低负荷下燃烧器投运方式对锅炉性能的影响

钟礼今，邓 坚，孙伟杰，袁 力，方庆艳，谭 鹏，张 成，陈 刚

（1.广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东珠海519000；2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉430074）

GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》对控制燃煤锅炉NOx与烟尘排放量的要求更加严格［1］.为了降低锅炉出口烟气中NOx和颗粒物等污染物排放量，很多电厂都对锅炉低NOx燃烧、SCR 脱硝和除尘设备等进行了改造.改造后，炉内低NOx燃烧及所增加系统的运行对机组效率和煤耗均有一定的影响［2-3］.同时随着国家能源战略的调整，新能源在能源消费中的比例逐步提高，新能源发电技术迅速发展；核电技术也得到大力发展，一批核电机组陆续投产；大型燃煤火电机组的建设受到限制，尤其是在珠三角和长三角地区，同时又增大了西电东送的容量.这些导致众多燃煤火电机组负荷率呈下降趋势［4］.理论计算与试验表明，负荷降低和瞬变过程对机组煤耗有明显影响，低负荷下煤耗率会显著提高［5-7］.近年来，广东省内众多燃煤火电机组负荷率呈明显下降趋势，机组在中低负荷下运行必将成为常态.很多机组缺乏长期在中低负荷下运行管理的经验和运行优化研究，使得机组效率下降，供电煤耗上升，严重影响机组的经济性.因此，有必要在低NOx燃烧条件下，开展中低负荷下机组节能运行优化的研究，以提高机组效率、降低污染物排放量和供电煤耗.

对于某台低NOx燃烧改造后的700MW 锅炉，笔者在300 MW 低负荷条件下开展了不同燃烧器投运方式对其运行安全、经济和环保性能影响的试验和数值模拟研究，分析了投运CDEF 4 层、CDE中间3层和DEF 上3层燃烧器3种方式对锅炉性能和机组煤耗的影响，以获得低负荷下最优的燃烧器投运方式.

1 锅炉概况

所研究的锅炉为日本三菱重工设计制造的2 290t／h亚临界参数、强制循环、中间再热、单炉膛、燃用烟煤的锅炉，发电功率为700 MW，采用四角切圆燃烧方式，炉膛宽21.46m、深18.605m、高56.7m.采用正压直吹式制粉系统，配备5 台磨煤机和冷一次风系统，设计5台磨煤机可带额定负荷.锅炉布置有6 层一次风喷嘴、6 层二次风喷嘴和3层燃尽风喷嘴.锅炉主蒸汽、再热蒸汽额定温度分别为541℃和568℃，过热器、再热器金属温度报警值分别为587 ℃和610 ℃.锅炉原设计中只有3层紧凑燃尽风，并没有采用深度空气分级的分离燃尽风，运行中存在NOx排放量偏高和主蒸汽、再热蒸汽温度达不到设计值的问题.

对该锅炉采用三菱重工MACT 燃烧技术进行低氮改造，将助燃空气的30%～40%通过布置在主燃区上方6.5m 处的3组附加风（A.A）喷口送入炉膛，在炉膛中形成了3个燃烧区域，自下而上依次为主燃区、还原区和燃尽区.炉膛结构和燃烧器布置如图1所示，其中A、B、C、D、E和F为一次风喷嘴，各一次风喷嘴装有对应的用于冷却的A、B、C、D、E 和F周界风喷嘴，AA、AB、BC、CD、DE 和EF 为二次风喷嘴，OFA 为燃尽风喷嘴，A.A 为附加风喷嘴.

图1 炉膛结构及燃烧器布置示意图Fig.1 Structural diagram of the boiler furnace and arrangement of the burners

一次风燃烧器采用M-PM 低NOx燃烧器，其结构如图2所示，燃烧器喷嘴内布置了特殊的火焰稳定器，能减少燃烧中NOx的产生量.火焰稳定器具有大致等腰三角形截面且具有长条的大致棱镜形状，使得一次风煤粉气流沿流动方向扩展为分裂形状，对火焰稳定器的分裂角（即等腰三角形顶角）和分裂宽度（即等腰三角形的底边长度）均进行了合理的设置.

图2 M-PM 低NOx 燃烧器结构图Fig.2 Schematic diagram of M-PM low-NOxburner

2 试验及数值模拟

2.1 试验研究

在300 MW 低负荷（43% 连续经济负荷（ECR））下，进行了3 种燃烧器投运方式的对比试验，工况1为投运CDEF 4层燃烧器，工况2为投运DEF上3层燃烧器，工况3为投运CDE中间3层燃烧器.为了考察试验结果的可靠性，在燃用烟煤试验的基础上，进行了燃用神混煤的验证试验.燃用煤种的煤质分析见表1，试验工况参数见表2.试验中运行氧量约为3.5%，各台磨煤机给煤量相同，在保证过热器、再热器金属壁温安全的前提下，燃烧器上摆以提高再热蒸汽温度.按照《电站锅炉性能试验规程》中的方法测量排烟温度、烟气含氧量、CO 排放质量浓度和NOx排放质量浓度（折算为6%氧体积分数下）等锅炉性能数据.排烟温度、烟气含氧量和CO 排放质量浓度是在空气预热器后测量的，NOx排放质量浓度是在SCR 入口（即省煤器出口）测量的，主、再热蒸汽实时参数则直接通过监控信息系统（SIS）提取.

表1 煤质分析Tab.1 Quality analysis of the coal

表2 试验工况参数Tab.2 Test conditions and parameters

2.2 数值模拟

为了深入分析低负荷下燃烧器投运方式对锅炉燃烧特性的影响，采用数值模拟方法对燃用烟煤时不同燃烧器投运方式下的燃烧过程进行了数值模拟.炉内燃烧包括气相流动、湍流燃烧、颗粒运动、挥发分析出、焦炭燃烧和辐射换热等过程.气固两相间的湍流计算采用标准k-ε模型，气相湍流燃烧采用混合分数／概率密度函数的PDF 模型，煤粉颗粒的轨迹场采用基于拉格朗日的随机颗粒跟踪法，焦炭燃烧采用动力／扩散控制反应速率模型，挥发分析出采用单速率反应模型，炉内辐射和对流换热采用P1辐射模型.数值模拟采用三维稳态计算.模型控制方程采用控制体积法，采用一阶差分格式进行方程离散，采用Simple方法求解N-S方程，模型的详细描述见文献［8］.

根据锅炉和燃烧器实际几何结构尺寸进行了精细的建模和网格划分，采用结构化的网格划分方法，使用高质量的六面体网格，经过网格无关性验证，采用的网格数为246万.为了减少计算伪扩散，应使燃烧器出口区域的网格线与流体流动方向基本一致，并对该区域网格进行加密，以准确模拟该区域物理量梯度大的特性.模拟工况共有3个，分别与上述3种燃烧器投运方式一致，锅炉入口和壁面边界条件根据实际运行数据来设置.

3 结果与分析

3.1 对再热蒸汽温度的影响

表3给出了燃用烟煤试验结果.图3为燃用烟煤试验的主蒸汽温度和再热蒸汽温度实时曲线图.由表3和图3可以看出，当CDEF 4层燃烧器投运时（工况1），主蒸汽温度为538 ℃，基本达到额定温度值，左右两侧无偏差；左右两侧再热蒸汽温度分别为552 ℃和539 ℃，偏差为13K，平均值为546 ℃；过热器和再热器金属最高温度均低于报警值；过热器减温水量控制合理，再热器无减温水.

当DEF上3层燃烧器投运时（工况2），主蒸汽温度为538℃，基本达到额定温度值，左右两侧无偏差；再热蒸汽温度大幅提高，左右两侧分别为566℃和557 ℃，比CDEF 4层燃烧器投运时分别提高了14K 和18K，左右两侧再热蒸汽温度平均值为562℃，左右两侧偏差为9K，比CDEF 4层燃烧器投运时降低了4K；过热器和再热器金属最高温度均低于报警值；过热器减温水量增加，但仍在合理范围内，再热器无减温水.

当CDE中间3层燃烧器投运（工况3）时，主蒸汽温度为538℃，基本达到额定温度值，左右两侧无偏差.但再热蒸汽温度大幅降低，左右两侧分别为549 ℃和535 ℃，比DEF上3层燃烧器投运时分别降低了17K 和22K，左右两侧再热蒸汽温度平均值仅为542 ℃，两侧偏差为14K，比DEF上3层燃烧器投运时提高了5K；过热器和再热器金属最高温度均低于报警值；过热器减温水量减少，再热器无减温水.

表3 燃用烟煤试验结果Tab.3 Test results with bituminous coal fired

图3 燃用烟煤试验的主蒸汽温度和再热蒸汽温度Fig.3 Real-time temperature curves of main and reheat steam with bituminous coal fired

图4给出了不同燃烧器投运方式下沿炉膛高度的平均温度分布.由图4可以看出，各工况下的平均温度分布基本一致，由于主要投运上面的4层燃烧器，炉膛下部的平均温度较低；由于燃烧器区域剧烈燃烧，从炉膛下部开始平均温度迅速升高，在燃烧器上部和附加风之间的区域平均温度达到最高值；由于大量相对低温的附加风的加入，平均温度有一定的波动；随着炉膛换热的进一步进行，温度逐步降低.相比于CDEF 4 层燃烧器投运，DEF 上3 层燃烧器投运时沿炉膛高度的平均温度峰值位置明显上移，表明这种燃烧器投运方式下的炉膛火焰中心上移，这主要是由DEF上3层燃烧器投运时的给粉位置上移、单层燃烧器给粉量增加而引起的，另外在实际运行中，DEF上3层燃烧器投运时的单台磨煤机出力增加，煤粉细度降低，颗粒变粗，燃烧过程有所延迟也可能会有一定的影响.而相比于CDEF 4层燃烧器投运，CDE 中间3层燃烧器投运时，沿炉膛高度的平均温度峰值位置基本相同，但在附加风以下区域，沿炉膛高度的平均温度较高；而在附加风以上区域，沿炉膛高度的平均温度要低一些.

图4 不同燃烧器投运方式下沿炉膛高度的平均温度分布Fig.4 Mean temperature distribution along furnace height in different operation modes of burners

上述温度分布特性会影响炉膛折焰角大屏入口处的烟气温度.图5给出了大屏入口炉膛截面温度分布.由图5可以看出，当DEF 上3层燃烧器投运时，由于火焰中心明显上移，其截面温度明显高于CDEF 4层燃烧器投运时的截面温度；而当CDE 中间3 层燃烧器投运时，其截面温度则明显低于CDEF 4层燃烧器投运时的截面温度.同时，DEF上3层燃烧器投运时的截面温度分布也更加均匀，而CDE中间3层燃烧器投运时截面温度分布均匀性相对差一些，这可能是由于不同燃烧器投运方式对炉内流动和火焰形状的影响不同而引起的.

图5 大屏入口炉膛截面温度分布Fig.5 Temperature distribution at the entrance section of platen superheater

当CDEF 4 层燃烧器、DEF 上3 层燃烧器和CDE中间3层燃烧器投运时，计算获得的截面平均温度分别为1 249K、1 291K 和1 193K.由此可知，DEF上3层燃烧器投运时的大屏入口炉膛截面平均温度比CDEF 4层燃烧器投运时提高了42K，可以强化过热器和再热器的换热，尤其是再热器，有利于提高再热蒸汽温度，减小左右两侧温度偏差；而CDE中间3层燃烧器投运时的大屏入口炉膛截面平均温度比CDEF 4层燃烧器投运时降低了56K，比DEF 上3层燃烧器投运时降低了98K，这会明显减弱过热器和再热器的换热，尤其是再热器，导致再热蒸汽温度大幅降低，左右两侧温度偏差增大.

3.2 对锅炉效率和供电煤耗的影响

由表3还可以看出，当CDEF 4层燃烧器投运时（工况1），飞灰含碳量约为0.12%，CO 排放质量浓度仅为1.9mg／m3，排烟温度约为104℃，锅炉效率达到95.15%以上.由广东省节能发电调度煤耗在线监测系统提取的机组发电和供电煤耗分别为317.7g／（kW·h）和344.3g／（kW·h）.

相比于CDEF 4层燃烧器投运，当DEF上3层燃烧器投运时（工况2），飞灰含碳量和排烟温度没有变化，虽然CO 排放质量浓度升高，但运行氧量稍低，因此锅炉效率稍有升高.机组发电和供电煤耗分别为315.9g／（kW·h）和342.1g／（kW·h），比CDEF 4层燃烧器投运时分别降低了1.8g／（kW·h）和2.2g／（kW·h），机组经济性显著提高.由上述分析可知，当DEF 上3层燃烧器投运时，再热蒸汽温度大幅升高，提高了再热蒸汽的做功效率，降低了汽轮机的热耗率，同时系统电耗也会降低，这是发电和供电煤耗降低的主要原因.

相比于DEF上3层燃烧器投运，当CDE中间3层燃烧器投运时（工况3），飞灰含碳量、CO 排放质量浓度和运行氧量稍有降低，但排烟温度升高，因此锅炉效率仍然降低.机组发电和供电煤耗分别为320.5g／（kW·h）和347.4g／（kW·h），比DEF上3层燃烧器投运时分别提高了4.6g／（kW·h）和5.3g／（kW·h），比CDEF 4层燃烧器投运时分别提高了2.8g／（kW·h）和3.1g／（kW·h），机组经济性明显降低.由上述分析可知，相比于DEF 上3层燃烧器投运，当CDE 中间3层燃烧器投运时，再热蒸汽温度大幅降低，降低了再热蒸汽的做功效率，提高了汽轮机的热耗率，同时锅炉效率也稍有降低，这是发电和供电煤耗降低的主要原因.

由表2可知，当CDEF 4层燃烧器、DEF上3层燃烧器和CDE中间3层燃烧器分别投运时，炉膛出口NOx排放质量浓度分别为229mg／m3、202mg／m3和162 mg／m3.DEF 上3 层燃烧器投运相比于CDEF 4层燃烧器投运时炉膛出口NOx排放质量浓度降低主要是因为运行氧量降低；而CDE 中间3层燃烧器投运相比于DEF 上3层燃烧器投运时炉膛出口NOx排放质量浓度降低主要是因为F 层燃烧器变为C 层燃烧器时，还原区的距离变长，NOx在还原区的停留时间增加，空气分级燃烧效果强化，NOx的还原率提高.

在300 MW 低负荷下，采用神混煤进行了验证试验，结果表明当CDEF 4层燃烧器投运时，左右两侧主蒸汽温度分别为537.9 ℃和538.7 ℃，平均值为538 ℃，左右两侧再热蒸汽温度分别为551.6 ℃和534.6℃，平均值为543.1℃，发电和供电煤耗分别为318.1g／（kW·h）和345.1g／（kW·h），炉膛出口NOx排放质量浓度为223mg／m3.当DEF上3层燃烧器投运时，左右两侧主蒸汽温度分别为537℃和538.1℃，平均值为538℃，左右两侧再热蒸汽温度分别为565℃和553℃，平均值为559℃，发电和供电煤耗分别为316.1g／（kW·h）和342.6g／（kW·h），炉膛出口NOx排放质量浓度为216mg／m3.当CDE中间3层燃烧器投运时，左右两侧主蒸汽温度分别为537.7 ℃和538.9 ℃，平均值为538℃，左右两侧再热蒸汽温度分别为533.7℃和533.6℃，平均值为533.6 ℃，发电和供电煤耗分别为320.5g／（kW·h）和348.2g／（kW·h），炉膛出口NOx排放质量浓度为195 mg／m3.当DEF 上3 层燃烧器投运时，相比于CDEF 4层燃烧器投运时的发电和供电煤耗分别降低了2.0g／（kW·h）和2.5 g／（kW·h），相比于CDE中间3层燃烧器投运时的发电和供电煤耗分别降低了4.4g／（kW·h）和5.6 g／（kW·h），机组经济性明显提高.

综合上述试验结果和分析可以看出，在300 MW 低负荷下，燃烧器投运方式对再热蒸汽温度和煤耗的影响明显.在同时考虑机组经济性和环保性的情况下，采用DEF 上3层燃烧器投运时，再热蒸汽温度大幅提高，煤耗降低在2g／（kW·h）以上，炉膛出口NOx排放质量浓度位于其他2种燃烧器投运方式之间.因此，在300 MW 及以下低负荷下，建议优先采用DEF上3层燃烧器投运方式，以提高机组的综合性能.

4 结 论

（1）在300 MW 低负荷下，不同燃烧器投运方式对再热蒸汽温度和煤耗的影响明显.采用DEF上3层燃烧器投运方式时，可以明显提高大屏入口炉膛截面平均温度，强化再热器换热，大幅提高再热蒸汽温度，提高汽轮机效率，降低机组发电和供电煤耗.

（2）在300 MW 及以下低负荷下，建议优先采用DEF上3层燃烧器投运方式，以提高机组的综合性能.

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