亚临界压力一次再热控制循环锅炉结焦成因分析

摘要：本文简单分介绍了江苏常熟发电有限公司情况，具体分析了两次事件，并详细分析了施工成因。

Abstract: This paper describes the situation of Jiangsu Changshu Power Generation Co., Ltd., detaily analyzes the two incidents and the causes of construction.

关键词：锅炉；结焦；成因分析

Key words: boiler；coking；causes analysis

作者简介：赵正清（1966-），男，江苏常熟人，学士，工程师，长期从事发电运行及管理工作；黄晓刚（1972-），男，江苏常熟人，技师，长期从事发电运行及管理工作。

1 概述

江苏常熟发电有限公司（4×300MW）始建于上世纪九十年代初，首台机组投产于1993年7月。投产初期锅炉为SG1025/16.7-M312A、SG1025/16.7-M318上海锅炉厂有限公司设计制造的亚临界、UP型直流煤粉锅炉，现经改造为控制循环汽包炉。目前锅炉在正常运行中存在大面积结焦和塌焦现象，严重影响机组的安全运行，现结合该公司委托上海发电设备成套设计研究院进行的热态燃烧调整试验和江苏方天电力技术有限公司关于江苏常熟发电有限公司#2锅炉塌焦引起汽包水位高的原因调查报告，分析找出锅炉结焦的主要原因。

2 设备概况

2.1 改造前 江苏常熟发电有限公司（4×300MW）投产初期锅炉为SG1025/16.7-M312A、SG1025/16.7-M318型亚临界压力再热式直流炉，单炉膛露天布置，一次上升、三次中间混合、四角切圆、煤粉燃烧、固态排渣、平衡通风。配上海汽轮机厂N300-165/535/535、300MW汽轮机组及上海电机厂生产QFS-300MW双水内冷汽轮发电机组。炉型采用传统的“Π”型布置，为安装燃烧器，炉膛四角被切，使炉膛断面呈八角形。水冷壁由1396根小管径鳍片管组成膜式结构，自下而上被分为冷灰斗、下辐射、中辐射、上辐射；工质在水冷壁中一次上升，中间三次混合。在下辐射进口装有52只节流圈，下辐射和中辐射采用四头内螺纹管。在燃烧室上部布置4片“W”型分隔屏过热器和18片后屏过热器，分隔屏过热器的两只集汽箱与锅炉侧水冷壁呈平行布置。折焰角上方烟道内布置有高温过热器，水平烟道内布置了高温再热器。炉顶、水平烟道及转向室上部布置为顶棚过热器，尾部烟井由隔墙包复管将其分成面积相等的两个平行烟道，顺烟气流向：炉前侧布侧了低温再热器、省煤器；炉后侧布置了低温过热器、省煤器。在省煤器出口烟道上，装有烟气调节挡板，作为调节再热汽温的主要手段。锅炉采用敷管式轻型炉墙，锅炉受热面采用悬吊式结构（除预热器以外），全部重量吊在钢架顶部的梁上，炉顶采用大罩壳集中密封方式。针对亚临界压力直流炉存在的调峰能力差、水冷壁混合器部位密封结构不合理，运行中经常发生拉裂泄漏和燃油系统不符合节能要求、NOX排放超过国家环保标准等问题，常电公司从2004年开始依次对#2、#1、#3机组实施了主设备的重大改造。（#4机组于2009年9月8日转改造性大修）。

2.2 改造后 改造后锅炉系上海锅炉厂设计制造的SG1025/16.81-M748型亚临界压力一次再热控制循环锅炉，采用中速磨正压直吹式制粉系统，单炉膛倒U型露天布置，后烟井双烟道，四角切向燃烧，再热汽温挡板调节，平衡通风，全钢架悬吊结构，固态排渣，燃用烟煤。改造后燃烧器射流切圆布置改造为AA二次风、A、B、C、D、E一次风对冲；AB、BC、DE顺时针旋转，射流中心与对角线呈7°；CD顺时针旋转，射流中心与对角线呈15°；EF、OFA二次风反切，逆时针与对角线呈20°；燃烧器顶部布置分离式OFA风。改造后锅炉汽包内径Ф1743X135mm，直段长度13108mm，汽包总长度15240mm，汽包水容积36m3，水冷壁水容积120m3。汽轮机组除保留低压外缸外，其余全部更换，发电机进行了增容改造。改造后机组可能性、经济性得到明显提升，#2、#1机组均实现了1个检修周期的连续运行（401天），#3机组到目前已连续运行200多天，机组供电煤耗下降约16-18克/千瓦时。改造后三台机组共发生3台次非计划停运事件，其中2次由于锅炉塌焦引起汽包水平大幅波动致高水位MFT保护动作停机。

3 事件概述

2008年3月30日#2机负荷250MW左右，四磨运行，给水三冲量、AGC投入，给水三冲量偏差设定值为150mm。05:09:09炉膛负压大幅晃动（负压最低约―372KPA，最高约+585KPA左右），燃料自动跳，煤量由112T145T左右，立即减煤稳定燃料量，并调整维持炉膛负压，给水三冲量自动位，第一波汽包水位下跌，三冲量自动加水，给水流量由730T840T左右，汽包水位最低约―170mm左右开始回升，三冲量未跳。汽包水位回升到零位以上，三冲量自动开始减给水量（给水流量由最高值840T开始减水），汽包水位继续上升，至180mm左右给水三冲量跳，操盘人员立即手动关主给水调门，并要求汽机侧降小机转速配合减给水量。05:09:51在关主给水调门约1s左右后汽包水位二值高报警，炉MFT动作，联跳汽机正常。

4 现场调查

4.1 改造前后塌焦情况对比 根据现场调查，锅炉改造前也有塌焦发生，塌焦主要发生在以下两种情况：一是连续高负荷运行（一般260MW负荷运行10小时以上）减负荷（负荷减至220MW）后易发生塌焦现象；二是受煤种影响，如燃用较低灰熔点煤种神华煤时较易发生。主要原因是受煤种灰熔点和炉膛燃烧气氛的影响。长时间高负荷运行，炉膛氧量水平偏低，烟气中还原性气体浓度升高，CO、H2等还原性气体存在时能使灰分中高熔点的Fe2O3还原成低熔点的FeO，灰熔点可降低大约200℃。而神华煤灰熔点低，易结焦是公认的事实。同时塌焦后往往直接影响灰渣系统的正常运行。该公司针对高负荷时段和燃用神华煤易发生结焦情况，专门制定了防范措施，有效规避了结焦对受热面过热、超温，损害带来的安全风险。锅炉改型后，运行中塌焦情况经常发生（几乎每天都有不同程度的发生），与负荷和煤种基本没有直接影响，对灰渣系统正常运行影响不大。（表1）

4.2 摸底试验结果分析及讨论 为查明锅炉正常运行中存在大面积结焦和塌焦情况，江苏常熟发电有限公司委托上海发电设备成套设计研究院进行了摸底试验（在高负荷工况下，按照锅炉日常的运行方式下，进行水冷壁贴壁还原性气氛、热流密度及贴壁火焰温度测试）和多工况的燃烧调整试验（在高负荷工况下进行水冷壁贴壁还原性气氛、热流密度及贴壁火焰温度测试）。从摸底试验热流密度测试结果来看，平均热流密度最高的出现在OFA上这一层，最低的出现在A层，且DE层的平均值与SOFA上、下两层相比也要低。从贴壁的火焰温度测试结果来看贴壁火焰温度最高1370℃，SOFA上层贴壁火焰平均温度1200℃，SOFA下层平均1120℃，DE层平均1100℃，贴壁火焰温度分布也呈现上部高，下部低的趋势。贴壁还原性气氛测试结果表明，SOFA上层贴壁平均氧量只有1.7%，SOFA下层贴壁氧量2.1%，DE层贴壁氧量6%；SOFA上层一氧化碳平均达到5100ppm，SOFA下层平均为2450ppm，DE层平均为90ppm。SOFA上层的还原性气氛最大。

4.3 多工况燃烧调整试验 针对摸底试验过程掌握的锅炉炉内燃烧存在的问题，在燃烧调整试验中采用不同的一次风和二次风调整措施，在维持负荷、氧量的前提下，调整各层投运一次风喷嘴的周界风门开度、二次风门开度和SOFA上、下层风门开度，以及通过调整磨煤机出口温度和煤粉细度等手段，进行贴壁还原性气氛、贴壁火焰温度及贴壁热流密度的测试，同时观测火焰着火情况及炉底渣样。通过燃烧调整试验和燃烧工况的选择，并进行了为期两周的观察，在两个星期的运行中，共发生了7次炉膛负压波动，通过对炉底捞渣机检查发现，其中有两次是大面积的塌灰所致，而非塌焦。分析依据主要是改造后炉膛水冷壁出口折焰角向后延伸水平烟道存在15度坡度，坡度面大面积塌灰所致。总体上调整后塌焦情况有明显改善，但没有根本性解决。

5 原因分析和建议

5.1 从塌焦对炉膛负压的影响分析，每次塌焦时炉膛负压波动总是先达到负的最大值，然后再达到正的最大值，而炉膛负压测点布置在炉膛出口两侧及前后墙位置，从负压波动的情况可以判断塌焦的位置都为负压测点以下位置（折焰角塌灰位置也在负压测点以下），因为焦块或是大块灰下落过程中会在其上部形成一个低压的涡流区域，随着焦块或是大块灰下落，其它区域的气流开始向低压的涡流区流动，这样的过程在短时间内形成，就会使刚才的负压区一下成为正压区，形成炉膛负压的大幅波动。同时，当焦块或是大块灰在下落过程中经过燃烧器区域的时候就会形成压火的情况，压火严重的时候会形成煤粉气流短时间不能着火，当焦块下落后形成爆燃，爆燃短时间产生了热量来不及吸收，全部用于加热烟气本身，气体状态急剧膨胀，使炉膛负压急剧变正。从试验得到的主要数据分析，炉内热负荷最高区域位置是在燃烧器的上部区域即C层喷燃器标高位置到SOFA风燃烧器标高位置这两个之间，且这一区域在调整试验前还原性气氛也很高，基本可以判断结焦的位置就在这一区域。

5.2 从各类工况调整测试水冷壁贴壁还原性气氛、热流密度及贴壁火焰温度等参数分析，造成锅炉容易结焦的原因主要是燃烧器射流切圆设计不合理，起旋风布置在靠上部CD层，下部燃烧器射流切圆直径过小，烟气旋流强度过低，烟气无法建立正常的切圆燃烧，造成热负荷的分配不均匀，燃烧器下部设计的热负荷相对较低，下部气流的旋流强度弱更加剧了下部气流的着火和燃尽，大量未燃尽的煤粉在上部再燃或直接落入渣池中，上部烟气旋流强度过大，上部未燃尽的煤粉在燃烧器上部再燃后造成上部的热负荷增大，贴壁和局部的还原性气氛增大，为结焦提供有利条件。建议燃烧设备改造中应考虑调整最大启旋二次风位置。

5.3 从结构上分析，改造后炉膛水冷壁出口折焰角向后延伸水平烟道存在15度坡度，也是造成塌灰，引起炉膛负压波动的原因之一。基于以上初步分析，建议适度强化A层燃烧器的着火条件，降低C、D、E层燃烧器的着火速度，加强燃烧器区域风量供给，降低区域热负荷，有效缓解结焦；同时在保证磨煤机制粉出力和燃烧稳定的条件下，适当降低C、D、E层燃烧器的一次风温度，可以起到降低区域热负荷缓解结焦的作用；适当增加下层燃烧器的二次风偏转角，有利于提高炉膛下部区域的旋转动量，从而提高炉膛热负荷的均匀性，改善下层燃烧器的燃烧条件。另外运行中加强定期吹灰，清洁受热面，减少结焦，塌灰发生的频度。

参考文献：

[1]冯明弛.锅炉设备运行技术问答[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]刘思佳，王文元.燃烧调整对锅炉结渣影响的分析[J].中国电力术，2005.