W火焰锅炉劣质煤掺烧优化调整分析.pdf

第26卷 第5期2023年10月Vol.26 No.5Oct.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power CollegeW火焰锅炉劣质煤掺烧优化调整分析魏志浩，李一可，赵旭，刘建航（国家能源菏泽发电有限公司，山东菏泽274032）摘要：火电厂锅炉运行时劣质煤掺烧会导致锅炉燃烧效率下降、设备可靠性变差等问题。对某发电厂300 MW亚临界W火焰锅炉掺烧劣质煤过程中存在的问题进行探究，提出优化调整措施，通过试验分析，证明了优化调整措施的有效性，保障了机组的安全可靠和效益稳定。关键词：W火焰锅炉；劣质煤掺烧；优化调整中图分类号：TM621文献标志码：B文章编号：2096-9104（2023）05-0045-03Optimization and Adjustment Analysis of Co-combustion ofLow-volatile Coal in W-flame BoilersWEI Zhihao，LI Yike，ZHAO Xu，LIU Jianhang（National Energy Group Heze Power Generation Co.，Ltd.，Heze 274032，China）Abstract：The co-combustion of low-volatile coal during the operation of thermal power plant boilers，resulting in reduced combustion efficiency and deteriorated equipment reliability.The issues encountered during the co-combustion of low-volatile coal ina 300 MW subcritical W-flame boiler in a power plant are studied.The optimization and adjustment measures are put forward，and the effectiveness of the optimization and adjustment measures is proved through the test analysis，which ensures the safety，reliability and benefit stability of the unit.Keywords：W-flame boiler；co-combustion of low-volatile coal；optimization and adjustment0引言煤炭的质量直接关系到机组安全运行的可靠性、经济性，以及用户对供电需求的满足性1。发电机组长时间使用水分高、灰分大、发热量低的劣质煤，会给发电机组的运行带来一定的安全隐患。因此，本文以300 MW燃煤锅炉为例，研究劣质煤掺烧情况，采取优化调整措施并进行试验分析，以保障发电机组运行的稳定性，提高发电厂的经济效益2。1锅炉基本概况某电厂3号锅炉为亚临界、中间一次再热、固态排渣、自然循环、平衡通风、W火焰燃煤锅炉，采用轻型敷管式炉墙、全悬吊钢结构型式。锅炉过热器由顶棚、包覆、低温、前屏、末级过热器组成，包括一级、屏式和末级三级结构，以及由炉膛、廊道顶棚、后烟井围墙形成的蒸汽冷却面3。锅炉由3台额定功率为1400 kW的双进双出磨煤机和12只油枪提供热能。2015年 9月，对 3号锅炉进行了低氮改造。一方面，将3号锅炉的静态分离器更换为动态分离器，同时配备相应的密封、冷却风机，进行乏气风下移改造和拱下三次风改造。另一方面，对燃烧器进行改造，增设燃尽风，确保氮氧化物浓度值不超过100 mg/Nm3。通过降低氮氧化物浓度值，有效提高了3号锅炉的工作效率。2锅炉劣质煤掺烧存在的问题劣质煤具有热值低、挥发分低等特点，根据劣质收稿日期：2023-07-17基金项目：国家能源集团山东电力有限公司2022年度科技创新研究项目（项目编号：E656600005）作者简介：魏志浩（1993），男，本科，研究方向为火电机组运行与优化调整。编辑部收稿邮箱：45山东电力高等专科学校学报第26卷 第5期Vol.26 No.5煤的实际燃烧情况对锅炉劣质煤掺烧存在的问题进行分析。1）劣质煤掺烧会导致煤粉着火时间和距离延长，火焰中心不稳定，火焰中心温度低，炉膛周围墙部温度偏差大，容易造成局部或者整个炉膛火焰丧失。2）电厂使用劣质煤掺烧时，由于劣质煤发热量低，带负荷能力较弱，可能无法满足调度下达的带负荷要求4。3）在同等负荷下，劣质煤燃烧时需要更多的煤粉才能维持当前负荷，容易引起一次风管堵塞，造成断煤、堵煤等现象。4）炉渣中有明显的碳颗粒，燃烧不充分。由于劣质煤灰分含量高、飞灰值偏大，火焰燃烧不稳定、不剧烈，易造成受热面及承压部件损坏，灰的温度升高会造成汽温升高，减温水流量增大，严重时会发生超温现象。3锅炉劣质煤掺烧优化调整措施3.1调整风煤配比合适的风煤配比是优化煤粉燃烧的关键，有利于保持合理的氧量值和最佳空气系数。加强燃烧时，先增加风量再增加煤量，减弱燃烧时反之。3号锅炉的氧量值维持在 2.7%3.7%，氧量计配置在空气预热器入口前，炉膛燃烧的氧量与炉膛、烟道漏风关系密切。通过研究分析，受二次风量的限制和磨煤机出力的影响，3号锅炉的A、B两侧氧量偏差较大。因此，调整A、B两侧的风量时，氧量高的一侧应降低风量，氧量低的一侧应增大风量。随着氧量的增加，飞灰含碳量也呈明显下降趋势。3.2控制一次风速燃烧劣质煤时要控制好一次风速，过高或过低的风速都会对炉膛的燃烧产生不利影响。一次风速过低时，火焰强度降低，气流变差，严重时造成火焰剧烈摆动和灭火现象；燃烧器周围温度变低，导致煤粉的着火强度降低；一次风的携粉能力变差，风粉分布不均匀，造成一次风管堵塞等恶劣现象 5。一次风速过高时，燃烧完的煤粉吹射到炉膛内的水冷壁上引起炉膛结焦6；延迟着火时间，如果制粉系统磨煤能力差且粉管内携带较粗的粉，过高的一次风速会使煤粉快速穿过主燃烧区，导致燃烧不完全，形成机械不完全燃烧热损失，燃烧状态不稳定7。3.3控制一次风量一次风量的大小也对燃烧的稳定性有影响。一次风量的调整原则是：在保证流化和燃烧良好的前提下，风量越小越好。一次风的作用是保证燃料处于良好的流化状态，同时也为炉膛燃烧提供必要的空气。一次风量过大，会使炉膛底部难以形成稳定燃烧的密相区。风量增大会增加循环倍率，使受热面磨损加重，飞灰和风机单耗也会相应增加。劣质煤需要的着火温度较高，一次风量过大会使燃烧器附近的温度降低，增加着火时间。一次风量过低，燃料不能正常流化，可能导致一次风管堵塞。3.4合理使用二次风二次风是经过空气预热器加热的热风，通过风管进入燃烧器，为炉膛提供热空气。二次风中携带了燃烧所需的大部分氧量，对火焰后部进行氧量补充，并能使空气与燃料充分混合，调整炉膛内的温度分布，使烟气分布更加均匀8。3号锅炉二次风的风道上布置了6套电动调节挡板，该挡板负责调节每个拱上二次风风箱和对应的分级风风箱的风量。通过前期对锅炉的低氮改造，在标高 27 m 处设置了一层燃尽风（over fire air，OFA）喷口，以降低氮氧化物的浓度，保证机组的安全运行。在总送风量不变的前提下，将一部分二次风引入OFA装置，主燃烧区的氧量降低，接近理论空气量。氧量的降低使该燃烧区域处于欠氧状态，氮氧化物的浓度将下降。OFA喷口设置在燃烧区后部，二次风进入炉膛，使炉膛内的未完全燃烧的煤粉和还原性气体充分燃烧9。按照改造设计煤种锅炉最大连续蒸发量（boiler maximum continuous rating，BMCR）负荷，二次风温宜控制在360 左右，二次风速为30 m/s，二次风率为73.65%。劣质煤灰分偏大，挥发分偏小，煤粉着火热能增加，着火比较困难，原则上应采用下少上多的配风原则。合理分配各层的二次风也有利于劣质煤的燃烧。正常情况下，燃尽风调门开度一般保持在30%左右，拱上二次风风门开度保持在90%左右，分级风风门开度保持在30%左右，底部注入风风门开度一般不宜超过30%。同时，维持好炉膛火焰的位置，不宜过高或者过低，否则会对受热面造成损害。通过46二次风风门来控制二次风的风量和速度，使之处于动态平衡中，如果带负荷压力比较大，也可以通过调节动态分离器的频率来提高制粉系统出力，正常情况下频率应保持在25 Hz以上。3.5提高一、二次风温并控制磨煤机出口温度提高一、二次风温有利于炉内燃烧的稳定，对提高经济性也很有帮助。负荷不变的情况下，风温适度的提高可以缩短燃料在炉膛内的燃烧时间，有利于劣质煤着火。提高一、二次风温的措施包括减少空气预热器漏风，定期对空气预热器吹灰，提高空气预热器的利用率。空气预热器在长时间正常运行过程中，会积灰或堵灰，造成空气预热器的传热效果变差。将空气预热器吹灰纳入每天白班的定期工作中，使空气预热器处于良好的换热状态。磨煤机出口温度应控制在100，磨煤机出口温度可以通过控制磨煤机的料位来调节，料位越高，出口温度越低；料位越低，出口温度越高。料位高时，磨煤机内部通风面积减少，一次风压降低，磨煤机的干燥出力减小，磨煤机的出口温度降低，反之亦然。3.6合适的煤粉细度煤粉细度的大小和均匀性对锅炉燃烧的稳定性也具有一定的影响10。燃烧劣质煤时，应将煤粉细度适当提高，使其表面积增大，缩短着火时间，使得燃烧更加完全。煤粉过粗，接触的表面积减小，在风道中预热效果变差，不能与空气很好地混合，造成不完全燃烧，容易加剧热损失。应根据不同的煤种及锅炉参数，确定合理的煤粉细度。控制煤粉细度的方法包括：控制好料位，装载合适的钢球数量，控制好一次风量，设定合适的动态分离器频率等。4优化调整试验4.1通过改变磨煤机出力控制出口温度磨煤机出口温度对煤粉的着火和燃尽影响较大，因此调节磨煤机出力时应考虑到磨煤机出口温度的高低变化，避免出口温度过低造成煤粉着火推迟。在240 MW工况下，进行磨煤机变出力试验，试验结果如表1所示。随着磨煤机出力的增加，磨煤机出口温度呈下降趋势，磨煤机煤粉细度呈增大趋势，磨煤机出力大于40 t/h后，磨煤机出口温度下降速度比较明显，因此控制磨煤机出口温度不低于100。表1磨煤机变出力试验结果项目运行磨煤机组分离器频率/Hz一次风压/kPa二次风量/（kgs-1）运行氧量/%主蒸汽温度/一级减温水量/（th-1）二级减温水量/（th-1）再热蒸汽温度/再热减温水量/（th-1）氮氧化物浓度/（mgNm-3）CO浓度/（LL-1）工况1A、B、C30/35/308.6/8.53262.72/2.5353010.65.15311.5845.80130工况2A、B、C35/35/358.5/8.53272.67/2.6253216.33.55331.2807.92110工况3A、B、C35/40/358.7/8.53242.24/2.5853021.25.25311.8805.5890工况4A、B、C40/40/409.8/9.63232.56/2.2653216.05.25341.2788.10504.2通过改变拱上二次风开度控制风量二次风中含有丰富的氧量供燃烧使用，可以调节炉膛温度分布。在 240 MW 负荷下，运行氧量为4%左右，拱上二次风开度试验结果如表2所示，由表2可见，随着拱上二次风门开度的增加，主汽温度、再热汽温度等参数无明显变化，氮氧化合物浓度值呈逐渐升高趋势，飞灰含碳量呈先降低、后升高的趋势，锅炉效率呈先升高、后降低的趋势。当拱上风门开度大于65%时，锅炉效率降低，这是因为二次风量过大时，一次风与二次风间隙会增加着火能，不利于着火。表2拱上二次风开度试验结果项目拱上二次风门开度/%分离器频率/Hz一次风压/kPa二次风量/（kgs-1）运行氧量/%主蒸汽温度/一级减温水量/（th-1）二级减温水量/（th-1）再热蒸汽温度/再热减温水量/（th-1）氮氧化物浓度/（mgN m-3）CO浓度/（LL-1）工况56035/35/359.8/9.73302.70532014.552710.7678.2335工况67035/35/3510.6/10.33332.8953006.25281.4790.5312工况78535/35/3310.7/10.53372.9753109.85280885.659（下转第53页）魏志浩，等：W火焰锅炉劣质煤掺烧优化调整分析47能力。4结语构建火电机组制粉数字孪生系统，创建制粉系统模型，根据调节偏差以及应用服务系统需求，动态交互式优化制粉过程。提出智能磨煤机运行组合控制算法，设计状态观测器，融合经济指标、特性指标、复合指标，智能选择磨煤机最佳运行组合方式。通过变负荷试验验证了该方法的有效性，能够有效提升机组主参数精准控制能力、负荷快速调节能力，提高了新型电力系统下火电机组调节的灵活性、稳定性。参考文献1刘彬，张云勇.基于数字孪生模型的工业互联网应用 J.电信科学，2019，35（5）：120-128.2赖传可，胡荣群.VR 技术在船舶数字孪生运维系统中的应用J.舰船科学技术，2021，43（22）：211-213.3张辰源，陶飞.数字孪生模型评价指标体系 J.计算机集成制造系统，2021，27（8）：2171-2186.4刘青，刘滨，王冠，等.数字孪生的模型、问题与进展研究 J.河北科技大学学报，2019，40（1）：68-78.5李浩，王昊琪，刘根，等.工业数字孪生系统的概念、系统结构与运行模式 J.计算机集成制造系统，2021，27（12）：3373-3390.6经海翔，黄友锐，徐善永，等.基于数字孪生和概率神经网络的矿用通风机预测性故障诊断研究 J.工矿自动化，2021，47（11）：53-60.7谢永慧，刘天源，张荻.新能源形势下的“智慧汽轮机”及其研究进展 J.中国电机工程学报，2021，41（2）：394-409.8张文建，梁庚，李庚达，等.智慧化全数字技术及其在电厂中的应用 J.中国电力，2020，53（11）：202-211.9刘吉臻，胡勇，曾德良，等.智能发电厂的架构及特征 J.中国电机工程学报，2017，37（22）：6463-6470，6758.10 杨新民，陈丰，曾卫东，等.智能电站的概念及结构 J.热力发电，2015，44（11）：10-13.11 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