0、前言
    W型火焰鍋爐燃燒方式在組織無(wú)煙煤燃燒方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)的四角燃燒方式的性能，是解決無(wú)煙煤著火困難、燃燒效率低的一個(gè)重要技術(shù)方案。自90年代以來(lái)，大型W型火焰鍋爐開始在我國(guó)投入運(yùn)行，1996年?yáng)|方鍋爐廠采用引進(jìn)美國(guó)福斯特·惠勒公司技術(shù)制造的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)300MW機(jī)組W型火焰鍋爐在山西陽(yáng)泉第二發(fā)電廠正式投運(yùn)，現(xiàn)已有十幾臺(tái)國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口機(jī)組投入運(yùn)行或在建之中。
    由于W型火焰鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)和配風(fēng)方式較四角切圓燃燒爐復(fù)雜，燃燒運(yùn)行技術(shù)存在顯著的差別，對(duì)習(xí)慣于傳統(tǒng)的四角燃燒運(yùn)行方式的運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)，普遍缺乏深入的認(rèn)識(shí)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因此，鍋爐運(yùn)行中爐膛結(jié)渣、過(guò)熱器和再熱器超溫、飛灰含碳量高、變負(fù)荷運(yùn)行困難等問(wèn)題較為普遍。
    本項(xiàng)工作針對(duì)國(guó)產(chǎn)首臺(tái)300MW機(jī)組W型火焰鍋爐在投產(chǎn)初期所存在的運(yùn)行問(wèn)題，對(duì)鍋爐的爐內(nèi)配風(fēng)、運(yùn)行調(diào)節(jié)及其對(duì)燃燒的影響進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，所得出的結(jié)論對(duì)深入認(rèn)識(shí)W型火焰鍋爐的設(shè)計(jì)原理、燃燒配風(fēng)技術(shù)和運(yùn)行規(guī)律有一定的參考價(jià)值。
1、國(guó)產(chǎn)300MW“W”型火焰鍋爐的基本特點(diǎn)
    該W型火焰鍋爐采用美國(guó)福斯特·惠勒公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造，亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道布置，如圖1所示。鍋爐額定出力1025t／h，計(jì)算燃料消耗量123. 8t/h。爐膛寬度24. 765m，下爐膛深度13. 344m，冷灰斗一半計(jì)起的高度為11. 4m;上爐膛深度7. 239m，至折焰角鼻部高度為14.39m，爐膛水冷壁總輻射面積3113m2，爐膛出口設(shè)計(jì)煙溫1119℃。按設(shè)計(jì)煤質(zhì)計(jì)算，爐膛容積熱負(fù)荷120.8kW/m3，下部爐膛斷面熱負(fù)荷247skW/m3．上部爐膛斷面熱負(fù)荷4563kW/m2。由于下部爐膛截面熱負(fù)荷低于常規(guī)推薦值，因此，為使下部爐膛著火區(qū)域內(nèi)保持較高的溫度水平，下爐膛水冷壁敷設(shè)有約占爐膛水冷壁總輻射面積30%的衛(wèi)燃帶。
    鍋爐設(shè)計(jì)煤種為陽(yáng)泉五礦洗末煤與地方原煤的混煤（表1），鍋爐實(shí)際燃煤的煤質(zhì)基本在設(shè)計(jì)允許的變化范圍內(nèi)。燃燒系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出球磨機(jī)正壓直吹式，24只雙旋風(fēng)筒分離濃縮型煤粉燃燒器交錯(cuò)布置在前后墻拱頂上，分離的乏氣經(jīng)乏氣噴口送人爐膛，調(diào)節(jié)乏氣擋板的開度可改變一次風(fēng)的煤粉濃度。送人大風(fēng)箱中的全部二次風(fēng)采取分級(jí)送風(fēng)的配風(fēng)方式，通過(guò)由上至下排列的6只送風(fēng)口送入爐膛(依次稱為A、B、C、D、E、F)，其中A、B為拱部二次風(fēng)，布置于前后拱頂處；C二次風(fēng)用于油槍供風(fēng)*D、E、F水平布置于鍋爐前后墻，稱為前后墻二次風(fēng)，D風(fēng)量最小，F(xiàn)風(fēng)量最大．E風(fēng)量居中，旨在組織無(wú)煙煤的高效燃燒并抑制NOx的生成（表2）。風(fēng)口布置方式如圖2所示。
2、運(yùn)行中存在的問(wèn)題和分析
    “W”型火焰鍋爐在結(jié)構(gòu)上具有爐膛高度較低且較寬的特點(diǎn)，在組織無(wú)煙煤高效、低污染燃燒中采取了包括多級(jí)二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)，敷設(shè)大面積的衛(wèi)燃帶等各種措施，因而增加了實(shí)際運(yùn)行中調(diào)節(jié)的復(fù)雜性和難度。
    由于爐膛高度較低，且下部爐膛受熱面吸熱量較少，爐膛出口煙溫變化敏感且不易控制，所以火焰中心位置的變化對(duì)爐膛上部過(guò)熱器的輻射換熱量的影響相對(duì)較大。當(dāng)鍋爐負(fù)荷、煤質(zhì)、配風(fēng)發(fā)生變化時(shí)，若調(diào)節(jié)不當(dāng)均可能引起火焰中心溫度和位置的變化。
    若火焰中心上移，由于爐膛出口煙溫升高和輻射熱強(qiáng)度增加，造成過(guò)熱器、再熱器超溫，并可能引起爐膛上部結(jié)渣；同時(shí)火焰行程縮短，甚至火焰發(fā)生短路，部分煤粉的燃燒推遲至截面積大大減少的爐膛上部，使上部爐膛壓力出現(xiàn)較大幅度的脈動(dòng)，正壓明顯，鍋爐升負(fù)荷加風(fēng)困難，而且煤粉燃盡性能下降；當(dāng)火焰中心偏下時(shí)，則易造成火焰直接沖刷冷灰斗，造成冷灰斗嚴(yán)重結(jié)渣。
    另外，“W”火焰鍋爐寬度較大，爐內(nèi)中部的溫度較兩側(cè)高，在采用大風(fēng)箱配風(fēng)的情況下，中部二次風(fēng)的穿透能力較兩側(cè)弱，且橫向混合較差，易出現(xiàn)兩側(cè)風(fēng)量過(guò)剩較多，而中間通常缺風(fēng)的情況。
    該機(jī)組在投運(yùn)初期，鍋爐飛灰含碳量達(dá)20%以上，最高超過(guò)40%。過(guò)熱器與再熱器汽溫超溫嚴(yán)重，并出現(xiàn)過(guò)爐膛冷灰斗或爐膛出口嚴(yán)重結(jié)渣的情況。鍋爐效率最低僅82%．與鍋爐設(shè)計(jì)效率91%有較大差距，平均發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗達(dá)421g/kW-h。
3、燃燒配風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)
    為了分析在各種工況時(shí)，不同二次風(fēng)配風(fēng)方式下火焰中心位置和溫度變化的規(guī)律及其對(duì)鍋爐爐內(nèi)工況的影響，以沿爐膛壁面4個(gè)不同高度上的18個(gè)看火孔作為爐內(nèi)火焰溫度的測(cè)點(diǎn)，采用高溫光學(xué)高溫計(jì)測(cè)定不同負(fù)荷、不同=次風(fēng)配風(fēng)方式1：爐膛內(nèi)各點(diǎn)的火焰平均溫度，推測(cè)火焰中心位置的變化趨勢(shì)，并記錄飛灰含碳量、省煤器后的煙氣氧量等運(yùn)行數(shù)據(jù)。
3.1拱部二次風(fēng)風(fēng)量對(duì)爐膛內(nèi)溫度分布的影晌
    圖3是在饑組負(fù)荷為300MW時(shí)，A、B風(fēng)量相應(yīng)增加約r4%和l 7%時(shí)爐膛溫度沿高度變化的測(cè)量結(jié)果。A、B風(fēng)量增大時(shí)爐膛溫度水平升高，特別是在爐膛高度約9m附近處，溫度升高尤為明顯，
    這表明，隨A、B二次風(fēng)量的增加，由鍋爐拱部送人的向下的一次風(fēng)氣流與A、B二次風(fēng)混合后的氣流剛度增強(qiáng)，煤粉氣流向爐膛下部穿透的深度增加，煤粉在下爐膛內(nèi)釋放熱量增加，爐膛火焰中心的位置下降，導(dǎo)致爐膛下部的溫度升高較多。在爐膛下部溫度水平提高的同時(shí)，由于爐膛內(nèi)衛(wèi)燃帶面積較大，爐膛水冷避吸熱量隨爐膛溫度水平的提高增加不多，爐膛出口處的煙氣溫度也有所上升。但是，過(guò)大的A、B二次風(fēng)量，將使煤粉火焰繼續(xù)下沖，火焰直接沖刷冷灰斗而導(dǎo)致結(jié)渣。
3.2前后墻二次風(fēng)組織煤粉氣流分級(jí)燃燒的作用
    D、E、F二次風(fēng)從鍋爐前后墻水平送入爐膛。由于一次風(fēng)經(jīng)旋風(fēng)分離后具有較高的濃度，既有利于無(wú)煙煤著火但也需及時(shí)補(bǔ)充空氣。距一次風(fēng)噴口較近的D、E二次風(fēng)分批地與煤粉氣流混合，以供給煤粉在著火后燃燒所需的氧氣，并控制火焰的峰值溫度，抑制NOx的生成。
    圖4為機(jī)組負(fù)荷300MW時(shí)D二次風(fēng)量變化對(duì)爐膛溫度的影響。在爐膛高度25m以下，隨二次風(fēng)量的增大，爐膛溫度有所提高．在高于25m的爐膛范圍內(nèi)影響不大。因此，一定范圍內(nèi)D二次風(fēng)量的變化對(duì)煤粉氣流在爐膛內(nèi)的穿透能力沒有顯著的影響，但可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量補(bǔ)充煤粉氣流著火前期所必需的氧氣，促進(jìn)煤粉的著火和燃燒。E二次風(fēng)具有類似的作用。由于條件的限制，未對(duì)NOx的生成量進(jìn)行測(cè)定。
    鍋爐的F二次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量占總二次風(fēng)量的48%左右，從鍋爐前后墻最下層噴口水平送人，F(xiàn)二次風(fēng)一方面提供煤粉顆粒后期燃燒所需的氧氣；另一方面，由于其風(fēng)量比例較大，對(duì)鍋爐的總避風(fēng)量是否充足和火焰形狀、火焰中心的佗置均有較重要的影響。
    圖5中所示結(jié)果表明，當(dāng)F二次風(fēng)量增加約35%左右時(shí)，爐內(nèi)的著火和燃燒整體得到強(qiáng)化，沿爐膛高度溫度水平提高幅度較大，省煤器后煙氣氧量由l_8%提高到5.2%，飛灰含碳量由30%降低為10%，結(jié)果也說(shuō)明F風(fēng)量小的工況F爐膛二次風(fēng)總量有較明顯的不足，導(dǎo)致煤粉后期燃燒較差，煤粉顆粒的不完全燃燒損失增加。同時(shí)，爐膛出口煙溫也隨之升高，必須相應(yīng)地采取其它二次風(fēng)調(diào)節(jié)手段，來(lái)降低火焰中心的位置。因此，在燃燒調(diào)整中應(yīng)監(jiān)視爐膛下部火焰溫度，使火焰中心處于比較適當(dāng)?shù)奈恢谩?br /> 3.3鍋爐負(fù)荷變化的影響
在常規(guī)燃煤鍋爐的運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)菏變化時(shí)，往往通過(guò)送風(fēng)調(diào)節(jié)改變二次風(fēng)大風(fēng)箱的風(fēng)壓或總風(fēng)壓來(lái)增減二次風(fēng)量，一般不對(duì)各二次風(fēng)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)。但對(duì)“W”型火焰鍋爐來(lái)說(shuō)，二次風(fēng)配風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，各二次風(fēng)通流面積差別較大。譬如，當(dāng)鍋爐負(fù)荷升高，二次風(fēng)箱壓力增加時(shí)．F二次風(fēng)量增加最多，其它各風(fēng)量增加較少，沿爐膛寬度風(fēng)量的變化也較大，尤其是火焰中心溫度與位置等鍋爐運(yùn)行狀況對(duì)各股二次風(fēng)量的相對(duì)變化十分敏感。
    圖6所示為鍋爐在不同負(fù)荷下爐內(nèi)溫度的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)鍋爐負(fù)荷從250MW升到290MW時(shí)，若維持燃燒器各二次風(fēng)擋板開度不變，爐膛溫度分布情況將發(fā)生較顯著的變化。在低于20m左右的爐膛范圍內(nèi)溫度下降，而在高于20m左右的爐膛范圍內(nèi)，爐膛溫度隨負(fù)荷的升高而上升。表明隨鍋爐負(fù)荷的升高，火焰中心上移。由于爐膛高度較低，火焰中心位置的改變影響相對(duì)較大，陽(yáng)泉第二發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組“w”型火焰鍋爐在投運(yùn)初期，當(dāng)鍋爐負(fù)荷接近額定負(fù)荷300MW時(shí)，過(guò)熱器超溫嚴(yán)重。
    因此，在“W”型火焰鍋爐運(yùn)行中，必須隨負(fù)荷的變化對(duì)爐膛的二次風(fēng)配風(fēng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。譬如，隨鍋爐負(fù)荷的升高，相對(duì)增加A、B二次風(fēng)和減小F二次風(fēng)所占比例，使煤粉氣流在爐膛內(nèi)的穿透能力增強(qiáng)，壓低火焰中心，延長(zhǎng)煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的行程，增加煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間+降低飛灰可燃物損失，并增加爐膛水冷壁吸熱，避免過(guò)熱器的超溫。但是，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，若A、B二次風(fēng)量過(guò)高，易與一次風(fēng)粉流較早混和，造成煤粉濃度下降，對(duì)著火會(huì)產(chǎn)生不良影響。而且，過(guò)高的A、B二次風(fēng)量會(huì)造成煤粉火焰直接沖刷冷灰斗。因此，在運(yùn)行調(diào)整中應(yīng)控制爐膛下部火焰溫度。根據(jù)對(duì)本爐的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)爐膛下部（約9m高度）火焰溫度低千1000℃時(shí)，說(shuō)明爐膛火焰中心位置偏上，應(yīng)增加A、B二次風(fēng)量；當(dāng)爐膛下部溫度達(dá)到1050℃到ll00℃范國(guó)內(nèi)時(shí)，A、B二次風(fēng)量較為合適。同時(shí)，在鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)使二次風(fēng)箱壓力維持在1000Pa左右，保證鍋爐總的風(fēng)量需求。
4、結(jié)論
    各二次風(fēng)量的單獨(dú)配風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果和分析表明，拱部A、B二次風(fēng)對(duì)形成正常的“W”型燃燒火焰起著重要的作用；D、E二次風(fēng)主要起分級(jí)配風(fēng)的作用,F二次風(fēng)應(yīng)滿足鍋爐總風(fēng)量的要求，同時(shí)與A、B二次風(fēng)配合共同對(duì)火焙的中心位置有顯著影響。
    但是，“W”型火焰鍋爐的正常工作取決于各個(gè)二次風(fēng)在爐內(nèi)合理配風(fēng)的綜合效果，必須經(jīng)過(guò)對(duì)特定鍋爐系統(tǒng)的燃燒調(diào)整試驗(yàn)得出各級(jí)二次風(fēng)配風(fēng)的基本規(guī)律，在運(yùn)行中或負(fù)荷變化時(shí)，通過(guò)監(jiān)視爐內(nèi)某些特征點(diǎn)的溫度水平和二次風(fēng)箱的風(fēng)壓等數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整各個(gè)二次風(fēng)的風(fēng)量，維持鍋爐的正常運(yùn)行。
    該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作得到了東方鍋爐廠有關(guān)技術(shù)人員的協(xié)助。