切圆燃烧锅炉运行调整对水冷壁贴壁气氛的影响

茅建波，张晓龙，陈小波，郑建平，赵寅丰

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

我国大型电站燃煤锅炉的水冷壁普遍存在不同程度的高温腐蚀情况，这主要与采用空气分级燃烧技术有关，该技术通过减少供给煤粉燃烧初期所需的空气量，造成“贫氧富燃料”的燃烧氛围，达到抑制NOX生成的目的。空气分级燃烧方式不可避免地会在燃烧器区域出现强烈的还原性气氛，从而引发水冷壁管产生高温腐蚀[1]，威胁锅炉安全、经济运行。水冷壁高温腐蚀是典型的硫化物型高温腐蚀，产生的根本原因是水冷壁壁面附近存在强还原性气氛并伴有腐蚀性气体H2S 的存在，其腐蚀速度与H2S 质量浓度成正比，而O2的存在可以有效抑制H2S 的生成[2]。目前，防止水冷壁高温腐蚀的措施主要有水冷壁管高温喷涂[3]、燃烧系统改造[4]以及燃烧优化调整[5]等，对水冷壁贴壁气氛分布规律进行研究，进而对锅炉进行优化调整，改善水冷壁贴壁还原性气氛，防止水冷壁发生高温腐蚀，不失为一个简单、经济且重要的手段。吕洪坤、李永生等[6-10]采用数值模拟和现场试验的方法研究了前后墙对冲燃烧锅炉不同运行工况下水冷壁贴壁气氛的分布特性，取得了一些较有意义的成果。切圆燃烧锅炉的燃烧组织方式与对冲燃烧锅炉完全不同，针对切圆燃烧锅炉，秦明[11]、冯强[12]采用数值模拟方法分别对1 台600 MW 墙式切圆和四角切圆燃烧锅炉炉内H2S 气体的分布特性进行了研究，得到H2S主要分布在SOFA（分离燃尽风）与主燃烧器之间的壁面区域，H2S 质量分数与配风、给粉方式有关等结论。陈旭伟等[13]对1 台1 000 MW 超超临界双切圆燃烧锅炉水冷壁贴壁气氛分布特性进行了现场试验研究，研究结果显示调整二次风配风方式可以减弱水冷壁贴壁还原性气氛，偏差调整同层燃烧器各角二次风风量和周界风风量可以改善局部水冷壁贴壁还原性气氛。薛晓垒[14]、邹磊[15]分别采用现场试验的方法研究了配风方式、运行O2体积分数等因素对600 MW 等级超临界四角单切圆燃烧锅炉水冷壁贴壁还原性气氛的影响，研究结果表明，提高运行O2体积分数、减小燃尽风量、降低入炉煤中硫分含量可减弱水冷壁贴壁还原性气氛，减少H2S 气体的生成。

针对运行调整改善切圆燃烧锅炉水冷壁贴壁还原性气氛的研究相对较少，且基本是机组额定负荷下配风方式等影响因素的研究，未见燃烧器摆角等对水冷壁贴壁气氛影响的研究。当前煤电机组调峰运行已是常态，机组经常性处于中、低负荷运行，基于此，对1 台350 MW 超临界四角切圆燃烧锅炉进行了不同机组负荷、燃烧器摆角开度等运行方式对水冷壁贴壁气氛影响的试验研究，研究结果可为同类型锅炉提供参考。

1 设备概况

某发电厂350 MW 机组锅炉为超临界参数、一次中间再热、变压运行直流炉，采用平衡通风、单炉膛、四角切圆燃烧、固态排渣、露天布置、全钢构架悬吊、∏型结构。炉膛宽度为14 904 mm，深度为13 446 mm，炉顶管中心标高为61 400 mm。制粉系统采用中速磨煤机正压直吹冷一次风机制粉系统，配5 台ZGM95K-II 型中速磨煤机，每台磨煤机出口引出4 根煤粉管道连接到炉膛四角同一层的煤粉喷嘴。

燃烧系统采用低NOX同轴燃烧系统，设有5层煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。每相邻2 层煤粉喷嘴之间布置有1 层预置水平偏角的CFS（辅助风喷嘴），在主燃烧区域上部设有2 层CCOFA（紧凑燃尽风）喷嘴，下部设有1 层二次风喷嘴，在距离主燃烧器区域上部6 m 布置有4 层可水平摆动的SOFA 喷嘴。每角共有17 层风室与喷嘴一一对应，从下往上依次编号为AA，A，AB，B，BC，C，CD，D，DE，E，EE，CCOFA1，CCOFA2，SOFA1，SOFA2，SOFA3 及SOFA4，均设置风门挡板调节进入每个喷嘴的二次风量，A，B，C，D，E 层为周界风，AA，AB，BC，CD，DE，EE 层为辅助风，燃烧器布置如图1 所示。主燃烧器和SOFA 喷嘴由电动执行器带动可作±30°的上下摆动。

2 试验方法

2.1 测点布置

水冷壁贴壁烟气取样测点布置在炉膛前、后墙，共7 层，前、后墙对称布置，最下层记为第1层，依次向上，最上层为第7 层，沿炉膛宽度方向从左侧至右侧，测点依次标记为1，2，3，测点布置如图1 所示。测点是在水冷壁鳍片上开孔，采用外径为10 mm 不锈钢管满焊引至保温层外。

2.2 测试方法

测量水冷壁贴壁气氛时，用取样泵将水冷壁贴壁烟气从取样管中抽出，经烟气预处理器进行除尘、除湿和冷却等预处理后送入Testo350 烟气分析仪，测试烟气中O2，CO 和H2S 的体积分数。测试时用烟气分析仪自带的稀释功能对CO 的浓度稀释20 倍，以防止CO 浓度过高超出分析仪器的量程。测试期间锅炉维持稳定运行，锅炉设计煤种和试验煤种的煤质分析参数如表1 所示。

表1 设计煤种和试验煤种的煤质参数

3 试验结果与分析

3.1 水冷壁贴壁气氛分布

习惯运行方式下锅炉水冷壁贴壁气氛分布情况如表2—4 所示，表2 工况机组负荷为320 MW，ABCD 磨煤机组合；表3 为280 MW，BCDE 磨煤机组合；表4 机组负荷为250 MW，BCDE 磨煤机组合。

表2 320 MW 负荷时水冷壁贴壁气氛分布

从表2 可以看出，主燃烧器区域（对应第1—4 层测点）水冷壁贴壁烟气中O2体积分数较高，CO体积分数大部分在0.5%以内，还原性气氛较弱，H2S 气体体积分数基本在70×10-6以内，仅第2、第3 层靠近前墙测孔1（1 号角）位置2 个测点的H2S 体积分数略高，约为107×10-6。从还原区至燃尽区，对应第5—7 层测点，水冷壁贴壁烟气中O2体积分数比主燃烧器区显著降低，有多个测点几乎检测不到O2，CO 体积分数大幅升高，基本在1.1%～2.2%，最高为4.62%，H2S 体积分数基本在80×10-6～130×10-6，比主燃烧器区域明显升高。

由表3 可以看出，机组负荷为280 MW 时，主燃烧器区域水冷壁贴壁烟气中O2体积分数比320 MW 时升高，CO 体积分数更低，大部分在0.1%以内，H2S 体积分数基本在55×10-6以内，最高点仍位于第2、第3 层前墙靠近1 号角位置，约为83×10-6。还原区和燃尽区贴壁O2体积分数大部分小于0.5%，CO 体积分数基本在2%～6%，最高为6.8%，还原性气氛强烈，H2S 体积分数基本在100×10-6～200×10-6，最高达265.8×10-6。

表3 280 MW 负荷时水冷壁贴壁气氛分布

表4 250 MW 负荷时水冷壁贴壁气氛分布

从表4 结果看，机组负荷为250 MW 时，主燃烧器区域水冷壁贴壁烟气中O2体积分数高，整体平均为10%左右，CO 体积分数大部分在0.01%～0.03%，H2S 气体体积分数基本在45×10-6以内。还原区和燃尽区水冷壁贴壁烟气中O2体积分数有所升高，基本不存在检测不到O2的测点，但与主燃烧器区相比仍较低，H2S 体积分数基本在70×10-6～105×10-6。

由水冷壁贴壁气氛分布特性可知，锅炉燃烧系统预置水平偏角辅助风的设计效果比较明显，不同机组负荷和磨煤机组合方式下主燃烧器区水冷壁贴壁还原性气氛较弱，H2S 气体体积分数基本在80×10-6以内。贴壁还原性气氛存在向上累积的效应[8]，从还原区至燃尽区，贴壁O2体积分数较低，还原性气氛强烈，以SOFA1 和SOFA2喷嘴（第6 层）标高区域尤为明显，与此相对应，贴壁H2S 体积分数普遍较主燃烧器区域升高，大部分在70×10-6～150×10-6，最高达265.8×10-6。主燃烧器区域水冷壁发生高温腐蚀的风险较小，而还原区和燃尽区相对发生高温腐蚀的风险较大，实际情况也正是如此，2018 年A 级检修检查发现从CCOFA1 喷嘴至SOFA4 喷嘴区域水冷壁存在局部高温腐蚀情况。根据锅炉水冷壁贴壁气氛分布的特点，将重点研究锅炉运行参数调整对还原区和燃尽区水冷壁贴壁气氛的影响。

3.2 机组负荷的影响

BCDE 和ABCD 这2 种磨煤机组合方式下不同机组负荷时水冷壁贴壁气氛如图2 所示，图中横坐标字母“F”表示前墙，“R”表示后墙，测点编号如“F7-2”表示测点位于第7 层前墙第2 个测点，其余类似。BCDE 磨煤机组合方式分别进行了280 MW 和250 MW 负荷的试验，试验时CCOFA1和CCOFA2 风门开度保持15%，SOFA1，SOFA2和SOFA3 开度均为45%，SOFA4 开度为20%，燃烧器摆角（主燃烧器摆角和SOFA 喷嘴摆角）开度45%，配风方式维持不变；ABCD 磨煤机组合方式进行了340 MW 及320 MW 负荷的试验，试验时CCOFA1 和CCOFA2 风门开度保持15%，SOFA1，SOFA2 和SOFA3 开度均为65%，SOFA4开度为33%，燃烧器摆角开度50%，配风方式同样保持不变。

由图2 可以看出，总体上，随着机组负荷的降低，水冷壁贴壁气氛O2体积分数升高，还原性气氛减弱，H2S 气体体积分数下降。以BCDE磨煤机组合方式为例，280 MW 负荷时，第5，6，7 层各层测点O2体积分数平均分别为1.41%，0.44%和1.54%；250 MW 时分别为1.47%，0.94%和2.05%；280 MW 负荷时，第5，6，7 层3 层所有测点的平均O2体积分数为1.13%；250 MW 时为1.49%；水冷壁贴壁O2体积分数升高，平均CO 体积分数由2.16%降至1.74%，平均H2S 体积分数由102×10-6减小至74×10-6。

图2 机组负荷对水冷壁贴壁气氛的影响

机组负荷降低，入炉总燃料量减少，但是供给燃烧的空气量不随燃料量成比例减少，如上述机组负荷由280 MW 降至250 MW，风煤比由9.02 升至9.20，炉膛出口空气过量系数由1.17 增大至1.20，即随着机组负荷的降低，单位燃料量所对应的空气量增大，炉膛整体O2气氛增强，水冷壁贴壁还原性气氛减弱，同时，因总燃料量减少，进入炉内的硫元素的绝对量也变少，H2S体积分数减小。

3.3 燃烧器摆角的影响

燃烧器摆角是调节再热汽温的重要手段，调整燃烧器摆角会对炉内空气动力场产生一定影响，进行燃烧器摆角开度分别为55%，45%和25%的试验，试验时机组负荷为280 MW，BCDE磨煤机组合方式，保持运行O2体积分数为3.0%，AA 层风门开度为60%，AB 层为10%，BC，CD，DE 和EF 层均为30%，CCOFA1 和CCOFA2 风门开度为15%，SOFA1，SOFA2 和SOFA3 风门开度均为45%，SOFA4 风门开度为20%，周界风风门开度为37%（A 层为20%），风箱与炉膛差压为0.4 kPa，试验结果如图3 所示。

图3 燃烧器摆角对水冷壁贴壁气氛的影响

从试验结果看，燃烧器摆角下摆，水冷壁贴壁还原性气氛减弱，H2S 体积分数减小。燃烧器摆角开度为55%时，第5，6，7 层所有测点的平均O2体积分数为0.5%，随着燃烧器摆角逐步下摆，各测点整体O2体积分数逐步升高，燃烧器摆角下摆至25%时，平均O2体积分数升高至1.71%。随着O2体积分数的升高，平均CO 体积分数由3.38%降至1.67%，平均H2S 体积分数由134×10-6降为79×10-6，下降了41%，可见，燃烧器摆角对水冷壁贴壁气氛影响较大。

如前所述，锅炉燃烧系统采用的是低NOX同轴燃烧系统，其最大特点在于预置水平偏置角度的辅助风设计，该设计将辅助风喷嘴相对于一次风和周界风喷嘴向外偏置一定角度，在组织燃烧时，大量空气包裹在煤粉颗粒外侧，形成“风包粉”的燃烧方式，可以在很大程度上改善水冷壁贴壁还原性气氛。根据相关研究，燃烧器摆角会影响实际切圆直径的大小，燃烧器摆角下摆，切圆直径变大[16]，这也意味着当燃烧器摆角下摆时，包裹煤粉颗粒的旋转气流更靠近水冷壁，从而起到改善水冷壁贴壁还原性气氛的作用。但燃烧器摆角若下摆过大，可能会对锅炉运行产生一些不利影响，如风粉气流会冲刷冷灰斗，增大冷灰斗结焦、结渣的几率，炉渣可燃物含量升高，以及加剧炉膛出口烟气流速、温度的偏差等，应结合锅炉实际运行状况合理调节燃烧器摆角。

3.4 风箱与炉膛差压的影响

风箱与炉膛差压是锅炉运行时比较重要的调节、控制参数之一，锅炉正常运行时需维持一定的风箱与炉膛差压，以保持空气分级效果，抑制NOX的生成，同时也是为了提高二次风量对炉膛负压波动的抗干扰性能，不致于因炉膛负压变正而引起燃烧器出口二次风量、风速的大幅波动甚至向燃烧器倒灌。风箱与炉膛差压由AA，AB，BC，CD，DE 及EE 层辅助风门自动调节。在机组负荷为300 MW，ABCD 磨煤机组合方式下进行变风箱与炉膛差压试验，试验时AA 及EE 层风门为手动方式，开度分别为65%和10%，其余4层辅助风门投自动，开度一致，大小由设定的风箱与炉膛差压值决定，运行O2体积分数保持2.9%，CCOFA1 和CCOFA2 风门开度均为15%，SOFA1，SOFA2，SOFA3 及SOFA4 风门开度分别为57%，44%，22%及5%，周界风风门开度为44%（E 层为35%），燃烧器摆角开度为45%，试验结果如图4 所示。

图4 风箱与炉膛差压对水冷壁贴壁气氛的影响

由图4 可以看出，风箱与炉膛差压为0.40 kPa时，第5，6，7 层各测点O2体积分数相对较高，其中第7 层测点更为明显，3 层测点的平均O2体积分数为2.34%，风箱与炉膛差压提高至0.55 kPa 后，各测点O2体积分数明显减小，3 层测点的平均O2体积分数减小为1.17%，由于O2体积分数减小，CO 体积分数增大，平均CO 体积分数由1.28%上升至2.12%，平均H2S 体积分数也由66×10-6升高至95×10-6。可见，提高风箱与炉膛差压，水冷壁贴壁烟气中O2体积分数减小，还原性气氛增强，H2S 体积分数增大。

改变风箱与炉膛差压，其实质是改变了主燃烧器区域与燃尽风区域的风量配比，在SOFA 风门开度不变的情况下，提高风箱与炉膛差压，各层辅助风门开度关小，迫使一部分主燃烧器区域的二次风进入燃尽风，空气分级程度加剧，主燃烧器区域缺氧严重，煤粉燃烧延后。周界风风量也因风箱与炉膛差压提高而增大，同样会使煤粉燃烧延后，图5 为在机组负荷330 MW，ABCD磨煤机组合方式下实际测试的不同风箱与炉膛差压对炉膛温度的影响，从图5 可以看出，风箱与炉膛差压由0.56 kPa 提高至0.76 kPa，火焰中心上升了约5 m。另外，主燃烧器区二次风量减少，“风包粉”燃烧的效果减弱，水冷壁贴壁还原性气氛增强且向上累积。由此，还原区和燃尽区水冷壁贴壁还原性气氛增强，H2S 体积分数升高。

风箱与炉膛差压对省煤器出口烟气中NOX的质量浓度影响较大，风箱与炉膛差压由0.40 kPa 提高至0.55 kPa，省煤器出口烟气中NOX质量浓度由160 mg/m3降至135 mg/m3，下降了15.6%。

3.5 运行O2体积分数的影响

图5 风箱与炉膛差压对炉膛温度的影响

维持机组负荷为340 MW，ABCD 磨煤机组合方式，风箱与炉膛差压为0.5 kPa，AA 层风门开度为70%，CCOFA1 和CCOFA2 风门开度为20%，SOFA1，SOFA2，SOFA3 及SOFA4 风门开度分别为75%，65%，60%及20%，周界风风门开度为50%（E 层为25%），燃烧器摆角开度为52%，运行O2体积分数由3.0%提高至3.6%，AB，BC，CD，DE，EE 层辅助风门开度分别由26%，26%，26%，26%，10%自动开大为40%，40%，40%，40%，18%，试验结果如图6 所示。

图6 运行O2体积分数对水冷壁贴壁气氛的影响

由图6 可以看出，总体上，随着运行O2体积分数的提高，各测点O2体积分数有所升高，水冷壁贴壁还原性气氛减弱，H2S 体积分数有所下降。运行O2体积分数为3.0%时，第5，6，7 层各测点平均O2体积分数为1.30%，运行O2体积分数升至3.6%时，各测点平均O2体积分数为1.49%，略有上升，平均CO 体积分数由3.16%降至2.15%，平均H2S 体积分数由115×10-6降至86×10-6。从图6 还可以看出，2 种工况下第6 层测点区域的贴壁O2体积分数基本无变化，说明在配风方式保持不变的情况下，提高运行O2体积分数对改善水冷壁贴壁还原性气氛区域的分布效果不大。

运行O2体积分数由3.0%升至3.6%，省煤器出口NOX质量浓度从145 mg/m3升至177 mg/m3，升高了22.1%，运行O2体积分数对省煤器出口NOX质量浓度影响较大。锅炉日常运行时，应综合考虑运行经济性、NOX排放以及水冷壁高温腐蚀等因素，确定最佳运行O2体积分数。

4 结论

（1）锅炉燃烧系统辅助风预置水平偏角的设计实际运行效果较好，主燃烧器区域水冷壁贴壁还原性气氛较弱。主燃区上方的还原区和燃尽区贴壁还原性气氛强烈，H2S 气体体积分数较高，水冷壁易发生高温腐蚀。

（2）机组负荷、燃烧器摆角、风箱与炉膛差压及运行O2体积分数均对水冷壁贴壁还原性气氛有影响，降低机组负荷、下摆燃烧器摆角、减小风箱与炉膛差压以及提高运行O2体积分数等运行调整方式有助于改善水冷壁贴壁还原性气氛，降低水冷壁发生高温腐蚀的风险。提高运行O2体积分数对改善水冷壁贴壁还原性气氛区域的分布效果不大。应综合考虑锅炉运行经济性、安全性及NOX排放等因素合理调整锅炉运行。