高海拔地区660 MW超超临界机组性能分析
郝 兵1，徐 艳2，李玉衡3，张东旭3，刘家利4，屠竞毅4，方顺利4
(1.华能新疆轮台热电公司，新疆 轮台 841600;2.国电泰州发电有限公司，江苏 泰州 225327;3.青海黄河水电公司西宁发电分公司，青海 西宁 810000;4.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)
摘 要:目前国内高海拔地区已投运的机组容量大多在100～300 MW，且存在燃烧效率低、辅机电耗高、设备磨损严重等问题，不能代表最先进的高海拔地区锅炉的设计和运行水平。为了准确掌握高海拔地区大容量高参数机组锅炉设备设计特点和主要运行参数对锅炉运行经济性的影响，分析了国内首台高海拔地区已投运的660 MW等级超超临界机组锅炉的炉膛热负荷参数选取及燃烧器设计特点，同时开展了燃烧优化调整试验和实际运行性能分析，得出了关键运行参数对锅炉燃烧经济性的影响。研究结果表明，高海拔地区机组锅炉需要通过燃烧器及炉膛热负荷参数设计优化以及运行参数优化，才能获得与平原地区机组同样优良的燃烧经济性。该机组满负荷时锅炉效率超过94%，最低不投油稳燃负荷可达23%，与平原地区机组燃烧经济性相当。
关键词:高海拔;660 MW超超临界机组;运行性能
中图分类号:TK229.6
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2018)04-0103-06
收稿日期:2018-01-18;责任编辑:张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.18011801
基金项目:山西省科技重大专项资助项目(MD2015-03)
作者简介:郝 兵(1964—)，男，山东梁山人，高级工程师，硕士，主要从事生产技术及管理。E-mail:my4245@sina.com
引用格式:郝兵，徐艳，李玉衡,等.高海拔地区660 MW超超临界机组性能分析[J].洁净煤技术，2018，24(4):103-108.
HAO Bing，XU Yan，LI Yuheng,et al.Analysis of operation performance on a 660 MW large capacity and high parameter unit in high altitude area[J].Clean Coal Technology，2018，24(4):103-108.
Analysis of operation performance on a 660 MW large capacity and highparameter unit in high altitude area
HAO Bing1，XU Yan2，LI Yuheng3，ZHANG Dongxu3，LIU Jiali4，TU Jingyi4，FANG Shunli4
(1.Huaneng Xinjiang Luntai Thermoelectric Branch,Luntai 841600,China;2.Guodian Taizhou Power Generation Co.,Ltd.,Taizhou 225327,China;3.Xining Power Generation Company,Qinghai the Yellow River Hydropower Company,Xining 810000,China;4.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China)
Abstract:The capacity of supercritical units that have already in operation in high altitude area are mostly 100-300 MW currently,and there exist many problems,such as low combustion efficiency and high subsidiary power consumption and serious equipment abrasion,thus they can't represent the most advanced design and operation level of boiler units in these area.In order to accurately grasp the design characteristics of high-capacity and high-parameter boiler equipment in these area and clarify the impact of main operating parameters on the economics of boiler operation,the heat load parameters of furnace and the design characteristics of the burner of the first 660 MW ultra supercritical unit boiler that has been put into operation in high altitude area in China was analyzed in this paper.The combustion optimization adjustment test and operation performance analysis were carried out,and the influence of key operation parameters on boiler combustion economy was obtained.The results show that the unit in high altitude area can achieve the same excellent combustion performance as the unit in plain area after the optimization of furnace heat load parameter and key operation parameters.The boiler efficiency will reach over 94% when the unit is full loaded,and the minimum oil-free stable load can reach 23%,which is comparable to that of the unit in plain area.
Key words:high altitude;660 MW ultra supercritical unit;operation performance
0 引 言
海拔高度是影响燃煤火力发电机组经济性指标的主要因素之一[1]。华中科技大学在实验室进行了煤粉在低压条件下的热重试验，西安热工研究院在试验台上模拟高海拔低气压环境,利用一维火焰炉、煤粉气流着火炉研究了煤粉在不同海拔高度下的着火和燃尽特性，研究结果均表明高海拔条件下燃煤的着火和燃尽性能变差[2-4]。
黄海川[5]通过桥头铝电420 t/h锅炉性能试验研究，发现由于受到高海拔地区大气压力降低的影响，锅炉的各项性能指标均不同程度地低于设计值或平原地区的同型锅炉，尤其是排烟温度偏高和飞灰含碳量高，而排烟温度偏高是青海省大容量电站煤粉锅炉普遍存在的问题[6]。李东鹏等[7]对高海拔地区烟煤锅炉设计与运行状况进行了全面分析，研究表明目前高海拔地区的100～300 MW等级容量机组均不同程度地存在飞灰含碳量高、锅炉效率低、排烟温度高、厂用电率偏高等问题，给高海拔地区火电机组的安全和经济运行带来了一定压力。
刘建华等[8]指出，高海拔条件下，大气压力降低,氧气扩散速度随之降低,炭的燃烧反应滞后,煤粉燃尽时间延长,如果炉膛尺寸修正不合理，将导致排烟温度升高。为了保证高海拔地区锅炉的燃烧稳定性和燃烧经济性，需在平原锅炉的基础上进行适当修正。杨昆民等[9]全面分析了高海拔对高水分褐煤燃烧性能的影响，并给出了不同煤种在高海拔条件下的锅炉炉膛热负荷参数修正原则，而DL/T 831—2015《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》(以下简称“炉膛选型导则”)中明确规定了高海拔地区锅炉炉膛热负荷参数的修订原则[10]。由于近20年来，国内火力发电的迅猛发展，机组容量、蒸汽等级参数等级大大提高，超低排放也将对锅炉的设计和运行产生一定影响。在2015版炉膛选型导则中，对平原地区锅炉炉膛热负荷参数进行了修订，但高海拔地区锅炉炉膛热负荷参数修订原则仍沿用2002年版。张洪岩等[11]全面分析了高海拔对锅炉传热及煤粉在炉内停留时间的影响，并提出锅炉设计主要是提高炉膛高度以及增加对流受热面以保证燃尽和降低排烟温度。黄必重等[12]进行了1 500 m高海拔地区高灰分烟煤660 MW超临界锅炉的设计，提出高海拔地区需考虑增加煤粉在炉内的停留时间，同时控制烟气流速，以免烟气流速过高增加对流受热面的磨损。李东鹏等[13]得出了在2 900 m高海拔条件下，660 MW机组锅炉的炉膛热负荷参数推荐值，提出高原地区锅炉相对于平原锅炉应适宜采用瘦高炉型。
对于高海拔地区机组锅炉的运行优化，刘荣礼[14]提出应提高煤粉细度(即降低D90)、提高一次风温使燃点提前、制粉系统切换时投运下层燃烧器代替上层燃烧器进而延长煤粉在炉内的停留时间等措施保证煤粉的稳燃和燃尽。
由于现役高海拔机组容量较小、蒸汽参数等级较低，不能为大容量高参数等级的高海拔煤粉锅炉提供足够的参考。本文将以国内首台已投运的海拔超过2 000 m 的660 MW超超临界机组为例，全面分析高海拔地区大容量高参数机组的锅炉设计和运行特点。
1 机组简介
青海黄河水电公司西宁发电分公司(以下简称“西宁火电”)一期工程装机2×660 MW燃煤空冷机组，锅炉由上海锅炉厂有限公司设计制造，为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、Π型紧身封闭布置、干式机械除渣系统、全钢架悬吊结构。炉后尾部布置2台转子φ15 m的三分仓容克式空气预热器。
制粉系统采用中速磨正压直吹式冷一次风机系统，每台锅炉配6台磨煤机(5台运行，1台备用)。设计煤煤粉细度D90=19%，煤粉均匀性指数n=1.1。
锅炉在燃用设计煤种或校核煤种时，最低不投油稳燃负荷不大于锅炉的30% BMCR 工 况，锅炉保证热效率不低于94%，省煤器出口NOx生成浓度不超过200 mg/Nm3。
1.1 锅炉主要设计参数
西宁火电660 MW超超临界锅炉主要设计参数见表1。
1.2 设计煤煤质参数
西宁火电660 MW超超临界机组的设计煤和校核煤的基本煤质参数见表2。可见，设计煤和校核煤为灰分和挥发分偏高、热值偏低且灰熔融温度较高的烟煤。
为了分析高海拔对设计煤燃烧性能的影响，进行了设计煤在平原和高海拔环境下的燃烧性能参数试验，在海拔415和2 445 m，着火温度IT、一维火焰炉燃尽率Bp、结渣指数Sc分别为610和690 ℃、98.81%和98.41%、0.353和0.381。试验时煤粉细度D90=20%，煤粉气流IT及Bp和Sc的测试及评价方法分别参见《煤粉气流着火温度的测定方法》[15]和《煤粉燃烧结渣特性和燃尽率一维火焰测试方法》[16]。平原地区燃烧性能测试结果表明，设计煤中等着火、极易燃尽、中等偏低结渣性能。西宁海拔条件下(对应海拔高度为2 445 m)的燃烧性能测试方法参见文献[14]。试验结果表明，在其他测试条件不变的情况下，由于海拔升高，设计煤的IT=690 ℃，较平原地区升高80 ℃，升高幅度较大，着火性能变差;一维火焰炉燃尽率Bp=98.41%，较平原地区下降0.4%，降幅较小，仍属于极易燃尽性能等级;结渣指数Sc =0.381，与平原地区接近。
表1 锅炉主要设计参数
Table 1 Main design parameters of boiler
表2 设计及性能测试用煤的基本煤质参数
Table 2 Properties of coal for design and performance testing
1.3 锅炉炉膛设计特点
在高海拔条件下，由于煤粉气流着火温度升高、着火推迟、燃尽率变差、空气和烟气体积流量增大，高海拔地区锅炉炉膛热负荷参数需进行适当修正。锅炉厂根据设计煤在平原地区及高海拔地区的燃烧性能指标进行了炉膛几何尺寸的设计，炉膛宽度19.824 m，炉膛深度18.816 m，最上排燃烧器喷口中心距分隔屏底部距离为23.484 m，最下排燃烧器喷口中心至冷灰斗转角距离为5.206 m。在主燃烧器和炉膛出口之间，标高43.418 m和48.608 m处分别设置一组低位燃尽风(BAGP)和一组高位燃尽风(UAGP)喷嘴，最终对应的炉膛热负荷参数设计值见表3。
表3 西宁火电660 MW机组锅炉炉膛热负荷参数
Table 3 Heating load parameters of furnace for Xining 660 MW boiler
电厂正式投产后，进行了机组的性能测试，测试用煤为青海当地鱼卡煤，其煤质参数见表2。与设计煤相比，其主要特点是灰分降低、发热量升高，其他参数变化不大。为了准确反映锅炉设计特点，根据电厂性能测试用煤的煤质参数、实际燃煤量及炉膛几何尺寸计算得出实际的锅炉炉膛热负荷参数。
1.4 燃烧器设计特点
主风箱设有6层24只快速着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风(周界风)。在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置1层辅助风喷嘴，其中包括上下2只预置水平偏角的辅助风喷嘴和1只直吹风喷嘴。在主风箱上部设有2层上端部风(FFⅠ、FFⅡ层风)喷嘴，在主风箱下部设有1层下端部风(AA层风)喷嘴。
燃烧器布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。对于切圆燃烧方式锅炉，切圆大小对燃烧稳定性和燃烧器区结渣有明显影响。对于难燃煤种及易结渣煤种，为了燃烧稳定及缓解燃烧器区结渣，需采用较小一次风切圆直径。考虑在高海拔条件下燃煤的燃烧性能较平原地区差，上海锅炉厂采用对冲同心正反切圆燃烧系统，即所有的一次风/煤粉喷嘴指向炉膛中心，假想切圆直径为0;二次风中的所有偏置辅助风采用一个顺时针的偏角，这些偏置辅助风为启旋二次风;部分二次风(BC、DE、FFⅠ、FFⅡ)和低位燃尽风(BAGP)和高位燃尽风(UAGP)可以水平摆动。一次风对冲、二次风起旋-消旋系统，起到稳燃作用同时还可减少煤粉气流偏转贴墙降低结焦风险。
2 实际运行情况
2.1 实际锅炉热负荷参数
根据电厂实际测试结果，反推出了西宁火电660 MW机组锅炉的实际热负荷参数。试验时，当地大气压的测试值为75.2 kPa，对应海拔高度2 445 m。由表2、3可以看出:① 实际燃用灰分较低、热值更高的优质烟煤。② 设计燃煤输入热值为5 696 GJ/h带660 MW负荷，实际运行结果表明燃煤输入热值需达到6 142 GJ/h才能带满负荷。③ 锅炉设计炉膛容积热负荷、截面热负荷、燃烧器区壁面热负荷分别为69.81 kW/m3、4.242 MW/m2和1.544 MW/m2，而实际运行结果反推出的分别为75.27 kW/m3、4.574 MW/m2和1.655 MW/m2。可见，由于燃煤输入热量增加较多，实际锅炉炉膛热负荷参数较原设计高出较多。④ 设计烟气在炉内的上升速度和停留时间分别为10.29 m/s和2.15 s，实际运行中分别为11.34 m/s和2.07 s。
试验结果表明，与原设计相比，高海拔地区锅炉在较高的热负荷参数和煤粉在炉内较少的停留时间下仍可获得良好的燃烧性能，也为高海拔地区锅炉炉膛热负荷参数的优选提供了依据。这与电厂实际用煤的燃烧性能密切相关，西宁火电实际燃用煤种燃烧性能优良，燃尽性能受海拔高度影响较小。
因此，高海拔地区锅炉优化设计的主要方向是:燃烧器设计需采取适当的稳燃措施，对于四角切圆燃烧方式可选择带偏置周界风的水平浓淡燃烧器，一次风采用较小的切圆直径;对于墙式对冲燃烧方式，则可通过调整燃烧器内、外二次风的比例和旋流强度以保证燃烧稳定。在热负荷参数选取方面，应根据海拔对煤种燃烧性能的影响，在保证炉内烟气流速的情况下，尽量提高燃烧器区壁面热负荷和炉膛截面热负荷，增大最上层燃烧器中心到屏底的距离，采用较小的炉膛容积热负荷，保证煤粉在炉内有足够的停留时间，进而确保高海拔地区锅炉的稳燃和燃尽。
2.2 锅炉效率
西宁火电660 MW机组在100%、75%及50%额定负荷下的锅炉效率测试结果和试验用煤(鱼卡煤)的煤质参数见表4、5。试验期间，机组总体运行正常，锅炉各段受热面金属壁温没有出现超温现象，汽水参数正常。实际运行结果表明，西宁火电厂锅炉具有良好的燃烧性能，满负荷时在较低的运行氧量(2.61%)下，飞灰含碳量为2.33%，排烟温度仅为114 ℃，修正后锅炉效率达到94.21%，NOx质量浓度为219 mg/Nm3。可见，通过锅炉炉膛几何尺寸、燃烧器及受热面的优化设计，可保证高海拔地区大容量高参数机组达到与平原地区锅炉同样的燃烧稳定性和燃烧经济性。需要注意的是西宁火电660 MW机组燃煤挥发分高，燃烧性能优良，燃尽性能受海拔高度影响较小，也为采用低氧燃烧方式提供了基础，是锅炉效率提高的重要影响因素。
表4 不同负荷下的锅炉效率测试结果
Table 4 Test results of boiler efficiency under different loads
表5 试验用煤煤质参数
Table 5 Quality of coal sample
2.3 运行参数优化
2.3.1 煤粉细度
煤粉细度是影响煤粉在炉内燃烧的重要因素之一。通过燃烧优化调整试验，最终推荐煤粉细度D90=15%左右，较设计值(D90=19%)偏低，实际测试结果显示，各台磨煤机的煤粉均匀性指数n=1.5左右。较细煤粉和较高的煤粉均匀性指数是保证飞灰含碳量在较低水平的重要原因，可以提高燃烧经济性和燃烧稳定性，降低NOx生成浓度，也为低氧运行提供了有利条件。
2.3.2 运行氧含量
锅炉运行氧含量直接影响锅炉的排烟损失、化学不完全燃烧热损失和固体未完全燃烧热损失，同时也影响锅炉的NOx生成浓度。从锅炉燃烧经济性角度分析，当锅炉效率最高且NOx生成浓度相对较小时的氧含量为最佳氧含量。
660 MW负荷下，不同氧含量下的锅炉效率测试结果如图1所示。可见，运行氧含量从2.25%升高到2.75%，锅炉效率基本不变，而NOx生成浓度略有升高，由于氧含量升高会导致尾部烟道震动，推荐运行氧含量为2.2%左右。同时，低氧运行时入炉空气量和烟气量降低，可减少辅机电耗和供电煤耗。需要注意的是，低氧条件下，煤质参数变化对飞灰含碳量的影响较大，当掺烧燃烧性能较差的煤种时会引起飞灰含碳量的急剧升高，影响燃烧经济性。另外，在超低氧含量下运行时，需注意烟气中CO的监测，防止CO含量过高。当燃用硫含量较高、有严重结渣倾向或燃烧性能较差的煤种时，为防止炉内高温腐蚀、严重结渣及飞灰含碳量升高，不建议采取过低的运行氧含量。
图1 运行氧含量对燃烧性能的影响
Fig. 1 Influence of oxygen on the combustion performance
2.3.3 燃尽风开度
该机组低位燃尽风和高位燃尽风各有3层，通常每组3层燃尽风开度相同。660 MW负荷下5层磨煤机投运时，下组燃尽风开度保持在80%不变，上组燃尽风开度对燃烧性能的影响如图2所示。可见，上组燃尽风开大后，尽管NOx生成浓度有所降低，但飞灰含碳量和烟气中CO体积分数升高，锅炉效率明显降低，因此上组燃尽风开度不宜过大，推荐在30%左右。
图2 燃尽风开度对燃烧性能的影响
Fig. 2 Influence of OFA opening on the combustion performance
2.4 最低不投油稳燃负荷
最下2层燃烧器投运时，锅炉最低不投油稳燃负荷试验结果表明机组最低可带155 MW负荷，火检信号稳定，具体试验数据参见表6。
3 结 论
1)高海拔地区锅炉燃烧器设计需采取适当的稳燃措施。
2)高海拔地区锅炉的热负荷参数选取，应尽量提高燃烧器区壁面热负荷和炉膛截面热负荷，增加最上层燃烧器中心到屏底的距离，采用较小的炉膛容积热负荷，保证煤粉在炉内有足够的停留时间。
表6 锅炉最低不投油稳燃负荷测试结果
Table 6 Test results of the minimum fuel free steady combustion load of the boiler
3)高海拔条件下，由于煤粉气流着火温度升高、着火推迟、燃尽率变差、空气和烟气体积流量增大，需优化运行参数，以保证机组燃烧经济性。
4)该机组满负荷时锅炉效率达到94%以上，最低不投油稳燃负荷可达23%，与平原地区机组燃烧经济性相当。
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