锅炉燃烧系统运行优化分析

段明源 王成文 韩 磊

（1.晋控电力山西临汾热电有限公司，山西 临汾 041000；2.山西大学计算机与信息技术学院，山西 太原 030006）

0 引言

新能源的大规模并网及电网用电负荷峰谷差的加大，造成电网的调峰压力越来越大，迫切需要火电机组大比例地参与电网的深度调峰[1-2]。在此过程中，火电机组的负荷率大幅下降，许多火电机组被迫长时间运行在低负荷和偏离常规负荷的工况下，使得机组很难适应满负荷设计工况与常规设计工况下设定的燃烧优化调节方案。与此同时，在机组低负荷和频繁变负荷运行过程中锅炉显现出水动力循环变差，炉内燃烧不稳定，污染物排放浓度升高等问题。另外，当机组运行负荷降低时，现有的自动控制系统很难有良好的控制效果，而电网对机组AGC的考核却愈发严格，迫于此情况，运行人员不得不大规模手动参与调节。然而，受限于调节经验的不足，手动调节通常也很难达到令人满意的效果。为此需要对锅炉低负荷及变负荷工况进行燃烧优化，使炉内的温度场、动力场分布均匀、合理，进而提高锅炉的燃烧性能，减少污染物气体的排放，更好地保障机组出力和电网考核。

开展锅炉的燃烧优化是火电厂最基本、最烦琐的一项工作，但却有着重要的意义。通过对锅炉的燃烧过程进行调整，合理配置进入炉内的燃料量和风量，可以使炉内的燃料燃烧更加高效，机炉协调更加迅速，确保锅炉运行的高效稳定。同时，燃烧优化调整还可以降低锅炉的热偏差，减少水冷壁爆管和炉内结渣，确保锅炉运行的安全性。稳定的着火热源可使锅炉蒸发量满足基本需求，主蒸汽压力、主蒸汽温度稳定，机组的出力满足外界负荷的需要。

锅炉燃烧优化的最终目标是降低运营成本，要想取得良好的燃烧优化结果，必须首先建立起合适的优化目标。传统的燃烧优化往往更关注较高的锅炉热效率，随着国家对大气污染物排放要求的不断提高，减少氮氧化物的排放也变得越来越重要。如何在减少氮氧化物生成的同时保证锅炉有较高的热效率成为当前锅炉燃烧优化的卡脖子问题。因为这两者之间本身是对立、矛盾的，降低氮氧化物生成，需要的是低温、缺氧的环境条件，而提高锅炉热效率的条件是高温、足氧。因此，在制定燃烧优化调整措施时需要充分考虑两者的内在耦合，建立起同时满足这两个优化目标的实施方案。只有这样，才能使炉内的燃烧始终保持在最佳状态，才能保证火电机组持续发展，保证企业的生存空间，保证火力发电模式不被其他能源发电模式所取代。

1 燃烧优化机理分析

图1为煤粉炉机组锅炉结构示意图。在实际工作过程中，经过磨煤机破碎、研磨、干燥后将满足细度要求的煤粉经一次风输送到炉膛内进行燃烧放热，其中，每台磨煤机可满足炉内同一高度燃烧器的煤粉量需求。炉内还布置有大量的换热设备，包括低温过、再热器，高温过、再热器以及前、后屏过热器。过热器的主要作用是热量交换，将炉内燃烧生成的烟气热转化为蒸汽热，从而为汽轮机做功提供良好动力。此外，为维持烟气在炉内的正常流动，需要满足平衡通风的要求，锅炉空气侧采用正压运行方式以克服送风流程中的阻力，锅炉烟气侧则采用微负压运行方式以减少炉膛和尾部烟道的漏风量。

图1 锅炉结构示意图

锅炉的燃烧优化，其核心本质是通过调节风煤比使炉内燃烧达到适宜的条件。在该条件下锅炉的热效率高，热损失低，且炉内还原性气氛强，污染物气体的原始生成量少。在燃烧过程中，可燃物与助燃剂将发生剧烈反应，可采用降低灰渣中可燃物含量，减少烟气生成量的方法来提高锅炉热效率。对煤粉炉机组来说，可燃物主要指送入炉内的煤粉，因煤质组分的不同，不同类型的煤热值不同，对锅炉的稳定运行有很大影响。此外，煤粉的浓度与煤粉的燃尽率对锅炉的稳定运行亦有很大的影响[3]。

风量是指燃烧过程中一次风量与二次风量的和。煤粉炉中一次风作为输送介质将煤粉送入炉膛，而二次风的主要作用是助燃。二次风将送入炉膛的热空气与一次风和煤粉的混合物相结合，保证煤粉的充分燃烧。二次风量的大小可用炉膛出口的烟气含氧量表示，烟气含氧量的大小可以间接反映锅炉风煤比的好坏，从而反映当前锅炉燃烧的经济性。当风量过大时，锅炉烟气含氧量会升高，烟气的生成量增加，这将引起锅炉排烟热损失增加，锅炉效率降低[4]。过量空气系数的调节和控制是降低炉内污染物气体氮氧化物的有效措施，当炉内氧浓度降低时，炉内的还原性气氛增强，可以有效抑制并还原氮氧化物的生成。但低氧的燃烧氛围会造成炉内燃烧温度不高，不利于飞灰颗粒的燃尽，会引起固体不完全燃烧热损失的增加，从而降低锅炉热效率[5]。

大量的研究表明，污染物气体氮氧化物的排放量与锅炉的燃烧过程存在着密切的联系。燃烧过程中生成的三类氮氧化物中，燃料型氮氧化物的占比最大，它是由燃料中的氮化合物发生热分解、氧化而生成的。燃料型氮氧化物的生成机理如图2所示。

从图2可知，原煤中的氮经过一次热解后形成挥发分氮与焦炭氮这两种产物。接着不稳定的挥发分氮与稳定的焦炭氮再经过二次热解形成HCN、NH3等主要中间产物。之后HCN、NH3在氧化性气氛中生成氮氧化物气体，在还原性气氛中生成氮气。此外，由图2燃料型氮氧化物的生成机理过程可得到影响氮氧化物生成量的因素有煤种、煤种中氮化合物分解时挥发分氮与焦炭氮的分配比例以及氧浓度等。综合考量各影响因素的调控方法，选取十分有效且便捷的降低炉内氧气浓度即减小过量空气系数的方法来控制燃料性氮氧化物的生成量。

图2 燃料型氮氧化物的生成机理

2 燃烧系统运行优化改进措施

当前阶段，锅炉燃烧系统运行优化主要从两方面开展，一是设备改进，二是燃烧优化调整[6]。

2.1 设备改进

（1）先进检测设备应用。随着科技的不断发展，先进的检测技术得到大力发展，如烟气含氧量在线测量装置、飞灰含碳量在线测量装置、煤粉浓度在线测量装置、炉膛火焰检测装置等。投用先进的检测设备可以更直观、准确地掌握锅炉的燃烧过程及燃烧产物，以此进行锅炉燃烧调节，确保锅炉运行中的安全性和经济性。此外，先进检测设备的大量应用，也为基于燃烧理论开展的锅炉建模仿真燃烧优化技术提供了更好的基础。利用采集到的大量的高维特性参数，结合人工智能建模方法，能够形成新的锅炉燃烧优化方案。

（2）传感器改进。在锅炉新设备的研发过程中，要充分考虑到炉内燃烧时恶劣的环境和磨损状况以及信号传递过程中会出现的失真、丢失等问题，结合最新研究技术成果，采用更加耐高温、耐磨损的传感器设备采集炉内重要的热工信号。

（3）主燃烧器合理选型与改造。依据锅炉“低氮高效”的燃烧目标，对锅炉的燃烧器进行有效选型和改造。尽管水平浓淡燃烧器与垂直浓淡燃烧器都可以实现对不同浓度煤粉的划分，但实际过程中还要依据分离比例、运行数据参数要求对燃烧器进行科学有效的选型。同时，在主燃烧器改造中，要确定好主燃烧器的标准高度，还要固定好四角风箱风道与挡板风箱的位置，将弯头、喷口全部更换，使其达到运行标准[7]。

2.2 燃烧优化调整

通过大量的研究分析可知，锅炉燃烧优化即通过调节影响炉内燃烧的关键操作变量来提高锅炉热效率，降低污染物气体的生成。当机组运行工况发生改变时，炉内的速度场、温度场也随之发生变化，需要通过合理调节来优化炉内各场的分布特性，达到均匀、合理的运行目标[8]。具体的燃烧优化调整措施如下：

（1）开展不同煤种煤粉细度燃烧调整试验。当煤粉细度过小时极易造成炉内燃烧着火提前，燃烧器的喷口出现结焦或燃烧损坏；而当煤粉细度过大时，则会引起着火滞后，导致炉内的燃烧效率大大降低，锅炉出力不足。试验得到不同煤种磨煤机出口分离器的挡板开度，通过调节挡板开度来改变入炉煤粉的细度。

（2）对燃烧器热负荷的均匀性进行试验，校正每台磨煤机出口流量。运行过程中火焰中心偏斜会引起炉内水冷壁局部高温，造成烟温和蒸汽温度偏差，水冷壁受热面受力不均，会导致水冷壁结渣和反常变形。

（3）依据机组不同运行负荷，匹配燃烧器运行个数。通过调整与机组负荷相适应的燃烧器个数，使炉内的温度场与速度场达到适宜，保障炉内煤粉的燃尽率。

（4）依据燃烧调节经验和试验结果，建立调节燃烧器二次风叶片开度的样本库。依据机组实际运行的负荷直接选取与其相匹配的燃烧器二次风叶片开度调节值，从而增大燃烧器外二次风的旋流强度，达到良好的烟气卷吸效果，使炉内着火稳定，燃烧稳定。

（5）开展氧量调节试验，设置不同工况下氧量调节经验表。氧量的大小，直接关系到锅炉的燃烧效率与污染物控制。不同负荷下最佳的氧量值，可以有效降低热损失之和，提高炉内燃烧性能，有效减少污染物气体的生成。

（6）对炉膛二次风的配风方式进行试验。在煤粉炉中通过优化调节沿炉高方向的二次风挡板开度，改变风粉量在炉内不同区域的燃烧份额，从而控制火焰的位置，调节炉膛出口烟温、灰渣可燃物含量、排烟温度及氮氧化物排放浓度等运行参数值。

（7）建立排烟温度修正公式。在锅炉尾部烟道中不可避免地存在漏风，在锅炉低负荷时漏风现象尤为明显，为有效降低漏风带来的负面影响，需要对锅炉不同负荷下的排烟温度测量值进行修正。通过对比在线测量的排烟温度值与实测的排烟温度值二者的拟合特性，建立起锅炉高、中、低负荷运行时的排烟温度修正关系式。

（8）对锅炉引风机调节性能进行优化。通过对锅炉引风机的优化，引风量可随锅炉负荷及送风量实现同步快速变化，使得炉膛始终保持在负压状态，充分保证锅炉安全稳定运行。

（9）整理出燃烧系统各子系统的燃烧优化调节规律，拟合出负荷与控制量之间的函数关系。基于大量的燃烧调整试验，得到各控制量与负荷、煤种的变化关系，从而为低负荷锅炉燃烧优化的自动调节奠定基础。

3 结语

随着火电机组广泛参与电网调峰，开展锅炉燃烧系统的运行优化将成为一项长期工作。在机组频繁地变负荷、变煤种运行过程中，燃烧系统运行的优劣不仅关系到公司的运营成本和效益，而且对于锅炉的使用寿命和安全性也有较大影响。因此，必须积极开展深度调峰下锅炉的燃烧优化工作，从而使运行人员积累燃烧调整经验，提高技能水平，促进火电厂长远发展。

本文介绍了当前煤粉炉机组燃烧优化的背景以及需要解决的核心问题，并依据燃烧优化理论提出了具体的燃烧优化改进措施，包括对燃烧系统投用设备的改进及燃烧优化调整的具体措施。燃烧优化调整措施包括对不同煤质的细度、浓度及输送流量特性进行试验，对不同负荷下锅炉氧量、二次风配风方式进行寻优试验以及通过试验建立排烟温度修正公式等，这一系列措施可使锅炉热效率与氮氧化物生成量这两个优化目标在机组参与调峰过程中达到理想的平衡状态。