600MW 亚临界锅炉低氮改造后汽温特性研究

肖 琨，张建文，王振东

（上海锅炉厂有限公司，上海200245）

2011年7月29日，国家发布了GB 13223—2011《火力发电厂大气污染物排放标准》，该标准对锅炉NOx排放提出了更高的要求.为了满足最新的排放标准，在过去几年里，对大量锅炉进行了以空气分级低氮燃烧（以下简称分级燃烧）技术为代表的炉内脱硝改造.在获得良好减排效果的同时，锅炉的汽温特性尤其是再热汽温特性，相比改造前发生了较大变化.有的锅炉改造后汽温偏高，减温水量增加［1］；有的锅炉改造后汽温偏低，尤其是低负荷时再热汽温偏低更多；多数锅炉在负荷变动时汽温波动较大，降负荷过快时易出现再热汽温超跌现象［2-3］.

笔者以某台600 MW 亚临界锅炉为研究对象，分析了分级燃烧技术对其汽温特性（包括静态特性和动态特性）的影响.

1 锅炉概况

研究对象为上海锅炉厂有限公司生产的600 MW 亚临界控制循环锅炉，2013年由该公司采用自主研发的高级复合空气分级低氮燃烧技术进行了改造.锅炉的设计煤种为神府东胜煤，煤质主要参数如表1所示.该煤种的主要特点为挥发分质量分数高、燃尽性好、灰熔点较低、结渣性较强.

表1 设计煤种特性参数Tab.1 Proximate and ultimate analysis of design coal

锅炉的过热器和再热器主要受热面布置如图1所示.其中过热蒸汽的主要流程为：来自汽包的饱和蒸汽→低温过热器→屏式过热器→后屏过热器→末级过热器→汽轮机高压缸.再热蒸汽的主要流程为：高压缸排汽→墙式再热器→屏式再热器→末级再热器→汽轮机中压缸.过热器中的低温过热器和末级过热器为对流受热面，屏式过热器和后屏过热器为辐射受热面，额定工况时，对流受热面与辐射受热面吸热比例约为4∶5.再热器中末级再热器为对流受热面，墙式再热器和屏式再热器为辐射受热面，额定工况时，对流受热面与辐射受热面的吸热比例约为3∶7.过热器和再热器均有较强的辐射特性，其中再热器的辐射特性更强，这说明炉膛火焰中心高度对过热汽温和再热汽温均有较大影响，其中对再热汽温的影响更大.

图1 过热器和再热器布置图Fig.1 Arrangement of boiler superheater and reheater

在汽温调节方面，过热汽温除受燃烧器摆动的影响外，主要靠喷水调温.锅炉共布置2级喷水减温器，一级减温器布置在分隔屏进口管道上，二级减温器布置在末级过热器进口管道上.再热汽温主要通过燃烧器摆动改变炉膛火焰中心高度来调节，当负荷低于一定值时，可通过改变炉膛出口过量空气系数来调节.再热器进口设有2只事故喷水减温器.

2 低氮改造对汽温静态特性的影响

低氮改造后，炉内温度场发生较大变化，进而对受热面的沾污结渣情况产生较大影响，这都会对锅炉汽温特性造成影响.此外，为了获得较好的NOx排放效果，运行中通常采用较小的过量空气系数，这也将对汽温，尤其是低负荷下的再热汽温产生一定影响.

2.1 炉膛火焰中心高度对汽温的影响

改变炉膛火焰中心高度是调节汽温的重要手段，对过热器和再热器中辐射换热比例较大的锅炉来讲尤为重要.低氮改造对炉膛火焰中心高度产生了较大的影响，这种影响在锅炉高负荷与低负荷运行时是不同的.

图2给出了一维炉试验得出的主燃烧器区域过量空气系数与烟气温度的关系.从图2可以看出，当主燃烧器区域处于缺氧状态时，由于煤粉燃烧不完全，主燃烧器区域烟气温度较低；随着主燃烧器区域过量空气系数的增大，烟气温度升高；当主燃烧器区域过量空气系数增大到0.9～1.2时，烟气温度升高到最高值；此后主燃烧器区域过量空气系数继续增大，炉膛理论燃烧温度下降，烟气温度也随之下降，此规律在实际锅炉运行中也存在.主燃烧器区域烟气温度极值对应的过量空气系数与煤种和锅炉形式等有关，一般为0.9～1.1.

图2 主燃烧器区域过量空气系数与烟气温度的关系Fig.2 Flue gas temperature vs.excess air coefficient in main burner zone

锅炉高负荷运行时，炉膛出口氧量较低，炉膛出口过量空气系数一般控制在1.15～1.25内.未采用分级燃烧时，主燃烧器区域过量空气系数为1.15～1.25，主燃烧器区域烟气温度处于最高值.采用分级燃烧之后，主燃烧器区域过量空气系数减小，烟气温度降低.这说明燃烧延迟，炉膛火焰中心高度升高，进而导致炉膛出口烟气温度升高.此时，分级燃烧将对汽温产生抬升作用.这种燃烧延迟对炉膛出口烟气温度的抬升幅度主要受分离燃尽风风量、位置和煤种等因素影响.一般来说，在同样分级风比例下，燃尽性好的烟煤燃烧延迟引起的炉膛出口烟气温度上升幅度较小；对于燃尽性差的贫煤和无烟煤，炉膛出口烟气温度上升幅度较大.研究表明，燃用烟煤的600 MW 亚临界锅炉采用分级燃烧前后，炉膛出口烟气温度变化可达100K 左右［4-5］.

锅炉低负荷运行时，炉膛出口氧量往往较高，炉膛出口过量空气系数多为1.3～1.4，有时甚至高达1.5.未采用分级燃烧时，主燃烧器区域过量空气系数较大，主燃烧器区域烟气温度处于图2所示曲线右端.采用分级燃烧后，主燃烧器区域过量空气系数减小，烟气温度升高，炉膛火焰中心高度降低，炉膛出口烟气温度下降.这说明低负荷时，分级燃烧不仅不会推迟燃烧，反而会使燃烧提前，炉膛火焰中心高度降低，并对汽温产生负面影响.只有进一步强化分级燃烧作用，继续减小主燃烧器区域过量空气系数，使主燃烧器区域烟气温度继续沿图2所示曲线向左侧移动，才可能使汽温重新恢复升高趋势，但是这往往要求比高负荷时更大的燃尽风风率.

2.2 受热面结渣情况对汽温的影响

锅炉受热面的结渣主要发生在高负荷阶段.如上文所述，高负荷下采用分级燃烧时，主燃烧器区域烟气温度有所降低.相比未采用分级燃烧，采用分级燃烧时主燃烧器区域烟气温度最多可降低100～200K.此外，由于采用分级风，主燃烧器区域辅助风风量减少，炉内切圆直径也会减小，这使得水冷壁的结渣情况得到较大改善，水冷壁吸热增强，炉膛出口烟气温度下降，汽温也随之下降［4］.低负荷时，由于炉内温度较低，是否采用分级燃烧对炉内受热面结渣的影响较小.

只有对于结渣性较强的煤种，低氮改造前后，受热面的结渣情况才会发生较大变化，进而对汽温产生较大影响.而对于低氮改造前受热面结渣不严重的锅炉，低氮改造后结渣情况对汽温的影响较小.

2.3 运行中炉膛出口氧量对汽温的影响

炉膛出口氧量对汽温也会产生一定影响.炉膛出口氧量升高，炉膛风量增大，汽温上升.改变炉膛出口氧量是低负荷时锅炉调节再热汽温的重要手段.但采用低氮改造后，为了获得较低的NOx排放量，往往采用低过量空气系数运行方式，这将对汽温（尤其是低负荷时再热汽温）产生较大的影响.

图3为300MW 负荷下燃烧器不摆动时，通过性能计算得出的炉膛出口氧量与再热汽温的关系.从图3可以看出，炉膛出口氧量从6%下降到3%，再热汽温下降30K 左右.

图3 300 MW 负荷下炉膛出口氧量与再热汽温的关系Fig.3 Reheat steam temperature vs.furnace outlet oxygen concentration at 300 MW

2.4 低氮改造后的汽温静态特性

所研究的锅炉主要有以下特点：

（1）设计煤种为结渣性较强的神华煤.低氮改造前，锅炉水冷壁和屏式过热器均有较严重的结渣，锅炉无法实现长时间满负荷全烧神华煤，需掺烧部分高灰熔点煤.

（2）过热器和再热器中辐射受热面所占比例较大.汽温尤其是再热汽温受炉膛火焰中心高度的影响较大.

低氮改造后，炉膛火焰中心高度变化及受热面结渣改善均会对锅炉汽温产生较大影响.锅炉高负荷运行时，分级燃烧导致燃烧延迟，炉膛火焰中心高度上升，进而导致炉膛出口烟气温度上升，过热器和再热器吸热量增加；同时炉膛水冷壁结渣情况有了较大改善，水冷壁吸热量增加，炉膛出口烟气温度下降，过热器和再热器吸热量减少.这2个因素共同对锅炉汽温特性产生影响.

表2给出了低氮改造后各负荷下锅炉汽温参数的变化.从表2可以看出，低氮改造后锅炉汽温基本能够达到额定值，但过热器一级减温水质量流量有所增加，二级减温水质量流量有所减少.这说明低氮改造后分隔屏底部烟气温度在上述2个因素的叠加影响下有所降低，屏式过热器结渣也有所减轻.低氮改造前全烧设计煤种时，由于屏式过热器结渣严重，吸热量减少，使得其后部受热面进口烟气温度上升，导致满负荷时再热器减温水质量流量较大，因此锅炉无法全烧设计煤种.低氮改造后屏式过热器结渣减轻，吸热量增加，过热器一级减温水质量流量有所增加，而过热器二级减温水质量流量和再热器减温水质量流量均有所减少，过热汽温和再热汽温均能达到额定值.

低负荷时受热面结渣情况对汽温的影响较小，锅炉汽温主要受炉膛火焰中心高度和炉膛出口氧量的影响.分级风比例较低时不会导致燃烧延迟，反而会使炉膛火焰中心高度下降，对汽温产生不利影响.此时，如果为了追求过低的NOx排放量而降低炉膛出口氧量，则会导致再热汽温进一步降低.为解决此矛盾，低负荷时应优先投运上层燃烧器，提高炉膛火焰中心高度.此外，还可进一步强化分级燃烧，继续减小主燃烧器区域过量空气系数，进入图2所示曲线的左侧区域运行.

事实上低负荷时，由于烟气量减少，尾部烟气脱硝装置（SCR）效率较高，降低同样浓度的NOx所需的还原剂比高负荷时大大减少.从经济性角度考虑，低负荷时不宜追求过低的NOx排放量而牺牲汽温等方面的经济性指标，采用SCR 脱硝装置来降低烟气中的NOx排放量更加合算.

表2 低氮改造后锅炉汽温参数的变化Tab.2 Variation of boiler steam temperatures after low-NOxretrofit

3 低氮改造对汽温动态特性的影响

低氮改造不但对锅炉汽温的静态特性产生影响，对汽温的动态特性也产生一定的影响，具体表现为在降负荷过程中，再热汽温易出现超跌现象.图4给出了降负荷过程中（即在30 min内锅炉负荷从470 MW 急剧下降到350 MW 左右，然后负荷保持基本稳定）各参数的变化.从图4可以看出，主汽温和再热汽温均有一个急速下降过程，负荷稳定后，主汽温和再热汽温得到恢复.在此过程中，主汽温下降较少，主汽温最低值为524 ℃；再热汽温下降较多，再热汽温最低值为505 ℃.

在降负荷过程中，炉内燃烧工况发生较大变化，汽温发生波动属于正常现象，但波动太大会对机组运行产生不利影响，尤其是再热汽温下降较多，会导致汽轮机效率下降和末级叶片工作状况恶化.再热汽温波动较大主要有以下2个原因：

图4 锅炉降负荷过程中各参数的变化Fig.4 Variation of boiler parameters during unloading process of boiler

（1）在降负荷过程中，通常先减少燃料量，后减少风量［6］.在未采用分级燃烧时，此种运行方式对炉膛火焰中心高度影响不大.采用分级燃烧后，主燃烧器区域处于缺氧燃烧状态，减少燃料量后，主燃烧器区域过量空气系数增大，烟气温度上升，相当于炉膛火焰中心高度下移.在降负荷过程中，往往保持一次风风量不变，先减少二次风风量，使燃尽风风量的减少速率大于总风量的减少速率，加速了炉膛火焰中心高度下移，过热汽温和再热汽温均受到不利影响.

（2）再热汽温还受到汽轮机高压缸排汽温度（以下简称高排温度）的影响.主汽温下降往往导致汽轮机高排温度下降.在降负荷过程中，虽然主汽温下降不多，但仍会通过汽轮机高排温度的下降将其影响叠加到再热汽温上.

再热汽温受到了汽轮机高排温度下降和炉膛火焰中心高度下降的双重影响，其下降幅度更大.

在升负荷过程中，先加风量后加燃料，虽然也会导致主燃烧器区域过量空气系数增大，炉膛火焰中心高度降低，但燃尽风风量的增加速率一般快于总风量的增加速率，且锅炉汽温总的来说是随负荷的升高而上升的.因此在升负荷过程中，不易出现再热汽温超跌的现象.

运行中应采取以下措施来减少降负荷过程中汽温的波动现象：（1）在降负荷过程中，减风量时应优先减少主燃烧器区域二次风风量，降低燃尽风风量的减少速率，保证主燃烧器区域过量空气系数处于较低的水平，进而保证炉膛火焰中心高度不降低，这对保证降负荷过程中较低的NOx排放量也是有利的.（2）在降负荷过程中，应提高喷水减温的调节速度.主汽温降低后，迅速减少减温水质量流量，防止主汽温下降过多，影响再热器进口温度.

4 结 论

（1）分级燃烧对炉膛火焰中心高度有较大影响.高负荷时分级燃烧使炉膛火焰中心高度升高，锅炉汽温上升；低负荷时分级燃烧往往导致炉膛火焰中心高度降低，锅炉汽温下降.

（2）高低负荷时，影响锅炉汽温的因素不尽相同.高负荷时锅炉汽温主要受分级燃烧导致的炉膛出口烟气温度上升和受热面结渣改善导致的炉膛出口烟气温度下降的综合影响，低负荷时锅炉汽温主要受分级燃烧导致的炉膛火焰中心高度降低和炉膛出口氧量的影响.

（3）在降负荷过程中，炉膛火焰中心高度下移与汽轮机高排温度下降对再热汽温的叠加影响是导致再热汽温易超跌的主要原因.减风量时，优先减少主燃烧器区域二次风风量有利于保证炉膛火焰中心高度，防止再热汽温超跌.

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