1 000 MW 超超臨界二次再熱塔式鍋爐運行優化研究

王俊洋，鞏時尚，王 飛，李韓亮

( 中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710032 )

0 引言

隨著在高溫材料方面的研究與應用逐步成熟，清潔高效的燃煤發電方式已成為我國火力發電發展的主要方向。集清潔、高效、環保于一體的二次再熱燃煤發電技術，其發電效率較傳統一次再熱機組提高2%～3%，已成為我國燃煤機組建設的更優選擇。二次再熱機組是在傳統過熱、再熱蒸汽系統外，增加了一級再熱系統，系統結構更加復雜，各級受熱面的熱量分配及汽溫調節更加困難[1]。由于我國超超臨界二次再熱技術起步較晚，缺乏設計、運行經驗，部分二次再熱機組塔式鍋爐投產后出現了蒸汽溫度偏低、飛灰含碳量高等問題，未能真正體現二次再熱的節能減排效果[2]，因此分析二次再熱機組塔式鍋爐蒸汽溫度偏低原因并探究解決方法，對提高二次再熱機組運行經濟性具有十分重要的意義。

本文以某1 000 MW 超超臨界二次再熱塔式鍋爐為研究對象，針對其主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度偏低等問題開展了試驗研究，為同類型二次再熱塔式鍋爐的設計、調整提供技術參考。

1 鍋爐概況

廣西某1 000 MW 超超臨界二次再熱塔式鍋爐為國產變壓直流爐，單爐膛、二次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構。鍋爐配6 臺磨煤機，從下往上依次為A →F 磨煤機，在鍋爐最大連續蒸發量(boiler maximum continue rate，BMCR) 工況下，5 臺運行，1 臺備用。設計燃用神華混煤，爐后尾部煙道出口有一臺選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)反應裝置，SCR 下方布置兩臺四分倉回轉式空氣預熱器。鍋爐采用雙層等離子點火方式，主要性能參數見表1 所列，煤質分析見表2 所列。

表1 鍋爐主要性能參數

表2 鍋爐煤質分析

2 運行現狀及分析

對該塔式鍋爐在50%和75%額定負荷進行摸底試驗，結果見表3 所列。由表3 可知，鍋爐在中高負荷段NOx排放量小于250 mg/Nm3，優于設計值，但在75%額定負荷時主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度均低于設計值，在50%額定負荷時與設計值差距更大，同時機組飛灰含碳量均大于2%，煤粉燃盡性較差。針對上述問題，本研究通過單一變量法進行試驗分析，對該鍋爐優化調整。

表3 機組優化調整前主要參數

3 運行優化調整及效果分析

3.1 燃燒器熱負荷均勻性

該鍋爐為四角切圓燃燒方式，每臺磨煤機提供2 層燃燒器所需的煤粉。磨煤機出口的4 根煤粉管道在燃燒器前通過煤粉均分器，分成8 根煤粉管道，進入4 個角燃燒器的2 層煤粉噴嘴中。上層4 個煤粉噴嘴為S1 →S4，下層4 個煤粉噴嘴為X1 →X4。

燃燒器熱負荷分配不均不僅會造成切圓中心偏斜，煤粉沖刷水冷壁，部分受熱面超溫，左右兩側工質溫度偏差大，同時也令主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度無法達到設計值，鍋爐飛灰含碳量過高。因此對燃燒器進行了一次風熱態調平試驗，見表4 所列，調整后各粉管偏差明顯減小，為提高蒸汽溫度奠定了基礎。

表4 燃燒器一次風熱態調平試驗結果

3.2 運行O2優化調整

負荷750 MW，在鍋爐參數穩定的基礎上進行了O2優化調整試驗，具體測量以省煤器出口數據為準，O2分別選取為3.4%、3.7%和4.0%，具體試驗結果如圖1、圖2 所示。試驗結果表明：運行O2由3.4%上升到4.0%時，飛灰含碳量由3.7%降至2.5%，主蒸汽和一、二再熱蒸汽溫度均呈現增加趨勢，并且一、二次再熱蒸汽溫度的上升程度大于主蒸汽溫度。這是由于運行O2是由總風量控制，在不改變各級空氣比例的前提下，中高負荷時適當提高總風量，能夠增加各區域的氧濃度，從而使燃燒更完全，飛灰含碳量降低，同時也提高了煙氣流量，增強了再熱器對流換熱。鍋爐效率隨著運行O2的增加呈現先增加后降低趨勢，這是初始運行O2增加時，鍋爐飛灰含碳量降低，固體可燃物損失降低。但隨著O2過大，使得排煙熱損失增加[3]，而且隨著運行O2的增加，燃燒區氧濃度加大，生成的原始NOx同步增加，不利于環保參數控制。

圖1 運行O2對蒸汽溫度的影響

圖2 運行O2對飛灰含碳量和鍋爐效率的影響

3.3 磨煤機組合優化調整

磨煤機組合方式不僅影響燃燒器高寬比和爐內切圓大小，而且對原始NOx濃度、鍋爐效率、主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度等參數都有著決定性作用，合理的磨煤機組合是保證機組運行經濟性的基礎。

本次試驗機組負荷為750 MW，在其他參數穩定不變的前提下選取兩種磨煤機組合，具體試驗工況為：工況1 為A/B/C/E 磨煤機組合，工況2 為B/C/D/E 磨煤機組合；不同磨煤機組合主要參數見表5 所列。由表5 可知，采用B/C/D/E 磨煤機組合時主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度要高于A/B/C/E 磨煤機組合，同樣原始NOx生成量要高于A/B/C/E 磨煤機組合，這是由于采用B/C/D/E 磨煤機組合時，整體爐內火焰中心較高，鍋爐水冷壁吸熱減少，屏式過熱器輻射熱增加，一、二次再熱器入口煙溫提高，增加了再熱器對流換熱，使得蒸汽溫度提高[4]。但B/C/D/E 磨煤機組合時火焰中心較高，還原區距離縮短，令原始NOx生成量增加，不利于環保。

表5 不同磨煤機組合機組主要參數

3.4 燃盡風優化調整

燃盡風的主要作用是調節火焰中心，控制爐內各受熱面吸熱比例，進而調節蒸汽溫度，同時燃盡風還能調節爐內氧量場分布，控制NOx生成。該二次再熱機組在主燃燒器上方布置8 層燃盡風，每4 層為一組，下組從下至上依次命名為LL1 →LL4，上組從下至上依次命名為：UU1 →UU4。燃盡風射流角度與主燃燒器一致，同時為了減弱爐膛內煙氣氣流的殘余旋轉，燃盡風還可水平擺動±25°。

機組其他參數保持不變，750 MW 負荷下進行燃盡風優化調整，在燃盡風進風量不變的基礎上通過開度變化投入不同高度的燃盡風，試驗結果見表6 所列。由表6 可知，燃盡風投入層數逐漸由下層轉入上層時主蒸汽溫度、一次再熱蒸汽溫度、二次再熱蒸汽溫度分別增加5.7 ℃、3.3 ℃和3.4 ℃，脫硝入口NOx下降24 mg/Nm3，排煙溫度和飛灰含碳量略微升高，這是由于燃盡風進入爐內的位置提高，爐內火焰中心上移，整體火焰拉長，水冷壁吸熱減少，靠近過熱器側煙氣溫度增加，過熱器輻射熱吸熱增多，使得主蒸汽溫度增加[5]，由于煙氣流量未發生變化，再熱蒸汽溫度增加幅度小于主蒸汽溫度。同時燃盡風轉入上層后，燃燒高溫區域氧量減少，使得燃燒生成的NOx減少，飛灰含碳量略有上升。

表6 不同燃盡風投入位置時機組主要參數

3.5 煙氣擋板優化調整

在鍋爐出口處設計煙氣擋板，通過平衡一、二次再熱器煙氣流量，從而調整一、二次再熱蒸汽溫度，煙氣擋板調整主要適用于以下情況：①一次再熱蒸汽溫度偏高，且一次再熱減溫水投入量大，二次再熱蒸汽溫度未達到額定值且二次再熱減溫水未投入；②二次再熱蒸汽溫度偏高，且二次再熱減溫水投入量大，一次再熱減溫水未投入且一次再熱蒸汽溫度未達到額定值。

機組其他參數保持不變，750 MW 負荷下分析煙氣擋板對一、二次再熱蒸汽溫度及鍋爐效率的影響，試驗結果見表7 所列。

表7 不同煙氣擋板開度下機組主要參數

工況1 為調整前工況：一、二次再熱煙氣擋板均處于全開狀態，一次再熱蒸汽溫度較高且減溫水投入量大，而二次再熱蒸汽溫度低，適用于情況①，此時一次再熱器側煙氣流量偏大。調整后工況2 如下：關小一次再熱煙氣擋板，提高二次再熱側煙氣流量，增加二次再熱器對流換熱，提高二次再熱蒸汽溫度，同時一次再熱減溫水在自動狀態下逐漸關小，一次再熱減溫水流量減少，有利于提高機組運行經濟性。依據此方法，將一次再熱煙氣擋板關至少50%開度后為工況3，相比原始工況(工況1)，主蒸汽和一次再熱蒸汽溫度基本穩定，二次再熱蒸汽溫度提高6.2 ℃，同時一次再熱減溫水流量減少29.5 t/h，機組運行經濟性提高，建議機組運行時通過煙氣擋板平衡一次、二次再熱器煙氣流量，從而調整一、二次再熱蒸汽溫度。

3.6 煙氣再循環率優化調整

該機組配備有煙氣再循環系統，如圖3 所示，該技術是將鍋爐尾部低溫煙氣通過再循環風機重新送回爐膛，爐煙噴口設置在爐膛燃燒器區域下方、兩側冷灰斗水冷壁進入。煙氣再循環系統的引入降低了火焰溫度，增加了煙氣流量，能夠削弱爐膛內的輻射換熱，強化再熱器對流吸熱，實現主蒸汽和一、二次再熱蒸汽吸熱量的調整。

圖3 煙氣再循環系統示意圖

機組其他參數保持不變，750 MW 負荷下進行煙氣再循環率優化調整，煙氣再循環率分別選取4%、6%、8%、10%四個工況，試驗結果如圖4、圖5 所示。由圖可知主蒸汽、一、二次再熱蒸汽溫度隨著煙氣再循環率的增加均呈上升趨勢，一、二次再熱蒸汽溫度受煙氣再循環影響較大，主蒸汽溫度受煙氣再循環影響較小，這是由于主蒸汽同時受到輻射和對流換熱影響，當煙氣再循環量增加時，爐膛溫度下降，輔熱吸熱減少，而爐膛火焰中心上移，同時煙氣流量增大，對流吸熱增加，所以主蒸汽溫度呈略微升高，一、二次再熱蒸汽溫度增加幅度較大[6]。而且隨著煙氣再循環率的增加，由于蒸汽溫度均提升，鍋爐效率隨之增加，飛灰含碳量整體呈下降趨勢。

圖4 煙氣再循環率對蒸汽溫度的影響

圖5 煙氣再循環率對飛灰含碳量和鍋爐效率的影響

圖6 煤粉細度對蒸汽溫度的影響

圖7 煤粉細度對飛灰含碳量和鍋爐效率的影響

同時隨著煙氣再循環量的增加，主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度變化率減少，其受煙氣再循環影響減弱，這是由于隨著煙氣再循環量增加，爐膛溫度降低，煙氣和蒸汽間的溫差減小，從而使得對流換熱減弱，一、二次再熱器吸熱量減少[7]。另外，由于低負荷時煙氣再循環量過大將影響下層火焰穩定性，因此低負荷進行煙氣再循環率調整時應關注火檢強度和火焰穩定性。

3.7 煤粉細度優化調整

機組其他參數保持不變，750 MW 負荷下進行煤粉細度優化調整試驗，煤粉細度R90分別為21.6%、18.4%和15.7%。試驗結果如圖6、圖7 所示。當煤粉細度由21.6%提高至15.7%時，鍋爐主蒸汽溫度提高5.0 ℃，一次再熱蒸汽溫度提高5.9 ℃，二次再熱蒸汽溫度提高4.9 ℃。這是由于煤粉越細，著火時間越提前，并且隨著煤粉細度增加，煤粉顆粒比表面積增大，有利于煤粉燃盡，從而使得飛灰含碳量降低，鍋爐效率提高。同時煤粉細度的調整主要靠磨煤機加載力和分離器轉速實現，分離器轉速越高，煤粉越細，煤粉均勻性更高，從而使得水冷壁吸熱更加均勻，有利于提高蒸汽溫度[8,9]。但煤粉細度越細，磨煤機電耗增加，同時生成NOx含量增加，綜合考慮，建議煤粉細度R90控制在18%左右。

3.8 吹灰優化調整

鍋爐運行時受負荷和煤質影響，各受熱面積灰輕重程度不同，合理有序的吹灰方式不僅有利于清除受熱面積灰，增加受熱面吸熱，提高主蒸汽和一、二次再熱蒸汽溫度，而且能夠減少沾污腐蝕，提高機組運行安全性。

機組其他參數保持不變，750 MW 負荷下分別對過熱器和再熱器吹灰，吹灰前后主要參數見表8 所列。由表可知，過熱器受熱面吹灰后，主蒸汽一級減溫水流量增加42.1 t/h，主蒸汽溫度穩定，一、二次再熱蒸汽溫度略微下降，這是由于過熱器受熱面吹灰后過熱器吸熱增加，進入再熱器的煙氣溫度下降，一、二次再熱器對流換熱減弱。再熱器受熱面吹灰后，主蒸汽溫度維持穩定，一、二次再熱蒸汽溫度分別提高4.4 ℃和4.6 ℃。因此需要提高一次、二次再熱蒸汽溫度，可減少過熱器及水冷壁吹灰，適當增加再熱器受熱面吹灰，增加再熱器的吸熱，提高再熱汽溫。

表8 過熱器吹灰前后鍋爐主要參數

4 結語

針對某二次再熱塔式鍋爐投運后主蒸汽和再熱蒸汽溫度低、煤粉燃盡性差的問題，分析了主要原因，首先進行了一次風熱態調平試驗，保證了燃燒器熱負荷分配的均勻性，在此基礎上，通過試驗得出磨煤機組合和煙氣再循環是影響主蒸汽、一二再熱蒸汽溫度的主要因素，選用上層磨煤機組合可提高火焰中心，有利于提高主蒸汽、一二次再熱蒸汽溫度；增加煙氣再循環量，水冷壁吸熱減少，過熱器、一、二次再熱器受熱面吸熱增加，提高了蒸汽溫度；同時通過燃盡風配風調整、煙氣擋板優化調整、運行煤粉細度和運行O2等反復優化調整，提升了主汽溫和一、二次再熱汽溫，降低了飛灰含碳量。本研究通過各種試驗手段總結摸索經驗，為超超臨界二次再熱塔式鍋爐的設計、調整優化提供了參考。