300MW亚临界电站锅炉燃烧器优化分析

李庆华，刘存忠，李江涌，陆军，张健

（1.晋能控股山西电力股份有限公司，山西 太原 030006；2.晋能控股山西电力股份有限公司侯马热电分公司，山西 临汾 043000；3.晋能控股山西电力股份有限公司同赢发电分公司，山西 大同 037000；4.西安格瑞电力科技有限公司，陕西 西安 710032）

电网容量的大幅增长和负荷的频繁变化对电厂稳定燃烧提出了更高要求，我国主力调峰燃煤机组大多釆用直流燃烧器的燃烧方式。为提高机组整体经济性，锅炉燃用煤种普遍与设计煤种不符，配风方式、煤种特性和磨煤机的投运数量决定了燃烧器的工作状况，进而影响火焰燃烧情况。若不能保证火焰中心位置的合理分布，则易造成水冷壁结渣、高温腐蚀、超温爆管等问题，严重时甚至触发锅炉MFT 动作，引发熄火停炉等事故，对电网造成巨大冲击。因此，优化燃烧器燃烧工况对提高锅炉的稳定性和经济性具有重大意义。

本文针对某300MW 对冲燃烧锅炉，结合实际运行情况，研究分析了锅炉存在的问题及原因，并提出了相应的改造与优化方案。实际运行结果表明，改造后锅炉燃烧稳定性显著改善，燃煤适应性有效拓宽。

1 机组概况及问题

1.1 机组概况

本研究对象为国内某300MW 亚临界锅、一次中间再热、自然循环汽包锅炉，采用平衡通风、四角切圆燃烧方式，设计燃料为烟煤。

炉膛四角布置摆动式燃烧器。配有5 台ZGM95G-Ⅰ型中速磨煤机。燃烧器可以上下摆动，四角共装设十五层喷嘴、五层煤粉燃烧器、七层二次风、三层燃烬风。每层煤粉燃烧器周围配有周界风，在七层二次风之中配有三层轻油燃烧器。除三层燃烬风喷嘴由手动驱动作水平±12°摆动外，其余由摆动气缸驱动作整体上下摆动，一次风喷嘴可作上下各20°的摆动，二次风喷嘴可作上下各30°的摆动，以此来改变燃烧中心区的位置，调节炉膛内各辐射受热面的吸热量。喷口摆动由气动执行机构来实现，燃烧器部分设计参数见表1。

表1 燃烧器设计参数

对研究对象运行平均飞灰含碳、炉渣含碳进行持续统计可得，其2 月份最佳工况下平均飞灰含碳8.21%、炉渣含碳11.08%。

1.2 存在问题及原因

锅炉飞灰含碳量、大渣含碳量高，灰渣比失调，锅炉热效率降低。锅炉燃用煤种偏离设计值，来源不稳定，多为矿煤，并掺烧部分无烟煤，煤粉气流早期着火能力不强。煤粉细度变大，每台磨煤机出来的煤粉气流都是混煤气流，不同种类燃料存在“抢风”现象，对无烟煤、劣质贫煤燃烧燃尽不利，相应的着火燃烧和燃尽所需要的时间加长。而燃煤热值的降低迫使更多的燃煤参与燃烧，导致烟气量增大，燃煤颗粒在炉膛的停留时间变短，燃烧不充分。

燃烧器区域水冷壁高温腐蚀严重。从实际数据来看，燃煤硫含量均大于1%，最高达3%。在低氮燃烧模式下，炉膛燃烧器区域整体呈现为还原性气氛，加剧了还原反应。低氮改造后炉膛内燃烧动力场发生变化，一次风气流与二次风气流旋向相反，导致炉膛内气流紊乱，局部水冷壁缺氧严重，产生高温腐蚀。

锅炉低负荷稳定燃烧困难，机组深度调峰负荷仅能达到45%135MW。掺烧了无烟煤以及劣质贫煤，原燃烧器针对烟煤燃料设计，低负荷稳燃能力一般，且磨煤机为中速磨，煤粉细度为R90，较粗的颗粒表面无法与氧气充分接触，也不利于燃烧。

后屏再热器局部测点温度接近报警值，锅炉减温水使用量大。低氮改造后炉膛出口气流紊乱，局部烟温偏差大，且掺烧贫煤、无烟煤后，存在抢风问题，存在一定程度的燃烧滞后现象，炉膛出口烟温偏高，从而导致后屏再热器局部壁温偏高，减温水量大。

2 燃烧器改造

2.1 改造思路

针对实际燃用煤质掺烧无烟煤，煤粉细度变大、粉管风速变大的情况，在重新设计一次风燃烧器时，应设置高浓缩比的百叶窗水平浓淡浓缩装置以提高煤粉浓度；增强回流钝体卷吸高温烟气来提高煤粉温度；从适当扩大燃烧器喷口面积、降低煤粉射流速度等方面着手，实现提前着火，加强煤粉燃烧的燃尽和稳定性，从而在保证NOx排放的同时降低飞灰含碳、提高燃烧器低负荷稳燃能力。

针对目前主燃烧区高温腐蚀严重的情况，取消一次风燃烧器浓侧反切设计，将一次风射流方向改为与二次风气流一致；重新设计主燃烧区域二次风喷口，适当缩小二次风喷口面积，同时减少二次风喷口的无组织漏风；对周界风风门进行改造，减小周界风风门挡板进风面积，提高周界风风门的调节特性，减少煤粉风室的漏风。通过上述措施，可以加强炉内切圆组织，实现“风包粉”，有效缓解高温腐蚀的同时对煤粉的燃尽和稳燃有促进作用。

针对目前存在的后屏再热器局部壁温偏高的情况，应重点加强一次风燃烧的着火和燃尽，将SOFA 燃烧器气流由对冲燃烧方式更改为切园燃烧方式，原来气流发散的SOFA 喷嘴更改为气流刚性更好的SOFA 喷嘴，4 个SOFA 整体摆动的方式更改为单个SOFA 单独手动摆动的方式。如此，可以降低炉膛火焰中心和炉膛出口烟温偏差，增加运行过程中的调整手段，有效控制后屏再热器局部壁温偏高的情况。

2.2 改造方案

维持SOFA 风四层布置方式+标高不变，SOFA 燃烧器气流由对冲燃烧方式更改为四角切圆燃烧方式。为方便现场操作人员操作，将4 个SOFA 整体摆动的方式更改为单个SOFA 单独手动摆动的方式。一次风射流方向改为与二次风气流一致，可加强切圆混合燃烧强度，同时减弱燃烧气流紊乱现象，提高锅炉效率以及改善后屏再热器局部壁温偏高问题。低氮燃烧改造后，主燃烧器区域二次风量已不足，一次风气流与二次风气流相反，会使主燃烧器气流旋转减弱，违背了四角切圆燃烧的基本原理。改造后SOFA燃烧器切圆布置图见图1。

图1 改造后SOFA燃烧器切园布置图

将原来气流发散的SOFA 喷嘴更改为气流刚性更好的SOFA 喷嘴，改造前后对比图见图2。

图2 SOFA喷嘴修改先后对比图

一次风燃烧器采用高浓缩比的百叶窗水平浓淡浓缩装置，一次风喷口采用预热强回流燃烧器，可提前预热煤粉，提高燃烧器的低负荷稳燃能力，从而满足锅炉深度调峰的要求，也可降低飞灰和大渣含碳量，有利于提高锅炉效率，详见图3。

图3 一次风燃烧器立面图

磨煤机改造后，磨煤机通风量增加，需调整二次风喷嘴面积，采用摆动少漏风喷嘴设计，减少燃烧器漏风，提高二次风箱风压，提高燃烧器二次风气流刚性，满足二次风总量少工况下低氮燃烧模式。

对所有主燃烧器和SOFA 燃烧器的风门进行检查维修，减少漏风，确保风门的位置与标牌指示位置与DCS 显示的位置一致。改造周界风风门，减小挡板进风面积，提高调节特性，减少煤粉风室漏风，详见图4。

图4 煤粉周界风风室风门改造示意图

3 治理效果

改造后在负荷分别为180MW、220MW 和270MW 工况下测试锅炉热效率，其中，燃煤低位发热量均为17985kJ/kg，化学未完全燃烧损失均为0。测试结果见表2。

表2 锅炉部分参数测试结果

结果表明，改造后的三种典型工况飞灰含碳量降幅均在1%以上，大渣含碳量降低超过3.5%，折算后排烟温度降低10℃，修正后锅炉热效率分别为87.88%、87.68%、87.88%，脱硝入口NOx（干标6%O2）实测平均值分别为397.50mg/m3、391.80mg/m3、391.70 mg/m3。

为检验燃烧器区域水冷壁高温腐蚀治理效果，于2022 年检修期、2023 年检修期对高温腐蚀严重区进行了厚度测量，各区域测厚数据统计如表3和表4所示。

表3 高温腐蚀区2021-2022年壁厚减薄量

由表3、表4 实际测量结果可知，燃烧器改造后最大月均厚度减薄量由0.2117mm 减少至0.0408mm，且水冷壁左右墙的月均减薄量之比由1.049 降低至1.038，减薄速率更加接近，火焰中心位置得到有效调整。

4 结论

受煤炭市场影响，我国调峰燃煤机组实际燃用煤种普遍与设计煤种不符。本文采取采百叶窗水平浓淡浓缩装置、改变燃烧方式、调整二次风喷嘴面积、改进SOFA 喷嘴、减少漏风等措施，对机组燃烧器进行综合优化。实际运行结果表明，锅炉热效率明显提升，低负荷燃烧稳定性大大增强，飞灰含碳量、脱硝入口NOx实测平均值有效降低。大幅降低水冷壁高温腐蚀区腐蚀速率，减少受热面爆管、换管次数，进一步提升机组安全性和经济性，对拓展燃煤适用种类具有重大借鉴意义。