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摘要：旋流对冲燃烧锅炉由于其燃烧器结构及布置方式的局限性，导致燃烧器之间的混合及燃烧后期扰动差，易出现CO排放质量浓度高的问题。由于二次风风箱较长，二次风在沿炉膛宽度方向存在着一定的压力梯度，造成锅炉沿炉膛宽度方向O2体积分数分布偏差大，炉膛中部区域进风量大，两侧墙区域进风量小。风箱内各燃烧器之间的流量分配不均匀，进而对燃烧和污染物排放特性产生一定的影响。若运行调整不当，将造成水冷壁高温腐蚀、燃烧器烧损以及排烟温度高、锅炉热效率低等问题。要优化控制风箱内各燃烧器之间的二次风流量分配，需要详细了解风箱内的流动特性及二次风在多个燃烧器之间的流量分配特性。通过合理优化调整锅炉配风，能够有效降低CO排放质量浓度高等问题。
关键词：锅炉;对冲燃烧;优化调整;CO排放质量浓度;排烟温度;锅炉效率
引言：文章围绕某1000MW超超临界机组旋流对冲锅炉存在的CO排放质量浓度高、排烟温度高、锅炉效率低于设计值等问题，结合锅炉二次风箱的结构特点，通过数值模拟分析及现场试验对燃烧器配风进行优化调整。结果表明：优化后锅炉在1000MW和750MW负荷下，CO排放质量浓度分别由2822mg/m3、排烟温度分别下降11.7K、12.5K，锅炉效率分别上升1.34个百分点、1.19个百分点，优化效果显著。
1.设备概况及布置
某电厂1000MW机组锅炉为DG3060/27.46-π1型超超临界变压直流炉，锅炉共设有48个燃烧器，分为6层布置，每层8个燃烧器由同一台磨煤机供给煤粉，采用HT-NR3旋流式低NOX燃烧器，前后墙布置，对冲燃烧。最下层A磨煤机8个燃烧器配置等离子点火装置。HT-NR3旋流式低NOX燃烧器将燃烧用空气分为一次风、内二次风、外二次风和中心风四部分。燃烧器结构见图1。
燃烧器二次风箱为运行燃烧器提供内二次风和外二次风，为停运燃烧器提供冷却风。内二次风和外二次风通过燃烧器内同心的内二次风、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段喷入炉内，实现分级供风，降低NOX的生成量。进入燃烧器的内二次风量可通过燃烧器上的二次风门挡板进行手动调节，调节量程为0°～90°。通过调节内二次风门挡板可得到适当的风量，以获得最佳燃烧工况，即良好的着火稳燃性能、高燃烧效率、低NOX排放量，以及防止燃烧器结焦等。内二次风通道内布置有轴向旋流器使经过的二次风产生旋转，离开燃烧器后旋转的气流在离心力的作用下扩张，从而在中心区域产生负压，使高温烟气回流，为煤粉气流的着火提供能量。内二次风旋流器为固定式，不可调节，叶片倾角为60°。进入燃烧器的外二次风量可通过燃烧器上切向布置的叶轮式风门挡板进行调节，调节量程为0%～100%，调节外二次风门挡板开度，可得到合适的外二次风量和外二次风旋流强度，以获得最佳燃烧工况。
2.优化调整前锅炉运行情况
燃烧器配风调整前，对1000MW和750MW负荷进行了摸底试验。
1000MW负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为2.54%，A1测点O2体积分数仅为1.01%，与炉膛中部O2体积分数偏差超过3个百分点;A1测点CO排放质量浓度超过14000mg/m3，B6測点CO排放质量浓度为4800mg/m3，平均CO排放质量浓度为2822mg/m3;锅炉排烟温度为129.0℃，高于设计值12K;锅炉热效率为93.67%，低于设计值0.51个百分点。750MW负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为3.64%，B6测点O2体积分数仅为0.76%，与炉膛中部O2体积分数偏差超过4个百分点;A1测点CO排放质量浓度为6800mg/m3，B6测点CO排放质量浓度为6000mg/m3，平均CO排放质量浓度为1795mg/m3;锅炉排烟温度121.0℃，高于设计值8K;锅炉热效率为94.10%，低于设计值0.17个百分点。摸底试验结果表明：该配风方式下炉膛中部区域进风量大，两侧区域进风量小，炉膛两侧局部区域缺氧明显;CO排放质量浓度高将导致严重的炉内还原性腐蚀和结焦倾向，易发生爆管和泄漏，给锅炉运行带来极大的安全隐患;排烟温度高，锅炉热效率低于设计值。该配风方式已无法满足炉内正常燃烧，需进行优化调整[1]。
3.数值模拟优化
为优化锅炉配风方式，采用FLUENT软件对旋流燃烧器二次风箱进行数值模拟。二次风箱内每层等距安装8个旋流燃烧器，由各层风室两侧入口均匀进风。二次风箱入口设计风速较低，可将二次风箱视为一个静压风箱，进口截面采用速度边界条件，平均速度为14.8m/s;燃烧器出口截面采用压力出口边界条件，平均速度为40m/s;采用标准k-ε湍流模型进行计算。在烟道阻力特性及进口流速不变的情况下，改变旋流燃烧器外二次风门开度，研究每层风室内各燃烧器流量分配特性的变化规律，对旋流燃烧器配风进行优化调整。
4.锅炉配风优化调整及效果
根据摸底试验结果，优化调整锅炉配风方式，保持各燃烧器内二次风门开度均为45°，按照方案3调整外二次风门开度。燃烧器配风调整后，在锅炉1000MW和750MW负荷下进行试验，试验煤质与调整前相同。 配风调整后1000MW负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为3.02%，O2体积分数沿炉膛宽度方向分布均匀;A1、B6测CO排放质量浓度约为600mg/m3，平均CO排放质量浓度为146mg/m3;锅炉排烟温度为117.3℃，与设计值持平;锅炉热效率为95.01%，高于设计值0.83个百分点[2]。750mw负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为3.75%;A1测点CO排放质量浓度为108mg/m3，B6测点CO排放质量浓度为404mg/m3，平均CO排放质量浓度为105mg/m3;锅炉排烟温度108.5℃，低于设计值4.5K;锅炉热效率为95.29%，高于设计值1.02百分点。
结论：
简而言之，该1000MW超超临界对冲燃烧锅炉由于二次风箱结构的原因，二次风在沿炉膛宽度方向存在着一定的压力梯度，造成锅炉沿炉膛宽度方向O2体积分数分布偏差大，炉膛中部区域进风量大，两侧墙区域进风量小。1000MW负荷下局部CO排放质量浓度超过14000mg/m3，排烟温度高，锅炉热效率低于设计值。同时，根据锅炉运行现状，优化配风方式，通过调整不同燃烧器风门开度，加大缺氧区域风量，减少富氧区域风量，提高O2体积分数分布的均匀性。锅炉配风优化调整后，在1000MW和750MW负荷下，烟气中CO排放质量浓度明显降低，平均值分别降低至146mg/m3和106mg/m3，炉内还原性腐蚀和结焦倾向降低，锅炉运行安全性提高。最后，在1000MW和750MW负荷下，配风优化调整后锅炉平均排烟温度分别降低11.7K和12.5K，锅炉热效率分别提高了1.34个百分点和1.19个百分点，锅炉经济性显著提高，配风优化调整效果明显[3]。
参考文献：
[1]王松浩.旋流对冲锅炉烟煤低氮燃烧特性数值模拟[J]..发电设备，22018，32（2）：108-113.
[2]李兵臣，宋景慧，沈跃良，等.二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究[J].动力工程学报，2018，32（112）：916-921.
[3]刘建全，孙保民，张广才，等.1000MW超超临界旋流燃烧锅炉稳燃特性数值模拟与优化[J].中国电机工程学报，2017，32（8）：19-27.
关键词：锅炉;对冲燃烧;优化调整;CO排放质量浓度;排烟温度;锅炉效率
引言：文章围绕某1000MW超超临界机组旋流对冲锅炉存在的CO排放质量浓度高、排烟温度高、锅炉效率低于设计值等问题，结合锅炉二次风箱的结构特点，通过数值模拟分析及现场试验对燃烧器配风进行优化调整。结果表明：优化后锅炉在1000MW和750MW负荷下，CO排放质量浓度分别由2822mg/m3、排烟温度分别下降11.7K、12.5K，锅炉效率分别上升1.34个百分点、1.19个百分点，优化效果显著。
1.设备概况及布置
某电厂1000MW机组锅炉为DG3060/27.46-π1型超超临界变压直流炉，锅炉共设有48个燃烧器，分为6层布置，每层8个燃烧器由同一台磨煤机供给煤粉，采用HT-NR3旋流式低NOX燃烧器，前后墙布置，对冲燃烧。最下层A磨煤机8个燃烧器配置等离子点火装置。HT-NR3旋流式低NOX燃烧器将燃烧用空气分为一次风、内二次风、外二次风和中心风四部分。燃烧器结构见图1。
燃烧器二次风箱为运行燃烧器提供内二次风和外二次风，为停运燃烧器提供冷却风。内二次风和外二次风通过燃烧器内同心的内二次风、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段喷入炉内，实现分级供风，降低NOX的生成量。进入燃烧器的内二次风量可通过燃烧器上的二次风门挡板进行手动调节，调节量程为0°～90°。通过调节内二次风门挡板可得到适当的风量，以获得最佳燃烧工况，即良好的着火稳燃性能、高燃烧效率、低NOX排放量，以及防止燃烧器结焦等。内二次风通道内布置有轴向旋流器使经过的二次风产生旋转，离开燃烧器后旋转的气流在离心力的作用下扩张，从而在中心区域产生负压，使高温烟气回流，为煤粉气流的着火提供能量。内二次风旋流器为固定式，不可调节，叶片倾角为60°。进入燃烧器的外二次风量可通过燃烧器上切向布置的叶轮式风门挡板进行调节，调节量程为0%～100%，调节外二次风门挡板开度，可得到合适的外二次风量和外二次风旋流强度，以获得最佳燃烧工况。
2.优化调整前锅炉运行情况
燃烧器配风调整前，对1000MW和750MW负荷进行了摸底试验。
1000MW负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为2.54%，A1测点O2体积分数仅为1.01%，与炉膛中部O2体积分数偏差超过3个百分点;A1测点CO排放质量浓度超过14000mg/m3，B6測点CO排放质量浓度为4800mg/m3，平均CO排放质量浓度为2822mg/m3;锅炉排烟温度为129.0℃，高于设计值12K;锅炉热效率为93.67%，低于设计值0.51个百分点。750MW负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为3.64%，B6测点O2体积分数仅为0.76%，与炉膛中部O2体积分数偏差超过4个百分点;A1测点CO排放质量浓度为6800mg/m3，B6测点CO排放质量浓度为6000mg/m3，平均CO排放质量浓度为1795mg/m3;锅炉排烟温度121.0℃，高于设计值8K;锅炉热效率为94.10%，低于设计值0.17个百分点。摸底试验结果表明：该配风方式下炉膛中部区域进风量大，两侧区域进风量小，炉膛两侧局部区域缺氧明显;CO排放质量浓度高将导致严重的炉内还原性腐蚀和结焦倾向，易发生爆管和泄漏，给锅炉运行带来极大的安全隐患;排烟温度高，锅炉热效率低于设计值。该配风方式已无法满足炉内正常燃烧，需进行优化调整[1]。
3.数值模拟优化
为优化锅炉配风方式，采用FLUENT软件对旋流燃烧器二次风箱进行数值模拟。二次风箱内每层等距安装8个旋流燃烧器，由各层风室两侧入口均匀进风。二次风箱入口设计风速较低，可将二次风箱视为一个静压风箱，进口截面采用速度边界条件，平均速度为14.8m/s;燃烧器出口截面采用压力出口边界条件，平均速度为40m/s;采用标准k-ε湍流模型进行计算。在烟道阻力特性及进口流速不变的情况下，改变旋流燃烧器外二次风门开度，研究每层风室内各燃烧器流量分配特性的变化规律，对旋流燃烧器配风进行优化调整。
4.锅炉配风优化调整及效果
根据摸底试验结果，优化调整锅炉配风方式，保持各燃烧器内二次风门开度均为45°，按照方案3调整外二次风门开度。燃烧器配风调整后，在锅炉1000MW和750MW负荷下进行试验，试验煤质与调整前相同。 配风调整后1000MW负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为3.02%，O2体积分数沿炉膛宽度方向分布均匀;A1、B6测CO排放质量浓度约为600mg/m3，平均CO排放质量浓度为146mg/m3;锅炉排烟温度为117.3℃，与设计值持平;锅炉热效率为95.01%，高于设计值0.83个百分点[2]。750mw负荷下，省煤器出口截面烟气平均O2体积分数为3.75%;A1测点CO排放质量浓度为108mg/m3，B6测点CO排放质量浓度为404mg/m3，平均CO排放质量浓度为105mg/m3;锅炉排烟温度108.5℃，低于设计值4.5K;锅炉热效率为95.29%，高于设计值1.02百分点。
结论：
简而言之，该1000MW超超临界对冲燃烧锅炉由于二次风箱结构的原因，二次风在沿炉膛宽度方向存在着一定的压力梯度，造成锅炉沿炉膛宽度方向O2体积分数分布偏差大，炉膛中部区域进风量大，两侧墙区域进风量小。1000MW负荷下局部CO排放质量浓度超过14000mg/m3，排烟温度高，锅炉热效率低于设计值。同时，根据锅炉运行现状，优化配风方式，通过调整不同燃烧器风门开度，加大缺氧区域风量，减少富氧区域风量，提高O2体积分数分布的均匀性。锅炉配风优化调整后，在1000MW和750MW负荷下，烟气中CO排放质量浓度明显降低，平均值分别降低至146mg/m3和106mg/m3，炉内还原性腐蚀和结焦倾向降低，锅炉运行安全性提高。最后，在1000MW和750MW负荷下，配风优化调整后锅炉平均排烟温度分别降低11.7K和12.5K，锅炉热效率分别提高了1.34个百分点和1.19个百分点，锅炉经济性显著提高，配风优化调整效果明显[3]。
参考文献：
[1]王松浩.旋流对冲锅炉烟煤低氮燃烧特性数值模拟[J]..发电设备，22018，32（2）：108-113.
[2]李兵臣，宋景慧，沈跃良，等.二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究[J].动力工程学报，2018，32（112）：916-921.
[3]刘建全，孙保民，张广才，等.1000MW超超临界旋流燃烧锅炉稳燃特性数值模拟与优化[J].中国电机工程学报，2017，32（8）：19-27.