300 MW燃煤锅炉燃烧优化调整研究

2024-03-08李一可刘建航

山东电力高等专科学校学报 2024年1期

李一可，刘龙，刘建航

（国家能源菏泽发电有限公司，山东菏泽 274032）

0 引言

锅炉制粉系统是火电机组主要耗电设备之一，存在设备老化、缺陷较多的现象，而且其重要辅机设备长期连续运行，经常处于低负荷及变负荷运行状态，偏离最佳经济运行状态，运行效率降低［1-2］。本文对某发电厂3号机组燃煤锅炉进行性能试验，并对燃烧方式进行优化调整［3］，选择最优的配煤掺烧方案，提高了锅炉的燃烧效率，对同类型机组运行具有借鉴意义。

1 基本概况

某发电厂3 号锅炉为亚临界、一次中间再热、自然循环加内螺纹管、单炉膛、W 型火焰、露天布置、固态排渣、平衡通风燃煤汽包炉。

该锅炉制粉系统配有3台双进双出钢球磨煤机，每台磨煤机有2个出料口，每个出料口各连接1台粗粉分离器，粗粉分离器出口的一次风管道在锅炉本体28 m 处通过分配器分为2 根。3 台磨煤机共有12 根一次风管道，每根管道连接1台旋风子分离器。煤粉燃烧器为直流缝隙式，共有24个，前后拱各12个，在每个煤粉燃烧器两侧各设置1 个二次风喷口。在锅炉前、后墙处各设置3 个二次风风箱，煤粉燃烧器在锅炉前、后墙处也各分为3组，每组4个燃烧器。

2 主要设备特性试验

2.1 动态分离器变频率试验

为掌握3台磨煤机动态分离器的特性［4］，分别在动态分离器频率为20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz时进行特性试验，煤粉细度分别为R90和R200，3 台磨煤机煤粉细度随动态分离器频率变化的情况如图1所示。由图1 可见，随着动态分离器频率的增加，A磨煤机和C 磨煤机出口煤粉的R90逐渐减小，煤粉逐渐变细，其动态分离器频率与煤粉细度的线性关系较好。在B 磨煤机动态分离器变频率试验过程中，动态分离器频率变化时，煤粉细度变化不是特别明显，且呈非线性变化，整体煤粉细度偏粗，对降低飞灰含碳量不利。

图1 磨煤机动态分离器变频率试验

2.2 磨煤机变出力试验

维持动态分离器频率为30 Hz，对A磨煤机、B磨煤机和C磨煤机进行变出力试验，试验结果如图2所示。随着磨煤机出力的增加，A 磨煤机煤粉细度R90呈增大趋势，磨煤机出口风温呈下降趋势，尤其是出力达到55 t/h时，出口风温已低于燃用煤种要求的出口风温最低值。磨煤机出力变化时，B 磨煤机R90的变化规律不明显，但在出力大于35.7 t/h 后，磨煤机出口风温呈降低趋势。磨煤机出力变化时，C 磨煤机煤粉细度变化不明显，但随着磨煤机出力的增加，磨煤机出口风温呈下降趋势。

图2 磨煤机变出力试验

由磨煤机变出力试验可知，当磨煤机出力小于40 t/h 时，磨煤机出力对煤粉细度的影响不明显；当磨煤机出力大于40 t/h 时，出口风温降低较为明显。出口风温对煤粉的着火和燃尽影响较大，因此在控制各台磨煤机的出力时，应考虑出口风温的高低，避免出口风温过低造成煤粉着火推迟现象［5］。

2.3 磨煤机加钢球后动态分离器变频率试验

由前述试验可知，随着动态分离器频率的增加，A 磨煤机和C 磨煤机出口的煤粉细度逐渐减小，且动态分离器频率在30 Hz 以上时煤粉细度才能满足R90≤5%的要求。在B 磨煤机动态分离器变频率试验过程中，煤粉细度变化不显著，且煤粉细度不满足R90≤5%的要求。随着磨煤机出力的增加，当磨煤机出力小于40 t/h 时，A 磨煤机的煤粉细度变化较小，且高出力下煤粉细度无法满足R90≤5%的要求，B 磨煤机在不同工况下煤粉细度均无法满足R90≤5%的要求，C 磨煤机煤粉细度可满足R90≤5%的要求。

针对当前磨煤机煤粉细度无法满足要求的问题，考虑机组燃用煤质复杂，煤质波动较大，常用煤种的干燥无灰基挥发分在10%～20%之间，以及后期运行中钢球的磨损状况，对磨煤机进行定量加钢球试验（A 磨煤机3 t，B磨煤机5 t，C磨煤机2 t），其中A磨煤机装配级配钢球，B磨煤机和C磨煤机装配普通钢球，试验结果如图3所示。

图3 加钢球后磨煤机动态分离器变频率试验

由图3 可知，添加钢球后，磨煤机特性改善明显，A 磨煤机、B 磨煤机和C 磨煤机出力为40 t/h 时，随着动态分离器频率的增加，煤粉细度在一定频率下均可满足R90≤5%的要求。综合考虑燃用煤质复杂，煤的挥发分、可磨性波动较大，灰渣含碳量高，可设置A 磨煤机动态分离器频率不低于35 Hz，B 磨煤机动态分离器频率不低于40 Hz，C 磨煤机动态分离器频率不低于35 Hz。加装钢球后磨煤机煤粉细度特性曲线良好。定期补充钢球，且装配级配钢球的A 磨煤机煤粉细度控制较好，电流比装配非级配钢球的B 磨煤机和C 磨煤机约小20 A，降低供电煤耗约0.2 g/（kW·h）。B 磨煤机和C 磨煤机也可以改装为级配钢球，尤其是B 磨煤机煤粉细度较粗，煤粉细度的线性特性较差，适合装配级配钢球［6］。

3 优化调整试验

根据上述特性试验结果，重点对锅炉运行氧量、不同负荷下磨煤机动态分离器频率、乏气风门开度、拱上二次风门开度等进行优化调整［7］。对每个工况下锅炉的热效率进行测算，实测排烟温度、运行氧量、氮氧化物含量。对锅炉热效率、氮氧化物含量等进行综合考虑，确定不同工况下锅炉的最佳运行氧量、风门开度、磨煤机运行方式等。

3.1 动态分离器频率优化

为选择合理的动态分离器运行方式，在机组300 MW 负荷下进行4 个不同动态分离器频率组合试验，运行氧量约为2.5%（实测值），T1-1 工况下，A磨煤机、B 磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别为30 Hz、35 Hz、30 Hz；T1-2工况下，A磨煤机、B磨煤机、C磨煤机动态分离器的频率分别为35 Hz、35 Hz、35 Hz；T1-3 工况下，A 磨煤机、B 磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别为35 Hz、40 Hz、35 Hz；T1-4 工况下，A 磨煤机、B 磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别为40 Hz、40 Hz、40 Hz。各工况下动态分离器变频率试验结果如表1所示。

表1 动态分离器变频率试验结果

T1-1工况下，锅炉热效率为91.86%，修正后锅炉热效率为91.80%，实测排烟温度为140.40 ℃，修正后排烟温度为138.60 ℃，干烟气热损失为5.38%，修正后干烟气热损失为5.63%，飞灰可燃物含量为5.25%，灰渣含碳量为0.40%，干灰渣未燃尽碳损失为1.94%。

T1-2工况下，锅炉热效率为92.15%，修正后锅炉热效率为91.85%，实测排烟温度为141.50 ℃，修正后排烟温度为137.10 ℃，干烟气热损失为5.29%，修正后干烟气热损失为5.59%，飞灰可燃物含量为5.16%，灰渣含碳量为0.36%，干灰渣未燃尽碳损失为1.90%。

T1-3工况下，锅炉热效率为92.22%，修正后锅炉热效率为92.02%，实测排烟温度为140.30 ℃，修正后排烟温度为138.10 ℃，干烟气热损失为5.44%，修正后干烟气热损失为5.70%，飞灰可燃物含量为4.35%，灰渣含碳量为0.30%，干灰渣未燃尽碳损失为1.59%。

T1-4工况下，锅炉热效率为91.93%，修正后锅炉热效率为91.87%，实测排烟温度为141.90 ℃，修正后排烟温度为139.30 ℃，干烟气热损失为5.38%，修正后干烟气热损失为5.63%，飞灰可燃物含量为4.86%，灰渣含碳量为0.30%，干灰渣未燃尽碳损失为1.78%。

随着动态分离器频率的增加，煤粉细度逐渐变细，飞灰含碳量、CO 含量和氮氧化物含量呈降低趋势，锅炉热效率呈先增加后降低趋势，一次风机出口风压逐渐增高，但在合理区间，主蒸汽温度、再热蒸汽温度、再热减温水温度、炉膛温度等参数无明显变化。在保证磨煤机风箱安全的前提下，综合考虑锅炉热效率、氮氧化物和炉膛温度，300 MW 负荷下A磨煤机、B 磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别设置为35Hz、40 Hz、35 Hz。

3.2 乏气风门开度优化

为确定合理的乏气风门开度，进行变乏气风门开度试验，运行氧量约为4%（实测值），A 磨煤机、B磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别为35 Hz、40 Hz、35 Hz。T2-1 工况下乏气风门开度为10%，T2-2 工况下乏气风门开度为20%，T2-3 工况下乏气风门开度为30%，T2-4工况下乏气风门开度为40%。各工况下变乏气风门开度试验结果如表2所示。

表2 变乏气风门开度试验结果

T2-1工况下，锅炉热效率为92.06%，修正后锅炉热效率为92.01%，实测排烟温度为134.57 ℃，修正后排烟温度为137.90 ℃，干烟气热损失为5.90%，修正后干烟气热损失为5.95%，飞灰可燃物含量为4.03%，灰渣含碳量为0.17%，干灰渣未燃尽碳损失为1.37%。

T2-2工况下，锅炉热效率为91.24%，修正后锅炉热效率为91.27%，实测排烟温度为134.23 ℃，修正后排烟温度为138.10 ℃，干烟气热损失为5.92%，修正后干烟气热损失为5.95%，飞灰可燃物含量为5.86%，灰渣含碳量为0.72%，干灰渣未燃尽碳损失为2.06%。

T2-3工况下，锅炉热效率为90.95%，修正后锅炉热效率为91.10%，实测排烟温度为133.27 ℃，修正后排烟温度为137.30 ℃，干烟气热损失为5.79%，修正后干烟气热损失为5.81%，飞灰可燃物含量为6.60%，灰渣含碳量为1.20%，干灰渣未燃尽碳损失为2.36%。

T2-4工况下，锅炉热效率为90.13%，修正后锅炉热效率为90.29%，实测排烟温度为133.73 ℃，修正后排烟温度为138.20 ℃，干烟气热损失为5.67%，修正后干烟气热损失为5.68%，飞灰可燃物含量为8.96%，灰渣含碳量为1.91%，干灰渣未燃尽碳损失为3.30%。

通过对比分析可知，300 MW 负荷下，运行氧量为4%左右，随着乏气风门开度的增加，飞灰含碳量呈增加趋势，氮氧化物含量、主蒸汽温度、再热蒸汽温度和炉膛温度整体呈下降趋势。关小乏气风门后，通过煤粉燃烧器的一次风量增加，火焰下冲刚性足、动量大，煤粉在下炉膛燃烧时间变长，有利于煤粉的燃尽。但是关小乏气风门，下炉膛温度高，热力型氮氧化物增加，炉膛出口烟温降低，主、再热蒸汽温度随之降低。综合考虑锅炉热效率、氮氧化物、蒸汽温度、飞灰含碳量以及对一次风母管安全性的影响，将乏气风门开度设置为20%，通过更加精确的乏气风门开度调整，确定最终的乏气风门开度：乏气风门B2 的开度为14%，乏气风门C4、B1 的开度为16%，其他乏气风门的开度为20%。

3.3 氧量优化

在合适的乏气风门开度与动态分离器频率下，进行变氧量试验。A 磨煤机、B 磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别为35 Hz、40 Hz、35 Hz。T3-1工况下，风量为320 kg/s，乏气风门开度为20%，燃尽风门开度为30%；T3-2工况下，风量为330 kg/s，乏气风门开度为20%，燃尽风门开度为30%；T3-3 工况下，风量为340 kg/s，乏气风门开度为20%，燃尽风门开度为30%。各工况下变氧量试验结果如表3所示。

表3 变氧量试验结果

T3-1工况下，锅炉热效率为89.97%，修正后锅炉热效率为92.01%，实测排烟温度为131.86 ℃，修正后排烟温度为139.10 ℃，干烟气热损失为5.82%，修正后干烟气热损失为5.79%，飞灰可燃物含量为9.48%，灰渣含碳量为0.68%，干灰渣未燃尽碳损失为3.42%。

T3-2 工况下，锅炉热效率为90.59%，修正后锅炉热效率为90.59%，实测排烟温度为128.79 ℃，修正后排烟温度为137.20 ℃，干烟气热损失为5.91%，修正后干烟气热损失为5.86%，飞灰可燃物含量为7.98%，灰渣含碳量为0.64%，干灰渣未燃尽碳损失为2.84%。

T3-3工况下，锅炉的热效率为90.87%，修正后锅炉的热效率为91.71%，实测排烟温度为128.05 ℃，修正后排烟温度为136.62 ℃，干烟气热损失为6.22%，修正后干烟气热损失为6.22%，飞灰可燃物含量为6.16%，灰渣含碳量为0.28%，干灰渣未燃尽碳损失为2.13%。

通过对比分析可知，300 MW 负荷下，随着氧量的增加，飞灰含碳量呈下降趋势，氮氧化物含量呈增加趋势，主蒸汽温度、再热蒸汽温度、再热减温水温度、炉膛温度等参数无明显变化。当二次风量为320 kg/s 时，省煤器出口存在一定量的CO，分析CO在线测量的历史数据曲线，发现CO 含量存在剧烈波动，说明炉内燃烧状况较差，处于欠氧燃烧状况［8］，对比T3-1、T3-3 工况，T3-1 工况下飞灰含碳量显著增加。当二次风量高于340 kg/s 时，机组氮氧化物含量已超过要求值。从燃烧状况和飞灰含碳量考虑，建议机组二次风量不低于330 kg/s，对应实测氧量（省煤器出口）为3.4%。

3.4 燃尽风门开度优化

增加燃尽风门开度有利于空气分级，减少氮氧化物的生成；减小燃尽风门开度有利于下炉膛的燃烧，有利于控制飞灰含碳量。在300 MW负荷下，进行了变燃尽风门开度试验。A 磨煤机、B 磨煤机、C 磨煤机动态分离器的频率分别为35 Hz、40 Hz、35 Hz。T4-1 工况下燃尽风门开度为30%，T4-2 工况下燃尽风门开度为40%，T4-3 工况下燃尽风门开度为50%，各工况下变燃尽风门开度试验结果如表4所示。

表4 变燃尽风门开度试验结果

通过对比分析可知，300 MW 负荷下，随着燃尽风门开度的增加，飞灰含碳量显著增加，氮氧化物含量明显降低，说明当燃尽风门开度超过30%时，锅炉空气分级效果明显，但飞灰含碳量偏高，干灰渣热损失大，严重影响锅炉热效率［9］，且当燃尽风门开度为50%时，再热减温水量有所增加，说明炉膛出口温度升高，炉内燃烧推迟，火焰中心上移。从锅炉热效率考虑，在保证氮氧化物不超标的情况下，机组300 MW负荷下燃尽风门开度不要超过30%。