超临界W形火焰锅炉防壁温超温燃烧调整试验研究

周文台，程智海，何 翔，杨 勇

（1．上海发电设备成套设计研究院，上海 200240； 2．上海电力学院，上海 200090）

运行与改造

超临界W形火焰锅炉防壁温超温燃烧调整试验研究

周文台1，程智海2，何 翔1，杨 勇1

（1．上海发电设备成套设计研究院，上海 200240； 2．上海电力学院，上海 200090）

针对某发电公司1号锅炉水冷壁管壁温度出现频繁超温以及灰渣含碳率较高的状况，分析了水冷壁超温是因为乏气侧着火较差及配风模式的不合理导致火焰下冲过度造成的；采取对二次风配风、煤粉细度、乏气挡板等多方面的燃烧调整，调整后的运行结果表明：水冷壁管壁的超温问题得到解决，热负荷分布更加均匀，灰渣含碳率明显下降。

锅炉；W形火焰；水冷壁；超温；燃烧调整；煤粉细度

我国无烟煤资源丰富，但由于其挥发分低而较难燃烧；而W形火焰锅炉与其他炉型相比，燃用无烟煤有较明显的优势［1］。近年来，超临界W形火焰锅炉在国内陆续地投运，但由于设计上的缺陷及运行人员的经验欠缺出现了较多安全方面的问题。笔者针对贵州某电厂1号锅炉水冷壁频繁超温以及灰渣含碳率较高的问题，进行了原因分析和燃烧调整，取得了很好的效果。

1 设备简介

某电厂2台600MWHG－1900／25．4－WM10型锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣，锅炉采用W形火焰燃烧方式，在前、后拱上共布置有24个煤粉燃烧器。磨煤机选用BBD4360双进双出钢球磨煤机，采用正压直吹式制粉系统。

锅炉的燃烧组织方式为W形火焰，燃烧器布置方式见图1。一次风从前、后墙的拱上向下喷入炉膛着火，到接近冷灰斗区域的地方前后墙火焰交汇再向上折返形成W形火焰，这样增加了火焰行程，延长了火焰在炉膛内的停留时间，提高了无烟煤的燃尽率。

图1 锅炉燃烧器的布置位置

该锅炉采用“多次引射分级燃烧技术”进行燃烧器喷口布置，见图2。浓煤粉气流、内二次风、淡煤粉气流及外二次风平行布置在炉拱上，由于各股气流速度不同，低速气流在高速气流带动下向下流动，即浓煤粉气流及淡煤粉气流（乏气）在二次风带动下向下流动。在气流向下流动的同时，二次风不断混入煤粉气流，形成边燃烧边补充氧气的分级燃烧方式。

图2 W形火焰锅炉多次引射分级燃烧原理图

为保证一次风在二次风的引射下具有足够的刚性深入下炉膛，燃烧器成组布置。每组燃烧器由8个浓一次风喷口、8个乏气喷口、8个内二次风喷口、4个油二次风喷口、2个边界二次风喷口和12个外二次风喷口组成（见图3）。在每组燃烧器两侧最靠边浓一次风喷口的外侧布置边界二次风喷口，起到避免外侧一次风卷入燃烧器组之间的低压回流区，从而保证了外侧一次风的下射深度。

图3 燃烧器喷口布置图

整台锅炉包含24组低NOx窄缝式直流燃烧器和24个旋风分离器，每个分离器对应一组燃烧器，为燃烧器提供一浓一淡两股煤粉气流。

为监测各面水冷壁出口管壁金属温度，分别在前墙上部水冷壁出口、前墙下部水冷壁出口、后墙上部水冷壁出口、后墙下部水冷壁出口沿炉宽方向分别装有41个金属管壁温度测点；在左墙上部水冷壁出口、左墙下部水冷壁出口、右墙上部水冷壁出口、右墙下部水冷壁出口沿炉深度方向分别装有19个金属管壁温度测点。

2 锅炉运行状况

2．1 侧墙水冷壁超温严重

该电厂1号锅炉自投运以来，水冷壁管壁温度一直处于频繁超温的状况，前墙及后墙水冷壁上部报警温度为500℃，侧墙水冷壁上部报警温度为455℃，侧墙水冷壁下部报警温度为430℃。

从燃烧调整前的运行状况来看，锅炉一直处于局部超温状态，即前后墙上部水冷壁壁温均较低，离水冷壁报警温度有较大裕度，但是侧墙上部水冷壁壁温超温严重，侧墙中部区域壁温测点一直处于超温报警状态。图4、图5为2013年8月26日600MW负荷下，侧墙各个测点的平均壁温。从壁温的分布来看，中部区域多在报警温度455℃以上，平均中间点温度为416．1℃。

图4 右墙上部水冷壁各测点平均壁温

图5 左墙上部水冷壁各测点平均壁温

此外，各面墙的所有壁温测点的平均值偏差也较大，侧墙上部出口的平均壁温明显高于前后墙上部出口的平均壁温，说明锅炉在该状态下的炉内热负荷分布不均，造成了局部热负荷过高，导致水冷壁局部超温。

2．2 灰渣含碳质量分数较高

燃烧调整以前，灰渣含碳质量分数均较高，底渣含碳质量分数在8%～10%，飞灰含碳质量分数在5%～7%。固体不完全燃烧热损失较高，对锅炉经济性影响较大。

3 原因分析

通过观察和初步燃烧调整判断，侧墙的超温状况是由于侧墙火焰下冲过度，侧墙下炉膛吸热过多，进而导致进入上炉膛的过热蒸汽的过热度过高所致。

3．1 火焰下冲过度

从锅炉的设计来看（图2），火焰下冲至三次风喷口附近，随即与三次风混合后，火焰折向进入上炉膛继续燃烧；但从看火孔的情况来看，火焰在此处没有折向进入上炉膛，而是继续下冲，几乎下冲至冷灰斗中部。究其原因，是因为该炉型设计的浓相喷口靠近炉内侧，而淡相喷口靠炉外侧，这样靠近炉外侧区域的淡相喷口燃料较少，进入炉膛后的局部煤粉浓度较低，不易着火，因此火焰温度较低，烟气黏度小，托不住火，火焰容易下冲过度。

由于前后墙换热面是一个上下均匀的矩形，而侧墙的换热面则是呈现下大上小的形状，因此，随着火焰中心下移，侧墙的吸热比例增加，前后墙的吸热比例减少，火焰下冲容易导致侧墙吸热过多而出现超温。

3．2 四角燃烧器燃烧较差

从四个角上的各层看火孔可见，四个角上的火焰较炉膛中心火焰明显偏暗，火焰下冲至三次风射入位置处，火焰中仍然含有未点燃的煤粉颗粒。一般来说，如果煤粉颗粒至此仍然没有点燃，则较难燃尽，灰渣中的未燃尽碳多源于此。从锅炉设计来讲，靠侧墙的火焰需要向侧墙进行热辐射，相对散热较大，火焰温度较低，因此四个角的煤粉着火时间延迟，不易燃尽，这也增加了侧墙的吸热比例。

3．3 二次风配风方式不合理

燃烧调整前的二次风配风模式为：所有拱上二次风开度均为80%，所有三次风开度均为75%，控制二、三次风总风门的开度均为100%。

从实际燃烧来看，该炉型的二次风刚性较大，下冲明显偏深，从三次风入口处看火孔可以清晰看到，三次风无法托住拱上下冲的二次风，因此，这样的配风模式与实际的燃烧情况不相匹配，进一步助推了火焰的下冲。

总之，由于淡相喷口侧的煤粉浓度较低，煤粉着火较差，加之二、三次风的配风不合理，使得二次风携带未点燃煤粉过度下冲，造成火焰中心下移，侧墙的下炉膛吸热过多，表现出侧墙超温的现象。

4 燃烧调整措施

通过上述的原因分析，进行燃烧调整，旨在通过加强乏气侧煤粉的着火，缩短着火时间，减少火焰下冲，抬高火焰中心高度。

4．1 改善着火条件

为改善着火条件，采取以下措施：

（1）减小煤粉细度。对各台磨煤机进行制粉试验，结果见表1。

表1 R90与动态分离器转速的关系 %

从表1可以看出：动态分离器相对转速在80%时，各台磨煤机的磨制煤粉R90均在6%左右，符合设计值；但对于火焰易下冲的炉型来说，还是略微显粗。因此，将磨煤机的动态分离器相对转速调至最高，从80%提高至100%，以降低煤粉细度，便于缩短煤粉的着火时间及燃尽时间。通过磨煤机的制粉试验可知，随着动态分离器相对转速的提高，煤粉细度明显下降。

（2）提高磨煤机出口风温。关掉磨煤机入口冷风温度，尽可能提高磨煤机出口一次风温，便于缩短煤粉的着火时间［23］。

（3）降低磨煤机出口料位。燃烧调整前，磨煤机料位为550Pa，试验过程中，不断降低磨煤机料位，当料位降至350Pa时，通过看火孔能够明显发现煤粉着火的改善，最终将各台磨煤机的料位降至250Pa。因为磨煤机料位降低以后，钢球的下落距离增加，钢球的有效做功增加，煤粉会磨得更细［4］。

（4）增加淡相侧的煤粉浓度。燃烧调整前，部分就地控制乏气流量的开关处于半关状态，以提高浓相侧的煤粉浓度；但是淡相侧着火困难，通过全开乏气侧的调门开关，在其他条件不变的情况下，侧墙壁温明显下降，这反映了全开乏气后，淡相侧着火增强，与就地看火一致。

4．2 改变配风模式

考虑到该炉型容易出现火焰下冲过度的状况，将拱上的二次风开度由原来的80%降为65%，拱下的三次风开度由原来的75%开大到90%。调整后，火焰下冲有明显缓解。

5 燃烧调整后的运行状况

通过上述方式对1号锅炉进行了燃烧调整。燃烧调整以后运行状况如下：

（1）侧墙水冷壁超温问题得到解决。燃烧调整结束后，水冷壁壁温一直处于较为稳定的安全运行状态。图6、图7为2013年9月22日锅炉600MW时，侧墙各个测点的平均壁温值，该时段的中间点平均温度为417．1℃。从壁温的分布来看，侧墙平均壁温值都能控制在报警温度455℃以内，燃烧调整以后，侧墙壁温的超温状况出现明显好转，且侧墙的壁温偏差得到了有效缓解。

图6 燃烧调整后的右墙上部水冷壁平均壁温

图7 燃烧调整后的左墙上部水冷壁平均壁温

（2）各面墙的热负荷较为均匀。燃烧调整后，各面墙的上部水冷壁管壁温度分布与之前相比更为均匀。图8为燃烧调整前后满负荷下各面墙的所有壁温测点的平均温度情况。从图中可见：调整后的前后墙的上部水冷壁出口管壁温度偏差已经很小，左右墙的上部水冷壁出口管壁温度偏差也基本得到了消除。可见热负荷分布已经相对平均，热偏差的消除能够有效防止水冷壁局部超温情况的发生。

图8 燃烧调整后的各面墙平均壁温

（3）灰渣含碳质量分数明显降低。通过燃烧调整，降低煤粉细度及改善着火条件以后，煤粉加强了着火，并缩短了燃尽时间，这样对降低飞灰含碳量也有益处；此外，减少火焰下冲以后，底渣含碳量也明显下降。通过上述调整，底渣含碳质量分数在5%～7%，飞灰含碳质量分数在3%～5%，大大提高了经济性。

燃烧调整以后，通过长时间的运行发现：锅炉水冷壁壁温、热负荷分布、灰渣含碳量等指标均有明显改善；此外，锅炉也未出现主（再）热汽温下降、结焦等不利影响。

6 结语

针对贵州某发电公司1号锅炉出现水冷壁侧墙管壁温度频繁超温的问题，进行了燃烧调整，得到以下结论：

（1）水冷壁侧墙长时间超温的原因是由于乏气侧着火较差及配风模式的不合理，导致火焰下冲过度造成的。

（2）通过改善乏气侧的着火条件及合理配风，水冷壁超温的状况得到了有效解决。

（3）燃烧调整以后，炉膛热负荷的分布更加均匀，侧墙的热偏差有效缓解。

（4）燃烧调整后，灰渣含碳量明显下降，大大提高了经济性。

［1］周文台，程智海，金鑫，等．600MW超临界W火焰锅炉防超温燃烧调整试验研究［J］．动力工程学报，2013，33（10）：753－758．

［2］程智海．W火焰锅炉燃烧脉动现象研究分析［J］．电力科学与工程，2003，19（2）：24－26．

［3］程智海，金鑫，张富祥，等．W火焰锅炉的燃烧调整［J］．动力工程，2009，29（2）：129－133．

［4］余岳溪，李乃钊．双进双出磨煤机的调节特性 ［J］．广东电力，2002，15（6）：65－67．

Combustion Adjustment Test for Water Wall Over－temperature Prevention of a Supercritical W－flame Boiler

Zhou Wentai1，Cheng Zhihai2，He Xiang1，Yang Yong1
（1．Shanghai Power Equipment Research Institute，shanghai 200240，China；2．Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

To solve the problems of frequent water wall over－temperature and high carbon content in ash of the No．1 boiler in a power plant，an analysis was carried out，through which the problems were found to be caused by poor combustion at exhaust gas side and unreasonable way of air distribution，leading to the over downward flame．Combustion adjustments were subsequently conducted on following aspects，such as the secondary air distribution，pulverized coal fineness and the exhaust gas valve，etc．Operation results prove above adjustments to be effective，i．e．the water wall over－temperature problem is solved，the thermal load is more uniformly distributed and the carbon content in ash is obviously reduced．

boiler；W－flame；water wall；over－temperature；combustion adjustment；fineness of pulverized coal

TK227．1

A

1671－086X（2015）01－0045－04

2014－08－10

周文台（1981—），男，工程师，主要从事大型电站锅炉的燃烧优化及能耗评定方面的研究。E－mail：zhouwentai@sp eri．com．cn