浅谈亚临界600MW机组低负荷运行适应性优化改造分析

摘 要： 我国很多大功率火电机组在面对越来越大的电网峰谷差使得机组在很长时间内进行大范围的偏离额定设计工况运行，导致机组的低效率运行。火力发电厂面对诸多挑战，其发电机组面临着如何开发其节能潜力、低煤耗、低发电成本等竞争问题。目前，越来越多的机组参与到调峰的亚临界600 MW级别机组中，由此，有必要对机组低负荷运行适应性进行优化改造。本文以亚临界600 MW机组的四角切圆燃烧锅炉为例，分析了参与优化改造机组的概况，分析了影响锅炉NOx排放的有关因素，最后提出了再次优化改造锅炉低负荷运行适应性的方案。

关键词：600 MW机组 四角切圆燃烧锅炉 低负荷 NOx排放

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）02-0302-01

引言

我国最开始进行汽轮机喷嘴配汽问题的研究基本上集中在软件方面，例如对进汽顺序进行优化，解决较差的机组轴系稳定性问题，还有的是对重叠度的优化，使得机组高调门的节流损失降低。后来又通过节流调节和喷嘴调节方式的无扰切换进行研究，从而使得切换过程的负荷波动和汽压波动得到降低。火电厂机组发电会燃烧大量的煤而排放对环境造成严重污染的NOx，虽然当前新能源电源已经有了规模性的接入，然而我国的火力发电方式仍然占据重要的比例。当前，空气中的NOx污染物有65%是来自煤炭燃烧。而NOx污染物的排放大户是火力发电厂，所以必须要采取降低火力发电厂的NOx排放措施。在国家GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的下，使得电厂机组必须通过改造控制其NOx排放量在100mg/Nm3（O2=6%）以内。从已有的主流NOx治理措施中可以看到，控制发电厂燃烧锅炉的NOx排放量主要采取的是燃烧过程控制与燃烧后烟气脱硝控制技术。燃烧过程NOx排放的控制技术分为低氮燃烧、燃烧优化调整与再燃等技术，而烟气脱硝技术分为SCR（选择性催化还原）、SNCR、联合烟气脱硝等技术。

一、参与优化改造机组的概况

本文所选的亚临界2×600 MWC组锅炉为四角切圆燃烧锅炉，设计和制造厂家为哈尔滨锅炉厂，型号为HG-2008/17.4YM5，控制循环、一次中间再热的汽包炉，其单炉膛为平衡通风，锅炉采取固态排渣方式，为全钢构架结构，炉膛宽、深度、容积分别是18542、17448.5、18309m3。24只燃烧器平均分布于6层，A、B层燃烧器为等离子燃烧器，C、D、E、F燃烧器为低氮燃烧器，为四角布置，单个出力最大值是11.5t/h。燃烧方式为正压直吹四角切圆燃烧，燃烧器喷口可上下摆动，分为两层控制，上层控制E、F层燃烧器，下层控制C、D层燃烧器，最大摆角正负30度，通过摆动来调节再热气温。燃烧器部分，最上排的喷口中心标高和最下排的分别是35470、26170mm，分别到分隔屏低和冷灰斗转角距离是201300、5969mm，各层一次风喷嘴相距1860mm。省煤器出口烟道设有调节挡板，可在低负荷时保证脱硝入口烟气温度。整台炉共布置 16 支油枪（每角 4 只），油枪采用机械雾化喷嘴，设计油枪的最大出力为 30%MCR 负荷，燃烧器风箱为大风箱，燃烧器上方布置八层 OFA 燃烬风，保证 NOx 排放值。

本机组当前的低碳排放技术为上气公司（上海电气集团股份有限公司的简称）所开发，已经在多个火力发电厂的600MW 四角切圆燃烧锅炉中得到成功应用，能将使得低负荷下锅炉的NOx排放量降低至160～220mg/Nm3。本文中的火力发电厂已经将四角切圆燃烧锅炉的容量等级、煤种、NOx排放浓度都根据有关运行条件进行了改造，使得低负荷下锅炉的NOx排放量控制在100～150mg/Nm3的范围内。而当前根据有关要求，将进一步对原方案进行优化，具体办法是对各层煤粉燃烧器标高进行调整，延迟煤粉的还原气氛的停留时间，还采取了控制漏风量的优化措施。优化改造后进行了模拟试验，结果表示改造后的主燃烧器区域有更好的还原性气氛，而锅炉的稳燃性和抗结渣能力都得到增强，使得锅炉排放NOx的性能的提高了。

二、优化改造方案

1.锅炉NOx排放的影响因素

根据实践研究，燃煤在燃烧中的NOx产物分为3种，分别是燃料型、热力型、快速型。其中有75%～95%均为燃料型，热力型占到了20%以上。燃煤的种类对低氮燃烧改造有很大的影响，而最适合低氮燃烧技术的最佳适用对象为高挥发分煤种的锅炉。然后需要对主燃区过量空气系数与气氛、炉膛温度、煤粉细度、还原区煤粉停留时间、燃烧器结构等因素进行综合分析。

通常来说，越长的还原区煤粉停留时间更有助于NO还原N2，这可以作为降低NOx排放量的一个措施，具体是增长分离燃尽风和上排一次风喷嘴的距离加长煤粉停留时间。

锅炉运行时，过量的空气系数会造成过量的主燃烧区的空气系数，期间会增加燃料性NOx的生成促使NOx排放量上升。而增加总的过量空气系数带来同样的NOx排放量变化。

2.优化措施

在原有的优化方案中再进行低负荷运行下的低氮燃烧器的优化改造，具体改造的主要措施是减少低负荷下锅炉燃烧器的漏风。由于处于低负荷运行时，机组的上半缸进汽会出现明显的进汽不均造成上下缸的温差问题，从而出现了很大的漏汽量，机组运行的经济性下降，也会增加煤耗；由于炉膛出口出有富足的氧量，使得主燃烧区域的过量空气系数增大。由此，需要分析炉内的热负荷/温度场，从而改造二次风门挡板结构，达到漏风量的减少的效果。具体是调整各层之间喷嘴的数量与尺寸，减少漏风，有助于提高锅炉的NOx排放性能。

锅炉适应性优化改造。两层煤粉喷嘴之间分为：二次风和一次风的煤粉嘴，有相同的偏转方向；二次风正切一次风煤粉喷嘴为一定的角度。利用偏置风能够形成水平空气分级，有助于还原反应。两个二次风门挡板分别控制两部分的二次风，具体是调整挡板开度控制二次风的比例，以此改变炉内切圆直径、旋转强度、贴壁气氛，让锅炉能够更加适应煤种。采用新型浓淡分离结构的一次风煤粉喷管在浓淡分离方面有更好的效果，使得锅炉在NOx排放与稳燃能力方面都有较好的降低。通过增加大风箱道上的挡板门来优化二次风道，可以达到增加主燃烧器二次风的阻力的目的，可以促使分离燃尽风风量能够增大。

同时，要使得对锅炉的优化改造达到最佳的效果，还应该对高负荷下的煤粉在还原区停留时间进行延长。由于高负荷中锅炉内的烟气量大、流速快，导致煤粉在还原区的停留时间缩短。通过将全部主燃烧器进行更换，且调整各层煤粉燃烧器标高，从而将主燃区高度压缩，其必面热负荷得到增加。不改变最下层燃烧器喷嘴标高，将6层一次风煤粉燃烧器间距调整，将原喷嘴各层的均等布置的间距改为从下到上的不均等布置，具体为下小上大，以保护温度场分布相适应，这样就能减少结渣风箱和提高稳燃能力。

三、 性能试验

通过优化改造后，对锅炉进行性能测试，6层一次风煤粉喷嘴的间距的调整使得煤粉在还原区的停留时间延长，这就降低了锅炉的NOx的排放；将主燃区的高度降低后使得空气分级效果更强，和煤粉在还原区、炉内的停留时间延长，促使NOx还原N2更加充分，减少了约15%的NOx的生成。煤粉燃尽程度提高，飞灰未燃尽碳损失减少。主燃区避免热负荷增加为可接受范围，其贴壁风设计的增加解决了水冷壁结焦。降低燃烧器标高，相同的燃烧器摆角低负荷中，过热器喷水量少4t/h，而高负荷减少10t/h，各自的再热气温下降值分别是3～5℃和1℃。

四、结语

在对600MW亚临界机组锅炉进行优化改造后，并通过性能试验得出相应的结果：稳态情况中高负荷运行锅炉NOx的排放量在150mg/Nm3以内，而在低负荷下，NOx的排放量由减少的趋势，其最低值为100mg/Nm3。成功地将亚临界600MW机组在低负荷运行下锅炉的NOx排放性能进行提高，并且在通过优化后，同类型机组在低负荷运行下采用劣质烟煤、褐煤，也同样适用。

参考文献

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