鍋爐一次風(fēng)率優(yōu)化改造方案研究

于 龍

(通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古通遼 029200)

電廠燃煤鍋爐的主蒸汽及再熱蒸汽溫度對(duì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性和安全性有著重要的影響，研究改善燃燒工況是解決鍋爐主要受熱面超溫爆管的重要途徑。

寧新宇等[1]對(duì)某1 000 MW超超臨界鍋爐運(yùn)行氧量和分離燃盡風(fēng)的配風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了高溫過(guò)熱器、再熱器局部超溫的問(wèn)題。羅韶輝等[2]對(duì)某1 000 MW機(jī)組鍋爐再熱蒸汽溫度長(zhǎng)期偏低進(jìn)行了分析，采取燃燒調(diào)整和吹灰優(yōu)化等措施，使再熱蒸汽溫度比調(diào)整前提高了近20 K，再熱器出口溫度偏差也從原來(lái)的20 K左右降至10 K以?xún)?nèi)。劉進(jìn)等[3]針對(duì)鍋爐高溫再熱器局部超溫進(jìn)行了不同負(fù)荷下、不同燃燒器組合和不同配風(fēng)下的鍋爐熱力性能試驗(yàn)，測(cè)得不同工況下高溫再熱器壁溫分布，分析了超溫的原因，并且通過(guò)計(jì)算確定了超溫管圈縮短的長(zhǎng)度,從而使高溫再熱器最高壁溫下降約20 K。王春昌[4]提出對(duì)于切圓燃燒鍋爐煙氣溫度分布偏差，除采用提高受熱面材質(zhì)水平、部分燃燒器反切、蒸汽側(cè)導(dǎo)汽管交叉等技術(shù)措施外，還可以通過(guò)調(diào)整各角一次風(fēng)粉濃度、三次風(fēng)粉濃度、二次風(fēng)量等改變鍋爐四角風(fēng)粉參數(shù)偏差。

針對(duì)某電廠燃煤鍋爐自實(shí)際投產(chǎn)以來(lái)便存在蒸汽溫度嚴(yán)重偏低、管壁超溫等問(wèn)題，從改善燃燒的角度考慮，提高一次風(fēng)溫度，優(yōu)化一次風(fēng)率，并對(duì)3種方案分別進(jìn)行分析對(duì)比，以找到最合適的改造方案，提高鍋爐效率，延長(zhǎng)高溫管壁壽命。

1 設(shè)備概況

該電廠鍋爐為亞臨界壓力，一次中間再熱，強(qiáng)制循環(huán)汽包鍋爐，型號(hào)為HG-2080/17.5-HM12，鍋爐整體呈Π形布置，鍋爐額定負(fù)荷為600 MW。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下，設(shè)計(jì)汽包壓力為19.95 MPa，主蒸汽質(zhì)量流量為2 080 t/h，主蒸汽溫度為541 ℃。

對(duì)1、2號(hào)鍋爐進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)改造：將原有水平濃淡燃燒器更換為低氮燃燒器；割除低溫過(guò)熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)低過(guò))原有受熱面積的38%，以提高熱一次風(fēng)溫度；在省煤器與空氣預(yù)熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)空預(yù)器)之間的煙道增設(shè)脫硝反應(yīng)器。為提高脫硝系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性，鍋爐省煤器改造為分級(jí)布置，將原省煤器管束割除40%布置在選擇性催化還原(SCR)脫硝反應(yīng)器A、B側(cè)出口煙道，并將其作為一級(jí)省煤器(即低溫段省煤器)，同時(shí)將原省煤器剩余管束作為二級(jí)省煤器。

2號(hào)鍋爐增設(shè)了一次風(fēng)加熱裝置，分別布置在A、B空預(yù)器出口熱一次風(fēng)管道上，從鍋爐再熱器出口母管引出加熱蒸汽對(duì)熱一次風(fēng)進(jìn)行加熱，回汽送入3號(hào)高壓加熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)高加)作為加熱蒸汽。

2 運(yùn)行問(wèn)題及分析

2.1 運(yùn)行問(wèn)題

2.1.1 煙氣溫度偏低

以鍋爐額定負(fù)荷(600 MW)為例，不同位置煙氣的設(shè)計(jì)溫度和運(yùn)行溫度見(jiàn)表1，其中：末級(jí)再熱器簡(jiǎn)稱(chēng)末再，末級(jí)過(guò)熱器簡(jiǎn)稱(chēng)末過(guò)。在600 MW下，各段受熱面煙氣的運(yùn)行溫度與設(shè)計(jì)溫度相比，均出現(xiàn)不同程度的偏差，并且爐膛煙氣的運(yùn)行溫度嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)溫度。

表1 不同位置煙氣的設(shè)計(jì)溫度與運(yùn)行溫度

2.1.2 屏間熱偏差

分隔屏過(guò)熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)分隔屏)和末再的管屏間沿爐膛寬度的熱偏差較大，并且在低負(fù)荷時(shí)的表現(xiàn)更加明顯，具體見(jiàn)圖1。

圖1 分隔屏和末再的管屏間沿爐膛寬度的熱偏差系數(shù)

2.1.3 蒸汽溫度偏低

由于管壁超溫，導(dǎo)致蒸汽的運(yùn)行溫度低于設(shè)計(jì)溫度，具體見(jiàn)表2，其中：后屏過(guò)熱器簡(jiǎn)稱(chēng)后屏，低溫再熱器簡(jiǎn)稱(chēng)低再。

表2 不同位置蒸汽的設(shè)計(jì)溫度與運(yùn)行溫度

2.1.4 一、二次風(fēng)溫度偏低

空預(yù)器出口一、二次風(fēng)溫度偏低，磨煤機(jī)干燥出力不足，一次風(fēng)率(風(fēng)的質(zhì)量流量占比)達(dá)到52%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值(35%)。600 MW時(shí)，空預(yù)器進(jìn)出口風(fēng)、煙氣的運(yùn)行溫度與設(shè)計(jì)溫度見(jiàn)表3。

表3 空預(yù)器進(jìn)出口風(fēng)、煙氣的運(yùn)行溫度與設(shè)計(jì)溫度

空預(yù)器進(jìn)出口參數(shù)與設(shè)計(jì)值偏差較大，空預(yù)器進(jìn)口煙氣溫度較低，傳熱溫差小，傳熱能力差。按照現(xiàn)有空預(yù)器設(shè)計(jì)，一次風(fēng)量偏大，二次風(fēng)量偏小，空預(yù)器傳熱效率沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。空預(yù)器進(jìn)口煙氣的運(yùn)行溫度比設(shè)計(jì)溫度低54 K，而運(yùn)行排煙溫度(空預(yù)器出口溫度)比設(shè)計(jì)排煙溫度高11 K，嚴(yán)重影響鍋爐效率。

2.2 問(wèn)題分析

2.2.1 燃盡區(qū)設(shè)計(jì)過(guò)高

爐膛燃盡區(qū)設(shè)計(jì)過(guò)高是主蒸汽、再熱蒸汽、熱風(fēng)溫度偏低的原因。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證煤粉的充分燃燒，最上層燃燒器噴口至屏底距離為24 245 mm，比常規(guī)爐膛高1 890 mm。600 MW時(shí)，屏底煙氣的設(shè)計(jì)溫度為1 331 ℃，運(yùn)行溫度在1 050 ℃，溫差達(dá)到281 K，導(dǎo)致后續(xù)受熱面進(jìn)口煙氣溫度均出現(xiàn)不同程度的偏低情況。鍋爐各段受熱面煙氣溫度偏低，引起主蒸汽及再熱蒸汽溫度偏低。低氮燃燒器改造后，爐膛燃燒溫度降低，水冷壁結(jié)焦情況改善，進(jìn)一步導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙氣溫度降低。

2.2.2 一次風(fēng)溫度偏低

一次風(fēng)溫度偏低，磨煤機(jī)干燥出力不足，需要提高一次風(fēng)量保證干燥出力。二次風(fēng)組織燃燒的作用十分有限，特別是在低負(fù)荷階段，二次風(fēng)量減少會(huì)使?fàn)t內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)變差，風(fēng)粉混合不均，燃燒推遲，火焰剛度變大，進(jìn)而造成燃燒火焰中心更靠近爐膛中心，左右兩側(cè)煙氣溫度則偏低。另外，可供分級(jí)的風(fēng)量有限，二次風(fēng)量減少會(huì)使低氮燃燒效果變差。

3 改造方案

3.1 方案一

方案一為從省煤器出口抽取鍋爐高溫?zé)煔膺M(jìn)入磨煤機(jī)，將磨煤機(jī)進(jìn)口干燥劑的溫度提高到400 ℃以上，進(jìn)而滿足磨煤機(jī)的干燥出力。具體系統(tǒng)布置見(jiàn)圖2(虛線為新增系統(tǒng))。

圖2 省煤器出口抽取高溫?zé)煔獾南到y(tǒng)

抽取高溫?zé)煔馓岣吣ッ簷C(jī)進(jìn)口一次風(fēng)溫度后，進(jìn)入磨煤機(jī)干燥劑含氧量降低，制粉系統(tǒng)可安全運(yùn)行。磨煤機(jī)出口溫度提高后，入爐熱量提高，鍋爐效率也會(huì)提高。

采用煙氣再循環(huán)可降低爐膛溫度，使主燃區(qū)形成還原性氣氛，燃燒初期氧量降低，可抑制煤粉燃燒中氮氧化物(NOx)的形成。再循環(huán)率為15%～20%時(shí)，NOx的生成量可以降低25%左右。增加煙氣再循環(huán)后，可將一次風(fēng)率由52%降至設(shè)計(jì)值(35%)附近，一次風(fēng)速度會(huì)相應(yīng)地下降，一次風(fēng)溫度升高約70 K。因此，二次風(fēng)率會(huì)增加，二次風(fēng)箱壓力和燃燒器的二次風(fēng)速度也會(huì)增加，可改善二次風(fēng)分配的均勻性和與煤粉的混合效果，進(jìn)而解決局部管子超溫問(wèn)題。采用煙氣再循環(huán)后，爐膛溫度下降，輻射傳熱減弱，對(duì)流傳熱增強(qiáng)，能有效提高主蒸汽和再熱蒸汽溫度，飛灰與爐渣的含碳量均有較大程度的下降。綜合考慮，鍋爐效率能有效提高0.64百分點(diǎn)。

中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)摻爐煙輔助制粉問(wèn)題，主要在于高壓爐煙風(fēng)機(jī)的選型問(wèn)題。對(duì)于全壓升為11 kPa、進(jìn)口溫度為450 ℃的含灰氣流，因?yàn)閱渭?jí)風(fēng)機(jī)的葉輪大、轉(zhuǎn)速高，不可忽視風(fēng)機(jī)葉輪磨損問(wèn)題的影響。

3.2 方案二

方案二為在熱一次風(fēng)管道設(shè)置一次風(fēng)加熱器，抽取進(jìn)入汽輪機(jī)中壓缸的再熱蒸汽來(lái)加熱一次風(fēng)，加熱后的蒸汽進(jìn)入3號(hào)高加繼續(xù)加熱給水，原3號(hào)高加蒸汽抽取管路切除不投用。進(jìn)入到一次風(fēng)加熱器的蒸汽量通過(guò)加熱器入口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。兩側(cè)風(fēng)道各安裝1個(gè)一次風(fēng)加熱器。具體系統(tǒng)布置見(jiàn)圖3。

圖3 熱一次風(fēng)加熱器蒸汽系統(tǒng)

選取來(lái)自再熱熱段的蒸汽作為一次風(fēng)加熱器熱源，可將一次風(fēng)率由52%降至44%，一次風(fēng)速也相應(yīng)地下降，一次風(fēng)溫度升高35 K。飛灰與爐渣的含碳量均有一定程度的下降。綜合考慮，鍋爐效率能提高0.25百分點(diǎn)。

3.3 方案三

3.3.1 改造方案

方案三為在一級(jí)省煤器進(jìn)口及出口母管管道分別加裝手動(dòng)閥，在給水操作平臺(tái)處逆止閥后將一級(jí)省煤器進(jìn)口給水管道與出口給水管道相連接，連接管道上設(shè)手動(dòng)閥，在至一級(jí)省煤器的再循環(huán)管道上加裝手動(dòng)閥，將省煤器再循環(huán)管接至二級(jí)省煤器進(jìn)口并在管路上加裝手動(dòng)閥。具體系統(tǒng)布置見(jiàn)圖4(虛線為改動(dòng)系統(tǒng))。

圖4 低溫段省煤器干燒運(yùn)行方案

機(jī)組啟動(dòng)前，關(guān)閉一級(jí)省煤器進(jìn)口和出口給水管道手動(dòng)閥，開(kāi)啟一級(jí)省煤器旁路閥，給水直接進(jìn)入二級(jí)省煤器，一級(jí)省煤器干燒運(yùn)行。為防止一級(jí)省煤器進(jìn)口及出口給水管道手動(dòng)閥關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致一級(jí)省煤器進(jìn)入微量給水汽化，進(jìn)而影響二級(jí)省煤器的安全運(yùn)行，開(kāi)啟一級(jí)省煤器放水手動(dòng)閥和電動(dòng)閥，保證一級(jí)省煤器處于無(wú)壓狀態(tài)運(yùn)行。一級(jí)省煤器進(jìn)口再循環(huán)手動(dòng)閥關(guān)閉，開(kāi)啟二級(jí)省煤器進(jìn)口再循環(huán)手動(dòng)閥。

3.3.2 影響分析

(1) 對(duì)一級(jí)省煤器本體安全性的影響。

省煤器材質(zhì)是20G，允許最高溫度為470 ℃，一級(jí)省煤器上方是脫硝催化劑，催化劑允許運(yùn)行溫度為321～427 ℃，機(jī)組在任何工況運(yùn)行時(shí)一級(jí)省煤器進(jìn)口煙氣溫度均低于427 ℃。一級(jí)省煤器能在干燒狀態(tài)下安全運(yùn)行。

(2) 對(duì)給水溫度的影響。

低溫段省煤器旁路干燒運(yùn)行時(shí)，省煤器受熱面積減小40%，給水溫度降低13 K。給水溫度降低，水冷壁將承擔(dān)給水預(yù)熱的作用，更多的熱量將分配給水冷壁。為保證鍋爐蒸發(fā)量，鍋爐燃燒量增加，爐膛出口煙氣溫度升高，各受熱面進(jìn)口煙氣溫度也升高，進(jìn)而提高了主蒸汽及再熱蒸汽溫度。給水溫度降低，省煤器出口給水欠焓增加，水冷壁運(yùn)行更加安全。二級(jí)省煤器進(jìn)口煙氣、進(jìn)出口水的溫度的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 額定工況省煤器的運(yùn)行參數(shù)

(3) 對(duì)排煙溫度的影響。

空預(yù)器三分倉(cāng)傳熱元件面積是與一、二次風(fēng)量相對(duì)應(yīng)的。一次風(fēng)量小，對(duì)應(yīng)的傳熱面積小；二次風(fēng)量大，對(duì)應(yīng)的傳熱面積大。運(yùn)行中若一次風(fēng)量大、二次風(fēng)量小，則空預(yù)器的傳熱效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值。空預(yù)器進(jìn)口煙氣的運(yùn)行溫度比設(shè)計(jì)溫度低54 K，而運(yùn)行排煙溫度比設(shè)計(jì)排煙溫度高11 K，嚴(yán)重影響鍋爐效率。

采用方案三后，空預(yù)器進(jìn)口煙氣溫度為410 ℃，與設(shè)計(jì)溫度(409 ℃)一致。一次風(fēng)溫度升高，一次風(fēng)量降低，二次風(fēng)量升高，空預(yù)器傳熱效率提高，排煙溫度降低2 K。

(4) 對(duì)鍋爐燃燒的影響。

一次風(fēng)率降低至35%，一次風(fēng)溫度提高約70 K，磨煤機(jī)出口溫度可以控制在70～80 ℃。一次風(fēng)速度降低，二次風(fēng)速度增加，可以改變爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)，消除各屏間熱偏差，解決受熱面壁溫超限問(wèn)題，同時(shí)可提高蒸汽溫度。二次風(fēng)量和二次風(fēng)溫度的提高有利于強(qiáng)化煤粉燃燒，降低爐渣、飛灰的含碳量。

一次風(fēng)量降低，二次風(fēng)量增加，分級(jí)燃燒效果變好，NOx的生成量降低20%，脫硝還原劑使用量降低，可降低發(fā)電成本。

4 改造投資與收益比較

表5為改造前后鍋爐主要參數(shù)對(duì)比。

表5 改造前后鍋爐主要參數(shù)對(duì)比

3種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 3種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表5和表6可得：方案二的改造效果較差，方案一與方案三均能達(dá)到預(yù)期效果。但是，方案一存在風(fēng)機(jī)磨損，導(dǎo)致機(jī)組可靠性降低的情況，需要增加大量維護(hù)工作；方案三則具有改造量小、收益高、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，選取方案三作為一次風(fēng)率優(yōu)化改造方案。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 針對(duì)鍋爐一次風(fēng)率偏大的問(wèn)題，在脫硝催化劑上下部位分級(jí)布置的省煤器，可以采用低溫段省煤器旁路干燒作為降低一次風(fēng)率的改造方案。

(2) 低溫段省煤器旁路干燒方案具有投資少、改造量小、改造效果好、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，排煙溫度不會(huì)升高，鍋爐效率有所提升。

(3) 降低一次風(fēng)率，合理組織燃燒工況，能夠有效提高蒸汽溫度，降低管壁金屬溫度。