引言

新能源的大規(guī)模并網(wǎng)及電網(wǎng)用電負(fù)荷峰谷差的加大,造成電網(wǎng)的調(diào)峰壓力越來(lái)越大,迫切需要火電機(jī)組大比例地參與電網(wǎng)的深度調(diào)峰。在此過(guò)程中,火電機(jī)組的負(fù)荷率大幅下降,許多火電機(jī)組被迫長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷和偏離常規(guī)負(fù)荷的工況下,使得機(jī)組很難適應(yīng)滿負(fù)荷設(shè)計(jì)工況與常規(guī)設(shè)計(jì)工況下設(shè)定的燃燒優(yōu)化調(diào)節(jié)方案。與此同時(shí),在機(jī)組低負(fù)荷和頻繁變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中鍋爐顯現(xiàn)出水動(dòng)力循環(huán)變差,爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定,污染物排放濃度升高等問(wèn)題。另外,當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷降低時(shí),現(xiàn)有的自動(dòng)控制系統(tǒng)很難有良好的控制效果,而電網(wǎng)對(duì)機(jī)組AGC的考核卻愈發(fā)嚴(yán)格,迫于此情況,運(yùn)行人員不得不大規(guī)模手動(dòng)參與調(diào)節(jié)。然而,受限于調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)的不足,手動(dòng)調(diào)節(jié)通常也很難達(dá)到令人滿意的效果。為此需要對(duì)鍋爐低負(fù)荷及變負(fù)荷工況進(jìn)行燃燒優(yōu)化,使?fàn)t內(nèi)的溫度場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)分布均勻、合理,進(jìn)而提高鍋爐的燃燒性能,減少污染物氣體的排放,更好地保障機(jī)組出力和電網(wǎng)考核。

開展鍋爐的燃燒優(yōu)化是火電廠最基本、最煩瑣的一項(xiàng)工作,但卻有著重要的意義。通過(guò)對(duì)鍋爐的燃燒過(guò)程進(jìn)行調(diào)整,合理配置進(jìn)入爐內(nèi)的燃料量和風(fēng)量,可以使?fàn)t內(nèi)的燃料燃燒更加高效,機(jī)爐協(xié)調(diào)更加迅速,確保鍋爐運(yùn)行的高效穩(wěn)定。同時(shí),燃燒優(yōu)化調(diào)整還可以降低鍋爐的熱偏差,減少水冷壁爆管和爐內(nèi)結(jié)渣,確保鍋爐運(yùn)行的安全性。穩(wěn)定的著火熱源可使鍋爐蒸發(fā)量滿足基本需求,主蒸汽壓力、主蒸汽溫度穩(wěn)定,機(jī)組的出力滿足外界負(fù)荷的需要。

鍋爐燃燒優(yōu)化的最終目標(biāo)是降低運(yùn)營(yíng)成本,要想取得良好的燃燒優(yōu)化結(jié)果,必須首先建立起合適的優(yōu)化目標(biāo)。傳統(tǒng)的燃燒優(yōu)化往往更關(guān)注較高的鍋爐熱效率,隨著國(guó)家對(duì)大氣污染物排放要求的不斷提高,減少氮氧化物的排放也變得越來(lái)越重要。如何在減少氮氧化物生成的同時(shí)保證鍋爐有較高的熱效率成為當(dāng)前鍋爐燃燒優(yōu)化的卡脖子問(wèn)題。因?yàn)檫@兩者之間本身是對(duì)立、矛盾的,降低氮氧化物生成,需要的是低溫、缺氧的環(huán)境條件,而提高鍋爐熱效率的條件是高溫、足氧。因此,在制定燃燒優(yōu)化調(diào)整措施時(shí)需要充分考慮兩者的內(nèi)在耦合,建立起同時(shí)滿足這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)施方案。只有這樣,才能使?fàn)t內(nèi)的燃燒始終保持在最佳狀態(tài),才能保證火電機(jī)組持續(xù)發(fā)展,保證企業(yè)的生存空間,保證火力發(fā)電模式不被其他能源發(fā)電模式所取代。

1燃燒優(yōu)化機(jī)理分析

圖1為煤粉爐機(jī)組鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖。在實(shí)際工作過(guò)程中,經(jīng)過(guò)磨煤機(jī)破碎、研磨、干燥后將滿足細(xì)度要求的煤粉經(jīng)一次風(fēng)輸送到爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒放熱,其中,每臺(tái)磨煤機(jī)可滿足爐內(nèi)同一高度燃燒器的煤粉量需求。爐內(nèi)還布置有大量的換熱設(shè)備,包括低溫過(guò)、再熱器,高溫過(guò)、再熱器以及前、后屏過(guò)熱器。過(guò)熱器的主要作用是熱量交換,將爐內(nèi)燃燒生成的煙氣熱轉(zhuǎn)化為蒸汽熱,從而為汽輪機(jī)做功提供良好動(dòng)力。此外,為維持煙氣在爐內(nèi)的正常流動(dòng),需要滿足平衡通風(fēng)的要求,鍋爐空氣側(cè)采用正壓運(yùn)行方式以克服送風(fēng)流程中的阻力,鍋爐煙氣側(cè)則采用微負(fù)壓運(yùn)行方式以減少爐膛和尾部煙道的漏風(fēng)量。

鍋爐的燃燒優(yōu)化,其核心本質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)煤比使?fàn)t內(nèi)燃燒達(dá)到適宜的條件。在該條件下鍋爐的熱效率高,熱損失低,且爐內(nèi)還原性氣氛強(qiáng),污染物氣體的原始生成量少。在燃燒過(guò)程中,可燃物與助燃劑將發(fā)生劇烈反應(yīng),可采用降低灰渣中可燃物含量,減少煙氣生成量的方法來(lái)提高鍋爐熱效率。對(duì)煤粉爐機(jī)組來(lái)說(shuō),可燃物主要指送入爐內(nèi)的煤粉,因煤質(zhì)組分的不同,不同類型的煤熱值不同,對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。此外,煤粉的濃度與煤粉的燃盡率對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行亦有很大的影響。

風(fēng)量是指燃燒過(guò)程中一次風(fēng)量與二次風(fēng)量的和。煤粉爐中一次風(fēng)作為輸送介質(zhì)將煤粉送入爐膛,而二次風(fēng)的主要作用是助燃。二次風(fēng)將送入爐膛的熱空氣與一次風(fēng)和煤粉的混合物相結(jié)合,保證煤粉的充分燃燒。二次風(fēng)量的大小可用爐膛出口的煙氣含氧量表示,煙氣含氧量的大小可以間接反映鍋爐風(fēng)煤比的好壞,從而反映當(dāng)前鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)風(fēng)量過(guò)大時(shí),鍋爐煙氣含氧量會(huì)升高,煙氣的生成量增加,這將引起鍋爐排煙熱損失增加,鍋爐效率降低。過(guò)量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)和控制是降低爐內(nèi)污染物氣體氮氧化物的有效措施,當(dāng)爐內(nèi)氧濃度降低時(shí),爐內(nèi)的還原性氣氛增強(qiáng),可以有效抑制并還原氮氧化物的生成。但低氧的燃燒氛圍會(huì)造成爐內(nèi)燃燒溫度不高,不利于飛灰顆粒的燃盡,會(huì)引起固體不完全燃燒熱損失的增加,從而降低鍋爐熱效率。

大量的研究表明,污染物氣體氮氧化物的排放量與鍋爐的燃燒過(guò)程存在著密切的聯(lián)系。燃燒過(guò)程中生成的三類氮氧化物中,燃料型氮氧化物的占比最大,它是由燃料中的氮化合物發(fā)生熱分解、氧化而生成的。燃料型氮氧化物的生成機(jī)理如圖2所示。

從圖2可知,原煤中的氮經(jīng)過(guò)一次熱解后形成揮發(fā)分氮與焦炭氮這兩種產(chǎn)物。接著不穩(wěn)定的揮發(fā)分氮與穩(wěn)定的焦炭氮再經(jīng)過(guò)二次熱解形成HCN、NH3等主要中間產(chǎn)物。之后HCN、NH3在氧化性氣氛中生成氮氧化物氣體,在還原性氣氛中生成氮?dú)狻４送?由圖2燃料型氮氧化物的生成機(jī)理過(guò)程可得到影響氮氧化物生成量的因素有煤種、煤種中氮化合物分解時(shí)揮發(fā)分氮與焦炭氮的分配比例以及氧濃度等。綜合考量各影響因素的調(diào)控方法,選取十分有效且便捷的降低爐內(nèi)氧氣濃度即減小過(guò)量空氣系數(shù)的方法來(lái)控制燃料性氮氧化物的生成量。

2燃燒系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化改進(jìn)措施

當(dāng)前階段,鍋爐燃燒系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化主要從兩方面開展,一是設(shè)備改進(jìn),二是燃燒優(yōu)化調(diào)整。

2.1設(shè)備改進(jìn)

(1)先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展,先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)得到大力發(fā)展,如煙氣含氧量在線測(cè)量裝置、飛灰含碳量在線測(cè)量裝置、煤粉濃度在線測(cè)量裝置、爐膛火焰檢測(cè)裝置等。投用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備可以更直觀、準(zhǔn)確地掌握鍋爐的燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物,以此進(jìn)行鍋爐燃燒調(diào)節(jié),確保鍋爐運(yùn)行中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。此外,先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備的大量應(yīng)用,也為基于燃燒理論開展的鍋爐建模仿真燃燒優(yōu)化技術(shù)提供了更好的基礎(chǔ)。利用采集到的大量的高維特性參數(shù),結(jié)合人工智能建模方法,能夠形成新的鍋爐燃燒優(yōu)化方案。

(2)傳感器改進(jìn)。在鍋爐新設(shè)備的研發(fā)過(guò)程中,要充分考慮到爐內(nèi)燃燒時(shí)惡劣的環(huán)境和磨損狀況以及信號(hào)傳遞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的失真、丟失等問(wèn)題,結(jié)合最新研究技術(shù)成果,采用更加耐高溫、耐磨損的傳感器設(shè)備采集爐內(nèi)重要的熱工信號(hào)。

(3)主燃燒器合理選型與改造。依據(jù)鍋爐"低氮高效"的燃燒目標(biāo),對(duì)鍋爐的燃燒器進(jìn)行有效選型和改造。盡管水平濃淡燃燒器與垂直濃淡燃燒器都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同濃度煤粉的劃分,但實(shí)際過(guò)程中還要依據(jù)分離比例、運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)要求對(duì)燃燒器進(jìn)行科學(xué)有效的選型。同時(shí),在主燃燒器改造中,要確定好主燃燒器的標(biāo)準(zhǔn)高度,還要固定好四角風(fēng)箱風(fēng)道與擋板風(fēng)箱的位置,將彎頭、噴口全部更換,使其達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[7]。

2.2燃燒優(yōu)化調(diào)整

通過(guò)大量的研究分析可知,鍋爐燃燒優(yōu)化即通過(guò)調(diào)節(jié)影響爐內(nèi)燃燒的關(guān)鍵操作變量來(lái)提高鍋爐熱效率,降低污染物氣體的生成。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況發(fā)生改變時(shí),爐內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)也隨之發(fā)生變化,需要通過(guò)合理調(diào)節(jié)來(lái)優(yōu)化爐內(nèi)各場(chǎng)的分布特性,達(dá)到均勻、合理的運(yùn)行目標(biāo)。具體的燃燒優(yōu)化調(diào)整措施如下:

(1)開展不同煤種煤粉細(xì)度燃燒調(diào)整試驗(yàn)。當(dāng)煤粉細(xì)度過(guò)小時(shí)極易造成爐內(nèi)燃燒著火提前,燃燒器的噴口出現(xiàn)結(jié)焦或燃燒損壞:而當(dāng)煤粉細(xì)度過(guò)大時(shí),則會(huì)引起著火滯后,導(dǎo)致爐內(nèi)的燃燒效率大大降低,鍋爐出力不足。試驗(yàn)得到不同煤種磨煤機(jī)出口分離器的擋板開度,通過(guò)調(diào)節(jié)擋板開度來(lái)改變?nèi)霠t煤粉的細(xì)度。

(2)對(duì)燃燒器熱負(fù)荷的均勻性進(jìn)行試驗(yàn),校正每臺(tái)磨煤機(jī)出口流量。運(yùn)行過(guò)程中火焰中心偏斜會(huì)引起爐內(nèi)水冷壁局部高溫,造成煙溫和蒸汽溫度偏差,水冷壁受熱面受力不均,會(huì)導(dǎo)致水冷壁結(jié)渣和反常變形。

(3)依據(jù)機(jī)組不同運(yùn)行負(fù)荷,匹配燃燒器運(yùn)行個(gè)數(shù)。通過(guò)調(diào)整與機(jī)組負(fù)荷相適應(yīng)的燃燒器個(gè)數(shù),使?fàn)t內(nèi)的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)達(dá)到適宜,保障爐內(nèi)煤粉的燃盡率。

(4)依據(jù)燃燒調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果,建立調(diào)節(jié)燃燒器二次風(fēng)葉片開度的樣本庫(kù)。依據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷直接選取與其相匹配的燃燒器二次風(fēng)葉片開度調(diào)節(jié)值,從而增大燃燒器外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度,達(dá)到良好的煙氣卷吸效果,使?fàn)t內(nèi)著火穩(wěn)定,燃燒穩(wěn)定。

(5)開展氧量調(diào)節(jié)試驗(yàn),設(shè)置不同工況下氧量調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)表。氧量的大小,直接關(guān)系到鍋爐的燃燒效率與污染物控制。不同負(fù)荷下最佳的氧量值,可以有效降低熱損失之和,提高爐內(nèi)燃燒性能,有效減少污染物氣體的生成。

(6)對(duì)爐膛二次風(fēng)的配風(fēng)方式進(jìn)行試驗(yàn)。在煤粉爐中通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)沿爐高方向的二次風(fēng)擋板開度,改變風(fēng)粉量在爐內(nèi)不同區(qū)域的燃燒份額,從而控制火焰的位置,調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫、灰渣可燃物含量、排煙溫度及氮氧化物排放濃度等運(yùn)行參數(shù)值。

(7)建立排煙溫度修正公式。在鍋爐尾部煙道中不可避免地存在漏風(fēng),在鍋爐低負(fù)荷時(shí)漏風(fēng)現(xiàn)象尤為明顯,為有效降低漏風(fēng)帶來(lái)的負(fù)面影響,需要對(duì)鍋爐不同負(fù)荷下的排煙溫度測(cè)量值進(jìn)行修正。通過(guò)對(duì)比在線測(cè)量的排煙溫度值與實(shí)測(cè)的排煙溫度值二者的擬合特性,建立起鍋爐高、中、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的排煙溫度修正關(guān)系式。

(8)對(duì)鍋爐引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)鍋爐引風(fēng)機(jī)的優(yōu)化,引風(fēng)量可隨鍋爐負(fù)荷及送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)同步快速變化,使得爐膛始終保持在負(fù)壓狀態(tài),充分保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(9)整理出燃燒系統(tǒng)各子系統(tǒng)的燃燒優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律,擬合出負(fù)荷與控制量之間的函數(shù)關(guān)系?；诖罅康娜紵{(diào)整試驗(yàn),得到各控制量與負(fù)荷、煤種的變化關(guān)系,從而為低負(fù)荷鍋爐燃燒優(yōu)化的自動(dòng)調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

3結(jié)語(yǔ)

隨著火電機(jī)組廣泛參與電網(wǎng)調(diào)峰,開展鍋爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化將成為一項(xiàng)長(zhǎng)期工作。在機(jī)組頻繁地變負(fù)荷、變煤種運(yùn)行過(guò)程中,燃燒系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)劣不僅關(guān)系到公司的運(yùn)營(yíng)成本和效益,而且對(duì)于鍋爐的使用壽命和安全性也有較大影響。因此,必須積極開展深度調(diào)峰下鍋爐的燃燒優(yōu)化工作,從而使運(yùn)行人員積累燃燒調(diào)整經(jīng)驗(yàn),提高技能水平,促進(jìn)火電廠長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

本文介紹了當(dāng)前煤粉爐機(jī)組燃燒優(yōu)化的背景以及需要解決的核心問(wèn)題,并依據(jù)燃燒優(yōu)化理論提出了具體的燃燒優(yōu)化改進(jìn)措施,包括對(duì)燃燒系統(tǒng)投用設(shè)備的改進(jìn)及燃燒優(yōu)化調(diào)整的具體措施。燃燒優(yōu)化調(diào)整措施包括對(duì)不同煤質(zhì)的細(xì)度、濃度及輸送流量特性進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)不同負(fù)荷下鍋爐氧量、二次風(fēng)配風(fēng)方式進(jìn)行尋優(yōu)試驗(yàn)以及通過(guò)試驗(yàn)建立排煙溫度修正公式等,這一系列措施可使鍋爐熱效率與氮氧化物生成量這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)在機(jī)組參與調(diào)峰過(guò)程中達(dá)到理想的平衡狀態(tài)。