楊光

內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

引言

近些年，煤炭供應(yīng)越來越緊缺，燃煤電廠通常不能保障獲取設(shè)計煤種，并且煤質(zhì)變化明顯，鍋爐燃燒設(shè)備不能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，鍋爐噴燃器燒壞、水冷壁焦化、高溫腐蝕和爆管等問題十分普遍。怎樣通過設(shè)備改造適應(yīng)常常改變的煤種，是當(dāng)下急需研究的話題。

某SG-420/13.7-M415型鍋爐因近些年燃用高質(zhì)量煙煤，一般有燃燒器范圍水冷壁焦化、一次風(fēng)噴嘴燒壞、再熱氣溫較低等現(xiàn)象。根據(jù)不同工況和煤種對該鍋爐展開細(xì)致的摸底測試和鍋爐熱力計量，找到了問題形成的原因與嚴(yán)重程度，制定了噴燃器改造計劃，設(shè)置了再熱器受熱面增多的總數(shù)，性能考核測試顯示，改造獲得了預(yù)期成效。

1 設(shè)備改造前的現(xiàn)狀

該鍋爐爐膛截面深×寬=884cm×960cm，寬深比是1.085，設(shè)備選擇正四角切向燃燒分布，其噴嘴從上至下分布是三、二、二、一、二、一、一、二次風(fēng)，制粉裝置采取鋼球磨中儲式制粉結(jié)構(gòu)。SG-420/13.7-M415型鍋爐是專門給發(fā)熱量很少的貧煤規(guī)劃的，一次風(fēng)燃燒器選擇統(tǒng)一分布，鍋爐燃燒切圓很大，爐膛噴燃器周圍的截面熱負(fù)荷很高[1]。近幾年，由于燃用高質(zhì)量煙煤，鍋爐燃燒設(shè)備周邊水冷壁焦化嚴(yán)重，每年出現(xiàn)1-2次燒一次風(fēng)噴嘴問題，左右兩邊主汽溫差達(dá)到15-20℃，當(dāng)旁路煙道擋板閉合、無減溫水條件下，再熱汽溫依舊偏低10-15℃，進(jìn)入爐膛吹灰設(shè)備后汽溫更小。

2 設(shè)備改造綜合方案

2.1 主要目標(biāo)

結(jié)合常見問題，選擇對鍋爐在大修前組織全面細(xì)致的摸底測試，為設(shè)備改造帶來依據(jù)。按照測試結(jié)果分析以及當(dāng)下燃用煤質(zhì)，實施濃淡分離燃燒方式，重新規(guī)劃了一、二、三次風(fēng)燃燒設(shè)備。此次改造目標(biāo)如下：①基本處理爐膛與燃燒設(shè)備噴口結(jié)渣、焦化，避免燒毀噴嘴與一次風(fēng)管；②一次風(fēng)不投與盡可能少投壓力冷風(fēng)，減小排煙溫度，提升鍋爐效率；③增強(qiáng)煤種適用性，令鍋爐在特定煤種范圍內(nèi)可以正常燃燒；④提高鍋爐低負(fù)荷燃燒可靠性，并在鍋爐高負(fù)荷狀態(tài)下基本不焦化、不結(jié)渣；⑤減少飛灰含碳量，提升鍋爐運(yùn)行效率。

2.2 燃燒器改造的技術(shù)方法

2.2.1 下層一次風(fēng)燃燒設(shè)備改成濃淡分離燃燒設(shè)備。規(guī)劃把下層一次風(fēng)燃燒設(shè)備改成新的濃淡分離燃燒設(shè)備。煤粉濃相燃燒存在著火熱低、著火溫度小、火焰擴(kuò)散迅速等特征；煤粉著火后補(bǔ)給稀相氣體，令燃燒更徹底，NOx排放更少，而且還可以增強(qiáng)煤種適用性[2]。該方法已得到國內(nèi)外電站鍋爐的普遍使用。濃淡分離燃燒設(shè)備的規(guī)劃既要考量鍋爐在低負(fù)荷狀態(tài)下的燃燒可靠性，也要兼顧鍋爐于高負(fù)荷狀態(tài)下不結(jié)渣、焦化，不損壞噴嘴。

2.2.2 重新優(yōu)化規(guī)劃中、上一次風(fēng)燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)。因為下層一次風(fēng)噴嘴選擇濃淡分離燃燒設(shè)備，具備良好的穩(wěn)燃效果，而且煤種適用性與符合變動適應(yīng)性很強(qiáng)，所以，規(guī)劃中、上層一次風(fēng)噴嘴時不用強(qiáng)調(diào)穩(wěn)燃作用，著重考量一次風(fēng)剛性和對爐膛結(jié)焦性及火焰充滿度的干擾。

第一，重新規(guī)劃一次風(fēng)周界風(fēng)。

因為SG-420/13.7-M415型鍋爐規(guī)劃時考慮燃用很難著火的貧煤，選擇了下兩層一次風(fēng)統(tǒng)一分布，而電廠燃用煤種不管是發(fā)熱量或者揮發(fā)分都超過規(guī)劃煤種，主要表現(xiàn)為燃燒時著火溫度小、著火間隔短、燃燒強(qiáng)烈以及燃燒迅速，燃燒時極易產(chǎn)生局域供氧不夠現(xiàn)象。添加一些周界風(fēng)既可以發(fā)揮出補(bǔ)充氧量的功能，還可以有效維護(hù)噴嘴，減小噴嘴溫度，很難結(jié)焦[3]。此外，科學(xué)利用周界風(fēng)還可以提高一次風(fēng)氣流剛性，有利于避免水冷壁焦化。改造方法：采取偏置周界風(fēng)，增多下、中一次風(fēng)噴嘴附近周界風(fēng)，類似于在兩層一次風(fēng)當(dāng)中含小二次風(fēng)，有助于局域補(bǔ)充氧量，避免焦化。此外，把擴(kuò)大全部一次風(fēng)噴嘴背火側(cè)周界風(fēng)范圍，縮減向火側(cè)周界風(fēng)范圍，由此增強(qiáng)水冷壁周圍的氧化性環(huán)境，避免高溫腐蝕。

第二，變更一、二次風(fēng)假想切圓直徑占比。

直流鍋爐燃燒設(shè)備假想切圓尺寸，直接關(guān)系火焰可靠性與煤粉燃盡度。事實上，氣流切圓直徑越大，火焰可靠性越好，煤粉于爐膛中的停留時間越長，有助于煤粉燃盡，可是煤粉氣流與火焰越會沖擊水冷壁，引起結(jié)渣與高溫腐蝕[4]。確定二次風(fēng)與一次風(fēng)切圓尺寸并有效配合，是處理穩(wěn)燃與結(jié)渣問題的關(guān)鍵因素。采取的措施為：二次風(fēng)大切圓，一次風(fēng)小切圓。主要方法是把2號、4號角一次風(fēng)假想切圓直徑從φ80cm改造成中φ40cm，1號、3號角一次風(fēng)假想切圓直徑由正切20cm改為反切20cm。三次風(fēng)切圓保持原設(shè)計不變。采取大二次風(fēng)切圓與小一次風(fēng)切圓分布模式，不僅能保障爐膛中心燃料的相對高含量及高穩(wěn)焰性能，還能使燃料旋轉(zhuǎn)時持續(xù)補(bǔ)充氧量，可以混合和燃盡，也能避免燃燒器周圍因煤粉擴(kuò)散沖擊水冷壁而出現(xiàn)高溫腐蝕，實踐顯示有較好效果。

第三，把中、下二次風(fēng)切圓正偏13°。

設(shè)備適應(yīng)性改造前，燃燒器附近水冷壁存在高溫腐蝕情況。爐中煙氣物質(zhì)研究顯示，在后墻左邊還原性氣氛較強(qiáng)。所以，燃燒器改造時，基于原有條件對中、下二次風(fēng)切圓正偏13°， 由此削弱燃燒器周圍水冷壁部位的還原性環(huán)境。

對調(diào)三次風(fēng)噴口與上二次風(fēng)噴口，因三次風(fēng)含粉量在15%～20%以內(nèi) ，將三次風(fēng)噴嘴安裝在噴燃器上方，令三次風(fēng)內(nèi)的細(xì)粉無充足的燃盡時間就已離開爐膛，增多了鍋爐飛灰含碳量。對調(diào)上層二次風(fēng)和三次風(fēng)位置，能夠減少飛灰含碳量，提高鍋爐效率，還可以減少NOx排放。

3 設(shè)備改造具體情況

3.1 改造前摸底測試準(zhǔn)備

為了了解該鍋爐因近些年燃用高質(zhì)量煙煤而出現(xiàn)事故的原因與受損程度，逐步掌握鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)工況，大修前開展了多次系統(tǒng)的摸底測試，為設(shè)備改造帶來依據(jù)，具體情況如下：

3.1.1 一次風(fēng)汽溫調(diào)節(jié)測試。燃用dh、fd1與fd2煤種時，于125MW負(fù)荷的測試條件下，不管是單投磨或者雙磨，就算是一次風(fēng)冷風(fēng)門全開，三種煤種都有一次風(fēng)噴嘴帶火情況，且4號角

水冷壁周圍存在暗色火焰；在100MW負(fù)荷狀態(tài)下，三種煤種都有兩個噴口有帶火情況，且所用煤種熱值越大，一次風(fēng)噴口帶火情況越嚴(yán)重。

3.1.2 爐膛汽溫檢測。燃用dh、fd1與fd2煤種時，燃燒設(shè)備范圍爐膛汽溫整體水平穩(wěn)定，伴隨所燃用煤種熱值增大，爐膛汽溫整體水平稍有提升。燃燒器周圍爐膛汽溫水平于投單磨時平均高于投雙磨時的10℃，燃燒設(shè)備范圍結(jié)渣現(xiàn)象基本類似，結(jié)渣位置基本聚集于1號、3號角的上一次風(fēng)與三次風(fēng)周圍水冷壁。

3.1.3 旁路煙氣擋板調(diào)節(jié)性質(zhì)測試。旁路煙氣擋板全閉時，低再測煙氣速度會增大39%，煙氣速度達(dá)到約13m/s，大大提升低再的磨損量。為考慮再熱系統(tǒng)汽溫的調(diào)節(jié)性與低再的磨損速度，要令煙氣擋板在穩(wěn)定條件下保持30%～50%開度，通過測試，再熱器汽溫會減小約10℃，要適當(dāng)擴(kuò)大低再受熱范圍，使之工質(zhì)出口汽溫提高10℃，將能夠適應(yīng)以上要求。通過熱力估算，要擴(kuò)大低再受熱范圍8%左右，即450m2。如此能夠令低再出口煙氣溫度降低18℃左右，排煙溫度減小1-2℃，和煙道擋板開啟而引起的排煙溫度上升相抵，優(yōu)化后排煙溫度基本一樣。

3.1.4 煙道擋板調(diào)節(jié)。使用fd煤種時，爐膛出口汽溫高于燃用dh煤種，所以對流段后的煙溫也很高，進(jìn)而主汽溫度與再熱器汽溫在旁路煙道擋板全開狀態(tài)下基本穩(wěn)定。但使用dh煤種時，相同工況下汽溫尤其是再熱汽溫略低一點(diǎn)[5]。

3.1.5 性質(zhì)測試。煙道擋板測試顯示：①負(fù)荷125MW，煙道擋板開度從0%變成100%，主汽溫度減小3.5℃，再熱器溫度減小21℃，省煤器出口水氣溫增大7℃，排煙氣溫升高3.5℃；②煙道擋板開度處于0～50%范圍內(nèi)時，對汽溫影響很大，開度超過50%之后對汽溫影響較小。

3.1.6 負(fù)荷增減速度變化測試。該測試旨在考察負(fù)荷增減速度的快慢對主汽與再熱汽氣溫的干擾，通過測試結(jié)果分析，在負(fù)荷增減速度是1MW/min、1.5MW/min、2MW/min、2.5MW/min與3MW/min的狀態(tài)下，都沒有產(chǎn)生超溫情況。

3.2 摸底測試結(jié)論

①改造燃燒設(shè)備，關(guān)鍵是提高鍋爐煤種適用性，提升鍋爐經(jīng)濟(jì)性與安全性；②合理擴(kuò)大再熱器受熱范圍，由此增大再熱汽溫，如此既能提升汽機(jī)效率，還因為能適當(dāng)開啟旁路煙道擋板，減小主煙道氣體流速，進(jìn)而減少受熱面磨損；③優(yōu)化一、二次風(fēng)速度與風(fēng)量監(jiān)測設(shè)備，令鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)有監(jiān)測措施，有助于調(diào)節(jié)鍋爐燃燒；④優(yōu)化鍋爐裝置，如復(fù)原一次風(fēng)總風(fēng)門、周界風(fēng)選擇電動風(fēng)門、二次風(fēng)支總風(fēng)門的調(diào)節(jié)等；⑤當(dāng)下乙磨煤機(jī)出力很小，2臺磨煤機(jī)對燃燒的干擾也不同。有條件時要調(diào)節(jié)制粉結(jié)構(gòu)，找到制粉結(jié)構(gòu)最好運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

3.3 設(shè)備改造安裝

設(shè)備大修時改造了鍋爐燃燒設(shè)備，留下中下排與下排二次風(fēng)噴嘴，拆卸其余的一、二次風(fēng)噴嘴。設(shè)置改造后的一、二次風(fēng)噴嘴，針對下排一次風(fēng)噴嘴采用濃淡分離設(shè)備，對換三次風(fēng)噴嘴和上排二次風(fēng)噴嘴，每層噴嘴從上到下是上二次風(fēng)、三次風(fēng)、中上二次風(fēng)、上一次風(fēng)、中下二次風(fēng)、中一次風(fēng)、濃淡隔離一次風(fēng)與下二次風(fēng)，以上淡下濃分布；噴嘴傾角都是0°；爐膛切圓調(diào)整：一、二次風(fēng)切圓從原本的Φ80cm縮減成Φ40cm，小切圓從原本的正切Φ20cm改成反切Φ20cm。周界風(fēng)門操控機(jī)構(gòu)改為電動操控機(jī)構(gòu)，方便調(diào)整，采取偏置周界風(fēng)，增多下一次風(fēng)噴嘴頂部周界風(fēng)與中一次風(fēng)噴嘴底部周界風(fēng)。

此外，在低溫再熱設(shè)備出口段增設(shè)350m2受熱蛇形管組，以便順利調(diào)整汽溫，增大再熱汽溫。而且能夠適當(dāng)開啟旁路煙道擋板，減小主煙道氣體流速，以防止受熱面磨損。

4 改造后的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況

設(shè)備改造投用后，各運(yùn)轉(zhuǎn)指標(biāo)基本穩(wěn)定，相較于大修前變化很小，鍋爐主汽溫與再熱汽溫都較穩(wěn)定，鍋爐運(yùn)行情況基本正常。設(shè)備改造后，一次風(fēng)噴嘴燒壞情況已徹底消除，運(yùn)行過程可以有效管理和調(diào)整著火點(diǎn)部位。一、三次風(fēng)周界風(fēng)門改成電動形式后，調(diào)節(jié)比較簡便，對修改著火點(diǎn)起到了顯著作用。改造之后1年多時間內(nèi)，因電力用煤供給更為緊張，煤種變動越來越明顯，通過改造后的設(shè)備能夠通過調(diào)整周界風(fēng)門和一次風(fēng)壓等手段，基本可以管理一次風(fēng)噴嘴著火點(diǎn)穩(wěn)定，不出現(xiàn)噴嘴帶火，相較于電廠其他鍋爐具備更好的煤種適用性[6]。此外，改造后設(shè)備各噴嘴與附近水冷壁很干凈，結(jié)渣不多。燃燒設(shè)備改造后明顯提升鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃水平，能夠在53MW負(fù)荷下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

大修后鍋爐效率大大提升，委托第三方檢測顯示，鍋爐效率提升了1.36%。

5 結(jié)束語

①鍋爐燃燒設(shè)備改造后，當(dāng)一次風(fēng)壓力冷風(fēng)門全閉狀態(tài)下，一次風(fēng)噴口煤粉氣流著火穩(wěn)定，無明顯帶火情況，有效避免了噴嘴和一次風(fēng)管好壞問題的出現(xiàn)。②鍋爐爐中燃燒工況得到改善，燃燒設(shè)備范圍與爐膛溫度整體水平穩(wěn)定。燃燒器周圍無明顯結(jié)渣、爐中水冷壁基本潔凈，結(jié)渣不多。③改造后，燃燒設(shè)備附近水冷壁原本的還原性氣氛明顯削減，水冷壁高溫腐蝕趨勢大大減少。④設(shè)備改造后，主汽、再熱汽溫度與壓力等運(yùn)作指標(biāo)都滿足規(guī)劃要求，鍋爐出力也可以適應(yīng)汽機(jī)需求，鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。⑤鍋爐效率大大提升，飛灰含碳量減少，固體沒有徹底燃燒熱損失q4削減，運(yùn)行效率平均上升了1.36%。

簡而言之，鍋爐燃燒設(shè)備改造是成功的，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。