膛出口煙溫滿足脫硝系統(tǒng)要求，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)運行“全天候化”。

目前國內(nèi)多臺百萬機組深度調(diào)峰試驗的成功，以及上海市對燃煤鍋爐排放指標提出更高要求，在新形勢下脫硝系統(tǒng)運行工況和燃料成本均面臨較大挑戰(zhàn)。公司先后于2018年先后完成6號機組和5號機組低氮燃燒器改造工程，實現(xiàn)全負荷下脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度小于200 mg/Nm3，煙囪出口NOx濃度平均值小于20 mg/Nm3，大幅降低脫硝尿素成本，提高脫硝系統(tǒng)利用率和經(jīng)濟性。

2018年燃燒器改造以后6號爐燃燒工況發(fā)生變化，鍋爐出現(xiàn)水冷壁溫度降低、再熱蒸汽溫度偏差變化、再熱減溫水增加、飛灰含碳量增加、鍋爐熱效率下降等問題。因此，本文以6號機組的問題為例，在介紹低氮燃燒器改造方案基礎上，結(jié)合目前運行工況，提出新配風優(yōu)化方案、改變蒸汽吹灰方式、配合擺角調(diào)節(jié)等措施，以提高燃燒效率并降低運行成本，并將優(yōu)化方案應用于5號機組上。

1 低氮燃燒器改造方案

某公司鍋爐為ALSTOM-EVT制造，型式為：塔式，超臨界壓力，一次中間再熱，擴容式啟動系統(tǒng)，平衡通風，單爐膛四角切向燃燒，露天布置，固態(tài)排渣煤粉爐。設計煤種為低硫分、低灰分、高熱值、高渣神木煤。

1.1 原低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)

公司鍋爐配置6臺中速磨煤機，燃燒器分別在四角、六層布置，自下而上分別對應A～F磨。每個燃燒器配置兩個煤粉噴嘴，每兩層煤粉噴嘴為一組燃燒器，分為三組，中心標高分別是26 m/34.6 m/43.2 m。鍋爐燃燒器設計型式為多相低NOx燃燒器，每層燃燒器的風門擋板從下而上分別是：底部輔助風、燃料風、中間輔助風、燃料風、偏轉(zhuǎn)輔助風。燃燒器二次風圖如圖1所示，在頂層燃燒器上部還設有5層SOFA風A～E，其噴嘴與水冷壁的夾角小于煤粉噴嘴與水冷壁的夾角，目的是降低NOx生成量及機械未完全燃燒損失，防止燃燒器區(qū)域受熱面的高溫腐蝕。SOFA風噴嘴分為兩組，SOFA風A緊靠F層燃燒器偏轉(zhuǎn)輔助風，另一組為SOFA風B～E，中心標高54.78 m。

圖1 燃燒器二次風圖

1.2 改造方案

由于公司原燃燒器設計型式已是多相低NOx燃燒器，因此改造方案主要是在原結(jié)構(gòu)上進行升級，改動較小，較業(yè)內(nèi)其他方案造價偏低。

(1)保留原制粉系統(tǒng)與煤粉管道布置形式，更換燃燒器的燃料風(一次風)噴嘴和噴管，及相應二次風噴嘴、擋板等。與原燃燒器結(jié)構(gòu)相比，新型燃燒器煤粉噴嘴口徑不變，二次風等風門噴嘴口徑比過去有所減小，二次輔助風和周界風量相應降低，煤粉燃燒較改造前欠氧燃燒效果提高，主燃燒區(qū)域設計過剩空氣系數(shù)系數(shù)由原來λ=1.2降為λ<0.8。由于燃燒時間延長，原主燃燒區(qū)域溫度下降，火焰中心上移，有效減少熱力型NOx生成。

(2)在原有4層SOFA風噴嘴上方增加三層高位SOFA風噴嘴和獨立風箱，并配置噴嘴水平擺動執(zhí)行機構(gòu)和可上下擺動的電動執(zhí)行機構(gòu)。通過就地水平擺動執(zhí)行機構(gòu)可調(diào)整燃燒切圓保證最佳燃燒，監(jiān)盤可通過上下擺動電動執(zhí)行機構(gòu)實時調(diào)整高位SOFA風量，降低脫硝入口NOx濃度以及調(diào)整再熱蒸汽溫度。

1.3 改造效果

改造前當鍋爐高負荷80%BMCR以上時脫硝入口NOx濃度約200 mg/Nm3，低負荷40%BMCR脫硝入口NOx濃度大于400 m g/Nm3，而低負荷必須投用給水旁路以抬高煙氣溫度保證脫硝系統(tǒng)連續(xù)運行，但降低鍋爐熱效率，脫硝成本較高。

改造后當鍋爐高負荷80%BMCR以上時脫硝入口NOx濃度<170 mg/Nm3，低負荷40%BMCR脫硝入口NOx濃度<200 mg/Nm3。另外，由于改造后主燃燒區(qū)域欠氧環(huán)境提高，實際燃燒區(qū)域向后擴展，鍋爐再熱器大屏傳熱效果明顯，再熱汽溫較原來有明顯提高，排煙溫度下降，排煙損失降低。

2 改造后存在的問題

雖然低氮燃燒器有效控制鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx濃度，但是改變了鍋爐燃燒工況、爐膛煙氣溫度分布以及各受熱面吸熱量比例等，給機組運行帶來了新問題。

2.1 爐膛低位受熱面溫度降低

為提高欠氧效果將燃燒器二次風噴嘴口徑減小，原主燃燒區(qū)域燃燒不充分；其次，由于低NOx燃燒器改造在原SOFA風上部增加三層高位SOFA風，主燃燒區(qū)域未能充分燃燒的煤粉轉(zhuǎn)移到上方氧量充足的還原燃盡區(qū)域繼續(xù)燃燒，造成爐膛火焰中心上移。燃燒工況改變導致水冷壁輻射吸熱量下降，給水蒸發(fā)點向上轉(zhuǎn)移，水冷壁出口溫度比改造前有所降低，如表1所示。在低負荷和快速減負荷時，由于過熱度減少水冷壁出口溫度容易跌至飽和溫度，進入濕態(tài)運行。

表1 中間點溫度改造前后對比

2.2 機械不完全損失增加

公司已于2016年實行經(jīng)濟煤種摻燒方案，故統(tǒng)計截至2019年4月5號爐燃燒器改造前兩臺鍋爐飛灰含碳量和底渣含碳量得到改造前后6號爐機械不完全燃燒損失對比(見表2)和6號爐改造后與5號爐改造前數(shù)據(jù)同期對比(見表3)。

表2 6號爐改造前后機械不完全燃燒損失對比

表3 2018年7月至2019年4月間兩臺鍋爐數(shù)據(jù)對比

表2中，6號爐飛灰含碳量在三個時間段數(shù)據(jù)波動較大，考慮配煤摻燒、配風、燃燒器改造等多個因素在內(nèi)運行實際工況改變較大，結(jié)合表3同時間段、相同煤種情況下，兩臺鍋爐飛灰含碳量差值為0.25%，6號爐比5號爐飛灰含碳量損失高25%；底渣含碳量數(shù)據(jù)增加0.07，占比5.7%。因此，6號爐機械不完全燃燒損失的增加說明燃燒器改造后爐膛配風和配煤方案需要優(yōu)化。

2.3 再熱汽溫特性改變

公司塔式直流爐再熱汽溫主要靠燃燒器擺角調(diào)節(jié)，因此，機組再熱汽溫自投產(chǎn)以來一直存在一定細微偏差。通過SIS系統(tǒng)選取50%BMCR以上再熱汽溫數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 改造前后再熱汽溫對比 ℃

改造前，再熱蒸汽2/3/4汽溫總是高于再熱1汽溫是常態(tài)，再熱汽溫平均溫度較高，調(diào)整容易；改造后，再熱汽溫呈現(xiàn)再熱3汽溫獨大態(tài)勢，再熱1/2/4汽溫遠低于再熱3汽溫。改造后由于燃燒工況變動上部受熱面吸熱明顯改善，再熱溫度整體比過去高，由于偏差較大，為了降低再熱減溫水燃燒器擺設定較低，通常大于40%。

造成再熱汽溫偏差原因是燃燒過程延長后，火焰中心上移，各受熱面吸熱比例發(fā)生較大變化，因此值班員在運行技術(shù)手段上需要進行一定調(diào)整。

3 優(yōu)化方案及效果

3.1 逐步排查，消除缺陷，提高水冷壁溫度

機組改造啟動后水冷壁溫度長期偏低，且存在主蒸汽流量較水冷壁流量偏大現(xiàn)象。理論上當忽略排污、疏水和滴漏，水冷壁流量經(jīng)過換算等于主蒸汽流量，另外由于鍋爐過熱減溫水取自省煤器進口門前，因此給水流量≈過熱器流量+過熱減溫水流量。通過逐級排查，四個一級過熱器出口測量流量匹配，而一級過熱器3出口溫度與其他三點一級過熱器出口溫度信號不符，導致溫壓補償換算后的顯示流量不匹配，一級過熱器3點換算流量明顯偏大，造成主蒸汽流量偏大另外。另外，給水控制邏輯中鍋爐負荷指令計算得到給水總量，扣除減溫水量后經(jīng)與主蒸汽流量比較的二階慣性調(diào)節(jié)正比例修正，所以主蒸汽流量偏大反饋控制器后將增加鍋爐給水，引起惡性循環(huán)。因此，由于溫度變送器故障導致給水流量偏大的缺陷發(fā)現(xiàn)并消除后水冷壁流量恢復正常，大大改善水冷壁帶水的異常工況，有效提高全負荷下水冷壁溫度。大容量燃煤機組調(diào)峰頻繁啟停加速設備老化，運行人員應加強對設備參數(shù)進行檢查，保障設備時刻處于最佳工況。

3.2 優(yōu)化鍋爐配風，合理控制氧量

低氮燃燒器改造控制NOx效果顯著，達到環(huán)保目標和節(jié)約脫硝成本，但是鍋爐灰、渣含碳量大幅增加引起鍋爐熱效率下降，煤耗上升，通過調(diào)整配風找到環(huán)保成本和燃料成本達到平衡的雙贏方案。

保證NOx排放值符合環(huán)保要求前提下進行試驗，在不同負荷區(qū)間調(diào)整高位SOFA風門開度以實現(xiàn)控制灰、渣含碳量、排煙溫度和再熱減溫水。改變高、低位SOFA風和燃燒器區(qū)域二次風分配比例調(diào)整主燃燒區(qū)域含氧量，適當關(guān)小高位SOFA風門開度，即三層高位SOFA風門開度控制區(qū)間40%～80%，避免開足。

為降低機械不完全燃燒損失，必須合理控制氧量。目前火電機組普遍存在負荷偏低現(xiàn)象，平均負荷利用率只有70%BMCR，且6號爐氧量內(nèi)設定值按照90%BMCR計算為2.6，與燃煤鍋爐設計值1.2不符。由于CEMS在線監(jiān)測裝置根據(jù)氧量對NOx濃度進行修正，而氧量偏大導致NOx測量數(shù)據(jù)偏大。因此，爐膛氧量設定存在較大調(diào)整空間。因此，負荷大于75%BMCR氧量偏置-0.6，小于75%BMCR設定為-0.3，并適當根據(jù)摻燒煤種調(diào)整風量。

改造后爐膛大風箱差壓比改造前明顯升高，因此，適當降低大風箱差壓設定值0.45 kPa，保持高位SOFA風門開度不變，主燃燒區(qū)域輔助風自動調(diào)節(jié)比原工況大10%左右，提高主燃燒區(qū)域燃燒效果并減少二次風節(jié)流損失，降低送風機電流節(jié)約廠用電。另外，規(guī)定最底層A磨停運時手動設定輔助風門開度40%以提高燃燒效果，使爐膛主燃燒區(qū)域配風呈沙漏型，爐膛整體配風呈倒金字塔型。調(diào)整后效果如表5所示，底渣含碳量下降36%。

表5 6號爐調(diào)整配風后數(shù)據(jù)對比

3.3 合理吹灰，改善再熱蒸汽溫度

由于再熱汽溫偏差，如果采用燃燒器擺角向上調(diào)節(jié)必然引起再熱減溫水增大，因此需要調(diào)整蒸汽吹灰方式改善受熱不均現(xiàn)象。公司爐膛對流受熱面吹灰器按照燃燒產(chǎn)生的煙氣流程布置5層，分別對應一級過熱器、三級過熱器、二級再熱器、二級過熱器、一級再熱器、省煤器。另外，為應對長期低負荷運行不能吹灰的風險，公司對兩級再熱器分別增加聲波吹灰器以防范結(jié)焦提高再熱汽溫。

通過吹灰試驗發(fā)現(xiàn)，二級過熱器和部分一級再熱器吹灰后會引起過熱器和再熱器吸熱偏差，過熱器吸熱不均直接引起后面再熱器吸熱效果，因此制定相關(guān)措施。第一，聲波吹灰器長期投入，循環(huán)吹灰防止再熱器結(jié)焦；第二，加強對再熱器蒸汽吹灰，每個值負荷允許情況下盡可能執(zhí)行一、二級再熱器四根槍以上吹灰；第三，根據(jù)觀察統(tǒng)計結(jié)果，當二級過熱器B側(cè)管壁溫度比A側(cè)出口高10℃左右，再熱蒸汽溫度偏差最小，因此，根據(jù)受熱面管壁金屬溫度對主要影響再熱汽溫1/4一側(cè)的再熱吹灰器加強吹灰，或加強再熱汽溫3受熱面前二級過熱器對應吹灰器吹灰次數(shù)；第四，加強水冷壁吹灰，保障水冷壁出口溫度。

3.4 根據(jù)煤種合理調(diào)整磨煤機參數(shù)

配風實驗中發(fā)現(xiàn)相關(guān)手段對目前飛灰含碳量增加影響不大，說明主要原因是煤質(zhì)變差。公司設計磨煤機為中速磨，研磨硬度高煤種不理想，當煤質(zhì)較差、石子多情況下，對鍋爐石子煤排放系統(tǒng)影響較大，且機械不完全燃燒損失增大。

再針對配煤和制粉系統(tǒng)參數(shù)設置進行調(diào)整試驗。增加送風量同時調(diào)整磨煤機旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速，設置旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速正偏置5%～8%，通過提高煤粉細度改善燃燒效果，此時磨煤機電流幾乎不變，飛灰含碳量有所下降，這種調(diào)節(jié)手段經(jīng)濟性合理。

因此，當煤種變差及時優(yōu)化配煤和配風，應合理布置分層配煤摻燒方式，煙煤適宜下層燃燒器作穩(wěn)燃，褐煤適宜中層，貧煤適宜上層。

4 結(jié)語

鍋爐燃燒工況根據(jù)負荷變化對氧量進行調(diào)節(jié)，高負荷合理降低氧量，有利欠氧燃燒控制NOx，低負荷提高氧量偏置，保障對流受熱面溫度，尤其是再熱汽溫。另外，保證磨煤機正常出粉的同時合理降低大風箱差壓和一次風壓，減少節(jié)流損失，使環(huán)保指標控制和保障機組經(jīng)濟性有機結(jié)合。

燃燒器擺角和磨煤機運行參數(shù)調(diào)整，合理的配煤方式能夠有效減少鍋爐機械不完全燃燒損失。精細化吹灰方式又能提高對流受熱面汽溫，減少熱偏差，有效控制再熱減溫水，提高機組運行經(jīng)濟性。