300 MW鍋爐變工況低負荷穩燃特性預測及實驗驗證分析

(中國科學技術大學 熱科學和能源工程系，安徽 合肥 230026)

隨著全球變暖趨勢的愈加顯著，低碳成為了世界各國的發展潮流。電力能源結構逐漸朝著電源側、電網側和負荷側等多側并舉的方向發展[1-5]。其中，電源側的提升潛力最大，且具有較為靈活的調峰能力。然而當電源機組進行深度調峰時，機組處在與理論負荷相差較大的狀態，此時機組會暴露出較多的問題，主要為低負荷穩燃問題，即當機組處于20%～30%的低負荷時，鍋爐爐膛強度較弱，工況變動能力變差，從而會產生著火困難、燃燒異常、鍋爐效率下降等問題[6-11]。

目前，針對鍋爐低負荷穩燃已有了較多的研究，但仍存在調峰深度不足、運行成本高和投資高等問題[12]，因而，如何釋放鍋爐設備的深度調峰潛力成為了目前研究的重點。因此，本文選用現有的330 MW鍋爐進行建模和數值模擬，定性研究鍋爐在燃燒過程中一次風量、煤粉細度和一次風溫等研究參數對鍋爐穩燃性能的影響，并對機組的精細化燃燒進行調整試驗，以實現現役機組在低負荷條件下的穩定燃燒。

1 鍋爐特性

1.1 研究對象

以某電廠330 MW的機組鍋爐為研究對象，型號為SG-1117/17.5-M749，外型為倒U型，對應的尺寸為15.39 m×13.64 m×54.3 m(寬×深×高)，鍋爐爐膛容積為7 754.1 m3，燃燒器高為11 m，鍋爐共設置14層噴嘴，其中包括6層煤粉噴嘴、8層二次風噴嘴，這些噴嘴交叉間隔分布。目前，鍋爐為降低NOx的排放，常用的方法為空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和煙氣再循環等措施，因而，改進的鍋爐需要在最上層的二級風口處加入SOFA(燃盡風)噴口以促使燃料的完全燃燒，鍋爐結構如圖1所示。實驗過程中采用的煤粉成分如表1所示。

圖1 鍋爐結構中燃燒器布置

表1 煤粉成分分析

1.2 網格劃分

根據該爐膛的結構特點和氣體流動特點，將整個鍋爐分為冷灰斗區、燃燒區、SOFA區和爐膛上部區域四個部分，為了避免微擴散的發生并提高爐膛工況數值分析的準確性，應盡量使從燃燒器噴口噴出的氣流與網格線垂直，采用較高質量的六面體網格，網格數為70萬，燃燒器的區域網格和整體網格分布如圖2所示。

圖2 燃燒器網格分布圖

為了保證數值模擬的準確性，需要對網格劃分進行無關性檢驗，即通過對SOFA區域進行不同密度劃分，得到三種數量不同的網格劃分，得到的網格數分別為57萬、70萬和80萬，當網格數為70萬和80萬時，爐膛出口溫度較為相近，因此，在保證準確性和計算速度的情況下，本文選擇70萬的網格劃分。

1.3 邊界條件

在模擬過程中將爐膛分為冷灰斗、主燃區和輻射區三個區域，并將燃燒器各風口入口的邊界條件設為速度入口邊界條件，鍋爐壁面的邊界條件為無滑移穩定壁面，壁面溫度采用管內近似臨界溫度647 K，輻射受熱面黑度為0.8；爐膛出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為-100 Pa。

2 低負荷能力下的穩燃能力探究

當鍋爐在較低負荷下運行時，鍋爐內燃燒會惡化，為了保證鍋爐機組內部的穩定運行，在鍋爐向低負荷變化時，需要對鍋爐的工作參數進行調整，研究一次風速、磨煤投行方式、配風方式及運行氧量等變化對鍋爐低負荷下穩燃能力的影響。

2.1 一次風速調整對穩燃能力的影響

鍋爐在運行過程中一次風速高于設計值時會使煤粉的需求量增大，火焰中心向上推移，從而造成鍋爐爐膛出口溫度升高，使鍋爐使用壽命減短。因而，在本節研究中，控制其他條件不變，調整一次風速為28 m/s、26 m/s(設計風速)和24 m/s，并在與一次噴風口軸向距離1 600 mm處測量截面溫度和煙氣溫度，以確定不同工況下的火焰穩定性。可以看出，當鍋爐處于工況3時，火焰穩定性最高，這是因為當鍋爐一次風速較低時，煤粉進入鍋爐的速度減慢，促使煤粉在較低層著火，在截面區域溫度保持不變的同時，由于鍋爐內輻射換熱減少，從而使得煙氣溫度升高的同時火焰穩定性增加；此外，一次風速的增加還會導致煤粉顆粒在鍋爐內的停留時間較短，不利于煤粉的完全燃燒，從而使鍋爐的效率降低。

表2 一次風速下的穩燃能力分析結果

2.2 磨煤機投運方式調整對穩燃能力的影響

由于為鍋爐設置了六個煤粉噴嘴，設置ABC、ABD和ACE三個工況下的煤粉投運方式，比較三種工況下煤粉噴入燃燒器中的運動軌跡。由圖3可以看出，工況一三個投運層居于最底層，只有少量煤煙顆粒在燃燒層底部循環，大部分煙煤會進入爐膛中部或上部，這導致燃燒器點火和燃燒會發生在燃燒器的后期階段，使煤粉不能達到充分燃燒，煙灰含碳量上升。而工況二和工況三條件下煤粉的投運方式明顯提高了煙煤的燃燒率，這是由于大部分煙煤在底部有了較長的停留時間，并隨著火焰向上旋轉運動，保證了煤粉的充分燃燒，且避免了SOFA區過熱，使燃燒器具有良好的熱平衡。此外，這種分散方式還有利于煤粉脫水，縮短了煤粉的預熱時間。后兩者煤粉的運動軌跡差距不大，且通過監測溫度分布發現溫度未有明顯差異，這表明了通過在燃燒器的中部或上部進行煤粉投送是合理的，應避免在燃燒器底部進行煤粉的投運。

圖3 不同投運方式下的鍋爐燃燒顆粒運動軌跡

2.3 配風方式及運行氧量對穩燃能力的影響

配風方式是鍋爐機組效率和NOx的重要影響因素。不同二次配風方式主要有均等配風、束腰配風和倒塔配風，本文對三種工況進行了研究，探究配風方式對鍋爐機組效率的影響，結果如表3所示。可以看出，當配風方式為束腰配風時，鍋爐機組效率最高，NOx量最低，這是由于當配風方式為束腰配風時，煤粉受到配風的風量影響，在燃燒初期時會抑制N和O的結合，同時煤粉處于還原氣氛時會推遲煤粉的燃燒，抑制NOx的生成。因此，使用束腰配風可以在保證鍋爐效率的前提下降低NOx的含量。

表3 不同配風方式的穩燃能力分析結果

運行氧量是另一個重要的因素，對于煤粉燃燒爐而言，排放的煙氣中含有的NOx主要分為熱力型(10%～20%)和燃料型(80%～90%)兩種，熱力型NOx與燃燒爐的溫度有關，而燃料型NOx主要和氧有關，燃燒爐中煤粉的N元素可以由焦炭N和揮發N組成，隨著氧量的增加，N向NO的轉化率就越高，當氧氣足夠多時，會促使NO向NO2轉化，因此，隨著氧量的增加，煙氣中的NOx會逐漸增加[13-15]。目前，對NOx的模擬通常采用后處理方法進行計算，為驗證運行氧量對鍋爐機組效率和NOx的影響，設置爐膛出口氧量分別為3.0%、4.0%和5.0%三個工況，研究不同工況下鍋爐機組效率和NOx總量，結果如表4所示。從表4中可以看到，隨著運行氧量的增加，NOx的量也隨之增加，熱效率先增加后下降。因此，鍋爐機組在運行過程中存在最佳運行氧量，即在保證煤粉完全燃燒的前提下，適當降低氧量能有效促進鍋爐機組效率的提高，達到低負荷穩燃的目的。

表4 不同運行氧量的穩燃能力分析結果

3 低負荷燃特性預測

為了研究在低負荷情況下鍋爐的穩燃特性，以鍋爐滿負荷為基準，設置不同負荷下鍋爐的工況參數，以預測低負荷下鍋爐穩燃性能。將鍋爐工況設置為100%，50%，40%和25%四個參數，并根據不同負荷設置不同的運行參數以預測鍋爐在低負荷下的穩燃性能。鍋爐在滿負荷工況下設置運行參數為一次風速27 m/s，燃煤量為150.6 t/h，運行氧量為4.2%；鍋爐負荷為50%時參數設置為一次風速13.5 m/s，燃煤量為106.2 t/h，運行氧量為4.5%；鍋爐負荷為40%時參數設置為一次風速12 m/s，燃煤量為88.7 t/h，運行氧量為5.1%；鍋爐負荷為25%時參數設置為一次風速10 m/s，燃煤量為52.2 t/h，運行氧量為7.2%。可以看出，在三種不同的工況下鍋爐的平均溫度都較低，但在25%負荷下火焰充滿度較好，且高溫區呈現出向上擴散的趨勢，爐膛出口煙溫達到1 315 K。

圖4 不同工況下的鍋爐中心截面溫度分布

為了進一步研究低負荷下鍋爐的穩燃狀態，對鍋爐截面的溫度分布進行分析，其結果如圖5所示。可以看出，隨著鍋爐負荷的不斷降低，截面半圓區域半徑不斷減小，且在外圍區域溫度最高，能達到2 000 K，但在爐膛中心的溫度較低，這表明在三個工況下鍋爐的燃燒都較為穩定。

圖5 不同工況下的鍋爐中心截面溫度云圖

為進一步了解不同工況下鍋爐內燃燒狀況，對鍋爐內不同高度的溫度分布進行分析，結果如圖6所示。可以發現各種工況在鍋爐不同高度處的溫度分布趨勢基本一致，從冷灰斗區到燃燒區溫度呈現出上升趨勢，從B到C處，溫度有一個小的下降，這主要是由于風進入鍋爐時會對高溫煙氣起到一定的降溫作用，由于運行氧量較為充足，故煤粉燃燒較為完全，E之后煙氣再燃效果不明顯，因而溫度會出現明顯的下降趨勢，但此時溫度仍能達到1 000 K以上，驗證了鍋爐的低負荷穩燃能力。

圖6 鍋爐爐膛的溫度隨高度分布狀況

4 結果驗證

為了驗證上述模擬得到的結果，根據現有鍋爐的運行規程，調節鍋爐中配風方式、運行氧量、一次風速和磨煤機投運方式，在降低鍋爐負荷的同時保證鍋爐運行過程中氣溫、氣壓穩定，保證運行過程中爐膛煙溫差距較小、熱負荷較為均勻。調整鍋爐磨煤機投運方式為AB層投運，燃煤量為52 t/h，設置總風量為561 t/h，運行氧量為4%，此時得到的理論NOx的排放量為229 mg/m3(標準)，鍋爐效率為93.74%。將設置的參數用于實際應用中，此時NOx的排放量為251 mg/m3(標準)，鍋爐效率為92.54%，可以看出實際值與理論值較為接近，反應了在低負荷下鍋爐的穩燃狀況。

5 結 論

本文采用數值模擬技術，在保證鍋爐燃燒穩定和爐內較高溫度水平的條件下，預測300 MW等級鍋爐在實際運行中可降低到25%負荷穩定燃燒，并通過現場低負荷穩燃實驗進行了驗證。通過上述實驗得出以下結論：

(1)在保證鍋爐中不堵煤的前提下，適當降低一次風速能有效提高煙氣溫度，促使火焰穩定性增加，從而增加在低負荷下的穩燃能力。

(2)在燃燒器的中部或上部進行煤粉投送可以促進煤粉分散均勻，并隨著火焰向上旋轉運動，這既保證了煤粉的充分燃燒，又避免了SOFA區過熱，使燃燒器具有良好的熱平衡，有利于燃燒穩定性。

(3)束腰配風方式可以在保證鍋爐效率的前提下降低NOx的含量，有效促進鍋爐機組效率的提高，達到低負荷穩燃的目的。

(4)試驗驗證結果與數值模擬結果較為一致，顯示數值模擬方法能有效分析鍋爐內部的燃燒狀況，計算精確，結果可靠，同時表明300 MW鍋爐在最低穩燃工況為25%時具有較大的深度調峰能力。