望亭发电厂11号炉炉膛出口烟气偏差改造实效

1　设备概况
    望亭发电厂11号炉系上海锅炉厂九十年代中期设计生产的引进型300MW控制循环锅炉。采用了美国燃烧工程公司GE的引进技术，锅炉为亚临界压力一次再热的控制循环炉，配置了5台HP中速磨直吹式制粉系统。采用了单炉膛、四角切向燃烧方式、露天布置、全钢架悬吊结构。
    锅炉燃烧系统采用了四角布置、同心反切燃烧器结构。燃烧器喷嘴，应用了浓淡分离宽调节比WR型形式。一次风通以周界风，周界风作喷嘴的冷却风，并控制燃料着火点，一二次风喷嘴采用间隔布置的方式。每只燃烧器风箱分成十二层，从底部到顶部第二、四、六、八、十共五层风室为燃烧风室布置了煤粉喷嘴。第三、五、九三层风室为重油枪喷嘴，重油枪总出力可满足锅炉40%BMCR负荷。顶部二次风喷嘴用于控制NOx排量，在底部风室还设有一层轻油暖炉油枪。
    锅炉燃烧器采用了逆时针旋转方式，2#、4#角为对冲布置，1#、3#角为正切12度运行，假想切圆直径约Φ1200mm，第七层CD层二次风喷嘴为反切25度。一次风燃烧器喷嘴可上下摆动±20度，二次风可上下摆动±30度。
2　锅炉主要技术参数
1、最大连续负荷BMCR工况及额定负荷ECR工况

2、煤质资料

3望亭发电厂11号炉两侧烟温偏差存在的主要问题及原因分析
    望亭发电厂11号炉炉膛出口两侧烟温偏差的主要问题是:
    ①低温再热器出口工质温度左侧为325℃，右侧为376℃相差了51℃(99/4/1)。
    ②高温再热器管屏第6、7根管出口工质混合温度左右两侧偏差较大达到了28℃,左侧为539℃，右侧为567℃(03/7/31)。高温再热器后两侧烟气温度左侧为718℃，左侧为828℃,偏差达到了110℃之高。
    根据高温再热器第6、7根出口工质混合温度，计算机的记录统计，最高达到了582℃，已明显超过了设计计算最高外壁温度571℃和材料设计允许温度580℃。以致造成了2003年5月12日11号炉高温再热器右侧第6排第七套管严重超温爆管吹损了四排管屏，经现场金相检验发现高温再热器右侧1-20排管屏，其Φ63×4mm材料为12Cr1MoV的管子达到了4-5级球化，管材明显发生了劣化。11号炉烟温偏差的情况已严重影响了望亭发电厂11号发电机组的安全正常运行。
    根据有关经验与试验数据综合分析，究其原因主要为炉内残余旋转气流的影响所致。四角切圆燃烧炉内旋转上升的气流，在炉膛出口还存在相当强的残余旋转烈度。锅炉容量越大，表现越明显，从而导致对流烟道左右两侧的烟速和烟温的偏差，导致高温过热器和高低温再热器两侧的传热系数与温压的偏差，导致两侧的传热系数与温压的偏差。当管壁温度长期或短期严重超过管材最高许用温度时，高温过热器或高温再热器就将发生超温爆管故障。
4为改善望亭发电厂11号炉两侧烟气偏差的探讨与对策
    要改善锅炉炉膛出口两侧烟气偏差，一般可以从设计、运行和冷态炉内空气动力场试验及热态锅炉燃烧调整等多个方面进行。
   （1）在锅炉设计上要改善炉膛出口两侧烟气偏差，可将炉膛中上排燃烧器气流作反切喷射，以平衡抵消炉膛上部的旋转气流即达到零旋强。对已投产的锅炉要使改造工作量不致太大而取得较好的效果，一般可将中上部二次风改为反向旋转来抵消燃烧区的正向旋转气流。关键是取用多大的反向动量才能达到我们预期的良好效果。取小了不起作用，取大了将引起反作用。再者反向切圆该取多大才合适，反向切圆和动量大小两者互为关联。这些问题在冷态模拟试验中证实的确有所成效，但在锅炉热态运行中直接进行实际应用验证，仍然还存在着一定的差异和风险。
   （2）在锅炉运行中要改善炉膛出口两侧烟气偏差，还应加强对燃烧器四角各层煤粉管内煤粉浓度的调整和控制。当锅炉燃烧器四根煤粉管风量，冷态调试平衡时，进而热态调整煤粉浓度达到均匀，从而使进入炉膛的燃料量和一次风动量趋于均衡就显得较为重要了。为此望亭发电厂11号炉5台HP型磨煤机中有四台出口加装了可调节的煤粉分配器，使得11号炉燃烧器四角各层煤粉管内煤粉浓度偏差控制在7.55%、风量偏差控制在5.03%以内。为改善炉膛出口两侧烟气偏差创造了良好的条件。
   （3）在锅炉热态调试与锅炉运行变负荷调整中也应注意对燃烧器四角切层的控制。燃烧器燃料量的停、投、增、减，配风、调风应注意四角同层均匀，避免缺角燃烧等运行方式。燃烧器四角切层控制时应充分考虑投层或切换相邻层燃烧器时的风、煤、油量的逐渐递增递减，要达到平缓衔接，防止风、煤、油量出现突变，以达到锅炉内燃烧过程的稳态过渡。再则锅炉燃烧器喷嘴的合理摆动，上部二次风的适当下压运行等等，对改善炉膛出口两侧烟气偏差也是至关重要的。这需要锅炉热态调试与运行调整过程中不断地摸索出一套符合锅炉设备实际运行工况的行之有效的办法，并持之以恒地进行调整控制。
在锅炉热态调试与锅炉运行调整方面经实际调节，确实均达不到应有的效果时，就只能对锅炉设备进行改造了。综前所述，要改善锅炉炉膛出口两侧烟温的偏差较为有效的方法是将中上层的二次风改为同心反切结构。然而要确定改造几层燃烧器与二次风喷嘴，确定采用多少大的反向切圆角度。这就是我们要对燃烧器进行改造研究，所做的课题了。
5望亭发电厂11号炉燃烧器改造的技术特点
    要改善望亭发电厂11号炉炉膛出口烟气偏差，理想的目标是将燃烧器一二次风正反切动量达到最佳的平衡点。使炉膛出口的烟气速度、浓度、热负荷偏差得到明显改善。要达到这样的理想目标就必须对11号炉原有的燃烧器特点进行分析，查找出设计布置上的不足之处，针对性地进行设备改造。在对11号炉燃烧器各层布置，反正切角度进行检查分析时，我们发现整个燃烧器消旋二次风仅设置CD层一层，反切了25度，且布置在第七层。对反正切动量平衡作用不大。根据炉膛出口烟气偏差高达110℃这一实际情况，我们认为必须在燃烧器上部二次风喷嘴增加同心反切动量以平衡一次风正切的动量。随着设计制造技术的不断发展，最新已开发出三维摆动直流式燃烧器喷嘴，但在国内300MW机组锅炉上尚未正式投用。此次望亭发电厂11号炉燃烧器改造，为了达到锅炉在运行中正反切动量平衡可调的目标我们大胆选用了最新研制开发的三维摆动直流式燃烧器。三维摆动直流式燃烧器除了可随摆动执行器作上下整组摆动外，还能通过手动调节作水平方向左右摆动，其喷嘴可调节范围为0-25度反切。
    为了保持气流旋转方向的稳定和改造工作量不致太大，燃烧器下部AA层、AB层、BC层等各层一、二次风喷嘴均不作改动。仅对最上部EF、FF二层二次风喷嘴作了改造，使对炉内气流旋转强度的调节不必通过风量分配进行调节，从而将炉膛出口烟温偏差减至最小而仍保持比较理想的燃烧工况。
    三维燃烧器的另一个特点是通过燃烧器水平摆动可将不同煤种在不同工况下燃烧的二次风和主气流的混合控制在较佳的瞬间，使一部分氧化氮NOx在燃烧过程中还原成N2，既形成低氧化氮NOx排放，又不使燃烧不完全损失增大。同时为了防止锅炉炉膛结焦和高温腐蚀，二次风可适当偏向炉膛四壁，形成富氧区又不使气流严重冲刷水冷壁，将三维燃烧器进行适当的水平偏转调节，亦可达到相应的效果。
6望亭发电厂11号炉炉膛出口烟气偏差改造实效
望亭发电厂11号机组于2003年10月16日-11月28日大修中对11号炉燃烧器实施了改造，按改造方案将燃烧器最上部二次风EF和FF层改可上下和水平摆动的三维燃烧器。改造后三维燃烧器上下调节冷态放在水平位置，左右调节暂时放在反切15度，即反切最大可调角度的中间位置。机组投用后各项运行参数与大修前相比较，锅炉炉膛出口烟气偏差明显改善，从原来的左侧718℃右侧的828℃下降到743℃与797℃，偏差缩小为54℃(03/12/14)。进一步调整二次风风量与角度，做好锅炉热态燃烧调整试验，可进一步缩小烟温偏差。根据锅炉设备实际运行工况控制好大风箱压差，二次风开度作适当调整，如二次风主控风量开度25%，FF层开度23%，ABCD四台磨运行300MW负荷时，高再前烟温左侧715℃右侧为754℃，偏差缩小为39℃(03/12/4  10:35)。由此可见望亭发电厂11号炉燃烧器经过改造，EF、FF层二次风选用三维摆动燃烧器后，炉膛出口烟气温度偏差得到了明显的改善，取得了一定的效果，但离炉膛出口“零旋强”准则（即以部分燃烧器喷嘴产生的主燃烧所需的旋转强度，与另一部分辅助风喷嘴配置不同的反向旋转角产生的反旋气流相平衡，以减弱沿炉膛旋转上升气流的旋转强度。同时加强炉内气流扰动促进煤粉充分燃尽，使炉膛出口处的残余旋转强度趋向于零，让进入水平烟道内的气流成为平行气流。）进一步减小烟气侧的热力偏差，达到最佳状态还有一定的差距，尚需进一步调整摸索和设备的完善。
7　结束语
   在现代300MW、600MW机组大容量锅炉中，四角切圆燃烧技术得到了十分广泛的应用。四角切向燃烧技术能维持锅炉着火状态稳定运行，使锅炉各工况的调节基本安全稳定，适应于多种煤种，较适合我国煤资源丰富而煤种多而杂的国情。随着锅炉容量与体积的增大，炉膛出口水平烟道的加宽，锅炉炉膛出口烟气热力偏差和蒸汽温度的偏差问题已引起了有关专业人员的广泛关注和研究。望亭发电厂11号炉根据设备实际运行情况，高温再热器前烟温偏差达110℃以致导致高温再热器左侧超温爆管的严重现状，针对燃烧器的不足之处作了适当的改进，锅炉烟温偏差得到了较明显的改善。为了取得更好的效果，我们还需作进一步的深入研究调整和改进。