2 102 t/h超临界压力锅炉的特点及启动试运

邓文俭，张书位，申 旭，辛洪昌

（1.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250002；2.华电潍坊发电有限公司，山东 潍坊 261041）

0 引言

随着我国电力市场的蓬勃发展，电站项目朝高参数、大容量的方向发展已成为大势所趋，近年来超临界锅炉技术在国内得到了迅速的发展和应用。华电潍坊发电有限公司3号机组是山东省核准的第一台超临界670MW机组，锅炉是国内第一台燃用贫煤、采用四角切圆直流燃烧器的锅炉。

1 锅炉系统及其特点

锅炉过热器出口压力为25.4MPa，温度为571℃，再热器出口温度为569℃，最大连续蒸发量为2102t/h（表1）。该炉采用美国阿尔斯通（ALSTOM）能源公司的技术，由上海锅炉厂有限公司生产的超临界参数变压运行、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型直流锅炉，型号为SG-2102/25.4-M954。炉膛水冷壁下部（包括冷灰斗）采用螺旋管圈，上部为一次上升垂直管屏。过热汽采用二级喷水调温，再热汽温采用燃烧器摆动调节，再热器进口连接管道上设置事故喷水，事故喷水取自给水泵中间抽头；设计煤种为山西晋中地区贫煤，点火及助燃油为0号柴油；制粉系统为双进双出钢球磨正压直吹系统，磨煤机为6台，BMCR工况时5台运行，1台备用；每台磨煤机出口由4根煤粉管道接至同一层4个煤粉浓淡分离器。

1.1 锅炉启动和汽水系统

锅炉采用简单疏水式启动系统，不带启动循环泵，在大气式扩容器进口管道上设置有2个高水位调节阀（HWL），在至除氧器的疏水管道上设置有1个正常水位调节阀（NWL）。炉前沿宽度方向垂直布置2只启动分离器，其进出口分别与水冷壁和炉顶过热器相连接。每个启动分离器筒身上方切向布置4根不同內径的进口管接头、2根至炉顶过热器的出口管接头、下部布置1个疏水管接头。当机组启动，或锅炉负荷低于最低直流负荷30%BMCR时，蒸发受热面出口的介质流经启动分离器进行汽水分离，蒸汽通过启动分离器上部管接头进入炉顶过热器，而水则通过两根疏水管道引至1个连接球体，连接球体下方设有两根管道分别通至除氧器和大气式扩容器，每根管道上设有调节阀，可根据不同状况控制启动分离器水位，并对工质和热量进行回收。在大气扩容器中，蒸汽通过管道在炉顶上方排向大气，水进入集水箱。

表1 锅炉主要设计参数［1］

表2 煤质特性

炉膛由膜式壁组成，从炉膛冷灰斗水冷壁进口集箱，到标高55 718Mm处炉膛四周采用螺旋管圈，在此上方为垂直管圈。炉膛上部布置分隔屏过热器和后屏过热器，水平烟道依次布置高温再热器和高温过热器，尾部烟道布置有低温再热器和省煤器。

图1 简单疏水式的启动系统

1.2 燃烧系统

燃烧方式采用从美国阿尔斯通能源公司引进的摆动式四角切圆燃烧技术。燃煤为山西晋中地区贫煤，采用双进双出磨煤机、冷一次风机、正压直吹式制粉系统设计，煤粉燃烧器为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器。燃烧器共设置6层浓煤粉喷嘴和6层淡煤粉喷嘴，锅炉配置6台BBD3854型双进双出磨煤机，每台磨的出口由4根煤粉管接至燃烧器前部布置的1个煤粉浓淡分离装置，进行浓淡分离（图2）浓煤粉通过燃烧器下部的浓煤粉喷嘴进入炉膛，淡粉通过燃烧器上部的淡煤粉喷嘴进入炉膛。

图2 煤粉浓淡分离装置

表3 燃烧器的设计参数［2］（BMCR，设计煤种）

1.2.1 燃烧器布置

燃烧器主风箱设有6层宽调节比（WR）浓煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风），在每相邻2层浓煤粉喷嘴之间布置有2层辅助风喷嘴，其中包括1只偏置的CFS喷嘴，1只直吹风喷嘴。在主风箱上部设有6层淡煤粉喷嘴，同样在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。在主风箱最上部设有2层紧凑燃尽风（CCOFA）喷嘴，在主风箱下部设有1层火下风（UFA）喷嘴。在主风箱上部3.44M上方布置6层可水平摆动分离燃尽风（SOFA）燃烧器，SOFA总高度达4.856M。

1.2.2 燃烧系统设计特点

燃烧系统的核心是采用低NOx同轴燃烧系统（LNCFS），其主要机理是建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术。二次风射流基本平行进入炉膛，推迟了一、二次风的初期混合，加强了空气分级的效果，早期混合并不强烈，煤粉火焰是一种边燃烧边同二次风混合的扩散火焰，因此形成了一种较长的火焰结构。LNCFS在降低NOx排放的同时，着重考虑提高锅炉不投油低负荷稳燃能力和燃烧效率，在防止炉内结渣、高温腐蚀和降低炉膛出口烟温偏差等方面，同样具有独特的效果。

紧凑燃尽风（CCOFA）和可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）。在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA，将炉膛分成三个相对独立的部分：初始燃烧区，NOx还原区和燃料燃尽区。这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数，在有效降低NOx排放的同时能最大限度地提高燃烧效率。 而炉膛出口烟温偏差是炉膛内的流场造成的，在炉膛垂直出口断面处的烟气流速对烟温偏差的影响要比烟温的影响大得多。紧凑燃尽风喷嘴和分离燃尽风反切一定角度，使进入燃烧器上部区域气流的旋转强度得到减弱乃至被消除。SOFA摆角可水平调整-15°～+15°。

预置水平偏角的辅助风喷嘴 （CFS）。采用同心切圆燃烧方式，部分二次风气流在水平方向分级，在初始燃烧阶段推迟了空气和煤粉的混合，NOx形成量少。由于一次风煤粉气流被偏转的二次风气流裹在炉膛中央，形成富燃料区，在燃烧区域及上部四周水冷壁附近则形成富空气区，这样的空气动力场特性减少了灰渣在水冷壁上的沉积，并使灰渣疏松，减少了墙式吹灰器的使用频率，提高了下部炉膛的吸热量。水冷壁附近氧量的提高也降低了燃用高硫煤时水冷壁的高温腐蚀倾向。

图3 预置水平偏角辅助风燃烧方式

宽调节比（WR）煤粉喷嘴。喷嘴中装有V型钝体，使得一次风在V型钝体前方形成稳定的回流区，卷吸高温烟气，起到稳定火焰的作用，从而有效降低NOx的生成，延长焦碳的燃烧时间。

火下风（UFA）喷嘴。在每个主燃烧器最下部采用UFA喷嘴设计，通入部分二次风，以降低大渣含碳量。

2 冷态空气动力特性试验

为了摸清该炉的空气动力特性，为热态启动、调试和运行提供技术数据，检查锅炉及辅机设备，了解其状态和调节机构、自动装置及控制仪表的情况，进行了冷态空气动力特性试验。

试验时2台空预器、一次风机、送风机、引风机运行。一次风机档板开度50%，电流242 A，一次风母管压力4.60 kPa，风机出口温度36℃；送风机动叶开度66%，电流92 A，出口压力1.08 kPa，风机出口温度18℃；引风机静叶开度38%，电流220 A，维持炉膛负压-50 Pa。燃烧器倾角在水平位置，燃烧器二次风档板开度为100%，周界风风门开度为50%。通过调整磨煤机出口管道上的缩孔，使每层燃烧器出口的风速偏差控制在5%以内。

表4 动力场试验时燃烧器喷口风速 m/s

冷态空气动力场试验结果表明：炉内强风环直径达14.5M；强风环位于炉膛中央，无偏斜现象；炉内中心无风区3M，气流充满度良好，有利于锅炉的稳定燃烧和低负荷稳燃。燃烧器附近区域的水冷壁贴壁风速较低，在2.1～6.1M/s之间；但炉膛中间的贴壁风速较高，在7.8～11.7M/s之间，气流冲刷水冷壁严重，热态时如果煤粉气流贴壁，易引起高温腐蚀；煤粉气流如冲刷到卫燃带上，会引起卫燃带结焦。2006年10月9日19：37，机组负荷563MW时，曾发生卫燃带掉焦砸坏捞渣机盖板而被迫停炉，后将燃煤改为山西阳泉煤，炉膛结焦现象没有再发生。

图4 炉内空气动力场强风环示意图

3 蒸汽稳压吹管

为了满足业主促进安装进度和缩短机组整套启动试运工期的要求，决定采用稳压吹管。主系统采用一阶段串吹方式，其流程为：启动分离器→各级过热器→过热器集汽集箱→主蒸汽管道→高压主汽阀门室→临时管→临吹门A/B→临时管→低温再热管路 （集粒器）→各级再热器→高温再热管路→中压蒸汽阀门室→临时管→消音器→排大气。

3.1 稳压吹管主要措施

为了保证临时系统强度、吹管系数大于1和防止再热器超温的问题，采取了如下临时措施：

吹管临时门采用合金门，公称直径为325Mm，临时门和冷再前的临时管道承受的压力不低于10.0MPa，温度不低于480℃；热再后的临时管道承受的压力不低于5.0MPa，温度不低于480℃；一次、二次疏水分开，疏水管道及阀门的压力要求不低于6.0MPa；临冲门后的母管上增加固定支架；加固冷、热段再热管道的三通、消音器等。

锅炉输煤系统、除灰系统、除渣系统具备投用条件；锅炉燃烧及制粉系统冷具备投运条件。

汽机润滑油、顶轴油、盘车、油净化系统、发电机密封油系统调试完毕；除氧给水、真空、轴封、汽机盘车系统、汽缸温度测点能投用，与汽机本体有关的管道应全部隔离；主汽门及中压主汽门安装假门芯。

吹管时的给水流量达到60%的额定蒸发量，为了维持吹管期间凝集器水位，每次吹管前制备约5 000～6 000 t除盐水备用，确保吹管期间从除盐水箱能直接向凝集器直接补水，增加直径273Mm临时管路和1台出力600 t/h的临时泵。

要求1台电动给水泵和1台汽动给水泵具备投运条件。

再热器减温水水源由给水泵中间抽头改为给水母管，确保吹管时再热器减温水能够投入，并利用辅汽对过热器减温水、再热器减温水管路提前吹扫干净。

在再热器进口的管道上安装集粒器。

3.2 稳压吹管情况

锅炉吹管于2006年9月21日开始，9月24日03：24结束，共吹3次。第一次有效吹管时间45Min，第二次有效吹管时间120Min，第三次有效吹管时间100Min。吹管期间控制分离器出口压力5.4～5.8MPa，主汽温度 360～420℃，主汽压力 3.3～3.6MPa，再热器入口温度230～250℃，再热器出口温度450～480 ℃，再热器出口压力 1.01～1.08MPa，给水流量 1 200～1 300 t/h，温度 50～60℃，吹管系数 k1可以维持在1.12，k2可以维持在1.05。过热器一级减温水流量60 t/h左右，二级减温水流量20 t/h左右，再热器减温水流量虽然达到满量程的50 t/h，但吹管期间的再热器出口温度始终控制在480℃以内。

为了便于操作，事先在中压主汽门出口管道上安装4块靶板，左右各2块，分2次冲击靶板，靶板被冲击时间未3min。靶板显示：第一次右侧靶板1个斑痕，直径均为0.6mm，左侧靶板1个斑痕，直径均为0.7mm；第二次右侧靶板无0.2mm以上的斑痕，左侧靶板1个斑点，直径为0.6mm；且靶板表面光亮，完全达到了 《火电工程调整试运质量检验及评定标准》（2000年版）中对吹管的质量检验及评定标准。

4 锅炉水循环清洗和流量控制

超临界直流锅炉在每次点火前都要进行炉前清洗，即对进入蒸汽系统前的水系统，包括凝汽器、低压加热器、除氧器及主给水系统、高压加热器、省煤器、水冷壁及汽水分离器，按顺序进行除盐水循环冲洗，锅炉进水中铁的质量浓度必须低于200 μg/L；锅炉在进水时除氧器须投加热，提高给水温度到120℃左右，锅炉给水与锅炉金属温度的温差不许超过111℃，以210 t/h的给水流量上水，待启动分离器有水位出现时，要求启动分离器水位稳定2Min后，逐渐加大给水量到631 t/h省煤器入口流量，控制启动分离器有水位6.2～7.2M，将启动分离器水位控制自动投入，锅炉进入循环清洗程序。当启动分离器出口水质中铁的质量浓度大于500 μg/L，应进行排放；当启动分离器出口水质中铁的质量浓度小于500 μg/L时进行回收，启动锅炉疏水泵，建立循环清洗。

当循环清洗进行到省煤器入口水质中铁的质量浓度小于50 μg/L，启动分离器出口含铁量小于100 μg/L时，锅炉清洗完成，可以进入点火操作程序。点火后的水和蒸汽品质各项指标已满足要求，在带负荷过程中不需要进行锅炉洗硅。点火后，为了防止螺旋水冷壁管超温，省煤器进口给水流量必须大于630 t/h。

5 燃烧特性

尽管采用煤粉浓淡分离装置和低NOx同轴燃烧系统，在降低NOx排放方面没有表现出明显的优势，在机组负荷670MW时，测量的空预器入口的烟气氧的体积分数为5.7%时，NOx的质量浓度为560Mg/m3，需要进一步的燃烧优化和调整。在锅炉不投油低负荷稳燃能力和燃烧效率方面，优势明显。不投油稳燃负荷在机组试验期间即可达到360MW。负荷670MW时，烟气中CO的质量浓度为11Mg/m3，飞灰可燃物的质量分数在1.2%～3.5%之间，大渣可燃物的质量分数在10%以下。在满负荷试运期间，燃用山西阳泉煤，锅炉运行平稳，没有发生结渣、结焦现象，水冷壁、过热器、再热器金属壁温均无任何超温现象，除再热器汽、热风温度偏低外，各项参数都达到设计要求。

6 存在的问题及改进建议

6.1 煤粉细度粗

锅炉配置6台BBD3854型双进双出磨煤机，其设计的旁路风除了维持一次风管道风速的作用外，还起到干燥原煤的效果，同时原煤中的编织带、雷管导线、铁丝、杂草等杂物堵塞分离器档板，另外回粉管设计截面积小，锁集器卡涩，磨煤机运行不到1周就易造成分离器档板、回粉管堵塞，造成煤粉较粗，试运期间的煤粉细度R90在16%～26%，无法达到经济燃烧所要求的煤粉细度 （R90=10%～12%）；建议在原煤仓入口处加装过虑筛，清理原煤中的杂物，增大回粉管截面积，并对锁集器进行改造。

6.2 再热汽温度、热风温度低

再热汽温度是机组经济型的重要参数，对汽机热耗影响显著。尽管在燃烧方面做了大量的工作，如燃烧器倾角摆到＋30°、加大底部二次风比例、增加氧量、提高煤粉细度等，但该炉满负荷运行的再热器出口温度在535～556℃之间，而该炉设计在50%BMCR以上负荷，再热器出口温度就应达到设计的569℃。满负荷时热风温度为318℃（设计348℃）。

再热汽温度、热风温度低的主要原因是该炉设计主燃烧器区域（浓侧燃烧器）热负荷很高，而淡侧燃烧器（总高度4.524M）和SOFA燃烧器（总高度4.856M）热负荷低，淡侧燃烧器与SOFA燃烧器间距为5M，这样炉膛整体高度与常规炉型相比高14.38M，造成炉膛出口及其下游的烟气温度远远低于设计值（表5），满负荷时，末级再热器出口的平均烟气温度比BRL时的设计值低291℃。

表5 锅炉设计和运行的烟气温度 ℃

对于再热汽温度、热风温度低的问题，建议除了调整燃烧器倾角，适当增加炉膛出口氧量，还要在配风方面进行优化，按照减小下部二次风，增加上部二次风的原则，适当关闭预置水平偏角的辅助风（CFS）挡板、关小淡侧燃烧器周界风。而磨煤机按照尽量上层尽量运行的原则，保持下层的A、B磨煤机备用，使锅炉的燃烧中心相对上移。

6.3 煤粉浓淡分离装置易堵

燃烧器共设置6层浓煤粉喷嘴和6层淡煤粉喷嘴，每台磨的出口由4根煤粉管接至燃烧器前部布置的一个煤粉浓淡分离装置，进行浓淡分离（图2），浓煤粉通过燃烧器下部的管道将煤粉送入炉膛，由于浓侧喷嘴的煤粉占80%，而通过一次风量只有40%，造成浓煤粉管道经常堵管，堵管必须相应降低磨煤机容量风风量，提高旁路风风量进行吹扫，对机组顺利带负荷相当不利。建议降低浓侧喷嘴的煤粉的比例至75%，通过一的次风量提高到45%，这样不仅可以减少浓淡分离装置堵塞的问题，而且有利于提高再热汽和热风温度。

停运的磨煤机浓、淡燃烧器之间易形成烟气通路，造成燃烧器喷嘴温度异常升高，严重时可能烧毁燃烧器，尽管采取了开10%吹扫风门的措施，但一次冷风进入炉膛，无论是对组织燃烧、低负荷稳燃、汽温均会产生不良的影响。建议在淡侧煤粉管道上加装电动隔离门，并可在DCS上进行操控。

6.4 DCS无法对SOFA进行角度调整

该炉设计了可水平摆动的分离燃尽风（SOFA），但无远操执行机构，只能在就地手动调节，由于浓淡分离的燃烧器管道布置相当复杂，附近有没有平台，就地要想调节，必须扎临时架子，施工和操作相当困难。建议安装远操执行机构，可以针对不同的煤质，根据烟气成分的NOx浓度和烟温偏差进行调节。

6.5 原煤仓下煤管堵塞

原煤仓结构设计为裤衩形式，一分为二通过落煤管进入磨煤机两端的给煤机，但原煤仓的裤衩到下煤管之间的锥体角度太大，下煤管较长，锥体上又没设计振打装置，经常造成给煤机断煤。建议减小下煤管长度，减小锥体角度，同时安装原煤仓振打装置，彻底解决给煤机断煤问题。