双稳可调浓淡燃烧器在 670 t/h贫煤锅炉上的应用

　　由于河南省电网峰谷差逐渐增大，使大型发电机组参与调峰日趋频繁，降低调峰助燃用油已成为当务之急。为此各科研部门开发出了多种型式的低负荷稳燃装置，并已广泛用于各种炉型。为使锅炉能在低负荷时稳燃，一般采用两种方法，即热回流技术和浓缩煤粉技术来实现强化煤粉的加热和着火过程，其所需要的热源取决于火焰和炉墙的辐射热以及高温烟气回流的对流热，而对流热又起着主导作用。为使煤粉迅速点燃而且又能稳定燃烧，在炉内要有一个高煤粉浓度、高温以及高扰动度和高氧浓度的燃烧区域，在该区域内煤粉不断点燃、燃烧并逐渐趋于稳定。

1　双稳可调浓淡燃烧装置

　　为了达到上述目的，我公司与浙江大学热能工程研究所针对燃用贫煤的锅炉共同研制出适合于燃用贫煤的双稳可调浓淡燃烧装置。由于煤粉气流冲击到可调的流线型挡块上产生转向，煤粉颗粒的惯性远远大于空气的惯性，而使煤粉在浓侧聚合，将煤粉分成水平浓淡两股，使大部分煤粉进入浓侧管道，剩余小部分煤粉进入淡侧管道，实现浓淡分离。四角喷燃锅炉一次风布置型式一般都有 2 个角的煤粉经弯头转向后浓侧进入背火侧，淡侧进入向火侧，造成不利于高煤粉浓度燃烧的条件。双稳可调浓淡燃烧装置具有导向功能，可使 4 个角的煤粉气流全部浓侧向火、淡侧背火，从而实现煤粉的浓缩燃烧，达到高煤粉浓度的条件。
　　在燃烧器出口处加装钝体，使煤粉气流在其后形成回流区，着火后的部分高温烟气经卷吸回流至钝体前方，为后续煤粉气流着火提供附加热源，有利于煤粉迅速点燃。将钝体设计为波纹形状是该型燃烧器的又一大特点，使回流后的高温烟气与以后的一次风气流加强了扰动，在钝体附近同时形成了一个既有较高温度场，又有高扰动度的区域。其综合作用使向火侧形成一个高煤粉浓度区。在钝体外壁上，由于煤粉颗粒的附壁效应，亦存在一个高煤粉浓度区，这样在喷口附近形成了局部空间交叉的两个高浓度区，同时出现在向火侧的高温回流区域内。横置式波纹钝体又增加了扰动能力，煤粉在上述复合作用下形成相互交叉又相互影响的多个着火带，由此便在喷口处形成了适合于煤粉点燃的三高区，在炉内既吸收辐射热，又吸收对流热；在理论上既采用了热回流技术，又采用了煤粉浓缩技术，该型燃烧器故称之为双稳燃烧装置。
　　本公司锅炉设计燃用(30～40)%小矿煤，煤质变化较大，为适应煤种及调峰需要，设计燃烧器挡块高度0～145 mm，且为可调式，改变挡块高度即可改变煤粉浓度比。另外在钝体中心加入了调节风，其风速由装在管道上的测速管控制，当煤质较好或高负荷时投入调节风可破坏回流区，以降低喷燃器出口处壁温，可防止燃烧器烧坏。该型燃烧器的特点在于同时采用了上述双调节方法，在喷口浓淡两侧各装有温度显示及报警系统，当壁温超过设定温度时即出现报警信号，可采取降低煤粉浓淡比或投入调节风的方法来保护喷燃器。燃烧器装置如图1所示。
 

图 1　双稳可调浓淡燃烧装置结构图

2　安装及调试

2.1　概况
　　本公司 2 台炉均系哈尔滨锅炉厂生产的HG670/13.7-PM10 型，一次中间再热单汽包自然循环固态排渣煤粉炉，配 200 MW汽轮发电机组。燃用鹤壁贫煤，无油最低稳燃负荷为 145 MW。制粉系统采用钢球磨中间储仓式热风送粉。采用四角布置直流式燃烧器，四组燃烧器在正方形炉膛中心形成D800 呈顺时针旋转的假想切圆。整组燃烧器高度为 9.86 m，每组燃烧器分别由 4 个一次风口，7 个二次风口、2个三次风口和 2个油燃烧器组成，如图2所示。
 

图2　燃烧器布置示意图

2.2　浓淡燃烧器改造前运行情况
　　2号炉于 1992 年3月19 日移交生产，截止 1998 年3月小修前已运行39547 h，累计发电量69.4 亿kW.h。由于实际燃用煤量的50%来自地方煤矿，其煤种多变，煤质较差，煤场又无专用混煤设施，上煤不均匀时会影响燃烧稳定性。中间两层一次风之间有一油喷嘴和2个二次风风口，使该两层一次风之间距增大到 2.54 m，煤质差时燃烧稳定性会减弱。再者，上三次风口距上一次风口3.19 m，当低负荷停上排一次风时，则上三次风口距第二层一次风口距离增大到4.23 m，三次风中煤粉可能形成断层燃烧，三次风温低且风速较高，对燃烧的稳定性不利，为此，每年要消耗大量的助燃用油。
　　随着管理制度的完善，运行整体水平的不断提高，节油奖励制度的实施，对进厂煤质加强了控制，使助燃油量逐年减少。但到1997 年下半年以后，50% 额定负荷调峰量逐月增大，助燃油量又大幅度上升。为提高企业的经济效益和适应电网调峰的需要，以降低助燃油量为目的，改造成既适应多煤种又能达到低负荷稳燃的燃烧器已迫在眉睫。经多方调研、考证和计算，确定改为双稳可调式燃烧器。
2.3　改造简况
　　1997 年 12 月首先对 2 号炉进行了热态诊断试验，以了解设备状况和习惯运行方式下的锅炉各种参数、经济指标，由此计算出只需改造中间两层喷燃器即可达到预定目的的结果。为了在检修工期内使全部改造结束，运行中就将冷却风管道敷设完毕。由于设计合理，组织严密，措施落实，严格按计划网络图施工，使该重大改进项目在 20 天内即全部结束。通过冷态空气动力场试验得出如下结论：(1)由于喷口通流截面与原一次风口基本相同，当一、二次风调平以后，仍保持了原炉内空气动力工况；(2)测出了挡块在最高位置时浓淡两侧一次风速最大偏差 1.28 m／s，说明挡块对浓淡两侧风速影响较小，挡块在最高位置时(145 mm)阻力仅 50 Pa；(3)测量出钝体后的回流区长度和高度分别为 600 mm和140 mm，随着钝体中心调节风逐渐开大，回流区长度和高度亦随之缩小。当各调节风速达到 23～26 m/s时，回流区大部分消失，即钝体失去作用，达到了破坏回流区之目的。当煤质较好或高负荷时可将挡块位置低调或投入调节风，即可作为普通燃烧器使用。所以该型燃烧器具有预防喷口附近结渣的功能。
2.4　改造后运行情况
2.4.1　低负荷试运情况
　　机组并网当天晚上，对浓淡燃烧器全面调整后，停了所有助燃油，即开始了长达 8 h的100 MW稳燃试验。试验中，10 台给粉机投入(中间两层浓淡燃烧器及下面 2 台)，2 套制粉系统运行，测得炉膛中心温度 1 500℃，比改造前高出 55℃。后因粉位高，陆续停下 2 套制粉系统，主蒸汽参数依然保持在额定值。因 11 号一次风膨胀节处漏粉停下该给粉机，即只有 7 台浓淡燃烧器投入，测得炉膛中心温度仍然在 1 450℃ 左右。当粉位降低逐台启动制粉系统过程中，火检显示燃烧稳定。为检验燃烧器功能，随后进行了90 MW负荷试验，虽然仅有 7 台浓淡燃烧器投入，测得炉膛中心温度都在 1 400℃ 以上。1.5 h后，发现后屏部分管壁温度有所上升，为防止管材过热和维持正常炉水循环，结束了该工况试验。由此看出：虽然仅有 7 台浓淡燃烧器投入，但是仍能达到 50% 额定负荷下连续 10 h稳定燃烧节油的目的。
2.4.2　满负荷工况试验
　　在额定负荷工况下重点测试了挡块位置(高度)及调节风量对燃烧状况的影响，挡块由全投逐渐下调至 0，依次测出浓淡两侧对应的炉膛温度，投入与退出时相差 400℃。说明浓淡分离器的挡块位置(高度)降低时，浓淡比下降，退出后即成为普通一次风口。　　
　　该型燃烧器喷口处浓淡两侧都装有温度测点，当调节风速增大到 30 m/s时，相应的炉膛温度最大下降 86℃，喷口壁温最大下降 99℃。由此说明采取调节风可控制回流区的状况，高负荷时能降低炉膛温度，所以至今尚未发现喷口烧坏和喷燃器附近有结渣的现象。
2.5　运行情况总结
　　自 1998 年 4 月改造后至今运行状况良好，改造前是：接到调峰命令后，先由司炉投入油枪，经全面检查燃烧稳定后才通知电气减负荷，全过程所用时间较长；改造后是：已将挡块调至中间位置，各种负荷下都不再作调整，可随时增减负荷。截止 1998 年底，全年小矿煤进量占总进量 44.76%，个别矿的灰份高达 40.55%，发热量仅 16 500 kJ/kg左右，挥发份在 10% 以下，但仍能在 50% 额定负荷下完全脱油调峰运行。在调峰运行中即使给粉机故障，或一次风管漏粉(因为在晚上，暂无法消除故障，而造成 6 台浓淡燃烧器运行)，亦未投用助燃油。由于炉膛温度水平提高，从未发生因煤质及燃烧原因而造成的灭火现象。该型燃烧器因本身结构合理(阻力小)，一次风管未出现堵塞现象。

3　经济效益分析

　　我公司 1993 年制定出节约助燃油的考核办法，随后又数次修订，使燃油量大幅度下降。由汇总表1看出 1997 年 4 月～1997 年 12 月底 100 MW负荷累计运行 693.9 h，共消耗调峰助燃油 470.2 t，由此算出平均耗油 0.68 t/h，而 1998 年同期 100 MW负荷累计运行 1 767 h，与上年同期比共节油 0.68×1 767－4＝1 198 t；飞灰及炉渣可燃物分别下降1.11% 和 1.73%。虽然 50%负荷调峰时间接近总运行小时数的 1/3，仍取得了巨大的经济效益。

　　通过改造前后热效率试验得出如下结论：由于挡块已调至中间位置，使炉内燃烧强化，在各种负荷下炉膛整体温度水平都得到了改善(200 MW时炉膛中心平均温度比改前升高了94℃)。煤粉燃尽程度的好转，使各工况下的锅炉热效率也相应升高，100 MW时的锅炉热效率仅比额定负荷下的设计值(91.55%)低 0.82%，由此一项就可使供电煤耗大幅度下降。表2为改造前后的锅炉热效率汇总表。

　　采用浓淡燃烧技术后，可在燃烧器出口局部区域形成富燃料区，产生还原性气氛，抑制NOx的生成。由试验测出在 200 MW、145 MW工况时NOx比改前分别下降 11×10－6、19×10－6，在 100 MW工况时下降 30×10-6；SO2　也分别下降了89×10-6、35.1×10-6　和 70.2×10-6，由于减轻了对环境的污染，其社会效益亦不可估量。
　　由于在低负荷运行时，后屏过热器辐射受热增强，而蒸汽质量流速明显降低，使管壁温度升高，90 MW负荷时个别管壁温度达 510℃，为此在考核试验中，在100 MW工况下分别进行了滑压降温和滑压不降温的对比试验，测试了受热面的壁温情况，得出如下结论：在 50% 额定负荷调峰时，当采用滑压降温方式运行时，后屏过热器壁温增长速度相对较小，同时为保护后屏过热器还应尽量投入一级减温水系统。
　　综上所述，双稳可调浓淡燃烧技术在众多燃烧器改造中显示了巨大的优越性，具有广泛的推广价值。我公司 1 号炉在当年的小修中亦进行了同样的改造，取得了明显的经济效益。在该型燃烧器设计中集浓淡燃烧、撞击块高度可调、波纹钝体的合理设计、调节风的采用、壁温报警等多项技术为一体，开创了燃用贫煤锅炉使用的先例。