基于CO控制的鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整研究

國能寧夏大壩三期發(fā)電有限公司 張 森

目前，國內(nèi)燃煤鍋爐多采用含氧量做為鍋爐燃燒調(diào)整的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)。但在實際運行中，含氧量受到煙氣分布的不均勻性以及漏風等影響，并不能很好的反應爐內(nèi)燃燒的實際情況，本文介紹了利用煙氣中的CO成分含量進行燃燒優(yōu)化的策略和技術(shù)。并以某火電廠為例進行分析對比，闡述基于CO控制的鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整的優(yōu)缺點。

某火力發(fā)電廠DG2070/17.5-Π6型鍋爐由東方鍋爐股份有限公司制造，亞臨界、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架的Π型汽包鍋爐。鍋爐燃燒器為內(nèi)濃外淡型低NOx中心給粉旋流煤粉燃燒器，布置于爐膛前后墻水冷壁上，分成上、中、下三層，每層各5只，總共30只。在最上層燃燒器上面布置有燃燼風噴口，前后墻各兩層，每層各5只，總共20只。

鍋爐的燃燒工況在很大程度上影響著鍋爐設(shè)備和整個發(fā)電廠運行的經(jīng)濟性和安全性。燃燒工況調(diào)整適當，即燃料燃燒完全、爐膛溫度場和熱負荷分布均勻，是保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的必要條件。然而在鍋爐燃燒中，尤其是前后墻對沖燃燒方式的鍋爐，往往容易出現(xiàn)煤粉分布不均勻、結(jié)焦結(jié)渣、高溫腐蝕、爐膛出口和空預器出口煙溫偏差大和高溫過熱器及高溫再熱器管壁超溫等影響機組運行的問題。實際煤質(zhì)與設(shè)計煤質(zhì)偏差很大是造成爐膛燃燒狀況不佳的的主要原因之一，但對于電廠而言，煤種的可控性相對較差。而通過合理有效的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，其意義更加重大。

1 氧量控制和CO控制的區(qū)別

氧量控制的主要缺點是不能直接反映爐內(nèi)空氣和煤粉混合狀況的好壞，僅能提供過量空氣系數(shù)。同時，對于大容量燃煤鍋爐來說，煙氣往往混合很不均勻，而且隨運行時間的增加會造成風煙道積灰、漏風等問題，會造成煙氣流場更加不均勻以及氧量測量數(shù)據(jù)的不準確；相比而言，漏風對CO的測量要小的多[1]。煤粉鍋爐煙氣的CO濃度隨著風量下降而上升。當風量下降至某一臨界值時CO會急劇上升。燃燒中監(jiān)測CO的缺點是，在大風量下CO很低、不容易監(jiān)測，同時在風量大的情況下，其變化非常平穩(wěn)和緩慢。

2 相關(guān)影響

2.1 對鍋爐結(jié)焦和受熱面高溫腐蝕的影響

煤粉從進入爐膛到燃燼，僅僅2～3s時間，同時爐膛的火焰溫度在1300～1700℃左右，即燃燒是非常迅速的，在爐膛的局部區(qū)域，當煙氣的過剩氧量低于0.5%時，就會產(chǎn)生大量的CO，會造成爐膛局部區(qū)域的還原性氣氛，而這正是產(chǎn)生結(jié)焦和高溫腐蝕的必要條件（圖1）。而且結(jié)焦是一個不可逆的過程，故控制鍋爐結(jié)焦，除燃煤灰熔點的因素以外，如何正確的控制鍋爐還原性氣氛是最為直接的[2]。

圖1 2017年鍋爐水平煙道結(jié)焦情況

低氮燃燒器改造后，空氣分級燃燒雖能有效較低NOx的生成，但相應也抬高了鍋爐火焰中心，而我廠鍋爐設(shè)計偏低，結(jié)合高負荷時主燃區(qū)缺氧問題及低負荷時空預器易堵塞的問題，采取了低負荷時開啟燃盡風來控制脫硝入口NOx不超350mg/m3，高負荷時將燃盡風關(guān)至最小開度降低火焰中心，控制CO含量不超1000mg/m3，自2018年后再未發(fā)生水平煙道結(jié)焦的情況。

2.2 對鍋爐效率的影響

按照燃燒理論來講，在使燃料完全燃燒之前提下，過量空氣系數(shù)愈少，愈能提高燃燒溫度而促進良好的燃燒，并能減少排煙所帶走的排煙熱損失；反之，送風量增加，爐內(nèi)過量空氣系數(shù)增大，將增加煙氣流量和降低燃燒溫度，而爐膛出口煙溫變化很小。雖然各對流受熱面的吸熱量增加，但流過各受熱面的煙氣溫降將減小，排煙溫度增加。但在一定范圍內(nèi)氧量增加鍋爐效率將增加，這是因為過量空氣系數(shù)增加將使未燃盡損失Q3和Q4減小，所以存在一個最佳過量空氣系數(shù)，在該值處排煙損失與未燃盡損失之和為最小。

在低負荷階段，在鍋爐金屬壁溫可控的情況下，盡量降低鍋爐氧量，當CO含量出現(xiàn)小范圍的波動時停止，在高負荷期間，控制CO含量≯1000mg/m3的情況下盡量降低鍋爐氧量，鍋爐氧量僅作為參考，同時兼顧金屬壁溫可控，按照這個原則，可最大限度的降低鍋爐排煙損失的同時并不會造成機械不完全燃燒損失增加，將鍋爐過量空氣系數(shù)控制在最佳范圍內(nèi)，也就是鍋爐效率最高點，如圖2至圖5為2018年至2020年鍋爐效率、排煙溫度、排煙氧量、飛灰可燃物的變化曲線，可明顯看出該控制策略成效明顯。

圖2 2018～2020年鍋爐效率

圖3 2018～2020年排煙溫度

圖4 2018～2020年排煙氧量

圖5 2018～2020年飛灰可燃物

2.3 對鍋爐超溫控制的影響

通過合理控制鍋爐CO，在機組變負荷或者燃煤煤質(zhì)發(fā)生改變時，將CO作為主要監(jiān)視手段，當CO出現(xiàn)明顯上升時說明鍋爐燃燒不充分，勢必會造成鍋爐火焰中心上移，屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器換熱量增加，從而引起減溫水量增加，汽溫、金屬壁溫上升甚至超限，此時應立即增加鍋爐送風量，控制燃煤量，提前投入減溫水，可有效減少超溫情況，2018年至2020年超溫次數(shù)分別為158次、122次、94次，超溫次數(shù)年均降幅30%以上（圖6）。

圖6 2018～2020年鍋爐超溫次數(shù)

3 改進的方向

目前CO測點僅安裝與左右側(cè)SCR入口以及凈煙氣處，凈煙氣CO測量數(shù)據(jù)較為滯后，對于鍋爐燃燒情況反映遲滯性較大，SCR入口測點為單點測量，僅能代表具備區(qū)域煙氣成分，無法做到更為精細的調(diào)整，可將CO測點前移至爐膛出口，并在前后墻分別布置5支測點，可以實現(xiàn)更為及時和精細的爐內(nèi)燃燒工況判斷，并進行更加精確的燃燒優(yōu)化調(diào)整。制粉系統(tǒng)缺少在線風粉在線監(jiān)測系統(tǒng)，不利于實時調(diào)整各粉管的供粉量以及控制煤粉細度，若增加該監(jiān)測手段后，可使制粉系統(tǒng)的控制更加精細，有利于平衡爐膛燃燒以及降低制粉系統(tǒng)電耗。

結(jié)論：利用本文提出的燃燒調(diào)整思路并加以實施，可以分析研究爐膛結(jié)渣、火焰偏斜、排煙溫度高等原因并加以調(diào)整，可以根據(jù)不同的負荷和煤種，進行合理的配風、配煤，以保證鍋爐燃燒的安全性、可靠性和經(jīng)濟性；利用CO和氧量在鍋爐不同區(qū)域的分析數(shù)據(jù)，可以直觀判斷配風狀態(tài)的優(yōu)劣并進行優(yōu)化調(diào)整。其中在爐膛區(qū)域進行煙氣成份的測試，本質(zhì)是開展熱態(tài)爐內(nèi)動力場調(diào)整工作；通過細致的燃燒優(yōu)化，不僅可以使鍋爐達到精致和諧的燃燒狀態(tài)，而且也帶來低NOX排放的效果。