锅炉四墙贴壁气氛测量及燃烧调整优化

赵志忠 龙仲森 田维宽 胡兴祥

（1、贵州乌江水电开发有限责任公司大龙分公司，贵州 铜仁 554001 2、南京纽创电力科技有限公司，江苏 南京 210043）

1 概述

基于四墙贴壁气氛测量的锅炉智能燃烧控制技术提出了以安全性指标为约束条件的锅炉高效燃烧与低氮排放综合评价指数，构建了基于四墙CO 和H2S 的锅炉动态智能燃烧模型，解决了锅炉高效燃烧、低氮排放、高温腐蚀/结焦三者之间的突出矛盾。[1]本技术提出了锅炉火焰燃烧过程四墙贴壁气氛大数据库控制燃烧技术，为智慧电厂构建提供了关键支撑。运用本技术在某电厂锅炉安装了四墙CO 和H2S 在线监测系统，并依照在线测量数据对锅炉燃烧进行了配风调整优化。

2 四墙贴壁气氛测量系统简介

锅炉炉膛四墙多点烟气巡检取样系统在主燃烧器区域到SOFA 风之间沿高度方向设置3 层取样共12 个取样点。用以监测煤粉从锅炉主燃烧器区域出来向上行走一直到炉膛出口整个燃烧火焰形成各阶段的氧量情况，以及同一高度四墙氧取样点氧量的偏差情况判断火焰偏斜情况。在烟道旁路母管上有取样口，经烟气过滤和烟气除尘除水进入在线监测仪, 测量出H2S 和CO 浓度，见图1。四墙贴壁气氛测量系统测实现锅炉四墙CO 和H2S 浓度在线监测，其核心部件包括：锅炉四墙壁面烟气取样系统、控制阀门、烟气净化装置、CO 在线分析仪，热风反吹系统，见图2。

图1 锅炉四墙CO 在线监测系统

图2 锅炉四墙烟气CO 浓度在线监测系统原理图

3 锅炉壁面气氛测试和燃烧调整试验

在某电厂安装了四墙贴壁气氛测量系统，并应用此系统进行了低、中、高负荷锅炉燃烧配风调整优化试验。以得到锅炉燃烧式最佳配风比。沿燃烧区域炉墙按网格法原理安装取样测点，能了解炉墙贴壁处还原性气氛的强弱，掌握炉墙发生高温腐蚀及结焦的可能程度；获得CO 和H2S 分布状况，为运行降低NOx 和减温水量提供指导；依据CO分布规律可分析炉膛燃烧状况，通过调整风门获得基于炉膛受热面安全前提下，NOx 生成量和锅炉效率的综合最优燃烧工况。[2-3]

3.1 低负荷（283MW）壁面气氛摸底测试

低负荷下对锅炉40m 和46m 的壁面气氛进行了摸底测试，40m 处测得H2S的最高点浓度为 385ppm 均值为287ppm，CO 的最高浓度为12540ppm 均值为7935ppm；46m 处H2S 的最高点浓度为282ppm 均值为172ppm，CO 的最高浓度为5560ppm 均值为2753ppm。

T-1 工况：低负荷下对锅炉40m 和46m 的贴壁气氛进行了摸底测量，测试数据见表1。

表1 低负荷壁面气氛摸底数据

由表1 中的数据可看出H2S 和CO的浓度沿锅炉高度逐渐降低，因此后期调整试验主要测量锅炉40m 处H2S 和CO 的浓度。

3.2 低负荷燃烧调整试验

在低负荷稳定工况下经过燃烧调整试验最终将H2S 的高点浓度降至220ppm，平均值为178ppm；CO 的高点浓度降至2600ppm，平均值为1426ppm。实测锅炉效率为93.93%。（计算时煤的元素分析带入设计校核煤种Ⅰ）

T-2 工况：283MW 下低位燃尽风摆角调整，调整后测得就地数据及浓度分布情况见表2，通过数据可以看出水平摆角调整前后对贴壁气氛没有明显的下降，见表3。

表2 低位燃尽风摆角调整

表3 调整水平摆角测量数据

T-3 工况：在以上T-1 到T-3 工况的基础上对低位燃尽风垂直摆角进行了调整（由于高负荷下为了降低低温再热器、高温再热器壁温及再热器二级减温水量将低位燃尽风#1、#2 角摆角摆至20%开度，#3、#4 角摆角摆至80%开度），将#1、#2、#3、#4 角的垂直摆角全部调至水平位50%，测量数据和浓度分布见表4。

表4 低位燃尽风摆角调整测试数据

低负荷工况下经过优化调整，合理分配燃尽风、偏置风、周界风和二次风开度，最终将H2S 和CO 的含量降低，并且在测点水冷壁区域内形成了氧化性的气氛，根据调整经验可以有效的缓解或遏制高温腐蚀的风险。

3.3 高负荷（660MW）下壁面气氛摸底测试

高负荷下对锅炉壁面气氛进行了摸底测试，测得H2S 的最高点浓度为338ppm 均值为296ppm，CO 的最高浓度为 16000ppm 均值为5993ppm。

T-4 工况：高负荷下对锅炉的贴壁气氛进行了摸底测量，测试数据和浓度分布见表5。

表5 高负荷壁面气氛摸底数据

3.4 高负荷（660MW）燃烧调整试验

在高负荷稳定工况下经过燃烧调整试验最终将H2S 的高点浓度降至191ppm，平均值为154ppm；CO 的高点浓度降至2000ppm，平均值为750ppm。实测锅炉效率为93.34%。（计算时煤的元素分析带入设计校核煤种Ⅰ）

T-5 工况：在低负荷调整的经验基础上先关小高位燃尽风开大二次风，测量数据和浓度分布见表6。

表6 偏置风和周界风调整测试数据

高负荷经过优化调整后O2含量处于较高的水平，H2S 和CO 含量均降低，水冷壁壁面形成氧化性气氛中，根据经验可以有效的缓解或遏制高温腐蚀的风险。

3.5 中负荷（500MW）下壁面气氛摸底测试

中负荷下对锅炉壁面气氛进行了摸底测试，测得H2S 的最高点浓度为334ppm 均值为233ppm，CO 的最高浓度为25400ppm 均值为9235ppm。

T-6 工况：在中负荷BCDEF 磨运行的情况下对锅炉的贴壁气氛进行了摸底测量，测试数据和浓度分布见表7。

表7 500MW 壁面气氛摸底数据

3.6 中负荷（500MW 燃烧调整试验

在中负荷稳定工况下经过燃烧调整试验最终将H2S的高点浓度降至208ppm，平均值为154ppm；CO 的高点浓度降至1600ppm，平均值为817ppm。实测锅炉效率为93.32%。（计算时煤的元素分析带入设计校核煤种Ⅰ）

T-7 工况：ABCDE 磨运行关小偏置风、开大周界风测试数据和浓度分布见表8。

表8 调整偏置风和周界风

在中负荷进行了T-6 工况到T-7 工况共计2 个工况下的燃烧调整试验，计量了在BCDEF 磨组合下通过调整小风门的开度，对各个开度下的壁面气氛进行了数据测量，结果表明H2S 和CO 浓度呈下降趋势，但是在T7工况下NOx 的排放达到320mg/m3；因此为了保证壁面气氛的同时NOx 的排放在300 mg/m3以内，针对磨煤机组合方式将BCDEF 组合改为ABCDE 组合并进行优化调整，最终将NOx 控制在300 mg/m3以下，H2S 和CO 的浓度也控制了下来。

4 测试实验数据分析

4.1 低负荷283MW 工况下最初测得40m 处硫化氢浓度最高点385ppm，平均值为287ppm，经过小风门优化调整后最终将硫化氢浓度最高点控制在220ppm，平均值为178ppm，NOx 的排放浓度为285 mg/m3。

4.2 中负荷500MW 工况下最初测得40m 处硫化氢浓度最高点334ppm，平均值为233ppm，经过小风门优化调整后最终将硫化氢浓度最高点控制在208ppm，平均值为154ppm，NOx 的排放浓度为242mg/m3。

4.3 高负荷660MW 工况下最初测得40m 处硫化氢浓度最高点338ppm，平均值为221ppm，锅炉空预器出口一氧化碳排放高达4000ppm，经过小风门优化调整和氧量调整最终将硫化氢浓度最高点控制在191ppm，平均值为151ppm，一氧化碳降至500ppm 左右，NOx 的排放浓度为241mg/m3。

4.4 低、中、高负荷下通过风门配比调整、低位燃尽风摆角调整、氧量调整、风箱差压调整及磨煤机组合方式的调整，最终硫化氢和一氧化碳的浓度均下降，根据经验可有效的缓解或遏制高温腐蚀的风险，同时还控制了NOx 的排放在300mg/m3以下。在高负荷下低温再热器和高温再热器壁温高、再热器蒸汽二级减温水偏大问题，最终经过调整在锅炉高负荷运行时，低位燃尽风垂直摆角，调整完后经过运行观察，过热器减温水流量和再热器一级减温水流量较调整前明显降低，低温再热器和高温再热器在高负荷稳定工况下运行时壁温得到明显改善降低10℃左右，再热器蒸汽汽温提高2℃，再热蒸汽二级减温水流量约减少10t/h。

4.5 在锅炉上安装四墙壁面气监测系统，经过对高、中、低负荷的燃烧优化调整的试验结果最终分析得出锅炉配风各层的小风门开度见表9。

表9 锅炉各层小风门开度表

5 结论

提出基于四墙贴壁气氛测量参量的锅炉智能燃烧控制技术并在某电厂锅炉新安装了四墙烟气在线监测系统，可连续得在线测量锅炉四墙壁面H2S 、CO 等还原气氛浓度，研究了锅炉四墙壁面CO 和H2S 的分布情况，依照四墙贴壁气氛测量数据对锅炉燃烧配风进行燃烧调整优化，得到锅炉日常运行时最佳配风各层风门开度系数。在此最佳配风比工况下，锅炉减温水流量减少，主蒸汽温度升高，锅炉燃烧效率提高，同时炉膛出口NOx 也降低。锅炉的环保指标和经济性指标都得到提高。