（神华国能哈密电厂 新疆哈密市 839000）
摘要：通过对某电厂超临界塔式炉燃烧系统的优化试验，包括氧量调整、配风方式调整、燃烧器摆角调整等。提高锅炉效率，包括优化排烟温度、氧量、CO含量、取飞灰和炉渣测试含碳量、NOx排放、炉膛温度、壁温、烟温、汽温、风机电流等参数。最终确定锅炉最佳运行方式。增大二矿煤的掺烧比例。
关键词：塔式炉；高碱煤；掺烧；结焦；燃烧优化
正文：新疆煤炭资源丰富，预测资源量达2.19万亿吨，利用我国疆电东送战略，采取煤电一体化项目充分发挥新疆地区资源优势。准东、吐哈、伊宁三大煤田是储量超过3000亿吨的世界级特大煤田，花园电厂燃用吐哈煤田大南湖矿区一矿及二矿煤。大南湖煤质介于烟煤与褐煤之间，对大南湖一、二矿煤质燃用特性的充分认知对于新疆煤的开发利用具有重大的战略意义。某电厂设计燃用大南湖二矿煤，由于锅炉设计时大南湖二矿还未出煤，因此煤质数据采用了大南湖一矿煤质，但大南湖二矿开采出煤以后煤质与大南湖一矿煤质区别很大，主要是大南湖二矿煤碱金属含量高，结渣、沾污问题突出。导致了某电厂机组启动初期，锅炉严重结焦，影响正常生产。具体煤质数据见表1。
1、设备概述
某电厂4×660MW超临界压力直流锅炉为2236t/h超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、一次再热、平衡通风、全钢架悬吊结构、紧身封闭布置、采用干式捞渣机固态排渣的锅炉。锅炉燃用烟煤。
炉膛宽度21230mm，炉膛深度21230mm，水冷壁下集箱标高为7000mm，炉顶管中心标高为105950mm，大板梁顶标高115170mm。
锅炉制粉系统采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，每台锅炉配置6台中速磨煤机。
过热器汽温通过煤水比调节和两级喷水来控制。再热器汽温采用摆动燃烧器喷嘴和改变过量空气系数来调节，一级再热器进口连接管道上设置事故喷水，一级再热器出口连接管道设置有微量喷水作为辅助调节。BMCR工况及额定工况主要参数见表2。
2、锅炉与燃煤适应性分析
设计煤与一矿煤工业分析接近，从燃烧角度来看可互相替代。二矿煤碱金属（CaO、Na2O）含量高，最高超7%，Al2O3含量低，与准东煤相似，结渣、沾污特性严重。二矿煤灰成分与准东煤相似，但煤中灰量是准东煤的3倍左右，因此入炉总的碱金属量远高于准东煤。
锅炉本体防结渣特性评价：炉膛容积热负荷较低，降低炉膛温度及炉膛出口烟温；炉膛断面热负荷较低，减小一次风贴墙风险；燃烧器区域壁面热负荷中等，防止燃烧器区域温度水平过高；最上层一次风喷口中心距屏底距离较大，可减轻屏过结渣。采用低NOx燃烧技术，降低NOx排放的同时降低炉膛中心火焰温度；一次风对冲，偏置辅助小切圆，形成风包粉，减小煤粉刷墙风险；布置足够数量蒸汽吹灰器和水力吹灰器，炉膛基本无吹灰死角。
结论：锅炉本身对高钠煤适应较强，按现有经验燃用比例不会低于50%；国内外无二矿煤类似煤种的燃用经验，最高燃用比例需由试验确定。
3、锅炉投运初期结渣分析
某电厂投运初期主要燃用大南湖一矿煤，二矿高钠煤很少；锅炉运行中频繁掉大渣块，频堵塞渣斗繁；渣块为黑色硬块，气孔少，为熔融渣冷却形成；观火孔可见区域水冷壁干净无渣；运行中还存在烟温与壁温偏差大、再热汽温偏高等问题。
从渣块成分来看，基本接近一矿煤灰成分，与当时燃煤情况一致，不存在碱金属富集问题。根据上述结渣情况及锅炉其它运行参数，结合目前国内高钠煤燃烧经验，可得到以下初步结论：某电厂机组投运初期严重结渣的主因不是碱金属过高引起的；水冷壁区域未发生大范围结渣，大渣块产生在冷灰斗上可能性大。出现结渣的主要原因是锅炉燃烧运行参数不合理，可能存在的问题有：
制粉系统运行参数不佳，包括煤粉细度过粗、四角一次风速不平等；
燃烧运行参数不合理，包括氧量、配风方式等不合理；
燃烧器安装质量不佳，个别喷口有一次风刷墙现象。
根据某电厂锅炉结渣原因的分析，决定委托西安热工研究院从制粉系统和燃烧系统着手进行锅炉燃烧调整试验。
4、制粉系统优化
4.1一次风量调平
对锅炉进行了磨煤机一次粉管风量调平工作。经测试，各磨煤机一次风管风速偏差均超过了5%。部分偏差超过30%，磨煤机最大风量偏差更达到45.24%，影响锅炉正常运行。经调整一次风管缩孔，各台磨煤机风管风量偏差均控制在了±5%以内。
4.2 磨煤机风量标定
因为磨煤机进口一次风道没有合适的直管段安装风量测量装置，使6台磨煤机入口风量表盘测量值均小于实际测量值，且不同风量下的标定系数差别很大。以目前设备状态，磨煤机进口风量无法进行标定。测量发现，磨煤机出口一次风管上的风速有较好的线性，可通过风速计算得到磨煤机出口风量，间接反应进口风量大小。最后研究决定以出口一次风速为依据计算各磨煤机出口一次风量，并以此作为燃烧调整的依据，该风量为磨煤机进口一次风与密封风之和。计算方法：
每台磨煤机，取风速中等的两根粉管的平均值va（m/s），磨煤机出口风量Qv（m3/h）为：
Qv=*va *（3.14*d*d/4）*4*3600 （1）
式中：d —— 粉管内径，取0.76m；
—— 管内气相密度（kg/m3），按式（5-2）计算：
= 1.293*273/（273+t）*（101325+P）/101325 （2）
式中：t —— 测点位置风粉混合物温度（℃），可暂以风速中等的两根粉管的出口平均风温代替；
P —— 测点位置静压（Pa），可暂以风速中等的两根粉管的测点处平均静压代替。
最终磨出口风量Qm（t/h）计算公式为：
Qm =1.293*273/（273+t）*（101325+P）/101325*va *（3.14*d*d/4）*4*3.6
=0.022746*（101325+P）*va /（273+t） （3）
4.3 煤粉细度
对6台磨煤机的煤粉细度进行了摸底测试，显示煤粉细度R90均超过40%，严重偏粗，极易引起结渣。
4.3.1 分离器挡板开度调整
正常情况下分离器挡板开度对煤粉细度影响最大。A、C磨煤机燃用二矿煤在额定出力85t/h下进行挡板特性试验，考察分离器挡板开度对煤粉细度的影响。不同挡板开度下的煤粉细度取样筛分结果见图1。B、D、E、F磨煤机在额定出力85t/h时不同挡板开度下的煤粉细度取样筛分结果见图2。
图1 A、C磨煤机变挡板开度与煤粉细度关系
从上述图表可知：挡板开度从20%到90%之间变化，只有在40%左右时，一矿煤、二矿煤煤粉细度均为合格。其余挡板开度下R90都在30%以上。挡板开度从40%到85%之间变化，B、D、E、F磨同样在挡板开度40%时煤粉最细。随挡板开度增大，煤粉总体趋势变粗。
4.3.2磨煤机风煤比调整
磨煤机不同出力下变风煤比试验结果如图3、图4所示。可以看出，磨煤机（一矿煤）在高出力下随着风煤比增大，煤粉细度下降；中出力下煤粉细度随风煤比变化不明显；低出力下煤粉细度随风煤比增大而上升。磨煤机（二矿煤）在高出力下随风煤比增大，煤粉细度上升；中低出力下煤粉细度都随风煤比增大而下降。
由于不同出力下煤粉细度随风煤比变化没有一致趋势，且随磨煤机磨制煤种不同，煤粉细度变化趋势也存在差异，为简化运行控制，决定不将一次风量作为煤粉细度调整的主要手段，以控制磨煤机出口一次风温和防止一次风管堵管为主。
4.3.3磨煤机加载力优化调整
为防止磨煤机震动，反加载力按磨煤机厂家给定曲线设置，通过改变正加载力大小，得出煤粉细度与加载力的关系。
比较磨煤机加载力试验结果可以发现，一矿煤相对而言煤粉细度受加载力影响较小。中高出力下通过试验结果可以找到煤粉相对较细时对应的加载力；低出力下在试验范围内加载力减小时，煤粉细度反而下降，但磨煤机加载力过小有可能导致磨辊与煤层分离，起不到磨制作用。二矿煤煤粉细度受加载力影响较大。总体来看，除个别出力外，随加载力增大，煤粉细度均呈下降趋势。根据试验结果，制定出不同出力下磨煤机加载力。
4.3.4 煤粉细度核验
通过变分离器挡板开度、变风煤比、变加载力等手段，将6台磨煤机煤粉细度由40%降至30%以下。改变燃煤结构及入磨方式发生变化后，又重新进行了取样化验，煤粉细度仍基本合格。至此，制粉系统运行优化结束。
5、燃烧系统调整
5.1氧量调整
在660MW负荷下，维持风量、煤量稳定，用网格法测量SCR入口各测点烟气成分，选取代表点。结果如表4和图5所示。计算得出锅炉平均氧量，平均NOX，平均CO。经实测，存在排烟CO过高的问题，高负荷有时能达到5000ppm以上，大约影响2个锅炉效率，针对这一问题进行重点调整。氧量对NOX、锅炉效率及炉膛温度有重要影响，通过试验得到了不同符合段的最佳氧量范围。
5.3周界风调整
周界风有为煤粉气流提供着火初期所需要的空气的作用，这对降低CO有益。试验中保持运行氧量3.0%左右，其他风门开度不变，调整周界风风门开度。可见，开大周界风确实可以降低CO生成量，但同时也不可避免地提高了NOx的生成量。
5.4 SOFA风调整
SOFA风的大小会对炉内火焰中心的位置产生影响，在控制NOx生成量的同时，也会影响CO生成量。在氧量4.2%左右，关小SOFA风，NOx排放量明显上升，CO下降，排烟温度小幅上升。在SOFA风总开度不变的条件下，将氧量由4.4%降至3.3%，NOX排放量随之下降，CO虽小幅上升但总量仍较低。
5.5 辅助风调整
在氧量3.5%条件下，将所有辅助风风门开度由25%调整至40%。可以看出，NOx排放量小幅上升而CO排放量大幅下降，这也说明了在均等配风情况下，增加主燃烧器区供风量也可以显著降低CO排放。
5.6 偏置风调整
开大偏置风在增加炉膛下部供风量的同时，也会增加炉内气流的旋转动量，个别角风粉不均会得到邻角气流补偿。在开大偏置风的过程中，NOx排放量持续上升，CO排放量呈下降趋势。在60%的偏置风开度下，氧量由3.5%降至3%，CO有所上升。
6、高碱煤掺烧
根据决定采用分磨掺烧的方式燃用高钠煤；根据运行实际情况逐步增加大南湖二矿高钠煤的燃用比例，采用的掺烧比例为50%、65%、75%；每个掺烧比例运行不少于7天，确定锅炉结渣情况在可控范围内后再提高掺烧比例；同步进行改变变掺烧煤粉层；同时观察水冷壁结渣、干渣机掉渣、测试炉膛温度、分析表盘参数等方式判断结渣情况。一过管壁迎风面有零星挂渣情况，渣层最厚时有15cm左右。对流段管束迎风面挂渣是燃用高钠煤锅炉的典型特点，渣层达到一定厚度后可自行掉落，吹灰器也可将其轻易吹落。锅炉燃用73%比例二矿煤连续运行8天后：各特征点烟温保持稳定，燃烧器区域温度水平还有所降低；定期观察未见水冷壁出现结渣；干渣机未出现掉大渣块现象；锅炉风烟及汽水参数正常；对流受热面有轻微沾污现象。显示锅炉燃用73%比例二矿煤时未出现结渣问题。
但考虑到不同采点二矿煤煤质参数差异较大，个别采点Na2O含量过高，同时沾污过程还有必要进行更长周期观察，建议暂时按70%控制二矿煤的燃用比例。
7、结论
从锅炉设计来看，一次风粉正对冲设计，一次风动压稍有偏差即引起火焰偏斜，容易引发结焦，热负荷及其它配风对燃用高钠煤适应性较好；机组投运初期严重结渣与煤质没有必然关系，主要还是未进行深入的燃烧优化调整。按优化后的运行参数控制，锅炉再未发生严重结渣；经制粉系统、燃烧系统调整，目前锅炉未再出现严重结渣，锅炉效率、NOx排放、汽水参数、壁温水平等也基本达到设计要求；花园电厂经过近一年的锅炉燃烧调整优化，二矿煤掺烧比例逐步提高，机组大修修全面排查燃烧设备，机组运行中加强炉膛各部烟温、减温水量变化、炉底渣块监视分析，基本掌握了塔式炉高碱煤掺烧防结焦的机理，按照集团领导要求降本增效释放二矿产能要求，二矿煤最高掺烧比例逐渐提升至85%，锅炉排渣量均匀平稳，未发生结焦堵渣情况，进入自机组调试以来最优运行工况。
从目前运行情况看，燃用70%比例二矿煤锅炉可安全运行，炉膛无严重结渣，对流受热面沾污较轻；作为预防措施，日常运行中加强了吹灰。但考虑到水冷壁结渣轻微，目前已经停止投运水力吹灰，以防造成水冷壁损伤；后期根据停炉后检查情况，再进一步调整二矿煤燃用比例。
参考文献：
[1]上海锅炉厂有限公司．锅炉设计说明书[S].2014
[2]西安热工研究院有限公司.神华国能哈密电厂2号锅炉配煤掺烧试验报告 [R ].2015
[3]湖南省湘电试验研究院有限公司.神华国能哈密电厂1、2号锅炉整套启动调试报告 [R ].2015
论文作者:刘繁旭,乌日娜,孙胜利
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/23
标签：锅炉论文; 风量论文; 煤粉论文; 炉膛论文; 南湖论文; 磨煤机论文; 细度论文; 《电力设备》2017年第19期论文;