600 MW超临界直流锅炉结焦原因分析及优化调整
2021-12-29刘维岐汪山入高文杰宋大勇张家维
刘维岐,汪山入,高文杰,吴 炬,宋大勇,张家维
(1.沈阳工程学院,沈阳 110136; 2.沈阳市热力工程设计研究院,沈阳 110000;3.国家能源集团科学技术研究院有限公司,南京 210023)
0 引 言
近年来国内燃煤煤质变化频繁,大部分电厂燃煤煤质已偏离设计煤种,部分电厂燃煤煤质偏离较为严重[1]。燃煤煤质偏离较大时,会给锅炉的实际运行带来很多问题,如锅炉运行经济性变差,锅炉结焦、壁温超温等[2-4]。当锅炉燃用高结渣特性煤种时,容易出现结焦的现象。有学者对锅炉结焦的原因,从燃煤灰成分对灰熔融特性及结焦特性的影响,Al、K、Na、Fe、Ca等元素对灰熔融特性的影响进行了研究[5-6]。部分学者从锅炉运行参数变化、煤质变化及结焦机理进行研究[7-10],分析锅炉结焦原因并进行优化调整。
某电厂600 MW超临界对冲燃烧锅炉在实际运行中出现了严重的掉焦状况,在临时停机检查中发现,锅炉屏式过热器最前排管屏位置发生严重结焦。因此,通过结焦机理分析,找出锅炉结焦原因,进行优化调整。
1 锅炉结焦状况分析
1.1 设备简介
以某电厂600 MW前后墙对冲燃烧的超临界直流Π型锅炉为研究对象。锅炉型号为HG-1900/25.4-YM3型。制粉系统采用中速磨正压直吹式制粉系统,共配有6台磨煤机。锅炉设计煤种为铁法次烟煤,锅炉设计煤质和校核煤质见表1。
表1 锅炉设计煤质特性Table 1 Coal quality characteristics of boiler design
锅炉运行期间,锅炉掉焦主要为两种,一种为黑色,一种为红色,如图1所示。
图1 锅炉焦块Fig.1 The coke lumps in boiler
锅炉临时停机期间,对炉内进行检查,发现锅炉屏式过热器最前排管屏位置结焦严重,清理下来的焦块及屏过结焦状况如图2所示。
图2 屏过结焦及焦块状况Fig.2 Coking and coke block of platen superheater
为了分析锅炉结焦原因,对锅炉所燃用的9种煤质及2种焦块进行灰成分分析、灰熔融性及结渣特性分析,并对锅炉进行吹灰试验及炉膛温度场测试。
1.2 锅炉吹灰试验
锅炉吹灰试验主要分两步进行,观察锅炉掉焦情况。先对锅炉水冷壁区域进行吹灰,然后进行过热器受热面吹灰。
试验中发现,锅炉水冷壁区域吹灰时,掉焦主要为黑色焦块;锅炉屏过吹灰时,掉焦主要为红色焦块。
1.3 锅炉炉膛温度场试验
对不同负荷下锅炉炉膛温度场进行测试,测试结果见表2。
表2 炉膛温度场测试结果Table 2 Test results of furnance temperature field 单位:℃
由表2中结果可知,锅炉主燃烧区域温度偏低,燃尽风区域温度偏高。测试中发现,机组在420 MW负荷下前墙最下层B磨运行时,实测两侧炉膛温度仅为908 ℃、922 ℃。试验过程中将B磨二次风门开度由30%升高到60%时,B磨两侧炉膛温度升高到1 031 ℃、1 054 ℃。加大二次风门开度,可使燃烧温度提高,说明锅炉主燃烧区域存在缺氧燃烧的情况。
1.4 燃煤结焦特性分析
对9种煤样及2种焦块样品进行灰成分、灰熔融性及焦渣特性分析。
根据灰渣的软化温度情况,通过软化温度(ts)分析法对锅炉燃用的主要煤质结渣特性进行分析。当ts<1 260 ℃时,为结渣严重煤质;当1 260≤ts≤1 390 ℃时,为结渣中等煤质;当ts>1 390 ℃时,为结渣轻微煤质。根据软化温度分析法,锅炉燃用主要煤质及焦块的结渣特性分析结果见表3。
由表3中数据可知,“双树”煤质为结渣中等煤质。
表3 煤质结渣特性分析—软化温度分析法Table 3 Analysis of slagging characteristics of coal-softening temperature analysis method 单位:℃
根据灰成分综合指数法对锅炉燃用的主要煤质结渣特性进行分析,依据结渣特性经验判别指数对化验结果进行分析。通过函数ω取其各成分在灰中的百分含量,判别指数计算式如下。
酸碱比:
B/A=[ω(CaO)+ω(MgO)+ω(Fe2O3)+ω(Na2O)+
ω(K2O)]/[ω(SiO2)+ω(Al2O3)+ω(TiO2)]
(1)
硅比:
G=100ω(SiO2)/[ω(SiO2)+ω(Fe2O3)+
ω(CaO)+ω(MgO)]
(2)
综合结渣指数:
R=1.24B/A+0.28ω(SiO2)/ω(Al2O3)-
0.0023ts-0.019G+5.4
(3)
当R<1.5时,为结渣轻微煤质;当1.5≤R<1.75时,为结渣中等偏轻煤质;当1.75≤R<2.25时,为结渣中等煤质;当2.25≤R<2.5时,为结渣中等偏重煤质;当R≥2.5时,为结渣严重煤质。
根据灰成分综合指数法,锅炉燃用主要煤质及焦块的结渣特性分析结果见表4。
由表4中数据可知,“双树”煤种属于中等偏重结渣倾向煤种。
表4 煤质结渣特性分析—综合指数法Table 4 Analysis of slagging characteristics of coal-comprehensive index method
根据《煤中碱金属(钾、钠)含量分级》(MT/T 1074—2008)中的相关规定,对燃用煤中碱金属含量进行分级,根据灰中碱金属(钾、钠)的含量,对煤中钾和钠总量(以干燥基计算)进行计算。
煤中钾和钠总量:
ω(K+Na)d=[0.830ω(K2O)+0.742ω(Na2O)]×Ad/100
(4)
式中:Ad为干燥基灰分。
当ω(K+Na)d≤0.10时,为特低碱煤;当0.10<ω(K+Na)d≤0.30时,为低碱煤;当0.30<ω(K+Na)d≤0.50时,为中碱煤;当ω(K+Na)d>0.50时,为高碱煤。
根据式(4),对各煤种中碱金属含量进行计算,判别结果见表5。
表5 锅炉燃用煤质碱金属含量分级Table 5 Classification of alkali metal content of boiler coal
由表5中计算结果可以看出,锅炉燃用的9种燃煤中,有4种燃煤为高碱性煤种。碱金属化合物在受热面(1 000~1 100 ℃)直接凝结,形成致密的强黏结性灰,同时碱金属化合物可使灰表面的黏结性增强,加速积灰过程的发展,煤灰呈熔化或半熔化状态,熔融灰会直接黏在受热面上,造成锅炉受热面结焦。
对红色、黑色两种焦块进行灰成分分析及灰熔融特性分析,发现该两种焦块成分、灰熔融性非常相近,其结果见表6。
表6 两种焦块灰成分及熔融性分析结果Table 6 Analysis results of ash composition and fusibility of two kinds of coke blocks
焦块颜色不同,主要为其内部铁元素氧化物状态不同,氧化性氛围下生成的Fe2O3为红褐色,还原性氛围下生成的FeO为灰黑色。两种焦块成分及熔融性相近,表明两种焦块为同一种灰分产生,但其形成机理不同。
1.5 锅炉结焦原因分析
通过试验分析以及对灰成分、灰熔融性分析可知,锅炉燃用灰软化温度偏低及碱金属含量较高的煤种,是锅炉结焦的主要原因。同时,锅炉主燃烧区域二次风配风风量偏低,主燃烧区域缺氧燃烧,导致锅炉燃烧中心提高,增加锅炉屏过结焦的风险。锅炉主燃烧区域缺氧,使得锅炉在主燃烧区形成黑色焦块,燃尽区域氧量充足,且未完全燃烧的煤粉及可燃气体燃烧,使得燃尽区域温度较高,形成红色焦块。
2 解决方案及效果
调取锅炉运行数据发现,锅炉二次风门开度是随着该层燃烧器燃煤量而变化的,风门开度与给煤量的比例系数约为1.23。锅炉二次风门开度随磨煤机燃煤量变化如图3所示。
图3 二次风门开度与给煤量运行情况Fig.3 Secondary air valve opening and coal feeding operation
为了提高主燃烧区送风量,在420~600 MW负荷工况下,将比例系数调整至1.8。复测锅炉炉膛温度场发现,锅炉主燃烧区燃烧温度明显提高,锅炉燃尽区域温度降低约100 ℃。锅炉运行中,掉焦情况得到明显缓解。
3 结 语
针对HG-1900/25.4-YM3型前后墙对冲燃烧的超临界直流Π型锅炉,燃用具有较强结焦特征的低灰熔点煤种。现场实例研究表明,采取以下措施可以明显改善结焦状况:
1)锅炉燃用灰熔点较低煤种时,应将灰熔点较低的煤种尽量安排在低负荷工况下燃烧。
2)420~600 MW负荷工况下,将风门开度与给煤量的比例系数由1.23调整至1.8。
3)燃用易结焦煤质时,应加强锅炉吹灰。