超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計

超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計

目前，中國的大型發(fā)電裝置主要包括600mw和1000mw大型穿越或超壓門。大型超臨界汽輪發(fā)電機組因鍋爐效率和汽輪機循環(huán)效率高,機組供電煤耗小,能有效地降低煤炭消耗量,提高資源利用率,從而降低單位供電量對應的人體可吸入顆粒、二氧化硫和氮氧化物等有害氣體以及二氧化碳等溫室氣體的排放量,保護環(huán)境和實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,故而世界各國都大力研究和發(fā)展大型超臨界汽輪發(fā)電機組。對超臨界鍋爐而言,合理設計和運行燃燒系統(tǒng),協(xié)調(diào)燃燒效率和氮氧化物排放量這一對矛盾體,努力提高鍋爐效率,在不增加脫硝系統(tǒng)的前提下降低氮氧化物排放量,并有效防止爐內(nèi)結焦和高溫腐蝕,這是相當長時間內(nèi)鍋爐研究人員工作的方向。1鍋爐裝載量1.1爐廠及東方鍋爐廠江蘇省常熟第二發(fā)電廠、鎮(zhèn)江電廠及華能太倉電廠(分別簡稱常二、鎮(zhèn)電和華太)600MW超臨界鍋爐分別選用哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠及東方鍋爐廠(分別簡稱哈鍋、上鍋和東鍋)產(chǎn)品,技術來源分別為三井巴布科克能源公司、美國ALSTOM能源公司及日本巴布科克-日立公司。鍋爐皆為超臨界參數(shù)變壓運行本生直流鍋爐,采用單爐膛、π型布置、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構,采用煤水比和兩級減溫水調(diào)節(jié)過熱汽溫,水冷壁為膜式水冷壁,下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈,上部水冷壁為垂直管屏。1.2設計煤炭露頭常二和鎮(zhèn)電為神府東勝煙煤,華太為神華煙煤。1.3燃燒系統(tǒng)結構及布置哈鍋燃燒器采用三井巴布科克公司的低NOX軸向旋流煤粉燃燒器(LNASB),燃燒LNASB燃燒器,共32只LNASB燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方,前后墻標高33.388m處各布置1排燃盡風口,每排布置7只,共14只燃盡風。每只LNASB燃燒器裝有1支1.2t/h的油槍用于點火、暖爐和低負荷穩(wěn)燃。制粉系統(tǒng)采用冷一次風機正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺鍋爐配置4臺BBD4360型雙進雙出鋼球磨煤機,每臺磨煤機帶1層燃燒器,每端帶前墻或者后墻的4只燃燒器。上鍋采用美國阿爾斯通能源公司的擺動式四角切圓CFS-Ⅰ型低NOX同軸燃燒系統(tǒng),其主要組件為緊湊燃盡風(CCOFA)、可水平擺動的分離燃盡風(SOFA)、預置水平偏角的輔助風噴嘴及強化著火(EI)煤粉噴嘴。主風箱設有6層帶燃料風的EI噴嘴,相鄰兩層煤粉噴口間布置1組輔助風噴嘴,其中包括上下2只CFS噴嘴和中間的1只直吹風噴嘴。在主風箱上部設有2層CCOFA噴嘴,在主風箱下部設有1層火下風(UFA)噴嘴。在主風箱上方設有5層SOFA噴嘴。主燃燒器噴嘴和SOFA燃燒器分別由1臺氣動執(zhí)行器集中帶動作上下擺動。在燃燒器二次風室中配置了3層共12支3.575t/h的Y型蒸汽霧化噴嘴輕油槍。制粉系統(tǒng)采用冷一次風機正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺鍋爐配置6臺HP1003型中速磨煤機,每臺磨煤機帶1層4只燃燒器。東鍋燃燒器采用日本巴布科克-日立公司的HT-NR3型旋流煤粉燃燒器,燃燒器采用前后墻布置方式,對沖燃燒。前后墻上各布置3排燃燒器,每排各有6只HT-NR3燃燒器,共36只HT-NR3燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方,前后墻各布置1排燃盡風口,每排布置8只,包括6只中心燃盡風口和2只側燃盡風口,共16只燃盡風。每只HT-NR3燃燒器裝有1支250kg/h機械霧化點火油槍,每只前墻中、下排及后墻中排燃燒器裝有1支2.2t/h蒸汽霧化啟動油槍。制粉系統(tǒng)采用冷一次風機正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺鍋爐配置6臺HP1003型中速磨煤機,每臺磨煤機帶前墻或者后墻的6只燃燒器。1.4燃燒系統(tǒng)的主要設計參數(shù)哈鍋、上鍋和東鍋燃燒系統(tǒng)主要設計參數(shù)如表1所示。2比較和分析燃燒系統(tǒng)2.1空氣分級燃燒技術3臺鍋爐都采用空氣分級燃燒技術,該技術是美國在20世紀50年代首先發(fā)展起來的,是目前使用最為普遍的低NOX燃燒技術之一?？諝夥旨壢紵幕驹頌?將燃燒所需的空氣量分成2級送入,使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)在0.8左右,燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒,使得燃燒速度和溫度降低,因而抑制了熱力型NOX的生成,同時燃燒生成的CO與NO進行還原反應,以及燃料N分解成中間產(chǎn)物相互作用或與NO進行還原反應,抑制了燃料型NOX的生成;在第二級燃燒區(qū)內(nèi),將燃燒用空氣的剩余部分以二次空氣輸入,成為富氧燃燒區(qū),此時空氣量雖多,一些中間產(chǎn)物被氧化生成NO,但因火焰溫度低其生成量不大,從而最終空氣分級燃燒可使NOX生成量降低30%～40%。空氣分級燃燒可以分成兩類:一類是爐內(nèi)空氣分級燃燒,另一類是燃燒器空氣分級燃燒。爐內(nèi)空氣分級燃燒又可以分為采用緊湊式燃盡風(CCOFA)噴口和分離式燃盡風(SOFA)噴口技術。哈鍋和東鍋采用由前后墻對沖布置的低NOX旋流燃燒器和分離式燃盡風噴口組成的燃燒系統(tǒng),而上鍋采用由CFS-Ⅰ型四角切圓的低NOX直流燃燒器和緊湊式及分離式燃盡風噴口組成的燃燒系統(tǒng)。哈鍋煤粉燃燒器區(qū)域化學當量比為1.05,SOFA化學當量比為0.14;東鍋煤粉燃燒器區(qū)域化學當量比為0.8,SOFA化學當量比為0.34。東鍋采用低氧燃燒(LEA)技術,爐膛出口過量空氣系數(shù)為1.14,相應的氧量僅僅為2.58%。這2個廠的鍋爐同層或同一垂直線上相鄰2只旋流燃燒器旋向相反,加強煙氣混和,提高爐內(nèi)氧量利用率,再加上前后墻布置方式,能有效降低爐膛出口煙氣流場不均勻性。面向前墻來看,上鍋前墻左角為1號角,后墻左、右角分別為2號、3號角,前墻右角為4號角。上鍋每角燃燒器從下到上依次為AA層火下風噴口、AⅠ層端部風噴口、A層煤粉燃燒器及周界風噴口、AⅡ?qū)覥FS噴口、AB層帶油槍輔助風噴口、BⅠ層CFS噴口、B層煤粉燃燒器及周界風噴口、BⅡ?qū)覥FS噴口、BC層不帶油槍輔助風噴口、CⅠ層CFS噴口、C層煤粉燃燒器及周界風噴口、CⅡ?qū)覥FS噴口、CD層帶油槍輔助風噴口、DⅠ層CFS噴口、D層煤粉燃燒器及周界風噴口、DⅡ?qū)覥FS噴口、DE層不帶油槍輔助風噴口、EⅠ層CFS噴口、E層煤粉燃燒器及周界風噴口、EⅡ?qū)覥FS噴口、EF層帶油槍輔助風噴口、FⅠ層CFS噴口、F層煤粉燃燒器及周界風噴口、FⅡ?qū)佣瞬匡L噴口、CCOFAⅠ噴口、CCOFAⅡ噴口、SOFAⅠ噴口、SOFAⅡ噴口、SOFAⅢ噴口、SOFAⅣ噴口、SOFAⅤ噴口。1號/3號角CFS噴口形成D8228的假想切圓,2號/4號角CFS噴口形成D11655的假想切圓;1號/3號角其他噴口形成D2043的假想切圓,2號/4號角其他噴口形成D1716的假想切圓,皆呈順時針方向旋轉。煤粉燃燒器區(qū)域化學當量比為0.72,CCOFA化學當量比為0.12,SOFA化學當量比為0.36。SOFA噴口可以在水平方向上手動調(diào)節(jié)角度,其水平擺角范圍為-15o～+15o,對應假想切圓直徑從逆時針的1號/3號角8147mm和2號/4號角4529mm到順時針的1號/3號角4200mm和2號/4號角7843mm,可以通過調(diào)節(jié)SOFA水平擺角來消除主燃燒器余旋,從而提高爐膛出口煙氣流場均勻性。2.2次風、三次風旋流裝置旋流燃燒器實際上是高強度擾動式燃燒器,因而也是高NOX燃燒器,但是只要采取一些空氣調(diào)節(jié)手段,推遲燃料與空氣的混合,就能使其轉變?yōu)榈蚇OX燃燒器,而且這種燃燒器還具有燃燒穩(wěn)定,在相當?shù)偷娜紵俣认虏恢劣诔霈F(xiàn)過多未燃物損失的優(yōu)點。哈鍋和東鍋采用低NOX雙調(diào)風旋流燃燒器,其結構如圖1、圖2所示。哈鍋LNASB燃燒器采用直流一次風和旋流的二、三次風,并配中心風。燃燒器一次風管內(nèi)靠近爐膛端部布置有鑄造的整流器,用于在煤粉氣流進入爐膛前對其進行濃縮。整流器的濃縮作用和二次風、三次風調(diào)節(jié)協(xié)同配合,以達到在煤粉燃燒初期減少NOX生成量之目的。燃燒器風箱為每個LNASB燃燒器提供二次風和三次風,每個燃燒器在三次風環(huán)形通道外側設有1個風量均衡擋板,用以使進入各個燃燒器的分風量保持平衡。二次風和三次風通過燃燒器內(nèi)同心的二次風、三次風環(huán)形通道在煤粉燃燒的不同階段分別送入爐膛,燃燒器二次風環(huán)形通道外側設有套筒式檔板用來調(diào)節(jié)二次風和三次風之間的分配比例。二次風和三次風通道內(nèi)布置有各自獨立的旋流裝置,三次風旋流裝置為不可調(diào)節(jié)的型式,固定在燃燒器出口最前端位置,為旋流強度最大的位置;而二次風旋流裝置為沿軸向可調(diào)節(jié)的型式,調(diào)整旋流裝置的軸向位置即可調(diào)節(jié)二次風中旋流部分和直流部分的比例,從而達到調(diào)整二次風旋流強度的目的。燃燒器設有中心風管,其內(nèi)布置油槍,一股小流量的中心風通過中心風管送入爐膛,以提供油槍用風,井且在油槍停運時防止灰渣在此部位集聚。東鍋HT-NR3燃燒器采用直流一次風、直流二次風和旋流三次風。一次風噴口內(nèi)靠近爐膛端部布置錐形煤粉濃縮器;燃燒器風箱為每個HT-NR3燃燒器提供二次風和三次風。內(nèi)二次風道上設有一個套筒式擋板,用于調(diào)節(jié)二次風和三次風之間的分配比例;三次風旋流裝置設計成可調(diào)節(jié)的切向葉片型式,并設有執(zhí)行器以實現(xiàn)程控調(diào)節(jié),調(diào)整旋流裝置的調(diào)節(jié)導軸即可調(diào)節(jié)三次風的旋流強度。由于該燃燒器沒有設置中心風管,故而在一次風粉管最后一個彎頭前設置了冷卻風管,以便燃燒器停用時冷卻噴口,并在啟動油槍投運時提供根部風。上鍋煤粉燃燒器采用強化著火(簡稱EI)煤粉噴嘴,其特點是采用出口部分收縮設計能使煤粉聚集在噴口出口中心部位,在噴口內(nèi)設置格柵和在噴口外設置周界風以加強卷吸煙氣能力,并與水平偏轉25o的低風量CFS噴口配合,推遲一次風粉氣流與二次風的混和并在水冷壁附近形成富氧氣氛,從而使火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內(nèi),使揮發(fā)分在富燃料的氣氛下快速著火,保持火焰穩(wěn)定,從而提高鍋爐無輔助燃料低負荷穩(wěn)燃能力,有效降低NOX的生成,延長焦碳的燃燒時間,提高鍋爐燃燒效率,防止爐內(nèi)結渣和高溫腐蝕。2.3葉片拉拔器葉片的調(diào)節(jié)風系統(tǒng)兩種風哈鍋燃盡風口包含2股獨立的氣流:中央部位的氣流是非旋轉的氣流,它直接穿透進入爐膛中心;外圈氣流是旋轉氣流,用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進行混合。東鍋燃盡風噴口包含6個中心燃盡風噴口(AAP)和2個側燃盡風噴口(SAP)。中心燃盡風噴口(見圖3)由一次風,二次風,三次風組成。一次風為直流風,二、三次風為旋流風。一次風通過手柄調(diào)節(jié)套筒位置來進行風量的調(diào)節(jié);二、三次風通過風量擋板和切向旋流葉片實現(xiàn)風量和旋流強度調(diào)節(jié)。側燃盡風噴口(見圖4)由一次風和二次風組成,一次風為直流風,二次風為旋流風。一次風通過手柄調(diào)節(jié)套筒位置來進行風量的調(diào)節(jié);二次風通過調(diào)節(jié)切向旋流葉片實現(xiàn)旋流強度的調(diào)節(jié)。上鍋燃盡風噴口包括2層CCOFA噴口和5層SOFA噴口,都采用四角切圓直流燃盡風布置方式,設計風速為57m/s。在主燃燒器上布置CCOFA,能及時補充氧量,提高焦碳燃盡率,同時通過控制CCOFA份額,可以降低NOX生成量增幅,然后再通過布置SOFA,進一步提高焦碳燃盡率,控制爐膛溫度水平,再次降低NOX生成量增幅,從而達到提高鍋爐燃燒效率和降低NOX排放濃度這雙重目的。主燃燒器風箱底部和頂部標高分別為24373mm和36785mm,SOFA風箱底部和頂部標高分別為42288mm和45910mm,下CCOFA緊貼上端部風布置,2層CCOFA間距為110mm,第一層SOFA與上CCOFA之間的距離為5595mm,CCOFA間距為110mm。CCOFA化學當量比為0.12,其中下CCOFA為0.04,上CCOFA為0.08;SOFA化學當量比為0.36,5層SOFA均分。3燃燒系統(tǒng)的操作3.1增加煤粉分配均勻性常二各燃燒器風量調(diào)整是通過風量均衡擋板調(diào)節(jié),沒有有效的風量監(jiān)視手段,另外擋板的調(diào)節(jié)桿為手動拉桿,調(diào)節(jié)不方便,熱態(tài)下經(jīng)常出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象,因此只能在冷態(tài)下調(diào)好,熱態(tài)下基本不調(diào)整。建議針對卡澀問題,對其調(diào)節(jié)機構進行改進,以便通過調(diào)節(jié)該擋板,改善省煤器進口氧量場均勻性。目前直吹式對沖爐有2種供粉方式,一是單臺磨煤機供一層燃燒器,另一種是單臺磨煤機供前墻或后墻一排燃燒器,采取哪種方式需根據(jù)設計磨煤機臺數(shù)和燃燒器層數(shù)來定。常熟二廠鍋爐采用前一種,每層8個燃燒器由1臺磨煤機供粉,驅(qū)動端或非驅(qū)動端供前墻或后墻燃燒器,這種方式磨煤機臺數(shù)少、單臺磨煤機出力大,但在煤粉分配均勻性方面存在缺點,即系統(tǒng)阻力存在較大偏差,雖然冷態(tài)試驗時通過調(diào)整可調(diào)縮孔開度將8個一次風管阻力基本調(diào)平,但冷態(tài)和熱態(tài)下存在區(qū)別,煤粉分配的偏差不可能完全消除。建議增加后墻燃燒器對應的給煤機出力,改善前后墻間粉量偏差。前后墻對沖布置燃燒方式與四角切圓燃燒方式相比,煙溫偏差和汽溫偏差明顯要小得多,這主要是因為對沖布置燃燒方式鍋爐不存在爐膛出口氣流殘余旋轉的問題。運行情況表明:目前常二爐內(nèi)流場和溫度場較均勻,高溫再熱器出口煙溫偏差不超過15℃,兩側過熱蒸汽溫度基本不存在偏差,再熱汽溫偏差在事故噴水全關的情況下小于5℃。今年鍋爐燃燒調(diào)整試驗過程中一直燃用神華煙煤和大同煙煤的混煤,3臺磨供神華煤,l臺磨供大同煤,部分燃燒器區(qū)域出現(xiàn)過一定程度的結焦情況。從運行情況和煤質(zhì)分析來看,結焦的主要原因是神華煤灰熔點比較低、有中等的結焦性,同時投運初期存在燃燒器配風不合理,二次風旋流強度偏大、風量分配不均勻等問題。針對這些問題,進行了配風調(diào)整,調(diào)整二次風旋流強度,將二次風旋流強度適當調(diào)小(靠側墻的燃燒器二次風旋流拉桿調(diào)到較小,其余調(diào)至中間位);考慮到同層4個燃燒器風量均勻性,將靠側墻燃燒器的風量均衡擋板適當關小,取得明顯效果。從國電常州發(fā)電有限公司一期工程和揚州第二發(fā)電有限責任公司二期工程調(diào)試情況來看,與其他兩家鍋爐廠生產(chǎn)的鍋爐相比,哈鍋600MW鍋爐結焦相對比較嚴重,需要通過仔細的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗才能得到比較滿意的結果。鍋爐性能試驗表明:600MW負荷下飛灰可燃物含量為2.32%,爐渣可燃物含量為1.68%,鍋爐效率為93.93%,比哈鍋保證值高0.48%;NOX排放濃度為665mg/m3,大于我國新的450mg/m3排放限值;最低無輔助燃料穩(wěn)燃負荷為225MW,優(yōu)于哈鍋40%BMCR的保證值。3.2等離子煤粉燃燒無油冷態(tài)點火試驗鎮(zhèn)電采用等離子燃燒器,等離子燃燒器布置在B層,首次無油冷態(tài)點火時煤粉著火不良,導致爐膛發(fā)生爆燃。這主要是因為直流煤粉燃燒器切圓直徑偏小,無法得到鄰角煤粉火焰的足夠支持。后將給煤量提高到30t/h,并改用老廠高排來提供輔汽,以提高輔汽供給量和輔汽溫度,將磨煤機出口溫度提高到80℃,適當增加相鄰的CFS噴口二次風供給量,降低AB層和BC層輔助風量,以擴大B層煤粉燃燒器切圓直徑,從而改善四角煤粉火焰相互間的支持能力,實現(xiàn)了等離子煤粉燃燒器無油冷態(tài)點火。少油投等離子燃燒器啟動過程中,當達到汽機沖轉壓力8.9MPa時,主汽溫度高達480℃,無法滿足汽機冷態(tài)沖轉要求,后改成全燃油啟動才得以實現(xiàn)。在機組168h試運期間,因爐內(nèi)結焦嚴重,主再熱汽超溫,只能在450MW附近運行。后通過更換煤種和關小SOFA得以解決。鍋爐性能試驗表明:600MW負荷下飛灰可燃物含量為1.32%,爐渣可燃物含量為0.22%,鍋爐效率為93.75%,比哈鍋保證值高0.20%;NOX排放濃度為188mg/m3