CFB锅炉机组适应性燃烧优化调整技术研究与实践
孙宝荣，郑健，徐英俊，李勃，周燕辉松布尔，缪秀纲
（京能( 赤峰) 能源发展有限公司）
Technical Research and Experimental of Rational Combustion Optimization of CFBBoiler Units
SUN Bao-rong，ZHENG Jian，XU Ying-jun，et al．
Jingneng ( Chifeng) Energy Development Co．，Ltd．
ABSTRACT: Jingneng ( Chifeng) Energy Development Co．，Ltd．has carried out the research and practice of boiler adaptive combustion optimization and adjustment under the background of deep peak regulation ，and the combustion adjustment test has achieved good results．The main research results and conclusions are as follows : the temperature control of the boiler combustion bed has reached a high level，and the stable combustion at low load and the non-overtemperature at high load have been realized．The oxygen content of the high outlet is controlled at about 1%－1．5%，and the oxygen con- trol is more economical and reasonable，and the results show that the combustion organization in the furnace is good，and the AGC is well put into operation with automatic control．In order to reduce the bed temperature as much as possible while taking into account the ultra-low emission of denitrification，the boiler operating parameters of three different loads of the boiler，especially under the condition of high load and in the process of load lifting，were optimized and adjusted， and the corresponding boiler parameter adjustment scheme was proposed．
Key words : CFB boiler ; combustion adjustment ; deep peak shaving ; bed temperature
摘要 : 京能(赤峰) 能源发展有限公司进行了深度调峰背景下锅炉适应性燃烧优化调整研究和实践，燃烧调整试验取得了良好的效果。得到的主要研究成果及结论如下: 锅炉燃烧床温控制达到了较高水平，低负荷稳燃和高负荷不超温均得到了实现 ; 高过出口氧量控制在 1%～1．5% 左右，氧量控制更为经济合理，研究结果表明炉内燃烧组织良好，AGC 跟随自动控制投运良好 ; 氮氧化物控制方面，低负荷可达标，还原剂用量低于 0．8 m3 / h，为了尽可能降低床温同时兼顾脱硝超低排放，对锅炉 3 种不同负荷尤其是高负荷情况下及升负荷过程中的锅炉运行参数进行了优化调整，提出了相应的锅炉参数调整方案。
关键词 : CFB锅炉;燃烧调整;深度调峰;床温
1 锅炉概述
京能赤峰能源发展有限公司 2 × 135 MW 锅炉为无锡华光锅炉股份设计制造的 UG－480 /13．7－M型循环流化床锅炉。炉膛下部的后墙水冷壁弯制成水冷布风板，布风板上设计 2130 个柱型风帽，风帽采用高强度稀土合金铸造而成，风帽错列布置，横纵间距均为 160 mm。
水冷布风板由后墙水冷壁弯制而成，布风板的横截面积为 15330× 3700 mm = 56．721 m2，水冷布风板的管子直径为φ76× 10 mm，材质为20G，上面布置的柱型风帽采用高强度稀土合金铸造并具有防漏渣功能。布风板上的表观烟气速度为5．57 m / s，高于一般 135 MW 循环流化床锅炉机组。
锅炉主要燃料特性见表1 。 由表1可见，设计煤种与校核煤种煤质差别较大，设计煤种为煤矸石，灰分大、水分低，热值也较低，校核煤种为褐煤，水分大、灰分低，热值较高。入炉煤的粒度范围均为0～10 mm宽筛分颗粒。
2 锅炉存在的问题
高负荷时锅炉密相区床温高，最高 点可达到1000 ℃ 。锅炉设计床温 870 ℃ , 目前实际运行远高于设计值。炉膛出口温度 850～880 ℃ , 密相区的热量没有充分携带至稀相区，密相区燃烧充分激烈，炉膛上下部温差达到 120～150 ℃ , 大于常规循环流化床锅炉的运行水平。炉膛上部差压 1．7 kPa，循环灰形成的稀相区灰浓度满足正常运行要求，基础条件良好。布风板改造后风室压力一般控制在 12 kPa左右，改造后布风板阻力为 4．5 kPa 左右，床上差压测点距离布风板 300 mm，则实际料层约为 12－4．5 -3 = 4．5 kPa，与盘前显示相符，若继续增加一次风量，布风板阻力升高，保持同样的料层风室压力将会升高，在床压变化调整试验中优化实际床层压力，床层压力低的优点是节省厂用电，缺点是存在局部高温，趋向生成氮氧化物，同时底部流化剧烈，风帽底部容易受到乱流的影响，进而导致冲刷磨损。屏再第 2 屏第 36 根管壁壁温容易超温，设计允许最高温度 585 ℃ 。通过平衡的燃烧组织和左右侧燃烧量调平试验，获得更加均匀的壁温变化曲线，保证适度的减温水投入量。从而优化再热蒸汽参数。通过本燃烧调整试验，优化运行参数，为常用负荷的优化运行提供技术指导，形成最佳参数控制卡。
炉膛温度高，从运行参数看，炉膛温度高的部位有3处，分别是密相区下部后墙中部两个点，密相区中部后墙右侧 1 个点。局部高温将导致 NOx 原始生成量增加，并伴有局部结焦的风险。
3 燃烧调整试验
3.1 一二次风比例调整对床温和 NOx 的影响
高负荷时一次风运行在135 kNm3 / h左右，进行一二次风比例变化调整，寻求最佳的一二次风比例，降低氮氧化物原始生成并保持相对较低的密相区床温，试验中共进行3个工况的比例变化调整。工况1 盘前一 次风量135 kNm3 / h，盘前二 次风量190 km3 / h(当地流量) ; 工况2盘前一次风量 145 kNm3 /h，盘前二次风量180 km3 / h ( 当地流量) ; 工况3盘前一次风量155 kNm3 / h，盘前二次风量 170 km3 / h ( 当地流量) 。监测一二次风比例变化后的密相区床温和氮氧化物。
图1 一次风比例对床温的影响
由图1可知，一次风比例提高，密相区下部床温呈现下降趋势，但通过氮氧化物监测发现，一次风比例提高后密相区还原性气氛受到一定程度破坏，从而氮氧化物原始生成量略有增加，在其他因素未改变的前提下，出 口氮氧化物排放整体变化率低于10%，床温降低后从温度这个角度讲，氮氧化物应呈现单边下降趋势。总体而言，一次风比例提高是控制床温的有效措施之一。
3.2 上下二次风比例调整对床温的影响
对上下二次风比例进行的调整，考察的是炉膛下部整体平均床温水平，采取的调整措施是降低下二次风比例，将火焰中心向上移动，提高上部燃烧份额，试验中共记录了5组数据，试验煤种为当地杂煤和蒙东褐煤，整体灰熔点较低，一般ST仅为 1080 ~ 1100 ℃ , 存在不安全因素，从防止结焦的角度讲，应尽量控制给煤层的床温不高于此值。因此进行上下二次风及左右二次风的调整，从风源的角度平衡左右侧的燃烧量，进而均化左右和上下炉膛温度，并为降低氮氧化物提供便利条件。
图2 上下二次风比例对炉膛下部整体床温的影响
由图2可见，上下二次风比例的调整均化了炉膛密相区的床温，最高床温点的温度开始下降，由最高的 950 ℃ 左右下降到了930 ℃ 。局部高温的消除，对抑制氮氧化物生成有利。左右侧二次风手动门由 100% 降低至 10%～40%，左右侧二次风对燃烧作用不大，且其风量的大小直接影响分离器的运行参数，包括尾部两侧氧量，同时控制不当时还容易造成两侧偏差，对水冷壁形成侧磨损，因此试验 中关小左右侧二次风量 ; 同时不导致二次风管烧红等现象。
调整中单方面降低了下二次风量，风门开度由100%－60%－50%－40%，最后停留在 40%运行，调整过程中记录了各主要参数的变化。
3.3 NOx原始排放标定试验
由图3可见，DCS显示值在130～155 mg / m3 区间变化，整体处于较低的氮氧化物排放水平，有利于超低改造，并降低超低运行时的尿素单耗成本，说明燃料分级和燃烧用风分级组织的相对合理，达到了同样锅炉低氮燃烧的效果。如要进一步提高燃烧分级效果，可结合超低排放改造进行二次风系统改造，同时更换各二次风支管路手动门，便于燃烧组织和控制氮氧化物生成。
图3 1号锅炉NOx排放监测结果
3.4 床压调整试验
循环流化床锅炉床压反映的是床上物料总量，床压提高后，床料总热容量增加，同样平衡后的床温相应降低，由于床面存在剩余焦块的可能性，为了安全运行试验采取了反向操作，即降低床压1 kPa左右，从风室压力判断床压实际上降低了约1 kPa左右，但通过床上差压测点测量结果看，床上差压变化没有那么大，建议热工检查床压测点并明确吹扫方式和是否采用了滤波算法，延迟了床压的反应速率，重要的是监测的趋势性和准确性。降低床压后，床温开始上升，验证了床压对床温影响的趋势性，为了安全起见，及时停止了反向试验。得出提高床压可以降低密相区温度的结论，建议结合停炉监测床料高度的方式验证炉膛差压的准确性，同时对床压测点距离布风板的高度进行测量，综合计算控制合理的运行床压。
3.5 返料风调整试验
首先对返料风理论上需要的风量进行了计算，计算结果如下。
1、2号炉返料风采用母管制，1 号炉启动 1 台380 V 低功率(110 kW) 流化风机，2 号炉启动 1 台 6 kV 高功率(400 kW) 流化风机，松动风在前，管内径151 mm，返料风在后，管内径 211 mm，根据理论计算，对松动风和返料风手动门进行了调整，首先将左右两侧的松动风风门开度开到一致，并进行了关小两圈操作，返料风手动门两侧全开，盘前显示风量未按调整方向进行相应的变化，但依据离心风机的特点和母管对称布置的方式，判断风量按调整意图进行了变化，但运行一段时间后锅炉运行参数，比如密相区床温和稀相区差压未发生明显变化，稀相区差压维持在1．5 kPa左右，仅分析这个参数本身，可以判定分离器效率足够高，应带来的结果是密相区和炉膛出口温度差应低于100 ℃ , 但实际情况是没有达到，下部和炉膛上部床温均匀性不高，因此从其他渠道判断一下分离器的效率情况，负荷变化时，尤其时二次风机停运1台的时候，稀相区差压基本保持不变，有失真实性。
赤峰能源旋风分离器烟气进口处净截面为2100×6100 mm，BMCR工况时，空预器出口烟气设计总量 521261 Nm3 / h，空预器出口设计过量空气系数为1．27，实际运行时分离器进口过量空气系数为1．05，分 离器进口烟气设计总量430963 Nm3 / h，BMCR工况时分离器进口烟温880 ℃ , 经计算旋风分离器的入口烟速为19．73 m / s，与锅炉设计说明书中所述 20 m / s 相当，为了达到较高的分离器分离效率，入口烟速一般选择25 m / s以上，经过计算将烟气进口处净截面 2100×6100 mm 修改为1800×5800 mm，其中宽度方向上要求增加舌部即内侧的厚度，高度方向上要求增加入口底部的高度，销钉的长度及密度需要相应的增加。
3.6 左侧再热汽温偏低与床温的影响性试验
1号锅炉调整前左侧再热汽温偏低，运行中经常需要加大减温水量来控制单点壁温，高温再热器设计允许壁温585 ℃ , 左侧2号屏第36根管子壁温经常处于570 ℃ 以上的高温，前墙垂直装置有6片再热器，每片屏由 36 根直径 φ51×5mm 的管子组成，炉内管屏材质为TP304H，炉外管屏材质为12Cr1MoVG，节距规格为 70× 5 mm 。管屏下端敷设高强度耐磨耐火材料，防止受热面冲刷磨损。
高负荷时以 2 号屏为例，第 30 根、第 33 根和第36 根管壁温度依次分别为540 ℃ 、560 ℃ 、575 ℃ 左右，此时相邻的 1 号屏和 3 号屏第 36 根管壁温均不超过 560 ℃ , 而且低负荷时除了2号屏第 36 根测点以外，所有的壁温测点温度均不高于 540 ℃ 的时候，相邻的 1号屏和 3号屏第 36 根测点温度只有 520 ~ 530 ℃ 之间，此时2号屏第36根测点温度仍然在572 ℃以上，低负荷时炉膛出口温度只有 750 ℃ 左右，因此无论从相邻管屏还是从高低负荷变化均不难看出，2号屏第36根壁温测点温度与烟气侧的温度高低无关，即使是最外侧管子，向火侧反映出的运行参数变化均与其它屏呈现不一样 的规律，从壁温测点规律不难发现，靠近外侧的管子由于管阻大，本身呈现的就是外侧再热蒸汽流量小，带走热量受限壁温继而升 高，但2号屏尤其 高。分析其原 因大致分为以下三种情况；①受炉 内再热屏变形严重 的影响，2号屏第36根管再热蒸汽流量变小，导致壁温高，而且在低负荷时 2 号屏各管路流量分配体制一样，导致2号屏第36根管流量同比降低，呈现出壁温高的情况。若是这种原因，则建议针对 2号屏加设节流管圈，尽量均匀分配2号屏各管路流量，从而解决问题；②还有可能的原因是第36根管由于氧化皮脱落等原因堵塞在屏底弯头处，导致再热蒸汽流量减小，若是这种原因，则需割管检查；③检查确认该测点的测量准确性，一是检查测点贴块是否紧贴密实，二是对换测量通道，用其他测点检测该测点的数值是否反应的是真实值，若是真实值建议采用上述两种情况的建议进行检修，否则更换测点。
图4 再热外圈管子金属壁温
注: 所有数据为DCS显示数据。
由表4可见，单纯燃烧调整使得密相区下部平均床温降低了约 25 ℃ , 二次风压力提高了2 kPa，使得炉内氧含量分布更加均匀，燃烧还原性气氛得以加强，有利于控制氮氧化物生成。风室压力提高至10．5～11．5 kPa，床料量增加，密相区的床层孔隙率降低，氧浓度降低，还原性气氛增强，同时由于床温的降低，锅炉氮氧化物原始生成得到抑制。锅炉抵御结焦的风险能力也增强。
出力390 t / h 以上时，NOx 基准排放浓度(标态，6%氧量) 维持在 150～170 mg / m3之间，在机组负荷升高后，通过燃烧优化调整，NOx 排放浓度 (标态， 6%氧量) 依然控制在 160 mg / m3 以下。从燃烧方面来看，排烟温度、底渣和飞灰可燃物综合基本无影响，锅炉效率未受影响。
4 结论
锅炉燃烧床温控制达到了较高水平， 390 t / h 以上出力密相区平均床温930～945 ℃ 。即有利于氮氧化物控制又不影响燃尽，蒙东褐煤的燃尽温度约800 ℃ , 兼顾风帽磨损和水冷壁磨损的现状，建议适当增加一次风量，将床温控制在合理范围内，但为了完成厂用电小指标，一次风量也不宜控制过大。
高过出口氧量控制在1%～1．5% 左右，对于氮氧化物控制、风机电耗以及排烟损失都是有利的，飞灰可燃物在1．0% 以内，符合蒙东褐煤燃尽指数要求，同时CO未超标，充分表明，炉内燃烧组织良好，AGC跟随自动控制投运良好。
锅炉燃烧波动不大。由于AGC负荷跟随波动不大，锅炉给煤不存在突然增减给煤量的问题，因此锅炉风量变化跟随相对缓慢，未造成氮氧化物波动频率上升的情况。
左侧再热汽温低与床温及炉内燃烧组织无关，按左侧再热汽温偏低与床温的影响性试验结论进行逐一排查，解决左侧再热汽温因减温水量大汽温偏低的问题。
氮氧化物超低排放控制主要包含两方面内容：锅炉运行稳定及低氮燃烧参数控制，这一部分可以 降低运行单耗 ; 脱硝系统优化和运行参数控制。
为了尽可能降低床温同时兼顾脱硝超低排放，对锅炉三种不同负荷尤其是高负荷情况下及升负荷过程中的锅炉运行参数进行了优化调整，提出了相应的锅炉参数调整方案。
参考文献
［1］ 岳光溪，等．循环流化床锅炉炉内传热的影响因素［J］．清华大学学报( 自然科学版) ，2007．
［2］ 张寿岩，等．大型 CFB 锅炉的技术改进与参数优化［J］．电站系统工程，2011．
京公网安备 11011502004515号 
