超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

目前，中國的大型發(fā)電裝置主要包括600mw和1000mw大型穿越或超壓門。大型超臨界汽輪發(fā)電機組因鍋爐效率和汽輪機循環(huán)效率高,機組供電煤耗小,能有效地降低煤炭消耗量,提高資源利用率,從而降低單位供電量對應(yīng)的人體可吸入顆粒、二氧化硫和氮氧化物等有害氣體以及二氧化碳等溫室氣體的排放量,保護(hù)環(huán)境和實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,故而世界各國都大力研究和發(fā)展大型超臨界汽輪發(fā)電機組。對超臨界鍋爐而言,合理設(shè)計和運行燃燒系統(tǒng),協(xié)調(diào)燃燒效率和氮氧化物排放量這一對矛盾體,努力提高鍋爐效率,在不增加脫硝系統(tǒng)的前提下降低氮氧化物排放量,并有效防止?fàn)t內(nèi)結(jié)焦和高溫腐蝕,這是相當(dāng)長時間內(nèi)鍋爐研究人員工作的方向。1鍋爐裝載量1.1爐廠及東方鍋爐廠江蘇省常熟第二發(fā)電廠、鎮(zhèn)江電廠及華能太倉電廠(分別簡稱常二、鎮(zhèn)電和華太)600MW超臨界鍋爐分別選用哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠及東方鍋爐廠(分別簡稱哈鍋、上鍋和東鍋)產(chǎn)品,技術(shù)來源分別為三井巴布科克能源公司、美國ALSTOM能源公司及日本巴布科克-日立公司。鍋爐皆為超臨界參數(shù)變壓運行本生直流鍋爐,采用單爐膛、π型布置、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu),采用煤水比和兩級減溫水調(diào)節(jié)過熱汽溫,水冷壁為膜式水冷壁,下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈,上部水冷壁為垂直管屏。1.2設(shè)計煤炭露頭常二和鎮(zhèn)電為神府東勝煙煤,華太為神華煙煤。1.3燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布置哈鍋燃燒器采用三井巴布科克公司的低NOX軸向旋流煤粉燃燒器(LNASB),燃燒LNASB燃燒器,共32只LNASB燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方,前后墻標(biāo)高33.388m處各布置1排燃盡風(fēng)口,每排布置7只,共14只燃盡風(fēng)。每只LNASB燃燒器裝有1支1.2t/h的油槍用于點火、暖爐和低負(fù)荷穩(wěn)燃。制粉系統(tǒng)采用冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺鍋爐配置4臺BBD4360型雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機,每臺磨煤機帶1層燃燒器,每端帶前墻或者后墻的4只燃燒器。上鍋采用美國阿爾斯通能源公司的擺動式四角切圓CFS-Ⅰ型低NOX同軸燃燒系統(tǒng),其主要組件為緊湊燃盡風(fēng)(CCOFA)、可水平擺動的分離燃盡風(fēng)(SOFA)、預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴及強化著火(EI)煤粉噴嘴。主風(fēng)箱設(shè)有6層帶燃料風(fēng)的EI噴嘴,相鄰兩層煤粉噴口間布置1組輔助風(fēng)噴嘴,其中包括上下2只CFS噴嘴和中間的1只直吹風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層CCOFA噴嘴,在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層火下風(fēng)(UFA)噴嘴。在主風(fēng)箱上方設(shè)有5層SOFA噴嘴。主燃燒器噴嘴和SOFA燃燒器分別由1臺氣動執(zhí)行器集中帶動作上下擺動。在燃燒器二次風(fēng)室中配置了3層共12支3.575t/h的Y型蒸汽霧化噴嘴輕油槍。制粉系統(tǒng)采用冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺鍋爐配置6臺HP1003型中速磨煤機,每臺磨煤機帶1層4只燃燒器。東鍋燃燒器采用日本巴布科克-日立公司的HT-NR3型旋流煤粉燃燒器,燃燒器采用前后墻布置方式,對沖燃燒。前后墻上各布置3排燃燒器,每排各有6只HT-NR3燃燒器,共36只HT-NR3燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方,前后墻各布置1排燃盡風(fēng)口,每排布置8只,包括6只中心燃盡風(fēng)口和2只側(cè)燃盡風(fēng)口,共16只燃盡風(fēng)。每只HT-NR3燃燒器裝有1支250kg/h機械霧化點火油槍,每只前墻中、下排及后墻中排燃燒器裝有1支2.2t/h蒸汽霧化啟動油槍。制粉系統(tǒng)采用冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺鍋爐配置6臺HP1003型中速磨煤機,每臺磨煤機帶前墻或者后墻的6只燃燒器。1.4燃燒系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)哈鍋、上鍋和東鍋燃燒系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。2比較和分析燃燒系統(tǒng)2.1空氣分級燃燒技術(shù)3臺鍋爐都采用空氣分級燃燒技術(shù),該技術(shù)是美國在20世紀(jì)50年代首先發(fā)展起來的,是目前使用最為普遍的低NOX燃燒技術(shù)之一?？諝夥旨壢紵幕驹頌?將燃燒所需的空氣量分成2級送入,使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)在0.8左右,燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒,使得燃燒速度和溫度降低,因而抑制了熱力型NOX的生成,同時燃燒生成的CO與NO進(jìn)行還原反應(yīng),以及燃料N分解成中間產(chǎn)物相互作用或與NO進(jìn)行還原反應(yīng),抑制了燃料型NOX的生成;在第二級燃燒區(qū)內(nèi),將燃燒用空氣的剩余部分以二次空氣輸入,成為富氧燃燒區(qū),此時空氣量雖多,一些中間產(chǎn)物被氧化生成NO,但因火焰溫度低其生成量不大,從而最終空氣分級燃燒可使NOX生成量降低30%～40%?？諝夥旨壢紵梢苑殖蓛深?一類是爐內(nèi)空氣分級燃燒,另一類是燃燒器空氣分級燃燒。爐內(nèi)空氣分級燃燒又可以分為采用緊湊式燃盡風(fēng)(CCOFA)噴口和分離式燃盡風(fēng)(SOFA)噴口技術(shù)。哈鍋和東鍋采用由前后墻對沖布置的低NOX旋流燃燒器和分離式燃盡風(fēng)噴口組成的燃燒系統(tǒng),而上鍋采用由CFS-Ⅰ型四角切圓的低NOX直流燃燒器和緊湊式及分離式燃盡風(fēng)噴口組成的燃燒系統(tǒng)。哈鍋煤粉燃燒器區(qū)域化學(xué)當(dāng)量比為1.05,SOFA化學(xué)當(dāng)量比為0.14;東鍋煤粉燃燒器區(qū)域化學(xué)當(dāng)量比為0.8,SOFA化學(xué)當(dāng)量比為0.34。東鍋采用低氧燃燒(LEA)技術(shù),爐膛出口過量空氣系數(shù)為1.14,相應(yīng)的氧量僅僅為2.58%。這2個廠的鍋爐同層或同一垂直線上相鄰2只旋流燃燒器旋向相反,加強煙氣混和,提高爐內(nèi)氧量利用率,再加上前后墻布置方式,能有效降低爐膛出口煙氣流場不均勻性。面向前墻來看,上鍋前墻左角為1號角,后墻左、右角分別為2號、3號角,前墻右角為4號角。上鍋每角燃燒器從下到上依次為AA層火下風(fēng)噴口、AⅠ層端部風(fēng)噴口、A層煤粉燃燒器及周界風(fēng)噴口、AⅡ?qū)覥FS噴口、AB層帶油槍輔助風(fēng)噴口、BⅠ層CFS噴口、B層煤粉燃燒器及周界風(fēng)噴口、BⅡ?qū)覥FS噴口、BC層不帶油槍輔助風(fēng)噴口、CⅠ層CFS噴口、C層煤粉燃燒器及周界風(fēng)噴口、CⅡ?qū)覥FS噴口、CD層帶油槍輔助風(fēng)噴口、DⅠ層CFS噴口、D層煤粉燃燒器及周界風(fēng)噴口、DⅡ?qū)覥FS噴口、DE層不帶油槍輔助風(fēng)噴口、EⅠ層CFS噴口、E層煤粉燃燒器及周界風(fēng)噴口、EⅡ?qū)覥FS噴口、EF層帶油槍輔助風(fēng)噴口、FⅠ層CFS噴口、F層煤粉燃燒器及周界風(fēng)噴口、FⅡ?qū)佣瞬匡L(fēng)噴口、CCOFAⅠ噴口、CCOFAⅡ噴口、SOFAⅠ噴口、SOFAⅡ噴口、SOFAⅢ噴口、SOFAⅣ噴口、SOFAⅤ噴口。1號/3號角CFS噴口形成D8228的假想切圓,2號/4號角CFS噴口形成D11655的假想切圓;1號/3號角其他噴口形成D2043的假想切圓,2號/4號角其他噴口形成D1716的假想切圓,皆呈順時針方向旋轉(zhuǎn)。煤粉燃燒器區(qū)域化學(xué)當(dāng)量比為0.72,CCOFA化學(xué)當(dāng)量比為0.12,SOFA化學(xué)當(dāng)量比為0.36。SOFA噴口可以在水平方向上手動調(diào)節(jié)角度,其水平擺角范圍為-15o～+15o,對應(yīng)假想切圓直徑從逆時針的1號/3號角8147mm和2號/4號角4529mm到順時針的1號/3號角4200mm和2號/4號角7843mm,可以通過調(diào)節(jié)SOFA水平擺角來消除主燃燒器余旋,從而提高爐膛出口煙氣流場均勻性。2.2次風(fēng)、三次風(fēng)旋流裝置旋流燃燒器實際上是高強度擾動式燃燒器,因而也是高NOX燃燒器,但是只要采取一些空氣調(diào)節(jié)手段,推遲燃料與空氣的混合,就能使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈蚇OX燃燒器,而且這種燃燒器還具有燃燒穩(wěn)定,在相當(dāng)?shù)偷娜紵俣认虏恢劣诔霈F(xiàn)過多未燃物損失的優(yōu)點。哈鍋和東鍋采用低NOX雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器,其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。哈鍋LNASB燃燒器采用直流一次風(fēng)和旋流的二、三次風(fēng),并配中心風(fēng)。燃燒器一次風(fēng)管內(nèi)靠近爐膛端部布置有鑄造的整流器,用于在煤粉氣流進(jìn)入爐膛前對其進(jìn)行濃縮。整流器的濃縮作用和二次風(fēng)、三次風(fēng)調(diào)節(jié)協(xié)同配合,以達(dá)到在煤粉燃燒初期減少NOX生成量之目的。燃燒器風(fēng)箱為每個LNASB燃燒器提供二次風(fēng)和三次風(fēng),每個燃燒器在三次風(fēng)環(huán)形通道外側(cè)設(shè)有1個風(fēng)量均衡擋板,用以使進(jìn)入各個燃燒器的分風(fēng)量保持平衡。二次風(fēng)和三次風(fēng)通過燃燒器內(nèi)同心的二次風(fēng)、三次風(fēng)環(huán)形通道在煤粉燃燒的不同階段分別送入爐膛,燃燒器二次風(fēng)環(huán)形通道外側(cè)設(shè)有套筒式檔板用來調(diào)節(jié)二次風(fēng)和三次風(fēng)之間的分配比例。二次風(fēng)和三次風(fēng)通道內(nèi)布置有各自獨立的旋流裝置,三次風(fēng)旋流裝置為不可調(diào)節(jié)的型式,固定在燃燒器出口最前端位置,為旋流強度最大的位置;而二次風(fēng)旋流裝置為沿軸向可調(diào)節(jié)的型式,調(diào)整旋流裝置的軸向位置即可調(diào)節(jié)二次風(fēng)中旋流部分和直流部分的比例,從而達(dá)到調(diào)整二次風(fēng)旋流強度的目的。燃燒器設(shè)有中心風(fēng)管,其內(nèi)布置油槍,一股小流量的中心風(fēng)通過中心風(fēng)管送入爐膛,以提供油槍用風(fēng),井且在油槍停運時防止灰渣在此部位集聚。東鍋HT-NR3燃燒器采用直流一次風(fēng)、直流二次風(fēng)和旋流三次風(fēng)。一次風(fēng)噴口內(nèi)靠近爐膛端部布置錐形煤粉濃縮器;燃燒器風(fēng)箱為每個HT-NR3燃燒器提供二次風(fēng)和三次風(fēng)。內(nèi)二次風(fēng)道上設(shè)有一個套筒式擋板,用于調(diào)節(jié)二次風(fēng)和三次風(fēng)之間的分配比例;三次風(fēng)旋流裝置設(shè)計成可調(diào)節(jié)的切向葉片型式,并設(shè)有執(zhí)行器以實現(xiàn)程控調(diào)節(jié),調(diào)整旋流裝置的調(diào)節(jié)導(dǎo)軸即可調(diào)節(jié)三次風(fēng)的旋流強度。由于該燃燒器沒有設(shè)置中心風(fēng)管,故而在一次風(fēng)粉管最后一個彎頭前設(shè)置了冷卻風(fēng)管,以便燃燒器停用時冷卻噴口,并在啟動油槍投運時提供根部風(fēng)。上鍋煤粉燃燒器采用強化著火(簡稱EI)煤粉噴嘴,其特點是采用出口部分收縮設(shè)計能使煤粉聚集在噴口出口中心部位,在噴口內(nèi)設(shè)置格柵和在噴口外設(shè)置周界風(fēng)以加強卷吸煙氣能力,并與水平偏轉(zhuǎn)25o的低風(fēng)量CFS噴口配合,推遲一次風(fēng)粉氣流與二次風(fēng)的混和并在水冷壁附近形成富氧氣氛,從而使火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內(nèi),使揮發(fā)分在富燃料的氣氛下快速著火,保持火焰穩(wěn)定,從而提高鍋爐無輔助燃料低負(fù)荷穩(wěn)燃能力,有效降低NOX的生成,延長焦碳的燃燒時間,提高鍋爐燃燒效率,防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕。2.3葉片拉拔器葉片的調(diào)節(jié)風(fēng)系統(tǒng)兩種風(fēng)哈鍋燃盡風(fēng)口包含2股獨立的氣流:中央部位的氣流是非旋轉(zhuǎn)的氣流,它直接穿透進(jìn)入爐膛中心;外圈氣流是旋轉(zhuǎn)氣流,用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進(jìn)行混合。東鍋燃盡風(fēng)噴口包含6個中心燃盡風(fēng)噴口(AAP)和2個側(cè)燃盡風(fēng)噴口(SAP)。中心燃盡風(fēng)噴口(見圖3)由一次風(fēng),二次風(fēng),三次風(fēng)組成。一次風(fēng)為直流風(fēng),二、三次風(fēng)為旋流風(fēng)。一次風(fēng)通過手柄調(diào)節(jié)套筒位置來進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié);二、三次風(fēng)通過風(fēng)量擋板和切向旋流葉片實現(xiàn)風(fēng)量和旋流強度調(diào)節(jié)。側(cè)燃盡風(fēng)噴口(見圖4)由一次風(fēng)和二次風(fēng)組成,一次風(fēng)為直流風(fēng),二次風(fēng)為旋流風(fēng)。一次風(fēng)通過手柄調(diào)節(jié)套筒位置來進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié);二次風(fēng)通過調(diào)節(jié)切向旋流葉片實現(xiàn)旋流強度的調(diào)節(jié)。上鍋燃盡風(fēng)噴口包括2層CCOFA噴口和5層SOFA噴口,都采用四角切圓直流燃盡風(fēng)布置方式,設(shè)計風(fēng)速為57m/s。在主燃燒器上布置CCOFA,能及時補充氧量,提高焦碳燃盡率,同時通過控制CCOFA份額,可以降低NOX生成量增幅,然后再通過布置SOFA,進(jìn)一步提高焦碳燃盡率,控制爐膛溫度水平,再次降低NOX生成量增幅,從而達(dá)到提高鍋爐燃燒效率和降低NOX排放濃度這雙重目的。主燃燒器風(fēng)箱底部和頂部標(biāo)高分別為24373mm和36785mm,SOFA風(fēng)箱底部和頂部標(biāo)高分別為42288mm和45910mm,下CCOFA緊貼上端部風(fēng)布置,2層CCOFA間距為110mm,第一層SOFA與上CCOFA之間的距離為5595mm,CCOFA間距為110mm。CCOFA化學(xué)當(dāng)量比為0.12,其中下CCOFA為0.04,上CCOFA為0.08;SOFA化學(xué)當(dāng)量比為0.36,5層SOFA均分。3燃燒系統(tǒng)的操作3.1增加煤粉分配均勻性常二各燃燒器風(fēng)量調(diào)整是通過風(fēng)量均衡擋板調(diào)節(jié),沒有有效的風(fēng)量監(jiān)視手段,另外擋板的調(diào)節(jié)桿為手動拉桿,調(diào)節(jié)不方便,熱態(tài)下經(jīng)常出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象,因此只能在冷態(tài)下調(diào)好,熱態(tài)下基本不調(diào)整。建議針對卡澀問題,對其調(diào)節(jié)機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以便通過調(diào)節(jié)該擋板,改善省煤器進(jìn)口氧量場均勻性。目前直吹式對沖爐有2種供粉方式,一是單臺磨煤機供一層燃燒器,另一種是單臺磨煤機供前墻或后墻一排燃燒器,采取哪種方式需根據(jù)設(shè)計磨煤機臺數(shù)和燃燒器層數(shù)來定。常熟二廠鍋爐采用前一種,每層8個燃燒器由1臺磨煤機供粉,驅(qū)動端或非驅(qū)動端供前墻或后墻燃燒器,這種方式磨煤機臺數(shù)少、單臺磨煤機出力大,但在煤粉分配均勻性方面存在缺點,即系統(tǒng)阻力存在較大偏差,雖然冷態(tài)試驗時通過調(diào)整可調(diào)縮孔開度將8個一次風(fēng)管阻力基本調(diào)平,但冷態(tài)和熱態(tài)下存在區(qū)別,煤粉分配的偏差不可能完全消除。建議增加后墻燃燒器對應(yīng)的給煤機出力,改善前后墻間粉量偏差。前后墻對沖布置燃燒方式與四角切圓燃燒方式相比,煙溫偏差和汽溫偏差明顯要小得多,這主要是因為對沖布置燃燒方式鍋爐不存在爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)的問題。運行情況表明:目前常二爐內(nèi)流場和溫度場較均勻,高溫再熱器出口煙溫偏差不超過15℃,兩側(cè)過熱蒸汽溫度基本不存在偏差,再熱汽溫偏差在事故噴水全關(guān)的情況下小于5℃。今年鍋爐燃燒調(diào)整試驗過程中一直燃用神華煙煤和大同煙煤的混煤,3臺磨供神華煤,l臺磨供大同煤,部分燃燒器區(qū)域出現(xiàn)過一定程度的結(jié)焦情況。從運行情況和煤質(zhì)分析來看,結(jié)焦的主要原因是神華煤灰熔點比較低、有中等的結(jié)焦性,同時投運初期存在燃燒器配風(fēng)不合理,二次風(fēng)旋流強度偏大、風(fēng)量分配不均勻等問題。針對這些問題,進(jìn)行了配風(fēng)調(diào)整,調(diào)整二次風(fēng)旋流強度,將二次風(fēng)旋流強度適當(dāng)調(diào)小(靠側(cè)墻的燃燒器二次風(fēng)旋流拉桿調(diào)到較小,其余調(diào)至中間位);考慮到同層4個燃燒器風(fēng)量均勻性,將靠側(cè)墻燃燒器的風(fēng)量均衡擋板適當(dāng)關(guān)小,取得明顯效果。從國電常州發(fā)電有限公司一期工程和揚州第二發(fā)電有限責(zé)任公司二期工程調(diào)試情況來看,與其他兩家鍋爐廠生產(chǎn)的鍋爐相比,哈鍋600MW鍋爐結(jié)焦相對比較嚴(yán)重,需要通過仔細(xì)的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗才能得到比較滿意的結(jié)果。鍋爐性能試驗表明:600MW負(fù)荷下飛灰可燃物含量為2.32%,爐渣可燃物含量為1.68%,鍋爐效率為93.93%,比哈鍋保證值高0.48%;NOX排放濃度為665mg/m3,大于我國新的450mg/m3排放限值;最低無輔助燃料穩(wěn)燃負(fù)荷為225MW,優(yōu)于哈鍋40%BMCR的保證值。3.2等離子煤粉燃燒無油冷態(tài)點火試驗鎮(zhèn)電采用等離子燃燒器,等離子燃燒器布置在B層,首次無油冷態(tài)點火時煤粉著火不良,導(dǎo)致爐膛發(fā)生爆燃。這主要是因為直流煤粉燃燒器切圓直徑偏小,無法得到鄰角煤粉火焰的足夠支持。后將給煤量提高到30t/h,并改用老廠高排來提供輔汽,以提高輔汽供給量和輔汽溫度,將磨煤機出口溫度提高到80℃,適當(dāng)增加相鄰的CFS噴口二次風(fēng)供給量,降低AB層和BC層輔助風(fēng)量,以擴大B層煤粉燃燒器切圓直徑,從而改善四角煤粉火焰相互間的支持能力,實現(xiàn)了等離子煤粉燃燒器無油冷態(tài)點火。少油投等離子燃燒器啟動過程中,當(dāng)達(dá)到汽機沖轉(zhuǎn)壓力8.9MPa時,主汽溫度高達(dá)480℃,無法滿足汽機冷態(tài)沖轉(zhuǎn)要求,后改成全燃油啟動才得以實現(xiàn)。在機組168h試運期間,因爐內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重,主再熱汽超溫,只能在450MW附近運行。后通過更換煤種和關(guān)小SOFA得以解決。鍋爐性能試驗表明:600MW負(fù)荷下飛灰可燃物含量為1.32%,爐渣可燃物含量為0.22%,鍋爐效率為93.75%,比哈鍋保證值高0.20%;NOX排放濃度為188mg/m3