基于混煤掺烧的1140吨电站锅炉节能优化试验研究

【摘要】 唐山西郊热电厂2×350MW超临界燃煤供热机组，自2014年投产以来，一直存在锅炉排烟温度高、飞灰大渣含碳量高等问题，影响电厂经济性。本文基于电厂混煤掺烧的实际，通过变氧量、变NOX风量、变二次风门开度、变旋流燃烧器调风盘开度和内外二次风角度、变磨煤机组合方式、变空气预热器转速等一系列燃烧调整试验，探索相关参数变化对锅炉燃烧效率、排烟温度、NOX排放以及对炉内金属壁温和结渣程度的影响，提出混煤掺烧条件下的锅炉最佳配风方案、最佳氧量和最佳空预器转速等优化改进措施，并实施标准化运行管理，取得较好效果。为偏离设计煤种的电站锅炉优化运行提供参考。

【关键词】电站锅炉  混煤掺烧 优化试验 提高效率

1 概述

华润电力唐山西郊热电厂2×350MW超临界燃煤供热机组，锅炉为北京巴-威公司生产的B＆WB-1140/25.4-M型超临界参数∏型直流锅炉。采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，配置DRB-XCL型双调风旋流燃烧器及低氮燃烧分级配风的NOX风喷口、再热器为烟气调温挡板调节方式，配置三分仓回转式空气预热器，变频离心式一次风机、单级动叶可调轴流式送风机和双级动叶可调轴流式引风机。锅炉同步设计电袋复合式除尘器、SCR选择性催化还原法脱硝装置和湿法脱硫除尘一体化装置，锅炉烟尘排放环保指标达到超低排放标准（粉尘≤10、SO2浓度≤35、NOX≤50）。两台机组先后于2014年10月和12月投产发电，并承担唐山市区约1300万m2的采暖供热面积，机组总体运行稳定，但在投产运行初期，一直存在锅炉排烟温度高、飞灰大渣含碳量高等问题，严重影响电厂经济性。

本文基于电厂混煤掺烧的实际情况入手，通过变氧量、变NOX风量、变二次风门开度、变一次风量、变旋流燃烧器调风盘开度和内外二次风角度及旋流强度、变磨煤机组合方式、变空气预热器转速以及变干渣机温度等一系列锅炉燃烧调整试验，探索相关参数变化对锅炉燃烧效率、排烟温度、NOX排放浓度以及对炉内金属壁温和结渣程度的影响，提出混煤掺烧条件下的锅炉最佳配风方案、最佳氧量和最佳空预器转速等优化改进措施，并实施标准化运行管理，取得较好效果。对混煤掺烧偏离设计煤种的电站锅炉优化运行提供参考。

2 锅炉混煤掺烧现状

锅炉设计煤种：为蒙泰公司和伊泰公司的准格尔煤1:1混合煤（低位发热量为19.9MJ/kg，收到基灰分为18%，干燥无灰基Vdaf=37.4%,全水Mt=15.2%），校核煤种为芦家窑和峙峰山1:1混合煤(低位发热量为17.5MJ/kg，收到基灰分为32%, 干燥无灰基Vdaf=32.2%,全水Mt=10.1%)。

锅炉实际燃用煤种：发电厂受铁路运输和燃煤成本等多方面影响，锅炉实际燃煤以山西烟煤和唐山地方洗沫煤（煤泥）混配掺烧为主，实际煤质偏离设计煤种，具体如下：

入厂煤种有两种：一是低热值煤，唐山地方洗沫煤，平均热值为4070kcal/kg，其中开滦洗沫煤平均热值为3650kcal/kg，最低只有3150kcal/kg。低热值烟煤主要为山西同煤集团煤矿，平均热值一般在4000kcal/kg左右。二是高热值烟煤：热值一般在5000kcal/kg至5500 kcal/kg左右，以山西朔州煤电、山煤国际和同煤本部矿别为主。

从上述低热值煤种和高热值煤种的煤质特性分析与设计煤种相比偏差较大，另外，多煤种的含硫量偏差较大，有的收到基Stad平均值为1.1%左右，也不宜直接入炉燃烧，必须进行混合掺配后再入炉。实际掺烧过程中，电厂运行调度将低热值煤与高热值煤按1:2比例进行掺配，并在攒垛过程中进行二次混掺。实际入炉煤热值控制在4300 kcal/kg到4800 kcal/kg之间，收到基挥发分平均控制在25%左右，收到基灰分平均控制在28%左右，收到基水分一般在8%以下，入炉煤收到基含硫量Stad平均低于0.75 %，以确保锅炉安全运行。

从锅炉实际燃用煤质与设计煤质相比，掺配后的主要偏差在于入炉煤收到基全水（8%左右）比设计煤种（15%）低50%左右，收到基灰分比设计煤种高出10%左右。对锅炉燃烧效率和排烟温度产生偏离设计的影响，导致锅炉排烟温度高、飞灰大渣含碳量高。基于上述混煤掺烧的现状，为了全面改善锅炉燃烧效率和降低锅炉排烟热损失，电厂成立专题调查组系统分析影响锅炉效率的几个关键影响因素，并展开相关变参数试验研究，探索改进措施。

3 建立影响锅炉效率的神经网络模型

调查组运用头脑风暴法，从人、机、料、法、环五个维度，分析当前引起电厂锅炉效率的主要神经网络：燃烧器配风不当、氧量测量不准、排烟温度高、飞灰大渣含碳量高、制粉系统出力不足、煤粉细度不均、空预器漏风，炉底漏风、保温散热、燃烧优化试验等共计20个影响因子。编制影响电站锅炉效率的神经网络模型（见图1）。从2015年3月以来，调查组根据现场实际运行情况的逐项调查取证分析，通过大量的燃烧调整优化试验，逐步确认燃烧器配风、排烟温度高和飞灰大渣含碳量高是影响混煤掺烧锅炉效率的主要问题[1][2]。

图1：影响电站锅炉效率的神经网络模型

 4 优化试验研究

4.1 锅炉氧量优化试验与CO在线控制措施。

煤粉燃烧是煤粉可燃物与氧气产生剧烈的发光发热的氧化反应，煤粉的燃烬程度取决于炉内温度、过量空气与煤粉混合均匀程度、煤粉细度、煤粉在炉内停留时间和煤粉燃烧特性。实际上，锅炉省煤器出口氧量的真实性与氧量均匀性代表过量空气与煤粉混合均匀程度，如果炉内氧量偏低，局部缺氧燃烧，会导致飞灰、大渣含碳量升高，同时，化学不完全燃烧热损失也增加，因此，氧量测量的准确性及炉内氧量分布均匀性是影响燃烧效率的关键。

判断氧量是否准确性，一方面要看氧化锆氧量表安装的位置是否正确，其上游烟道有无漏风影响或有无脱硝稀释风机吹风影响，原则上以省煤器出口烟道氧量测量为准；另一方面要与网格法检测的氧量进行对比，以判断其准确性和均匀性；再者，每季度定期对锅炉氧化锆氧量表进行标定。

现场试验发现，通过利用网格法在省煤器出口检测的氧量值比氧化锆氧量表测得的氧量值低0.5%，原因是我司锅炉氧量表安装在SCR入口烟道上，受脱硝稀释风机吹入烟道的空气和烟道膨胀节漏风的影响，导致氧量测量虚高。为此，调查组利用锅炉出口一氧化碳（CO）浓度在线监测作为判断和调整锅炉风量和氧量依据，并通过试验得出机组在不同工况下的最佳O2和CO控制范围，具体如下：

图2：锅炉最佳氧量及CO排放浓度控制曲线

试验表明，一般氧量控制在3.2%-3.8%，CO浓度一般控制在100ppm范围内，锅炉燃烧效率最佳；当氧量超过4.5%，则锅炉出口NOX排放浓度则会明显升高，同时排烟热损失也会升高；当氧量低于2.8%时，锅炉飞灰大渣含碳量升高，燃烧效率下降，此时炉内温度低，虽然锅炉出口NOX排放浓度则会明显降低，但对锅炉稳燃及燃烬不利。

试验证明，实施锅炉出口烟气CO浓度的在线监测可以作为调整和修正炉内氧量的重要依据，通过检测和控制CO浓度，可以有效控制飞灰含碳量和化学不完全燃烧热损失，弥补锅炉飞灰含碳在线检测不准确和人工飞灰含碳检测滞后的不足。

4.2锅炉二次风门调整与最佳NOX风比率优化试验

电站锅炉采用分级送风，利用燃烬NOX风控制低氮燃烧。在锅炉主燃烧器区域形成还原性缺氧区，保证氮氧化物少生成，而在燃烧器上部形成富氧区，保证煤粉燃烬。

调查发现，电厂对锅炉燃烧器二次风门和NOX风门开度的调整控制缺少统一标准，完全依靠运行值班员的经验来调整。为了降低NOx生成，NOX喷口的二次风门一般保持在70%至100%开度，这种单一配风方式在机组80%以上基本负荷是可行的，但在80%以下负荷情况下，燃烧器区域水冷壁会出现结焦结渣问题，且飞灰大渣可燃物较高（达5-6%左右）。因此，需要通过优化配风试验，确定二次风门开度、NOx风门开度与最佳NOx风流量占比。

试验时，保持炉内氧量在3.5%左右，备用磨煤机出口燃烧器的二次风门保持10%以上的开度，以保证燃烧器金属温度不超过850℃；底层（A、B层）煤粉燃烧器二次风门保持90-100%开度，以保证托粉稳燃，上层（C、D、E层）磨煤机运行时，燃烧器二次风门开50-70%即可。通过试验优化，在满足锅炉出口NOx浓度小于350mg/Nm3的情况下，研究确定机组在各负荷工况下的最佳NOx风门开度和最佳NOx风流量占比。试验优化结果如下：

图3：燃烧器二次风门及NOx风门开度调整配风卡

图3表中，NOx风流量占比是NOx风流量与锅炉总风量的比值，试验表明，机组在同一负荷条件下，NOx风门开度越大，NOx风比率越大，锅炉出口NOx浓度越低，但是，随着NOx风比率增大，锅炉飞灰大渣含碳量会升高，燃烧效率下降，且燃烧器区域容易结焦。因此，通过试验确定机组在不同负荷下的最佳NOx风门开度，控制最佳NOx风流量占比对锅炉安全性和经济性十分重要，一般控制NOx风比率在7%-12%之间即可，为解决低氮燃烧与燃烧效率之间的矛盾问题提供科学实验依据。

4.3 基于混配掺烧的最佳旋流燃烧器配风试验。

结合北京巴威锅炉DRB-XCL型旋流燃烧器的结构特点以及锅炉燃烧器二次风箱布置、二次风门配置情况，调查组全面梳理影响锅炉效率的主要配风因素，分析研究调整优化锅炉燃烧器的配风方案。    

调查发现，两台锅炉在调试期间，锅炉厂代表根据B＆WB旋流燃烧器的设计标准，结合现场低氮燃烧考核性能要求对燃烧器配风调整：即上部燃烬NOX喷燃器调风盘的开度为100%（330mm），内外二次风调风盘开度均全开；其它各层煤粉燃烧器的调风盘开度均为55%(180mm)，内二次风角度为35°，外二次风角度为60°。在这种配风方案下，锅炉出口NOX浓度在任何情况下都是满足小于350mg/NM3的要求，但机组在75%以下负荷时，锅炉出口的NOX 浓度竟然低到200mg/Nm3以下，反映出炉内温度低、燃烧效率下降，是造成锅炉飞灰含碳量居高不下的主要原因。为此，必须进行调整优化试验。

对于旋流燃烧器而言，主要控制指标有旋流强度、扩散角和燃烧器阻力。燃烧器旋流强度对燃烧器出口气流的流动特性和炉内的燃烧工况有着重要影响，旋流强度越大，则燃烧器煤粉气流卷吸炉内高温烟气的能力越强，着火稳燃性能越好；扩散角为旋转射流边界线的交角，扩散角过大，容易造成飞边，造成燃烧器结焦烧坏，而扩散角过小会使火焰中心后移，回流区减少，对锅炉稳燃着火不利；燃烧器阻力影响电厂运行的厂用电，阻力越大则风机电耗越大，厂用电率就会升高，因此，在满足燃烧要求的前提下，应使燃烧器阻力尽可能减小。

结合燃烧器配风调整理论和优化试验研究方法[3][4][5]，选择外二次风角度在40-60°范围内，内二次风角度为30-35°，调风盘开度在50-70%范围内。制定了以下七种燃烧器配风调整试验方案（现场试验条件：基于混煤掺烧煤质、锅炉75%及以上负荷、氧量保持在3.5%左右、每种配风试验方案观察3-5天，出现异常情况时更换下一种方案），研究对SCR入口NOX、锅炉出口CO、锅炉飞灰含碳量、锅炉大渣含碳量、再热器壁温情况以及二次风箱压力等参数的影响程度进行了综合对比分析，试验数据结果如下：

图4：双调风旋流燃烧器配风调整实验数据对比表

通过上述（图4）七种调整试验对锅炉飞灰含碳量和锅炉再热器壁温以及燃烧器二次风箱压力等因素的影响情况对比分析可以看出：在机组相同负荷阶段，燃烧器二次风箱压力越低，反映出锅炉燃烧器阻力越小，燃烧器外二次风角度在45°左右时，锅炉旋流强度适合混煤掺烧煤种的着火稳燃条件，同时飞灰大渣含碳量明显减小且趋于稳定。

通过上述实验发现，由于锅炉前后墙对冲布置的燃烧器二次风箱与锅炉空气预热器出口的热二次风道布置存在位置偏差，导致风道沿程助力是不同的。为了进一步调整保证每层燃烧器喷口前的二次风压保持相对一致性，针对每一层燃烧器阻力情况，研究制定出每层燃烧器不同的调风盘开度和外二次风角度，进一步改善了锅炉燃烧器配风方案，同时有效降低了燃烧器阻力，优选出“方案七”作为唐山西郊热电厂的最佳优化配风方案。

通过优化锅炉双调风旋流燃烧器的内外二次风角度和调风盘开度，达到低氮燃烧与锅炉稳燃、提高再热汽温，同时减少锅炉减温水流量、降低燃烧器阻力和控制飞灰含碳量的多重效果。实践表明，调整旋流燃烧器配风方案的优化是降低锅炉飞灰大渣含碳量的重要手段。

4.4 基于混配掺烧的最佳空预器转速优化试验。

我司锅炉空气预热器为豪顿华公司生产的上轴端驱动三分仓回转式28.5VNT2600型空预器，换热元件高度为600+1000+1000mm,冷端为镀搪瓷材料，正常设计转速为0.75rpm,总漏风率小于6%，设计热一次风温为336℃，热二次风温为348℃；但是，由于实际燃煤煤质的收到基水分Mt为8%与设计煤质收到基水分15.2%偏差较大，导致锅炉一次风量低于设计值150t/h左右，致使锅炉热一次风温达到340℃（设计331℃），而热二次风温只能达到327℃（设计347℃），同时锅炉排烟温度达到145℃（设计131℃）。说明因为燃用煤质水分的变化，使锅炉燃烧风量配置已经偏离设计，为此，我们需要重新选择空预器最佳经济转速，调整因热二次风温偏低带来的负面影响,既要解决空气预热器换热效率低问题，同时还要解决最佳携带漏风问题[7][8]。

基于热一次风量和磨煤机通风量不变的情况下，豪顿华公司展开对空预器变转速的热力计算，结果是：转速的改变对排烟温度几乎影响不大。但事实上，因为煤质变化使热一次风量和磨煤机通风量都已发生改变，只能通过现场试验去判断。我们通过与空预器制造商豪顿华公司商定，对空预器主电机参数重新设置，改变转速，择优选择0.65rpm、0.75rpm和0.9rpm三种转速进行试验观察。

（1） 在BLR工况下，空预器转速调整试验后，实际检测结果是：

试验表明：由于锅炉燃用煤质水分低于设计煤质近50%，导致锅炉一次风量偏离设计值，选择0.65 rpm作为空预器主电机的最佳转速。通过降低空预器转速，不但减少了空预器携带漏风，同时提高锅炉热二次风温约5℃，降低锅炉排烟温度约10℃，有效提高了空气预热器的换热能力，提高锅炉效率。

4.5 基于混配掺烧的最佳磨机出力试验。

通过制粉系统出力优化试验，确定不同磨煤机给煤量情况下的最佳一次风通风量、最佳分离器转速、最佳煤粉细度、最佳磨煤机加载力以及磨煤机出口温度之间的相互影响关系。一般，磨煤机通风量大则磨煤机出力会增加，但是通风量过大则煤粉细度和均匀性就会超标，电厂一般控制煤粉细度R90=15-20%，在磨煤机通风量不变的情况下，既要满足煤粉细度，又要提高磨煤机出力则必须通过提高磨煤机出口温度，增加热一次风占比才能实现。实际上，按照发电厂锅炉运行规程规定要控制磨煤机出口风温在75℃，对于混煤掺烧的煤质状况，磨煤机出口风温显然偏低，这也是影响磨煤机出力的主要原因。为此，我们试验设定磨煤机出口风温85℃和设定90℃进行试验，结果是：磨煤机出口风温在75℃，磨煤机出力最大38t/h左右；磨煤机出口温度到85℃，磨煤机出力增加到42t/h；控制磨煤机出口温度设定值90℃，磨煤机出力45t/h，达到设计值。结合磨煤机出力试验调整情况，制定了制粉系统出力调整和通风量控制标准操作卡如下图：

图5：制粉系统出力调整标准卡

按照上述制粉系统出力调整标准卡执行后，磨煤机出力达到设计要求，同时，磨煤机制粉单耗逐月下降，收到较好效果（详见图6）。2015年下半年制粉单耗逐步降低到20kwh/t煤以下。

图6：2015年度1-10月份锅炉制粉单耗月度平均值指标变化情况如下：

在调优化整磨煤机出力试验的同时，进一步优化磨煤机运行方式的选择。按照机组负荷要求，优先选择ABC/ABD/ABCD/ABCE的磨煤机选择方式，在燃烧器选择上控制锅炉火焰中心下移，降低排烟温度。

4.6 干渣机出口温度调整试验，减少炉底漏风。

为了节约水资源，提高灰渣综合利用率，新建电站锅炉捞渣机较多应用干式捞渣机，替代传统的湿式捞渣机。调查发现，在机组运行中，干渣机出口温度一般控制在30℃-80℃左右，运行人员很少关注干渣机、碎渣机和渣仓的密封性能，导致炉底漏风现象比较普遍。

在现行的干渣机运行方式下，干渣机、渣仓以及碎渣机已经与锅炉本体形成一个统一的锅炉负压系统，任何部位的密封不良，都会使炉底漏风增大，相当于湿式除渣的炉底水封破坏状态，也是产生锅炉火焰中心上移，排烟温度升高的影响因素之一；

通过调整干渣机调节风门挡板和封闭干渣机孔门等措施，提高干渣机出口温度由原来的30℃提高到90-150℃之间运行,使炉底漏风率控制在1%以内。

5 效果验证

5.1锅炉效率逐步提高，达到设计保证值：从唐山西郊热电厂实际运行月度经济指标统计报表上看，2015年1-12月两台机组月平均锅炉效率完成情况（如图7）所示： 两台机组到2015年第四季度锅炉效率明显提高，并逐步达到设计效率93.7%。

图7：月平均锅炉效率完成情况变化曲线

5.2 锅炉飞灰大渣含碳量由4%左右逐步稳定到2.5%以下。从2015年度1-10月份锅炉飞灰含碳量月度平均值指标变化情况（如图8）所示：两台机组到2015年第四季度锅炉飞灰含碳量明显降低，并稳定在2.5%以下，反映出锅炉的燃烧效率明显提高。

图8：月度飞灰可燃物（含碳量）完成情况变化曲线

5.3 通过优化改变空预器转速和减少炉底漏风，两台锅炉在300MW及以上负荷状态下，锅炉排烟温度由原来的145℃左右，降低到锅炉设计排烟温度129℃以下，排烟温度降低15℃左右。

5.4 在混煤掺烧的条件下，通过优化配风调整，在保证锅炉出口氧量控制在3.1-3.8%的范围内，锅炉出口NOX浓度在满负荷状态下小于340mg/Nm³，在50%负荷下控制锅炉出口NOX排放浓度在300 mg/Nm³以下，保证炉内不结焦，金属壁温和烟温偏差在允许范围，主蒸汽和再热蒸汽参数达到设计值。

5.5 基于影响锅炉效率的网络神经模型的试验研究，制定运行标准化控制卡，指导运行值班员关注锅炉运行的关键控制点，给锅炉运行操作指明了方向，使锅炉运行调整不再凭经验，使电站锅炉运行操作科学、简单、及时、精准。

6 结论

基于当前燃煤锅炉脱硝改造的实际情况，及时验证和判断锅炉省煤器出口氧量准确性和均匀性十分重要。试验证明，一般氧量控制在3.1%-3.8%范围内，锅炉燃烧效率最佳；当氧量超过4.5%，则锅炉出口NOX排放浓度则会明显升高，同时排烟热损失也会升高；当氧量低于2.8%时，锅炉飞灰大渣含碳量升高，燃烧效率下降，对锅炉稳燃及燃烬不利。

实施锅炉出口烟气CO在线监测可以作为调整修正炉内氧量的重要依据，通过检测和控制CO浓度，可以及时有效控制飞灰含碳量和化学不完全燃烧热损失，弥补了锅炉飞灰含碳在线检测不准确和人工飞灰含碳检测滞后的问题。

通过试验确定机组在不同负荷下的最佳NOx风门开度，控制最佳NOx风流量占比对锅炉安全性和经济性十分重要，一般控制NOx风比率在7%-12%之间即可，为解决低氮燃烧与燃烧效率之间的矛盾问题提供科学实验依据。

基于电厂混煤掺烧的实际，探索旋流燃烧器的最佳旋流强度，通过调整调风盘开度、内二次风叶片角度和外二次风叶片角度，找出适应于本厂燃煤特点的最佳运行调整方案，从而既要保证锅炉燃烧效率，又要降低燃烧器阻力。

基于影响锅炉效率的网络神经模型的试验研究，制定运行标准化控制卡，指导运行值班员关注锅炉运行的关键控制点，给锅炉运行操作指明了方向，使锅炉运行调整不再凭经验，使电站锅炉运行操作科学、简单、及时、精准。

基于电厂混煤掺烧的实际，通过变氧量、变NOX风量、变二次风门开度、变一次风量、变旋流燃烧器调风盘开度和内外二次风角度及旋流强度、变磨煤机组合方式、变空气预热器转速、变干渣机温度等一系列锅炉燃烧调整试验，使锅炉排烟温度降低15℃，锅炉效率提高1.5%以上，达到93.7%，取得较好经济效益。对混煤掺烧偏离设计煤种的电站锅炉优化运行提供参考。 

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