摘要：随着机组装机容量不断增大，提高锅炉燃烧稳定性，已成为火电厂迫切需要解决的问题，本文通过介绍瑞明#1炉低负荷下存在燃烧不稳定的问题，阐述了锅炉低负荷下燃烧不稳定的原因以及目前常用的两大类稳燃技术，分析了应用在瑞明#1炉各种稳燃技术的原理。
关键词：低负荷燃烧不稳定 稳燃技术
1 系统概述
瑞明＃1炉系上海锅炉厂设计、制造的SG420/13.7/M418A超高压、一次中间再热自然循环煤粉锅炉，锅炉采用双送风机、双引风机、双排粉机平衡通风系统，及两套DTM350/360型钢球磨煤机中间储仓式乏气送粉制粉系统。锅炉采用直流式燃烧器，四角双切园（Φ840/Φ200）布置。采用均等配风方式，每组燃烧器自上而下布置分别为：上上二次风、上二次风、上一次风、中上二次风、中一次风、中二次风、下二次风、下二次风（油枪）。每个一次风喷口两侧布置周界风喷口，周界风由两侧二次风箱内引出，独立风门操作。2005年8月大修时将三层一次风全改成水平浓淡燃烧，A、B、D角加装撞击式可调浓度水平分离浓淡燃烧器，由于受到距离限制，C角利用弯头自然分离，所有一次风管中心加装了分隔板。在四个角一次风喷口加装稳燃腔稳燃器，在一次风喷口两侧安装周界风，上二次风切园改为反切8º--20º，进行消旋。
2 瑞明#1炉存在的问题
瑞明#1炉自从投产以来，存在着低负荷燃烧不稳定的情况，根据实际运行情况发现负荷80MW时，燃烧工况不稳定，必须投入油枪助燃，经过多次对燃烧器及一次风管的改造，并进行多次试验，如今负荷在70MW时，燃烧工况稳定。瑞明#1炉针对低负荷下燃烧不稳定的问题，主要采用在燃烧器中加装稳燃腔水平布置纯体、水平浓淡分离、小油枪助燃等稳燃技术提高低负荷下燃烧工况稳定性。同时，由于瑞明#1炉长期存在着一次风速过高的问题（正常运行时，平均一次风速达到45～50M），不利于煤粉的稳定燃烧。2006年9月小修中，在一次风管上增设了流量可调缩孔，通过调节缩孔，使一次风速降到30M/S左右。本文将针对各种稳燃技术原理及在瑞明#1炉中应用进行分析。
3 低负荷下燃烧不稳定的原因
根据燃烧理论可以知道，加热煤粉至着火的热源主要有炉内辐射热量及高温烟气回流、燃烧出口射流卷吸高温烟气的热量，在四角切圆燃烧的锅炉中，煤粉气流的着火热源，除单角燃烧器出口射流自身卷吸回流外，还有上游离邻角气流对混合物射流的加热。但加热煤粉所需的热量主要还是要来自煤粉着火后本身燃烧的放热量，通过烟气回流返回到初始煤粉气流的热量只占到全部燃烧放热量的一部分。因此，为改善煤粉气流的着火条件，不仅要增大烟气回流量，而且更关键的是要组织煤粉的初期燃烧。同时，保持稳定着火的另一个重要因素是要有合适的煤粉火炬的火焰传播速度。因此，低负荷条件下为保持稳定着火，应适当提高煤粉火炬的火焰传播速度。
在低负荷条件下，由于炉内温度下降，煤粉气流着火距离增大，早期燃烧变差，特别是挥发分的燃烧放热量降低，导致煤粉着火后本身燃烧的放热量随负荷的降低而逐渐下降，同时由于炉内温度的下降，火焰对炉壁辐射损失也相对增大，这两个原因将导致燃烧稳定性逐渐下降，但在一定负荷以上，煤粉气流主要依靠自身的卷吸维持着火，并在着火以后进入炉内切圆火焰环保持稳定燃烧，此时整个炉内的燃烧工况是稳定的，随着负荷的进一步降低，煤粉气流将逐渐由以依靠本身卷吸回流维持着火为主，过渡到以依靠上游邻角火焰点燃为主。此时煤粉气流的着火距离增加很大，进入炉内切圆火焰环时的气流温度较低，如果四角煤粉气流火焰配合稍有不当，就可能发生灭火事故，因此，此时的燃烧是不稳定的，必须投入油枪助燃。
由以上所述可知，影响煤粉火距稳定燃烧的因素有以下几个方面：1、回流区的大小；2、燃烧器出口煤粉气流速度；3、煤粉浓度；4、煤粉气流初温；5、燃烧器区域的烟气温度；6、合理组织一次风和二次风；7、燃料性质。
4 各种稳燃技术的原理及在瑞明＃1炉上的应用
煤粉火炬稳燃技术有很多种，从原理上区分，可分为“热回流法”和“煤粉浓缩法”两大类。由上文所述可知，要使煤粉火炬稳定着火，重要的是在一次风口出口附近形成局部的高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度。热回流法技术就是在常规的一次风煤比（煤粉浓度不高）的条件下，通过增加一次风射流内部卷吸能力，在燃烧器出口附近增大回流区和热烟气回流量，它是形成局部的高温的有效措施。回流高温烟气直接送到煤粉气流的根部，对煤粉气流的着火和稳定燃烧极为有利。煤粉浓缩燃烧技术的基础是通过燃烧器前的浓缩装置，将一次风气流分为浓淡两股，获得高浓度煤粉气流，利用其着火和稳燃性能好的优点改善和稳定着火。浓缩装置是提高燃烧器出口局部煤粉浓度的有效方法，高浓度煤粉气流对煤粉火炬的稳定燃烧有很多积极作用，主要是：降低一次风煤粉气流的着火热；提高煤粉浓度。热回流法和煤粉浓缩法均有其各自的特点，但两者并非没有联系，有许多热回流技术中就包含有煤粉局部浓缩的概念。下文将对各种稳燃技术原理及在瑞明#1炉应用进行分析。
4.1 带稳燃腔水平布置纯体稳燃技术
所谓钝体稳定燃烧，就是在燃烧器出口处放置一非流线体（纯体），当射流绕流钝体时，可以卷吸钝体后部处于相对静止状态的介质，使该处静压降低，钝体下游的介质回流过来补充，从而形成燃烧器出口处的内回流区，试验表明，加装纯体后，纯体卷吸高温烟气效果明显，回流烟气温度高达900 。加装纯体后，由于附壁效应在纯体壁面附近的边界层中，气流速度减小，从而可在流场中某一区域使火焰传播速度和气流速度匹配，以达到稳定火焰前沿的目的。同时，纯体下游气流速度降低，使煤粉气流停留时间增长，可从高温回流烟气中吸收更多热量。附壁效应同时也使钝体回流区边缘的煤粉浓度提高。计算表明，钝体内回流区边界附近煤粉颗粒的密度要比一次风管内的密度大1.2~1.5倍，给燃料着火和稳燃提供了有利条件。与自由自由射流喷入炉内燃烧时，射流外侧卷吸的热量要通过几乎不含粉的射流外边界层再传到含粉区的情况不同，装置纯体后，内回流区边缘的高浓度煤粉区域，可直接受到高温回流烟气的加热，实现迅速着火，并在着火后通过火焰扩散形成火焰锋面。采用纯体后，除纯体下游的气体被卷吸到回流区内经外，纯体两端的气体也被卷吸到回流区，这种现象称为钝体的端部补气。由于钝体后的负压一定，端部补气的卷入必然削弱了钝体后方的回流量，同时，一次风气流在钝体的作用下，先向两边扩展，然后再汇合，如果设计和运行不当，扩展气流不能闭合，则钝体的稳燃作用将受到破坏。因此，瑞明＃1炉采用了稳燃腔燃烧器。钝体被罩在稳燃腔中，从而抑制了钝体端部补气而导致回流量减小的现象，使纯体的回流区尺寸和质量回流率都有明显提高。与没有稳燃腔的纯体相比，回流区的长度和回流量增大了一倍左右，在气流出了稳燃腔后还有较长的一段回流区，同时，采用纯体水平布置，端部补气为水平方向，上游的高温烟气可以直接由纯体端部进入回流区加热煤粉气流，并可大幅提高回流区内烟气的热容量，提高纯体的稳燃能力。
4.2 水平浓淡稳燃技术
由上文所述可知，纯体稳燃方式的主要手段是增大烟气回流量，而煤粉浓淡分离则是将一次风气流分离成浓粉流和淡粉流两股气流，利用浓粉流良好的着火和稳燃性能强化煤粉的初期燃烧，达到稳燃的目的。瑞明＃1炉采用了水平浓淡燃烧方式，三层喷嘴采用撞击式浓淡分离。
采用上下浓淡燃烧时，由于浓煤粉气流喷口附近处于强还原性气氛，容易造成浓喷口附近结渣及高温腐蚀现象，而且在四角切圆燃烧锅炉中，一次风管布置方式使一次风管进入燃烧器前的最后一个弯头的离心作用在水平方向而不是高度方向发生煤粉浓淡分流，为此，瑞明#1炉采用浓淡燃烧方式，通过煤粉浓缩器分离获得的浓煤粉气流，由浓喷口在向火侧切向喷入炉内，在炉膛的内切圆燃烧，而淡粉流安装在浓喷口和水冷壁之间，在背火侧喷入炉内，处于外切圆。浓煤粉流着火性能好，可保证整个火焰的稳定。淡煤粉气流的煤粉浓度低，可在炉膛水冷壁附近形成氧化性气氛，从而有效防止水冷壁结渣和腐蚀。
由于四角切圆燃烧锅炉一次风管布置方式的限制，必然有两个一次风管进入燃烧器前最后一个弯头的离心作用，使浓侧气流位于外切圆而使淡侧气流位于内切圆，这样就无法直接在一次风管内加隔板实现左右浓淡燃烧，并且由于瑞明#1炉一次风管最后一个弯头至燃烧器的距离较长，如果采用弯头分离后加隔板实现浓淡分离，则浓煤粉气流的流动路程过长，可能发生管内煤粉沉积现象，因此，采用了可用于水平段浓淡分离的撞击式可调节浓度煤粉浓淡分流装置（如图所示）。其基本原理为撞击分离，但为克服撞击分离时易产生的浓淡侧气流速度分配不均问题，将撞击块对面一次风管相应凸出，以保持流通截面不变，同时，撞击块高度设计为可调节，从而改变浓淡侧粉量比，以实现更好地适应煤种和负荷变化。
撞击式可调节浓度煤粉浓淡分流装置
4.3 小油枪助燃稳燃技术
瑞明#1炉在下层四支煤粉喷嘴中心位置安装了四支小油枪，每支小油枪额定油量为0.25T/H,雾化蒸汽压力为0.5～0.6MP,油压为0.5～0.6MP,小油枪以一定的角度助燃煤粉燃烧。由于渣油容易着火，且燃烧稳定，在低负荷时，因炉膛温度较低，煤粉着火比较困难，且着火后容易熄火，燃烧不稳定，因此，当机组负荷80MW以下时，投入下层小油枪，使小油枪助燃煤粉燃烧，以达到低负荷稳定燃烧的作用。同时，与大油枪（大油枪额定油量为3T/H）相比，减小了低负荷运行时的耗油量，提高机组经济性。
5、一次风管改造
瑞明#1炉自从投产以来，存在着一次风速过高的问题，对燃烧稳定性极其不利。正常运行时，平均一次风速达到45～50M/S，按燃烧烟煤一次风速设计要求额定一次风速应为25～35M/S，根据燃烧理论可知，若一次风速过高，也即一次风量过大，煤粉气流加热至着火所需的热量就越多，会造成着火推迟，引起燃烧不稳定，甚至灭火，并且当一次风速大于火焰传播速度时，就会吹灭火焰或者引起“脱火”。 因此,瑞明#1炉在2006年9月小修中，在一次风管上增设了流量可调缩孔，通过调节缩孔，使一次风速降到30M/S左右，提高了低负荷下燃烧的稳定性。
6 结束语
瑞明#1炉燃烧器及一次风管改造后，在低负荷下（负荷80MW）燃烧稳定性比以前有了很大的改善，不仅提高了机组参加一次调频的能力，而且推迟了机组低负荷下投油枪的时间。同时，由于低负荷下采用小油枪助燃煤粉燃烧，大大降低了机组低负荷下的耗油量，提高机组低负荷下运行的经济性。
参考文献:
(1)《火电厂锅炉设备及运行》 中国电力出版社
(2)《大型电站锅炉安全及优化运行技术》 中国电力出版社
(3)《锅炉运行技术问答》 中国电力出版社
(4)《瑞明电厂锅炉设备异动报告》
论文作者:罗俊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：煤粉论文; 气流论文; 风管论文; 负荷论文; 浓淡论文; 烟气论文; 风速论文; 《电力设备》2018年第19期论文;