660MW燃煤机组SCR脱硝催化剂磨损及流场优化浅析
摘 要：沙特某电站燃油锅炉作为国内自主设计的首台大容量重油锅炉，其在试运行过程中出现了锅炉振动、悬挂屏过热器爆管等问题，本文主要针对试运行中出现的问题进行分析并提出优化方案。
关键词：燃油锅炉；重油；爆管；振动
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.064
1 燃油锅炉简介
1.1 锅炉本体
中东某项目2×660MW 亚临界燃油机组锅炉是东方锅炉厂自主设计的首台大容量前后墙燃烧的重油锅炉，锅炉主要特点如下：
锅炉为亚临界参数、自然循环、前后墙对冲燃烧方式、一次中间再热、再热汽温采用烟气再循环调节、平衡通风、单炉膛背靠背型露天布置的汽包锅炉。
锅炉炉膛呈长方形，燃烧器采用了前后墙对冲分级燃烧技术。在省煤器出口与空预器入口之间的烟道上抽出部分烟气，通过再循环风机重新送入炉膛底部进行烟气再循环。再热蒸汽温度主要通过烟气再循环调节。
过热器及再热器受热面主要采用了对流型布置 ， 这种布置方式使烟气再循环对汽温调节的灵敏度更高。过热器受热面由四部份组成，其中一部分是前竖井烟道蒸汽吊挂管和前屏、顶棚、后竖井烟道两侧包墙、顶包墙及后包墙。
1.2 燃烧器
燃烧设备主要由重油燃烧器、轻油点火器、大风箱、风门执行器、及炉前油系统组成。
大风箱采用分隔式风箱结构，燃烧器均匀分布在各层大风箱内。每个燃烧器有一上独立的配风口；从空气预热器来的热风从燃烧器的尾部，进入圆柱形燃烧器，热风在燃烧器内部沿圆柱的周向分为两股风，外圆周部分为二次风，内圆周部份为一次风。在一次风出口处还布置有一次风的稳燃环，其作用主要用于重油的着火与稳定燃烧。燃烧器的一次风、二次风的比例和稳燃器的位置设计为固定式。
燃烧器分四层布置有前后墙上，每层6只，共48只燃烧器。燃烧器层间距3800mm，列间距2590.8mm；燃烧器上方布置一层燃尽风。
锅炉设计油种为沙特380CST重油。重油通过蒸汽加热器进行炉前加热，重油枪采用蒸汽雾化的方式，设计的重油粘度为15CST。
1.3 锅炉烟气再循环系统
本电站锅炉设置烟气再循环系统，主要用于调节再热蒸汽温度，该系统将部分烟气从省煤器出口重新引入炉膛下部，增加对流受热面的吸热。
挡板1作为烟气关断用，用于切断进入再循环系统的烟气。当风机启动时全开，当再循环风机停运时，它自动关闭。
挡板2为再循环风机自带的进口调节门。
挡板3作为烟气关断用，当风机启动时全开，停运时关闭。
挡板4作为烟气关断用，当风机停运时，挡板 4 应自动关闭，防止烟气倒灌。风机开启时，自动打开。
挡板5是热风道连接至再循环烟道上的密封风的挡板。
2 重油定义及燃烧特点
2.1 重油的定义
重油属重质燃料油，它是石油、油页岩或煤制石油工业中提炼汽油、煤油、柴油及化工原料后剩余产物，重油的性质决定了原油品质、炼制方法等。具有密度和粘度大，燃点和闪点较高而不易挥发，碳氢含量高、灰分和水分含量少、发热量高等特点。
粘度表示燃油流动性能的好坏，是重油最重要的质量指标和使用性能指标，粘度越大，雾化效果越差，燃烧工况越差；而随着温度的升高，重油粘度逐渐减小，因而高粘度的油为了顺利的雾化和燃烧必须进行加热升温。一般情况下，机械式雾化燃烧器，其喷嘴前的推荐燃油粘度为2.5—3.5“E；空气雾化燃烧器推荐燃油粘度3.0-4.5“E；蒸汽雾化喷嘴推荐粘度为4.5--5.8“E。
2.2 重油燃烧的特点
重油燃烧是在汽态下进行的，燃油锅炉通过油喷嘴将具有一定压力和温度的重油雾化成细小的油滴喷入炉膛，然后在炉膛中边蒸发，边与空气融合燃烧。
根据基本的燃烧原理，优化重油燃烧工况的主要有以下两种方法：
（1）提高雾化质量：通过预热、加压、蒸汽雾化等方式提高油枪雾化质量，从而有利于重油与空气的均匀混合，从而改善燃烧工况，加速燃烧并减少不完全燃烧损失；
（2）预热和旋转空气：预热空气一方面可以降低反应活化能，改善重油的着火条件； 另一方面可以提高燃烧温度，有助于实现完全燃烧。旋转空气可以加强油与气的混合，实现均匀燃烧，减少析碳和有害气体的排放，还可增加径向气体动量，有利于稳定燃烧火焰。
3 锅炉运行常见问题及优化分析
3.1 锅炉振动及改造
本电站#1锅炉在首次启动时，即发生锅炉振动；后经试验证明，当时同时存在水平烟道振动和锅炉本体振动。
3.1.1 运行调整对锅炉振动的影响
（1）变重油温度试验。燃烧器设计的重油粘度为15CST，在沙特380CST重油油质下对应的油温在140℃左右。试运行中，重油温度一般都在136℃以上，但锅炉振动状况无明显改善。后经某研究院同意，进行降低重油温度试验后发现，降低重油温度后锅炉燃烧变差，但是锅炉稳定运行的负荷却得到很大的提高；油温恢复后，锅炉稳定运行负荷明显降低；重油温度对振动的影响明显。
降低油温能够有效地提高锅炉稳定运行的负荷，主要是随着油温的降低，使得燃烧器出口的燃油不能立即充分燃烧，燃烧推迟，在燃尽风量比较充足情况下，一部份未燃尽的燃料在燃尽风区域继续燃烧，有效降低了主燃烧区域的热量，推迟了振动的发生。但是，油温过低将导致尾部炭黑含碳量大幅升高，容易造成二次燃烧及空预器的沾污腐蚀，危及锅炉的安全运行。
（2）燃油雾化蒸汽压力试验。机组首次启动，雾化蒸汽压力按照1.2MPa运行，第二次启动后雾化蒸汽按照设计值0.83MPa运行，两次振动负荷接近，雾化蒸汽压力对其影响不明显。后期，在负荷稳定地情况下，进行了雾化蒸汽升压实验，压力由0.85MPa提升至1.2MPa，负荷336MW，提升过程中未发生振动；后维持蒸汽压力，升负荷至410MW發生振动，振动负荷较实验前未有提升；雾化蒸汽压力对振动无影响。
（3）变燃尽风量试验。燃尽风是调整锅炉配风的一种重要手段，在常规的调试中一般通过调整燃尽风来调节主燃烧区的风量和上部风量的比例，从而达到调整氮氧化物的目的。试验过程中，通过关小燃尽风挡板增大炉膛下部的风量来强化炉内的燃烧，但试验证明这并不能改善振动，反而通过加大燃尽风量，减小炉膛下部风量使之处于欠氧燃烧状态，加强燃尽风区域的燃烧更能提高锅炉稳定运行的负荷。
从试验结果来看，在500MW负荷下，70%OFA开度的振幅相对于60%OFA开度振幅得到了明显的改善。这说明增大OFA风量有助于改善炉膛的温度，OFA风量越大，炉膛温度就相对越低，锅炉振动的负荷点就越高。但是，在低负荷时燃尽风开度不宜开得过大，应保证燃烧稳定。
（4）其他试验。在振动处理过程中，通过现场试验证明锅炉振动受炉膛负压波动、氧量大小等运行参数影响较小。
3.1.2 锅炉振动原因及改造方案
本电站燃油锅炉尾部烟道振动通过烟道内安装隔板和导流板改造解决；锅炉本体振动，通过多次实验和数据分析，认为引起锅炉振动根本原因为热驱动型热声振动和燃烧自激型热声振动。
（1）在燃烧器-炉膛系统中，炉膛内烟气温度1400-1600℃，而燃烧器内空气温度80-300℃，构成较大系统温差，存在热声不稳定的驱动力，易受到热声振动的影响。项目通过在燃烧器和燃尽风筒体内增加的阻尼管、改造进风口、增加反射罩，在大风箱内加装带有吸音材料的多孔板，来减少入炉声波，彻底消除热驱动型热声振动。
（2） 本电站锅炉采用采用旋流燃烧方式，其流动处于湍流区域，当燃烧室内初始压力、速度由于某些原因產生脉动，这一脉动将会激发一系列的脉动、声音和波动，进而影响整个燃烧室声场。当相位符合瑞利准则时，锅炉本体即出现持续的自激谐振荡。
项目通过拆除燃烧器出口的隔板，防止隔板后面产生的涡流；割除燃烧器一次风稳燃器的稳燃环，减少涡脱落引起的振动；将油枪与稳燃器向前推进 30mm左右，设置拉杆，以便对稳燃器进行调节；增设一次风可调节档板，调节每一只燃烧器一、二次风的风量分配等改造，有效消除了燃烧自激型热声振动。
3.2 吊挂屏过热器爆管
本电站锅炉在试运行期间爆管四次，爆管位置都在吊挂屏过热器。通过对吊挂管取样、金相分析、垢成分分析，最终认定管内磷酸盐铁垢、振动实验导致燃烧延迟造成局部热负荷过高、吊挂屏过热器旁通管流量设计不合理等是导致吊挂管爆管的根本原因。后期通过升级吊挂管屏管的管材、全部封堵旁通管、加强运行水质监督（控制磷酸根的浓度小于0.3mg/L、Na+小于3 ppb）、汽包正常控制水位由0mm调整至-100mm运行等方式，有效解决了爆管问题。
3.3 烟气循环风机运行方式优化
本电站锅炉再热汽温除燃烧调整外，主要靠烟气再循环进行调节。烟气再循环风机存在工频与变频两种调节方式，当采取变频运行方式时，挡板开度70%，转速调节对于再热汽温的调节效果不明显，且低转速极易发生烟气倒流，烧坏调节挡板，造成设备损坏。
经过调试、运行试验，最终确定将转速定于550r/min至650r/min，用烟气挡板进行工频调节，再热汽温调节效果明显且烟再出口温度明显下降，烟气不发生倒流。
3.4 汽包水位控制优化
燃油相对与燃煤燃烧速度快，对风量的变化反应灵敏。在正确安装水位计的情况下，水位的偏差基本上是由于燃烧工况引起的。要消除燃烧工况对汽包水位的影响，首先要保证油枪的清洁度，以保持枪前油压一致；然后通过调整四个角的燃尽风保持两侧、前后墙的风量一致，从而达到风、油配比一致；通过保持风、油配比一致，保证燃烧工况稳定，进而保证水位在正常范围内安全运行。
4 结论
作为首台国内自主设计的大容量燃油机组在试运行期间不可避免出现了一些问题。影响了工程投产进度，但这些问题的解决过程也为国内大容量燃油机组在设计、调试、运行等方面提供了宝贵的经验并最终实现了机组的稳定、可靠、高效、环保运转。
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作者简介：王祥磊（1985-），男，山东德州人，本科，助理工程师，研究方向：火电机组运行与检修技术管理。
