300 MW機(jī)組鍋爐低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫提升方案研究

孫君建，趙 陽(yáng)，高繼錄，李 巖，孫相偉

(1.國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181；2.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179；3．國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司撫順熱電分公司，遼寧 撫順 113005)

某電廠300 MW機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的HG-1025/17.5-HM35型亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，直流煤粉燃燒器四角布置，雙切圓燃燒方式。過(guò)熱汽溫通過(guò)在分割屏過(guò)熱器入口、后屏過(guò)熱器出口位置設(shè)二級(jí)四點(diǎn)進(jìn)行噴水減溫調(diào)節(jié)；再熱汽溫通過(guò)調(diào)整過(guò)量空氣系數(shù)和改變?nèi)紵鲾[角進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中燃燒器一、二次風(fēng)噴口均可以上下擺動(dòng)，最大擺動(dòng)角度±30°，此外再熱器入口布置事故噴水減溫器。鍋爐設(shè)計(jì)燃用煤種為霍林河褐煤。

目前機(jī)組鍋爐在低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫偏低的問(wèn)題嚴(yán)重影響了機(jī)組低負(fù)荷工況下的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和調(diào)峰能力，解決上述問(wèn)題已經(jīng)成為電廠的當(dāng)務(wù)之急。本文主要根據(jù)電廠目前實(shí)際運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)以及燃用煤質(zhì)，針對(duì)低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫偏低的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，提出低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫提升的解決思路及推薦改造方案，保證機(jī)組低負(fù)荷下蒸汽參數(shù)、煙氣溫度等參數(shù)滿足運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)組鍋爐在低負(fù)荷下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鍋爐目前存在的問(wèn)題

目前機(jī)組鍋爐主要存在低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫偏低的問(wèn)題。以1號(hào)鍋爐為例， 180 MW及以下負(fù)荷，再熱汽溫在510 ℃ 左右；當(dāng)負(fù)荷降至120 MW以下時(shí)，再熱汽溫降至500 ℃以下，最低達(dá)到470 ℃。鍋爐低負(fù)荷下再熱汽溫低于設(shè)計(jì)值近30～40 ℃，嚴(yán)重影響機(jī)組低負(fù)荷下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；150 MW及以下負(fù)荷下，鍋爐脫硝入口煙溫在300 ℃左右。隨著負(fù)荷繼續(xù)降低，脫硝入口煙溫降至300 ℃以下，最低達(dá)到278 ℃，脫硝系統(tǒng)催化劑活性降低，脫硝效率下降；200 MW及以下負(fù)荷，脫硝入口NOx質(zhì)量濃度明顯增加，由300～400 mg/Nm3增至500～800 mg/Nm3，脫硝系統(tǒng)噴氨量增加，且低負(fù)荷下脫硝入口煙溫偏低，脫硝效率降低，影響機(jī)組低負(fù)荷下污染物排放濃度。

2 問(wèn)題成因分析

通過(guò)對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)、相關(guān)設(shè)備狀態(tài)、實(shí)際燃用煤質(zhì)進(jìn)行調(diào)研與測(cè)試，總結(jié)造成目前機(jī)組鍋爐低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫偏低這一問(wèn)題的原因主要在2個(gè)方面：一是燃燒器設(shè)備存在缺陷；二是目前鍋爐燃用煤種偏離設(shè)計(jì)值。

2.1 燃燒器設(shè)備方面

根據(jù)電廠過(guò)往鍋爐燃燒調(diào)整報(bào)告中的數(shù)據(jù)分析，通過(guò)改變磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式、調(diào)節(jié)燃燒器擺動(dòng)角度、控制運(yùn)行氧量等手段，可以在一定程度上提升鍋爐低負(fù)荷下再熱汽溫；同時(shí)燃燒器噴口部分(見(jiàn)圖1)、燃燒器擺角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在損壞現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)，導(dǎo)致燃燒器擺動(dòng)角度不一致的問(wèn)題。

圖1 燃燒器噴口部分

圖2 燃燒器擺角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

目前通過(guò)燃燒調(diào)整手段，燃燒器擺角上揚(yáng)至最大，運(yùn)行最上層燃燒器，控制運(yùn)行氧量等手段，低負(fù)荷下再熱汽溫可提升15～20 ℃，達(dá)到505～510 ℃左右，但仍低于設(shè)計(jì)值，在當(dāng)前煤質(zhì)下無(wú)法通過(guò)燃燒調(diào)整手段在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提升再熱汽溫。

2.2 燃用煤質(zhì)方面

鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)為霍林河褐煤，目前機(jī)組鍋爐實(shí)際燃用煤種為地方煤礦煙煤和內(nèi)蒙古地區(qū)褐煤按比例摻混的混煤。根據(jù)調(diào)取的入廠煤和入爐煤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，地方煙煤全水分在14%～15%，收到基灰分在40%～46%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分在40%～50%；內(nèi)蒙古地區(qū)褐煤全水分在33%～35%，收到基灰分在10%～17%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分在45%～50%。設(shè)計(jì)煤種與不同地區(qū)煤種主要成分對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)煤質(zhì)阻力測(cè)量結(jié)果 單位：%

由表1可知，地方煙煤水分明顯偏低，是設(shè)計(jì)煤種的1/2；收到基灰分明顯增加，是設(shè)計(jì)煤種的2倍；干燥無(wú)灰基揮發(fā)分略低于設(shè)計(jì)值。內(nèi)蒙古褐煤水分略高于設(shè)計(jì)煤質(zhì)，收到基灰分明顯低于設(shè)計(jì)煤質(zhì)，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分略低于設(shè)計(jì)值。電廠實(shí)際燃用的為地方煙煤與內(nèi)蒙古褐煤摻混后的混煤。摻混后的入爐煤煤質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)有所好轉(zhuǎn)，但與設(shè)計(jì)值仍有較大偏差，尤其是水分和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低會(huì)導(dǎo)致煙氣量減少，對(duì)流受熱面換熱量降低，引起主汽溫度和再熱汽溫降低；同時(shí)由于煙氣量減少，也會(huì)引起脫硝入口煙溫降低。灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加會(huì)引起煤粉著火延遲，火焰中心上移，一定程度上有助于提升再熱汽溫。

3 問(wèn)題解決方案

綜合考慮機(jī)組低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫提升方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響，通過(guò)有針對(duì)性的技術(shù)手段盡可能保證在提升再熱汽溫和脫硝入口煙溫的同時(shí)，達(dá)到降低爐內(nèi)NOx生成量的目的。

目前機(jī)組鍋爐存在的主要問(wèn)題是機(jī)組低負(fù)荷下再熱汽溫偏低。根據(jù)目前機(jī)組鍋爐實(shí)際設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行情況，針對(duì)這一問(wèn)題，從以下2個(gè)方面入手：首先應(yīng)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備存在的缺陷進(jìn)行處理，檢查鍋爐四角燃燒器擺角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，燃燒器噴口等，及時(shí)對(duì)破損的零件或機(jī)構(gòu)進(jìn)行維修、更換處理；其次在對(duì)設(shè)備相關(guān)缺陷修復(fù)、破損零件進(jìn)行維修、更換完畢的基礎(chǔ)上，從以下3點(diǎn)考慮對(duì)機(jī)組進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)備改造。

3.1 煙氣再循環(huán)改造

煙氣再循環(huán)的工作原理是將鍋爐尾部受熱面較低溫度的一部分煙氣通過(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)或壓差送入爐膛，從而起到改變鍋爐的燃燒工況和傳熱特性的作用。再循環(huán)煙氣的抽取點(diǎn)可選擇省煤器出口和引風(fēng)機(jī)出口處，引入點(diǎn)可選擇爐膛上部燃盡風(fēng)下方和最下層燃燒器下方。根據(jù)抽取點(diǎn)與引入點(diǎn)的不同，存在不同的煙氣再循環(huán)改造方案[1-3]。

再循環(huán)煙氣抽取點(diǎn)為引風(fēng)機(jī)出口煙道，引入點(diǎn)為爐膛最下層燃燒器下方。該方案具有如下特點(diǎn)：冷爐煙進(jìn)入爐膛參與燃燒，爐內(nèi)燃燒溫度水平和氧氣濃度降低，更有利于降低爐膛輻射換熱量，抑制爐膛NOx生成量；再循環(huán)煙氣抽取點(diǎn)位于除塵器出口后，煙氣中顆粒物濃度低，對(duì)煙氣再循環(huán)管道及閥門(mén)的磨損較小；利用引風(fēng)機(jī)出口和爐膛引入點(diǎn)間壓差作為再循環(huán)煙氣的輸送動(dòng)力，不必設(shè)置再循環(huán)風(fēng)機(jī)，減少不必要的輔機(jī)電耗；低負(fù)荷下投入煙氣再循環(huán)，引風(fēng)機(jī)裕量較大；冷爐煙引入爐膛底部，可以吸收爐渣物理潛熱，起到冷卻爐膛底渣的作用；抽取點(diǎn)位于整個(gè)煙氣流程尾部，改造需要鋪設(shè)管道距離較長(zhǎng)。

再循環(huán)煙氣抽取點(diǎn)為省煤器出口煙道，引入點(diǎn)為爐膛最下層燃燒器下方。該方案在低負(fù)荷下可以提升再熱汽溫和脫硝入口煙溫，同樣有利于降低爐膛NOx生成量。但與上述方案相比，再循環(huán)煙氣溫度較高，在降低爐膛燃燒溫度水平和抑制NOx生成量方面效果略差；同時(shí)煙氣溫度高，對(duì)管道材質(zhì)要求提高，改造成本增加；需要添加煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，增加輔機(jī)電耗；再循環(huán)煙氣中顆粒物濃度較高，對(duì)再循環(huán)煙氣管道、風(fēng)機(jī)及閥門(mén)磨損較大，提升維護(hù)與檢修成本；改造需要敷設(shè)管道距離縮短。

對(duì)于再循環(huán)煙氣引入點(diǎn)為爐膛上部燃盡風(fēng)下方的兩種方案(抽取點(diǎn)分別為引風(fēng)機(jī)出口煙道、省煤器出口煙道)，再循環(huán)煙氣不參與爐膛內(nèi)部燃燒過(guò)程，在降低爐膛內(nèi)部燃燒溫度水平和抑制爐膛NOx生成量方面起到積極作用，但由于煙氣量增加，煙氣熱容增加，仍對(duì)低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫提升有作用。

綜上所述，煙氣再循環(huán)改造方案1選擇將煙氣抽取點(diǎn)取為引風(fēng)機(jī)出口煙道，引入點(diǎn)為爐膛最下層燃燒器下方。

需要注意的是，煙氣再循環(huán)率不宜過(guò)大，應(yīng)當(dāng)配合燃燒調(diào)整手段(燃燒器擺角、鍋爐運(yùn)行氧量、磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式等)，綜合對(duì)再熱汽溫和脫硝入口煙溫進(jìn)行提升調(diào)節(jié)。

3.2 水冷壁敷設(shè)隔熱涂料

該方案通過(guò)將標(biāo)高為16.274 m的冷灰斗拐點(diǎn)處至最下層燃燒器之間的水冷壁敷設(shè)隔熱涂料，以減少爐內(nèi)吸熱量，提高爐膛出口煙溫，對(duì)流受熱面換熱量增加，再熱系統(tǒng)吸熱量增加，從而達(dá)到提升再熱汽溫的目的。

3.3 增加受熱面面積

該方案擬增加前屏再熱器受熱面面積，以達(dá)到提升低負(fù)荷下再熱汽溫的目的。

3.4 改造方案對(duì)比分析

依據(jù)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》對(duì)鍋爐爐膛及各級(jí)受熱面進(jìn)行了熱力校核計(jì)算，結(jié)合采用各個(gè)方案下主蒸汽溫度、再熱汽溫、脫硝入口煙溫等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，綜合評(píng)估各個(gè)改造方案的應(yīng)用效果及特點(diǎn)。

方案1：通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)率，可提升機(jī)組低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫20 ℃左右，既達(dá)到了機(jī)組低負(fù)荷下提高再熱汽溫和脫硝入口煙溫的改造目的，同時(shí)又兼顧了爐內(nèi)NOx生成量過(guò)高的問(wèn)題。改造后可以通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)率，配合調(diào)整燃燒器擺角、改變磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式、控制運(yùn)行氧量等手段對(duì)再熱汽溫進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)裕度大，手段靈活，效果更好。此外，利用引風(fēng)機(jī)出口與爐膛冷灰斗引入點(diǎn)的壓差，無(wú)需增加再循環(huán)風(fēng)機(jī)，減少額外的設(shè)備投入。

方案2：該方案對(duì)提高低負(fù)荷下再熱汽溫有較明顯效果，但在提升脫硝入口煙溫和NOx質(zhì)量濃度方面作用很小。改造后由于輻射換熱和對(duì)流換熱比例改變，需要注意爐膛內(nèi)部水冷壁結(jié)焦及屏式過(guò)熱器超溫等問(wèn)題。與方案1相比，對(duì)再熱汽溫和脫硝入口煙溫的提升作用偏低，且調(diào)節(jié)手段不夠靈活。

方案3：該方案在一定程度上可提高低負(fù)荷下再熱汽溫，但提升作用有限；同時(shí)由于再熱器對(duì)流受熱面吸熱量增加，脫硝入口煙溫不但沒(méi)有升高，反而降低，并且無(wú)法降低脫硝入口NOx質(zhì)量濃度。不同改造方案對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 不同的改造方案對(duì)比分析

綜合對(duì)比分析后，推薦采用方案1，煙氣再循環(huán)改造(抽取點(diǎn)為引風(fēng)機(jī)出口煙道，引入點(diǎn)為爐膛最下層燃燒器下方)。此方案既能有效解決機(jī)組低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫偏低的主要問(wèn)題，又兼顧了脫硝入口NOx質(zhì)量濃度偏高的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

目前機(jī)組鍋爐低負(fù)荷下再熱汽溫和脫硝入口煙溫偏低的問(wèn)題主要是受到燃用煤質(zhì)和燃燒器設(shè)備缺陷的影響。

針對(duì)這一問(wèn)題，首先應(yīng)對(duì)燃燒器擺動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、燃燒器噴口等部件進(jìn)行檢修或更換處理；其次在其基礎(chǔ)上推薦采用方案1對(duì)機(jī)組鍋爐進(jìn)行煙氣再循環(huán)改造；最后改造完成后對(duì)鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)投運(yùn)組合方式、燃燒器擺動(dòng)角度、煙氣再循環(huán)率等手段進(jìn)行調(diào)整，以此達(dá)到對(duì)低負(fù)荷下鍋爐再熱汽溫和脫硝入口煙溫提升的目的。