张丙刚 张大兴
（神华国华惠州热电分公司，广东 惠州 516082）
摘要：神华煤锅炉在运行过程中虽然掺烧了25%的高灰熔点煤，但仍普遍存在着排烟温度偏高、炉膛结焦等问题，锅炉经济性也有进一步提高的潜力。现针对某电站330 MW锅炉进行了优化燃烧调整试验，分析了运行氧量、负荷、煤粉细度、磨运行方式、一次风量（温）、周界风开度、燃尽风开度、配风方式、燃烧器摆角等参数对锅炉效率、结焦和NOx排放等的影响。在兼顾锅炉防结焦、高效和低NOx排放的基础上，推荐了锅炉运行方式，达到了优化锅炉运行的目标。
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关键词 ：锅炉效率；结焦；NOx；燃烧优化
0引言
国华惠州热电厂一期工程新建的2台330 MW机组2号锅炉系武汉锅炉厂生产的亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架的∏型汽包炉，设计燃用神混煤。制粉系统采用正压直吹式，
配备5台HP863型碗式中速磨煤机，设计煤粉细度R90=18%。煤粉燃烧器采用20只带偏置周界风的水平浓淡燃烧器，四角布置，大小双切圆燃烧，切圆直径分别为
723 mm和928 mm，共5层一次风喷口，一、二次风间隔布置，同时在燃烧器区上方布置3层分离式燃
尽风（SOFA），以实现炉内空气的深度分级、进一步降低NOx排放。锅炉排渣系统采用链条式干式除渣机。
为控制单烧神华煤时锅炉的结焦，2号锅炉掺烧了25%的高灰熔点准格尔煤。但在实际运行过程中，仍存在炉内受热
面结焦较重的问题；在夏季运行期间，由于炉内结焦和环境温度升高，锅炉的实际排烟温度一直在155 ℃以上，比设计值125.6 ℃高约30 ℃，严重影响了锅炉设备的安全性和经济性。本文针对这些问题进行了优化燃烧调整试验，并提出了合理的锅炉运行方式。
1测试方法及内容
锅炉优化燃烧调整试验根据《电站锅炉性能试验规程》（ASMEPTC4.1）按反平衡法计算锅炉热效率，热值取低位发热量。试验过程中主要测试方法如下［1］：
（1） 烟气温度测量：空气预热器进、出口烟道烟温按代表点法用特制的K型热电偶测量，10～15 min测一次，其代表点根据辅助试验测量面的温度场确定，每一代表点孔上纵深方向按网格法装有3个铠装热电偶，以提高测量精度。送风温度用玻璃管温度计测量。
（2） 烟气成分测量：空气预热器进、出口烟气中氧量和NOx浓度采用德国产的Testo350型烟气分析仪按照网格法测量，每10～15 min测量一次。
（3） 原煤取样：试验开始前在给煤机处取样，装入磨口瓶内密封，每一试验工况取样两次，混合后进行分析。
（4） 煤粉取样：煤粉取样在一次风管上按照等速取样采取，装入塑料袋内，进行混合筛分。
（5） 飞灰取样：采用等速取样法采集。
（6） 炉膛烟温测量：采用红外高温仪通过锅炉燃烧器区上部看火孔和屏区看火孔测量，作为结焦监测手段之一。同时，人工观察燃烧器区、屏区、炉底干渣机处结渣。
（7） 运行参数记录：采用2号机组配套的数据采集系统记录与试验有关的运行参数，每10 min记录一次。
2试验结果分析
2.1运行氧量的影响
在维持其他运行参数不变的条件下，以空预器出口氧量为变化参数，通过改变送风机入口门来控制该参数。试验结果如表1所示。
从表中可以看出，锅炉在80%及以上负荷时，随着氧量的增加，未燃碳热损失基本不变或略有下降，但干烟气热损失却随之增加，锅炉效率在80%左右负荷时呈递减趋势，在满负荷时基本不变。这说明，神华煤的燃烧特性优良，氧量控制在较低水平即可，氧量过度升高只会造成排烟损失增加而对降低飞灰含碳量无益。
另一方面，由于神华煤燃烧速度快，氧量升高对燃烧器区炉温和屏区烟温的影响均较小，从而说明氧量变化对锅炉结焦的影响也较小。但需要注意的是，氧量升高可以增强燃烧器区的氧化性气氛，对于高铁型的神华煤防止结焦来说也是有利的［2］。在其他运行参数不变的情况下，氧量对NOx的影响呈正相关性，即随着氧量增加，NOx呈上升趋势。
综合考虑低氮、高效和防结焦的需要，在锅炉负荷为80%ECR以上时的运行氧量控制在3.3%左右。
2.2锅炉负荷的影响
从表1还可以看出，对于神华煤锅炉来说，由于其优良的燃烧特性，在80%ECR以上负荷时，锅炉效率均能保证较高水平，在保证值93.5%以上。在负荷下降时，由于运行氧量会适当提高，燃烧器区过量空气系数增加，NOx排放浓度呈升高趋势，由220 mg/Nm3升高至250 mg/Nm3左右。锅炉负荷在80%～100%ECR范围内波动时，炉温水平基本保持不变，若需要通过降负荷来减轻炉内结焦，则将负荷降低至80%ECR以下。
2.3煤粉细度的影响
通过调整磨煤机分离器挡板开度，将煤粉细度R90值由25%调低至20%，试验结果如表2所示。可以看出，随着煤粉细度下降，炉内火焰中心下移明显，不但屏区温度出现了42 ℃的下降，而且煤粉燃尽程度大幅提高，飞灰含碳量由2.12%下降至1.32%，使未燃碳热损失下降0.12%。从上述表述可以看出，细煤粉有利于提高锅炉经济性、降低屏区受热面结焦风险。由于燃烧速度加快，放热强度增加，燃烧器区温度有所上升，使该区结焦倾向增加；但较细的煤粉颗粒惯性小，可以减少大颗粒偏转刷墙的风险，也可以减轻水冷壁结焦［3］。另外，煤粉细度变化对NOx排放浓度的影响较小。因此，运行过程中建议选取较低的煤粉细度，至少维持在设计值18%附近。
2.4磨煤机运行方式的影响
本项试验进行了停运不同位置磨的影响试验，结果如表3所示。可以看出，磨停运方式变化对锅炉效率的影响较小，对NOx排放浓度的影响也不大（因测点位于SCR脱硝装置后）。从对锅炉结焦的影响来看，停运不同磨对主燃烧器区的温度水平影响不大，但停上层磨时的屏区烟温下降较为明显，说明对屏区结焦控制较为有利。一般来讲，停中层磨有利于分散热负荷、改善炉内气流运动状况，减少煤粉气流偏转刷墙结焦。
从试验结果来看，为减轻结焦，运行过程中建议优先选择停上层磨，这样可以降低NOx排放，减轻屏区结焦和提高燃烧效率；为防止结焦，宜实行中间层和上层磨煤机定期倒磨制度，利用倒磨时的扰动进行掉焦，利用中间磨运行来分散热负荷、改善炉内气流运动状况。
2.5一次风量（温）的影响
在其他运行参数不变的情况下，通过调整磨出口温度，磨的通风量和入口风温随之发生改变，进而改变通过空预器的一次风量和排烟温度，试验结果如表4所示。在一次风温从65 ℃提高至70 ℃后，磨煤机掺入的冷风量减少，从110 t/h下降至85 t/h，则通过空预器的有组织的风量增加，排烟温度从142.1 ℃下降至137.2 ℃，锅炉的干烟气热损失下降0.23%。由于一次风量增加，燃烧初期补入的氧量增加，煤粉燃烧过程提前，燃尽率提高，未燃碳热损失也呈下降趋势，锅炉的效率升高0.29%。
一次风量升高后，由于燃烧提前，反而造成燃烧器区烟温升高、屏区烟温下降，这样会增加燃烧器区结焦风险降低屏区结焦风险，但一次风速提高也会减少煤粉气流偏转刷墙结焦的可能性，对减轻结焦有利。同时，一次风量提高会使NOx生成浓度小幅提高。
总体来看，由于神华煤优良的燃烧特性，一次风量（温）提高锅炉的经济性是提高的，尤其对排烟温度控制有利。因此，在保证制粉系统安全的情况下，应适当提高磨出口风温至70 ℃以上，以减少制粉系统掺入冷风量。
2.6周界风开度的影响
从表5可以看出，随着周界风门开度变大，煤粉气流着火、燃尽出现了提前的现象，炉内燃烧充分，煤粉燃尽度提高，说明在着火初期就补入较多的风量可以促进煤粉燃尽。锅炉的干烟气热损失基本不变，锅炉效率提高。为保证锅炉经济性，周界风开度宜保持在70%左右，较高的周界风速还可以增强一次风刚性，防止一次风气流偏转刷墙引起结焦。周界风开度对NOx排放浓度的影响也较小。
2.7燃尽风开度的影响
由于2号炉在设计时较多地采用了炉内低氮燃烧技术，如采用低氮燃烧器和紧凑、分离燃尽风技术，较好地达到了控制氮氧化物排放的目的，NOx排放控制不成问题，但这需要一个前提，即在神混煤低氧燃烧的背景下，应是在不影响锅炉燃烧效率和安全性（结焦）的基础上，尽可能降低NOx排放［4］。对于配置了空气深度分级系统的锅炉，应结合水冷壁贴壁气氛情况，尽可能对燃尽风开度进行精细调整，以避免出现高温腐蚀现象。
从2号炉的运行操作来看，运行人员习惯将紧凑、燃尽风门都开得较大，即紧凑燃尽风门开度为20%～30%，同时还将三层分离燃尽风门开度也设定为20%～30%，这样可使2号炉的NOx浓度一般控制在250 mg/Nm3以下。试验结果表明，这样设置燃尽风门开度，虽有利于降低NOx浓度，也没有对炉内结焦产生多大影响，但容易引起风箱压力偏低、炉温水平下降和煤粉燃尽程度下降。因此，适当关小燃尽风门开度，对于提高风箱压力和煤粉燃尽程度比较有利。
2.8二次风配风方式的影响
从表6可以看出，与运行人员习惯采用的均等配风相比，正塔配风更有利于促进煤粉燃尽，锅炉效率也处于较高水平。同时，配风形状的改变对炉内气流运动也有较大影响，在对NOx排放影响不大的情况下，正塔配风有利于减小燃烧器区上部的切圆并防止在温度较高的该区域的结焦；倒塔配风降低了二次风的使用效率，但增强了分级配风效果，一般有利于NOx排放的降低；缩腰配风将燃烧器“分为”两段布置，改善了上、下两组燃烧器的配风条件，有利于防止气流偏转刷墙。
各种配风方式对屏区和燃烧器区温度的影响均较小，为了防止结焦，从煤粉气流流动等方面考虑，缩腰配风最佳，其次是正塔、均等配风。若考虑经济性，应优先考虑正塔配风方式。
2.9燃烧器摆角的影响
从表7可以看出，燃烧器摆角变化对煤粉燃尽的影响较小，对排烟温度的影响也不大，约在2 ℃左右，锅炉效率略有下降。随着燃烧器摆角从15°下摆至-15°，火焰中心位置大幅下降，燃烧器区温度变化不大，屏区烟温从1 045 ℃下降至973 ℃，摆角对屏区烟温的影响较大，屏区结焦倾向减轻。从对NOx的影响来看，燃烧器下摆导致煤粉气流在炉内高温区停留时间延长，NOx排放增加。
3结论
随着锅炉技术的进步和对节能、环保、安全要求的提高，目前的大型电站锅炉燃烧优化试验已不再局限于提高锅炉运行经济性。神华煤锅炉虽然具有较高的燃烧效率、较高的环保性能，但具有先天性的结焦较重、排烟温度较高的问题。因此，目前的神华煤锅炉燃烧调整的思路应是在重点研究防治锅炉结焦、降低排烟温度的基础上，重点实现锅炉低氮、高效、安全燃烧的综合平衡。本文通过调整试验，主要得到以下结论：
（1） 从锅炉的经济性角度来看，目前影响锅炉效率的主要因素是排烟温度偏高，锅炉修正后的排烟温度普遍比设计值偏高10～15 ℃，约影响锅炉效率1.0个百分点，这主要由制粉系统掺入过多冷风引起，并与空预器面积不足有关；
（2） 锅炉各主要运行参数变化对燃烧器区温度水平的影响较小，只需尽量避免摆角过度下倾即可，在温度水平较高的前提下，运行调整控制该区域结焦应主要从控制燃烧器区过量空气系数、避免一次风气流偏转刷墙两个方面着手；
（3） 火焰中心位置对屏区烟温及其结焦的影响较大，采用细煤粉、合适的周界风开度和氧量水平、中等偏低的一次风量、水平或略下倾的燃烧器摆角、开大COFA风以及避免上大下小的倒塔配风方式等可起到控制屏区结焦的作用；
（4） 锅炉的NOx水平可以比较容易地通过燃尽风门开度的调整得到控制，建议将NOx排放浓度设定在250～300 mg/Nm3附近运行，这样即使是在氧量较低的情况下（3.3%左右），仍可以避免锅炉结大的焦块，即可同时满足安全和环保要求；
（5） 在兼顾锅炉安全、经济和环保方面的要求的前提下，建议煤粉细度R90=20%左右、锅炉负荷在80%ECR以上时氧量在3.3%附近（70%负荷时为3.5%）、摆角水平位并适当上仰（可降低燃烧器区温度）、一次风温70 ℃、燃尽风采用COFA=50%和SOFA=15%的开度、周界风开度50%～60%（连续330 MW负荷时建议75%）。
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参考文献］
［1］李永华，杨卧龙，常建刚.300 MW锅炉优化燃烧调整试验研究［J］.电站系统工程，2010，26（6）：7-9.
［2］马天星，王恩禄，张伟，等.燃煤电站锅炉运行参数对其热效率影响的试验研究［J］.锅炉技术，2006，37（6）：21-25.
［3］马晓伟，杜云华，黄波，等.300 MW“W”锅炉制粉系统及燃烧优化调整试验［J］.东方电气评论，2006，20（4）：35-40.
［4］周昊.大型电站锅炉氮氧化物控制和燃烧优化中若干关键性问题的研究［D］.杭州：浙江大学，2004.
收稿日期：2015-08-25
作者简介：张丙刚（1969—），男，天津蓟县人，工程师，国华惠电运行副总工程师，主要从事火力发电厂机组运行和管理方面的工作。
张大兴（1979—），男，贵州安顺人，助理工程师，国华惠电运行部锅炉运行工程师，主要从事火力发电厂锅炉运行和管理方面的工作。