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郑州热电厂670 t/h锅炉双稳燃宽调节浓淡煤粉燃烧器应用

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• 　　0　前言
  　　郑州热电厂670t/h锅炉原最低稳燃负荷为160MW，1994年改为船体稳燃器后可达140MW，根据调度要求200MW机组调峰能力要达到25%～45%。在此负荷下机组运行极不安全，同时又要耗费大量助燃用油。由于我国燃油气资源紧缺，价格上涨，为降低发电成本，节约助燃用油，电厂也一直在寻求低负荷下煤粉的稳燃技术，提高低负荷稳燃能力及运行的安全性和经济性。
  　　国产670t/h锅炉普遍存在低负荷稳燃能力差的情况，从锅炉厂出厂的锅炉配套燃烧器大多经过改造，曾改造过预燃室、大速差、钝体、双通道等，虽在一段时期内取得过良好的效果，但现已不能满足更低调峰负荷时稳燃的生产实际要求。目前，各科研单位正在研制各种新型燃烧器，以满足低负荷稳燃、高效、低NOx燃烧，然而，我国目前电站锅炉燃用煤种往往偏离设计煤种，并且煤质变化较大，对锅炉运行带来很大困难，煤质差时，低负荷稳燃能力差；煤质好时高负荷着火过于提前，造成燃烧器出口温度偏高，以致引起燃烧器喷口结焦，甚至烧坏，因而要求燃烧器具有广泛的煤种适应性。
  　　我厂4号炉投产后，煤种变化频繁，随之带来燃烧调整困难，稳定性差的问题，并常发生喷口烧坏情况，特别是在低负荷时，要投油稳定燃烧，虽经努力使锅炉可以120MW断油运行，达到了船体的最好水平，但仍不能满足调峰需要，影响了机组安全经济运行。
  　　我厂经过广泛调研后，决定采用浙江大学热能工程研究所研制的双稳燃宽调节浓淡煤粉燃烧器，双稳燃可调浓淡煤粉燃烧技术在低负荷时采用浓缩煤粉及翼形稳燃器，在高负荷及煤质变好时，调节煤粉浓淡比，直至不浓缩，并采用中心调节风防止喷口结焦及烧坏，同时配以喷口超温报警系统。
  　　1　设备概况
  　　型号：WGZ670/13.7-2型，中间再热、自然循环、燃煤汽包炉；汽包压力：15.33MPa。
  　　过热蒸汽流量：670t/h；出口蒸汽压力：13.7MPa；出口蒸汽温度：540℃。
  　　再热蒸汽流量：587t/h；蒸汽压力(进口/出口)：2.63/2.38MPa；蒸汽温度(出口/进口)：312/540℃。
  　　配套汽轮发电机额定功率：200MW。
  　　制粉系统：4套钢球磨中间储仓制热风送粉系统。
  　　排渣方式：固态排渣。
  　　设计煤种(70%新密贫煤、30%义马烟煤)：Car=54.41%、Har=2.74%、Oar=6.17%、Nar=0.84%、Sar=0.40%、Aar=26.3%、War=9.14%、Vdaf=25.79%、Qnet.ar=20385.5kJ/kg。
  　　设备布置：炉膛四角布置直流式煤粉燃烧器，炉膛宽深为11920/10800(mm)，采用双切圆直径为542mm和792mm，逆时针旋转，燃烧器分上下2组，共4只一次风口(一、三层为船体燃烧器)，6只二次风口和2只三次风口，燃烧器采用均等配风方式，炉膛上方布置前屏过热器，后屏过热器，水平烟道中依次布置高温过热器和高温再热器，其后的尾部烟道竖井，分别布置了低温再热器、省煤器和低温过热器、省煤器，在省煤器的下方装设了烟气调温档板以调节再热汽温，管式空气预热器布置在省煤器后的尾部烟道中。
  　　2　双稳燃宽调节煤粉燃烧技术原理
  　　双稳燃宽调节煤粉燃烧技术由可调浓度撞击式浓淡分离器和带翼形稳燃器的喷口组成，图1为可调浓度撞击式浓淡分离器的示意图。当气粉混合物流过导向挡板时，由于惯性及离心力作用，煤粉颗粒在一侧浓集，而另一侧形成淡粉气流，根据试验结果，浓淡侧煤粉浓度比例可达10～12∶1，浓淡两侧速度基本均衡，当导块高度改变时，浓淡两侧煤粉浓度发生变化，以适应煤种变化的要求(见图2)，在保证煤粉输送所需一次风率的前提下，将浓煤粉布置于向火侧而将淡煤粉布置在背火侧。在一定范围内，提高煤粉浓度可以降低一次风的着火温度和着火点，可缩短一次风着火时间并可以提高火焰的传播速度，因此可以起到强化着火和稳定燃烧的目的；另外因为水平浓淡在炉内形成水平方向上的分级燃烧也有利于降低NOx的排放量。为了进一步加强稳燃效果，喷口设计成带翼形稳燃器(见图3)，依靠浓淡分离器和翼形稳燃器在喷口下游产生三维分布的多个煤粉浓集带(向火侧垂直面，回流边界水平面)，向火面烟气加强，很快着火。它们相互引燃，从而大幅度提高稳燃效果，该技术还可通过调节浓淡分离效率，控制煤粉着火点距离，防止着火过近或局部温度过高而带来的喷口烧坏或炉内结渣问题。
  　　本技术具有以下优点：(1)调峰幅度大；(2)着火点位置可调节，煤种适应性广。
  　　3　制订改造方案
  　　合同要求下组第1层改为浓淡燃烧器，在50%及以上负荷运行时燃烧稳定，不投助燃油枪，改造后锅炉效率要有所提高。改造设计煤种按可燃基挥发份14%～20%、灰分38%以下考虑，为适应煤种变化，浓淡燃烧器应有一定的调节范围。于1998年4～5月4号炉大修期间进行了具体的改造实施。
  　　喷燃器改造方案：
  　　3.1　只对下组燃烧器第1层一次风进行改造。具体理由为：(1)对200MW锅炉，当锅炉在100MW负荷运行时，一般停用上组燃烧器；(2)根据燃烧原理，炉内有1层一次风着火稳定，将改善整个炉膛的着火稳定状态。因而改下组燃烧器的一层，可达到预期的稳然目的，现第2层燃烧器要改为节油燃烧器，故只有改下组燃烧器的第1层。
  　　3.2　对下组第1层一次风，自弯头后直段至喷口全部进行改造，该层改造的主要技术措施为：(1)采用可调导向式浓淡分离器将煤粉分成浓淡两股，浓侧引向向火侧，淡侧引向背火侧，以强化低负荷稳燃性能，设计时按浓侧煤粉浓度：淡测煤粉浓度为10～12∶1。对更易烧的煤种则通过调节分离器挡块高度来降低分离效果。(2)在喷口内加内置稳燃器，以保证低负荷稳燃性能。(3)内置稳燃器横置，以提高气流刚性，优化回流区结构，防止炉内及喷口结焦。
  　　3.3　在喷口两侧设计贴边风以保护喷口，一侧贴边风引入稳燃体中心以调节煤粉着火距离，防止喷口和炉内结渣，将原锅炉的侧二次风箱去除，原侧二次风箱位置改为贴边风通道，贴边风自二次风箱内引出后在连接管道上加装调节阀门，用来调节贴边风量。
  　　3.4　根据设计煤质设计和计算喷口出口面积。为保证喷口寿命，喷口部分采用兴化市铸钢厂生产的HH2材料(引进美国钢种，耐温1100～1300℃)，厚度采用15mm，并在喷口上加装热电偶，用来监测喷口温度。
  　　3.5　不改变喷燃器假想切圆直径。改造后，在冷态空气动力场试验同时进行一次风调平工作。
  　　4　实施改进方案
  　　为保证喷口使用寿命，喷口部分采用耐热合金铸钢，厚度为15mm，可调部分易损面和稳燃器迎风面贴防磨陶瓷，这次大修一、二、三次火嘴计48只全部要更新重装，近几年火嘴烧坏较多，这次重新安装，对角度位置等进行了标定调整，从而保证了安装质量，为减少火焰中心偏差创造了条件。
  　　根据设计煤质设计和计算喷口出口面积，通过计算，将下层二次风喷口加高80mm，施工时由于位置不移，加高了60mm。
  　　5　改造后的试验
  　　5.1　冷态调平试验
  　　试验主要目的验证燃烧器改后炉内空气动力情况，同时达到一、二次风风速和风量的调平，通过试验得知底层一次风口装浓淡分离器后浓淡两相风速差基本均衡，甲、乙角的浓淡侧风速差由于一次风管弯头与分离器的作用而较大，在热态调试中通过降低挡块高度的方法使风速差基本均衡，调节喷口中心风能有效地破坏回流区，达到保护喷口的作用。
  　　5.2　热态调平试验
  　　调平四角风量，确定最佳炉内工况，为运行人员组织燃烧提供依据，试验进行了140MW和160MW2种工况，根据测量结果，炉内温度均匀性比改造前有所改善，试验确定了试验工况下的推荐风速、浓度和风门开度。
  　　5.3　热效率试验
  　　为比较改造前后的锅炉效率，试验测定了满负荷和中等负荷下的效率，结果表明，改造前后2种工况下的效率分别为89.80%、91.88%和89.33%、91.89%，分别提高了2.08%和2.56%，均达到锅炉设计热效率。
  　　5.4　低负荷运行试验
  　　1998年5月大修完毕投入生产运行后，于5月22～24日分别进行了3次低负荷试验，每次试验稳定运行时间约为6～7h，负荷在95～108MW之间，试验观察了燃烧器出口着火情况，在10～25m层对炉膛进行了燃烧火焰的测量，火焰温度采用红外测温仪测量，试验时煤质如下：Mar=9.1%，Aar=29.72%，Vdaf=17.10%，Qnet,ad=20376kJ/kg,试验得出如下结论：(1)带100MW负荷，运行最下层8只火嘴，第2层二次风开度保持在50%，以充分发挥浓淡燃烧器作用。(2)制粉系统2套或1套运行。(3)下层给粉机，风速保持在20m/s左右，浓度在0.5～0.9kg/kg。(4)配风时应使炉内温度分布均匀，并及时补充燃烧所需氧量。
  　　试验表明，在50%额定负荷时，锅炉工作正常，燃烧室负压稳定，火检指示明亮不闪动，汽压汽温稳定，未发生一次风堵管、结焦等，但毕竟炉内热负荷大大降低炉内火焰比投油助燃稍稍拉长一些也是正常的，已经满足了机组50%负荷不投助燃油的需要，改造是成功的。
  　　6　改造后的运行效果
  　　半年多的运行实践表明，燃烧器能较好地组织炉内燃烧，提高了锅炉低负荷的稳燃性能，使锅炉能够在低负荷下长期运行，并能承受切换制粉系统的干扰，抗干扰能力强。
  　　6.1　燃烧稳定性方面。煤粉着火良好，炉膛负压波动较小，汽温汽压稳定，未出现明显结焦现象，至今未发生灭火，偶尔还有燃烧不稳现象，这一般发生在煤质突变之际。
  　　6.2　运行方面。燃烧器改进前，即使投油助燃时，也发生过燃烧波动情况。燃烧器改进后，调整手段丰富，在低负荷时燃烧也非常稳定。
  　　6.3　节约燃油方面。燃烧器改进前，调峰时带120MW负荷，在140MW负荷下需投油助燃，平均调峰用油1.920t/h。改进后调峰时带100MW负荷，不需投油稳燃，平均调峰用油0.209t/h。
  　　据统计调峰用油量每小时减少1.7t，按每年调峰120d，每天6h，每吨燃油2000元计，每年可节省燃油折合245万元，考虑到助燃油量的减少，实际节油费还不止245万元，经济效益