陳江濤,?，李強(qiáng)，彭丹，吳珂，孫為民

（1.鄭州電力高等?？茖W(xué)校 能源與動力工程學(xué)院, 河南 鄭州 450004；2.中國水利水電第三工程局有限公司, 陜西 西安 710024）

0 引言

為解決日益嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光問題、提高新能源的消納能力[1-2]，《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》指出大力推動火電機(jī)組靈活性改造，使機(jī)組具備深度調(diào)峰能力，保障新能源電力上網(wǎng)[3]?；痣姍C(jī)組靈活性改造是一個系統(tǒng)工程[4-5]，其中鍋爐的穩(wěn)燃改造尤為重要[6-7]。增強(qiáng)低負(fù)荷穩(wěn)燃的主要技術(shù)有燃燒器改造、微油/等離子體穩(wěn)燃技術(shù)改造、富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用、磨煤機(jī)動態(tài)分離器改造、加裝小油槍改造、加熱熱一次風(fēng)和燃燒優(yōu)化調(diào)整等[8-9]。宋民航[10]等探討了旋流煤粉燃燒器低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)，主要包括強(qiáng)化煤粉高效濃縮及高溫?zé)煔饣亓鳌?yōu)化燃燒器運(yùn)行參數(shù)等。馬達(dá)夫[11]等以某660 MW超臨界W型火焰鍋爐為對象開展了針對低負(fù)荷穩(wěn)燃特性的研究，如未采用穩(wěn)燃綜合改造，僅僅通過優(yōu)化燃燒方式無法保障35%THA工況以下安全運(yùn)行。

低負(fù)荷穩(wěn)燃手段較多，但單一的技術(shù)運(yùn)用效果欠佳，多技術(shù)綜合運(yùn)用可以取長補(bǔ)短，同時滿足經(jīng)濟(jì)型和安全性。本文以某電廠超超臨界鍋爐穩(wěn)燃改造為例，提出了兩種有效的穩(wěn)燃綜合改造方案，分析了穩(wěn)燃改造的可行性，為同類型機(jī)組進(jìn)行靈活性改造提供參考依據(jù)。

1 鍋爐穩(wěn)燃改造方案

該鍋爐為上海鍋爐廠制造的SG2000/26.15-M625型超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、配氣化小油槍、大油槍點(diǎn)火裝置、Π型半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐燃燒系統(tǒng)按中速磨冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計。24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。燃燒系統(tǒng)配置常規(guī)二級點(diǎn)火，設(shè)置3層12臺油槍。

該鍋爐設(shè)計穩(wěn)燃負(fù)荷為在燃用設(shè)計煤種或校核煤種時，不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷不大于鍋爐的35%BMCR。隨著鍋爐負(fù)荷降至靈活性改造要求的30%ECR負(fù)荷以下時，爐內(nèi)燃燒工況逐漸變差；尤其當(dāng)磨煤機(jī)負(fù)荷降低引起磨出口煤粉濃度降低時，煤粉穩(wěn)定燃燒更加困難。此時低負(fù)荷下，磨煤機(jī)風(fēng)煤比將上升，燃燒溫度降低，煤粉噴口處將難以維持穩(wěn)定燃燒。

1.1 方案一

通過增加分離裝置提高煤粉濃度，使?jié)饷悍奂腥紵档蜐饷悍壑械目諝饬?，降低煤粉著火所需的著火熱，達(dá)到提升煤粉穩(wěn)燃的目的；同時配備卷吸型深度水平濃淡分離器射流卷吸高溫?zé)煔狻⑻嵘悍壑鹚枰臒崃?，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的效果。采用新型低阻高效風(fēng)環(huán)及磨煤機(jī)入口流場優(yōu)化技術(shù)可部分消除燃燒系統(tǒng)改造引起的阻力增加影響，基本消除阻力增加帶來的能耗增加及對一次風(fēng)機(jī)的影響。

1）煤粉管道改造

如圖1所示，在各煤粉管道上裝設(shè)一個煤粉濃淡分離裝置進(jìn)行煤粉濃淡分離，將分離后的濃煤粉、淡煤粉分別送入爐膛燃燒器的濃側(cè)與淡側(cè)，實現(xiàn)煤粉的一級濃淡分離。改造后重新進(jìn)行鍋爐冷態(tài)一次風(fēng)調(diào)平及空氣動力場試驗和熱態(tài)燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗。

圖1 燃燒器對應(yīng)煤粉管道改造示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformation of pulverized coal pipeline corresponding to burner

2）高溫?zé)煔饩砦蜕疃人綕獾蛛x器

通過將原有的水平濃淡分離裝置進(jìn)行重新水平濃淡設(shè)計，在一級濃淡分離的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對濃粉及淡粉分別濃縮，使得濃淡兩側(cè)煤粉質(zhì)量流量之比為4.85，淡側(cè)與濃側(cè)速度的比值為1.11。濃側(cè)煤粉濃度為0.78，煤粉局部濃度可達(dá)0.95，形成局部煤粉高濃度區(qū)域。使?jié)夥蹅?cè)的煤粉濃度可達(dá)到額定負(fù)荷時煤粉氣流的煤粉濃度，實現(xiàn)在無助燃設(shè)備的情況下，使煤粉鍋爐超低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒。高濃度煤粉氣流保證煤粉氣流良好的著火、穩(wěn)燃特性。濃縮率有很大提高，同時燃燒器出口存在卷吸回流，燃燒器射流卷吸高溫?zé)煔?、提升煤粉著火所需要的熱量，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的效果。僅采用上述兩種措施改造即可以確保鍋爐在30%ECR負(fù)荷下不投油穩(wěn)定燃燒，無需再對制粉系統(tǒng)分離器進(jìn)行改造。

燃燒器具體方案如下：原燃燒器主體結(jié)構(gòu)不變，斷面維持改造前的布置，不改動水冷壁?？紤]鍋爐A層常布置節(jié)油點(diǎn)火裝置，現(xiàn)改造B、C層一次風(fēng)噴嘴、噴管、燃燒器入口彎頭及煤粉管道：在B、C兩層的一次粉管上增設(shè)煤粉濃縮器對煤粉進(jìn)行一次分離，分出濃粉和淡粉兩股氣流；經(jīng)過一級濃淡分離后的濃淡粉氣流進(jìn)入到燃燒器內(nèi)，進(jìn)行二次水平濃淡分離。B、C層煤粉從原B、C層一次風(fēng)位置送入，對原燃燒器、噴管、煤閘門和部分煤粉管道等進(jìn)行整體更換。

3）制粉系統(tǒng)降阻改造

在煤粉管道上增加煤粉濃縮分配器、采用新型深度水平濃淡分離器將增加系統(tǒng)阻力約1.1 kPa，采用新型低阻高效風(fēng)環(huán)及磨煤機(jī)入口流場優(yōu)化技術(shù)可節(jié)約阻力約1 kPa，可部分消除燃燒系統(tǒng)改造引起的阻力增加影響，基本消除阻力增加帶來的能耗增加及對一次風(fēng)機(jī)的影響。

1.2 方案二

煤粉管道上增設(shè)濃淡分離器，配備燃燒器深度濃淡分離燃燒，利用動態(tài)分離器和落煤管改造實現(xiàn)超低負(fù)荷穩(wěn)燃。

1）一次風(fēng)上下濃淡分離方案

通過對燃燒器進(jìn)行局部改造，將一次風(fēng)設(shè)計成上下濃淡噴口，各噴口間爭取做到濃相噴口相對集中，如圖2所示。濃淡燃燒器濃相由于煤粉濃度較高易著火，同時濃淡兩相之間布置有波形鈍體可以強(qiáng)化熱煙氣回流，也強(qiáng)化著火。采用了上下濃淡中間帶穩(wěn)燃鈍體的燃燒器，煤粉射流在燃燒器噴口處形成具有明顯濃淡偏差的上下兩股射流，由于煤粉濃度的進(jìn)一步集中，同時爐膛溫度亦有所增加，因此鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力可適當(dāng)提高。

圖2 一次風(fēng)上下濃淡噴口示意圖Fig.2 Schematic diagram of primary air upper and lower concentration vents

上下濃淡燃燒器可以強(qiáng)化煤粉及早著火，可以由原來的保證值42%ECR降低到40%ECR以下，但同樣不能達(dá)到原來保證的35%最小穩(wěn)燃負(fù)荷以及靈活性改造要求的30%ECR低負(fù)荷下不投油穩(wěn)定燃燒。

2）燃燒器及煤粉管道綜合改造

改造煤粉管道，自煤粉分配器至燃燒器。取消煤粉分配器等設(shè)備，設(shè)置煤粉濃淡分離裝置。在煤粉管道上增設(shè)濃淡分離器，將煤粉分成濃淡兩股，所有的濃相煤粉送入下組濃燃燒器，所有的淡相煤粉送入上組淡燃燒器，改造后重新進(jìn)行鍋爐冷態(tài)一次風(fēng)調(diào)平及空氣動力場試驗和熱態(tài)燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，該改造方案可以確保鍋爐在30%ECR負(fù)荷下不投油穩(wěn)定燃燒。

燃燒器具體方案如下：原燃燒器主體結(jié)構(gòu)不變，斷面維持改造前的布置，不改動水冷壁?？紤]鍋爐A層常布置節(jié)油點(diǎn)火裝置，現(xiàn)改造B、C層一次風(fēng)噴嘴、噴管、燃燒器入口彎頭及煤粉管道：在B、C層煤粉管道上各加裝一煤粉濃縮分配器，將每根管道分成濃粉氣流和淡粉氣流兩部分，分別由兩根管道送入燃燒器。濃粉管道中煤粉濃度有利于著火、穩(wěn)燃；B、C層濃粉從原B、C層一次風(fēng)位置送入，對原噴口、噴管、煤閘門和部分煤粉管道等進(jìn)行整體更換；B、C層淡粉布置在原主燃燒器最上方的三層二次風(fēng)層，這樣不會改造水冷壁，減小施工周期和施工風(fēng)險，同步改造此三層風(fēng)門。

3）分離器改造

現(xiàn)有制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)對應(yīng)分離器為靜態(tài)分離器。煤粉細(xì)度R90≤20%，煤粉均勻性系數(shù)為1.05。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時對于制粉系統(tǒng)尤其是煤粉細(xì)度及煤粉均勻性指數(shù)要求更高，為了保證低負(fù)荷下鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保指標(biāo)，需將靜態(tài)分離器改為動態(tài)分離器，應(yīng)保證煤粉R90≤10%，煤粉均勻性指數(shù)1.1。考慮低負(fù)荷運(yùn)行所需燃燒器較少，綜合考慮建議將B、C層對應(yīng)的制粉系統(tǒng)改造為動態(tài)分離器。

由于動態(tài)分離器軸承密封采用先進(jìn)的機(jī)械與空氣雙重密封形式，因此改造后的磨煤機(jī)本體密封風(fēng)系統(tǒng)需作少許改造，從密封風(fēng)母管引出一路密封風(fēng)接至動態(tài)分離器軸承處，結(jié)合原有的機(jī)械密封形成雙重密封效果，保證動態(tài)分離器的正常使用。

4）落煤管改造

為了保證低負(fù)荷穩(wěn)燃系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，可對B、C磨煤機(jī)對應(yīng)的原煤斗進(jìn)行底部改造，可考慮采用旋轉(zhuǎn)清堵裝置或改為蝦米腰一體化防堵振動煤斗，保證原煤流動性。改造后可有效降低制粉系統(tǒng)堵煤，節(jié)省大量的檢修工日和人工敲打煤斗，大大提高設(shè)備的可用率，提高磨煤機(jī)利用小時數(shù)，保證機(jī)組安全發(fā)電。

2 方案實施影響分析

2.1 爐膛影響

方案一采用二次濃縮及水平濃淡分離的方案，超低負(fù)荷下可降低煤粉的著火熱，高溫?zé)煔饩砦商峁┻B續(xù)穩(wěn)定的著火熱供給，提高穩(wěn)燃特性，中高負(fù)荷時，由于水平濃淡燃燒器具備“風(fēng)包粉”特性，可最大限度降低對受熱面結(jié)渣及硫腐蝕的負(fù)面影響，此外將對燃燒器周界風(fēng)進(jìn)行重新設(shè)計，在中高負(fù)荷時，周界風(fēng)的合理利用，也將降低受熱面結(jié)渣及硫腐蝕等負(fù)面影響[12-14]。

方案二采用濃淡分離器配備燃燒器深度濃淡分離燃燒的方案，濃相煤粉BC層集中布置，淡粉上引，又增加200 m2的衛(wèi)燃帶，超低負(fù)荷下會增加穩(wěn)燃特性，但中高負(fù)荷時由于燃燒器附近增設(shè)的衛(wèi)燃帶，部分區(qū)域由于吸熱量下降，水循環(huán)密度差會有一定影響，但不影響整體安全運(yùn)行。

2.2 NOx 排放影響

方案一改造后，煤粉仍在原B、C兩層爐膛區(qū)域燃燒，由于采用深度水平濃淡分離技術(shù)，主燃區(qū)還原性氣氛更強(qiáng)，對NOx的影響是正面的，不會增加爐膛出口NOx排放濃度。

方案二中低負(fù)荷穩(wěn)燃的燃燒器改造，重點(diǎn)在于B、C層燃燒器的濃淡分離改造，輔以二次風(fēng)調(diào)整。濃淡分離改造中，濃側(cè)在下的方式，將決定燃燒側(cè)，尤其低負(fù)荷中，燃燒器中心較改造前下移，對于垂直空氣分級低氮燃燒降低NOx排放是有利的。本次改造方案，不會影響燃燒器各部分的空氣分級配比，尤其是SOFA部分，這決定著改造前后鍋爐NOx排放是否有大的變化。其中對于C層淡粉的布置，會在CCOFA處，布置一層頂上風(fēng)，保證降氮效果[15-16]。

兩種方案影響分析如表1所示，通過對比分析可知兩種方案均有較好的低負(fù)荷穩(wěn)燃特性；相比方案一，方案二的安全性略低。方案一和方案二的燃燒改造均有利于降低低負(fù)荷時的NOx排放，但方案二需要相應(yīng)的配套措施保證降氮效果。

表1 兩種方案影響對比Tab.1 Comparison of impacts of two schemes

3 結(jié)論

針對本工程提出了兩種改造方案，并對方案設(shè)計和實施過程進(jìn)行了理論分析，結(jié)果如下：

1）兩種改造方案均切實可行，但都需要對鍋爐燃燒和制粉設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化的改造，滿足運(yùn)行穩(wěn)定和安全。

2）第一種方案的燃燒及制粉系統(tǒng)改造后對爐膛和NOx排放有積極的影響，第二種方案需要配套措施消除不利影響。

3）兩種方案在技術(shù)可靠性、施工難度及工作量等方面水平相當(dāng)，均為較好的靈活性改造方案，相比之下第一種方案略優(yōu)。