1000MW锅炉燃烧优化与控制

1000MW锅炉燃烧优化与控制浙江大学热能工程研究所主要介绍内容•1000MW锅炉低NOx燃烧技术•制粉系统的风煤在线测量•煤粉分配器的试验特性研究•基于计算智能的锅炉燃烧在线优化方法1000MW锅炉低NOx燃烧技术开发国产化大容量超临界、超超临界机组是我国实现节能减排政策的重要发展方向,然而还有一系列的问题需要解决。1.目前1000MW超超临界机组我国均为引进国外技术制造,我国缺乏自主开发、设计、制造、运行的技术和经验,特别是缺乏对1000MW超超临界锅炉燃烧中国煤种的系统研究(如燃烧系统、制粉系统的研究)。2.锅炉容量增大后，由于切圆燃烧的炉膛出口烟气流存在的残余旋转，将使炉膛出口烟温及烟量的分布的偏差加剧，从而导致炉膛出口过热器与再热器区域烟温偏差。特别是1000MW超超临界锅炉炉膛的长宽比由目前600MW机组锅炉炉膛的1：1变为接近2：1,要采取单炉膛双切圆燃烧方式,如何解决双切圆互相干扰、残余旋转和烟温偏差加剧问题。3.我国火电机组的污染物排放严重,燃煤污染防治技术起步较晚，大部分机组难以达到排放标准。燃煤锅炉所排放的SO2占全国排放量的87％。而随着燃煤机组的大幅度增加，NOx的排放总量也将继续增长，1000MW超超临界锅炉采取何种措施才能有效降低NOx排放成为非常重要的关键技术点(同时还要保证锅炉的高效燃烧)。下表为我国火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度(单位：mg/m3)时段第1时段第2时段第3时段实施时间2005年1月1日2005年1月1日2004年1月1日燃煤锅炉Vdef10%15001300110010%≤Vdef≤20%1100650650Vdef20%4504.在煤粉锅炉中，一次风粉的均匀分配是防止炉内结渣、高温腐蚀，降低不完全燃烧损失的需要，也是实现低NOx燃烧的前提条件。如果各燃烧器间的一次风分配明显不均，即煤粉和风量分配偏差较大(如在±15%以上)时，将影响炉内的燃烧工况组织，造成火焰偏斜、炉膛热负荷和汽温偏差，严重时甚至引起高温腐蚀、爆管等问题。火力发电厂制粉系统管道布置原则及要求明确规定，对中速磨煤机直吹式制粉系统，同层燃烧器各一次风管之间的煤粉和空气应均匀分配，其风量偏差不大于±8%,煤粉分配偏差不大于±10%。现场实炉试验是获取数据的最可靠方法，但实炉测量费时、费力且费用昂贵。很多试验研究都是在实验室模型上进行的。但即使是一个非常简单的模型试验，由于流动、燃烧和传热的相互关联，研究起来也非常困难。数值计算可以给出锅炉炉膛的速度场、温度场、紊动能场和组分场等，即数值模拟可以给出燃烧过程的所有细节，具有良好的重复性，是研究电站锅炉燃烧特性的重要手段。不过，由于燃烧计算过程运用了大量的模型参数，它们的取值是否合理要通过模型实验或实炉测量的结果来验证。数值模拟区域包括从冷灰斗到炉膛出口的整个炉膛区域选取炉内几个代表性截面来分析数值模拟的结果，代表性截面的位置如图所示锅炉模型及代表性截面位置示意图1000MW锅炉的炉内数值模拟优化二1000MW锅炉介绍图2-3锅炉截面图二1000MW锅炉介绍图2-41000MW超超临界锅炉燃烧器的布置模拟工况的配风参数两个工况的区别在于SOFA投用层数的改变，入炉总风量和给煤量保持不变，工况2中减少的SOFA风量平摊到主燃区的各层二次风喷嘴。SOFA投用层数一次风率(%)燃料风率(%)二次风率(%)SOFA风率(%)工况15225.641.231.1工况23225.653.718.7锅炉炉内燃烧、NOx生成的数值模拟方法1炉内湍流流动的数值模拟方法在直角坐标系中，气相的质量守恒方程、动量守恒方程及k、ε的输运方程可以写成如下通用形式：pSS)grad(div)V(div(3.1)式中：分别代表速度u、v、w、湍流动能k、湍流耗散率ε等；为气相引起的源项；为固体颗粒引起的源项。源项和扩散系数的具体形式见表3-1。SpS表3-1式(3.1)中各项意义2.煤粉炉内温度场数值模拟方法3.煤粉颗粒运动轨迹的数值模拟煤粉经一次风送入炉膛后，经历加热升温、水分蒸发、热解挥发分析出、焦炭着火、燃烧和燃尽等阶段，水分蒸发和热解挥发分析出过程速度很快，一般只需几毫秒到几十毫秒，而焦炭的燃烧和燃尽过程则较长，根据煤种和粒径等参数的不同，可以长达数秒。炉内煤粉空气流动从本质上说是一种气固两相流，而且是一种固相浓度很低的气固两相流，属于稀相流动，颗粒间的碰撞可以忽略不计，采用拉格朗日方法研究炉内煤粉运动规律较欧拉方法具有优越性，同时采用拉格朗日方法也有利于模拟煤粉的燃烧历程。4.湍流化学反应的PDF模拟五1000MW锅炉炉内燃烧、NOx生成的数值模拟方法表3-2燃料NOx生成和还原的反应机理炉内温度分布模拟结果一次风和CFS风喷口截面温度分布图（工况1）采用空气分级后，主燃区实现低氧燃烧，燃烧强度不高，炉内火焰中心整体上移，高温区主要集中在SOFA喷口区域，工况1的火焰中心上移更明显工况1工况2炉膛纵向对角截面温度分布情况CO2分布CO分布工况1纵向对角截面上的气氛分布由于实施空气分级，主燃区CO浓度水平整体较高，进入SOFA喷口区域以后，大量CO与O2反应生成CO2，CO浓度迅速下降，而CO2浓度则大幅提升由于欠氧燃烧，主燃区的平均温度保持在1600K以下在SOFA射流喷入后，烟气温度有短暂下降，随着SOFA风与上游烟气的充分混合，先前的未燃尽物得以继续燃烧，烟温开始迅速升高，在40m高度左右达到炉内火焰温度峰值1800K工况2曲线中的温度峰值点位置更靠近主燃区，说明加大主燃区风量后，炉膛中下部燃烧得以加强炉膛横截面平均温度随炉膛高度的变化情况煤粉喷嘴和二次风喷嘴间隔布置，主燃区氧量呈现高低锯齿状分布主燃区的氧量可以维持在0.5%以下，大大降低了初期燃烧阶段燃料型NOx的生成在主燃区和SOFA之间的区域，截面氧量一直维持在很低的水准进入SOFA喷口区域，氧量得以充分补充，图中曲线出现陡升过程。之后随着燃尽过程的进行，氧量重新开始回落炉膛横截面平均氧量随炉膛高度的变化情况炉膛横截面平均NO浓度随炉膛高度的变化情况NO和前面显示的O2的浓度变化曲线形状十分接近，说明NO的生成和O2含量密切相关由于欠氧燃烧，主燃区的NO生成量被有效抑制SOFA风加入以后，NO浓度出现较大幅度的提升，工况1炉膛出口NO浓度可以控制在166mg/Nm3（折算到6%氧量），工况2降低了空气分级程度，最终的NO排放量为174mg/Nm3两种工况下颗粒含碳量的沿程变化情况工况2的颗粒燃烧情况要好于工况1工况1主燃区内的氧量过低，使得颗粒未完全燃烧程度较高，经过SOFA区补入大量空气后，颗粒含碳量开始迅速下降，炉膛出口处的含碳量只降低到3.89%工况2的含碳量变化曲线更平稳，总体含碳量也更低，由于增加了下部风量，主燃区出口的颗粒含碳量可以控制在4%以下，经过SOFA区以后最终的出口含碳量只为1.6%炉膛上部扭转残余计算采用切向燃烧方式时，燃烧器区域强烈旋转的气流到达炉膛上部时仍存在较大的残余旋转，这将导致炉顶屏区和水平烟道内的烟速和烟温偏差，从而影响受热面的安全运行。工程计算中通常使用无量纲量来表征扭转残余其中为四角炉膛截面长宽和的四分之一，为轴向速度，为切向速度，是气流旋转半径2020RRwurdrRwrdrRuwr折焰角区域的速度矢量分布选用紧靠折焰角的某一截面来考察该锅炉的扭转残余情况后墙前墙折焰角下截面二维矢量分布图该锅炉采用双切圆的燃烧方式，从图中可看到截面上形成了两个相互独立的切圆气流区，并略微向后墙中部偏斜可以使用计算公式对两个区域（分别标记为Y负方向和Y正方）向的扭转残余分别进行计算折焰角下截面三维立体矢量分布图数值模拟结果总结采用单炉膛双切圆燃烧方式时，炉内形成两个旋向相反且无相互干扰的切圆燃烧区域，温度、速度和组分场分布也呈现出左右对称的特点。既保留了单切圆燃烧方式高燃烧效率等优点，同时还能获得均匀的炉内空气动力场和热负荷分配，降低炉膛顶部区域的烟速和烟温偏差LNCFS燃烧系统可以有效降低NOx排放。两个工况下预测的炉膛出口NOx排放量都在300mg/Nm3以下空气分级燃烧有可能影响颗粒的燃尽率。从两个工况的对比中可见，通过配风方式的优化可以实现低NOx排放量和高燃尽率的最佳结合浙江大学的低NOx燃烧技术•深度空气分级技术－2台300MW直流锅炉的改造实例（广东粤华发电公司）－1000MW超超临界锅炉低NOx燃烧系统研究（上锅）•再燃技术－北京国华热电厂100MW锅炉的再燃改造●SNCR技术300MW锅炉低NOx燃烧系统改造•炉内燃烧布置大格局方面，采用深度空气分级技术，拟采用二种燃尽风布置，即紧靠型燃尽风（CCOFA），分离燃尽风（SOFA）通过深度空气分级形成下部富燃缺氧燃烧控制NOx，上部富氧燃烧控制飞灰含碳量的燃烧格局，大幅降低NOx排放。•为防止由于炉膛下部由于处于强还原性气氛引起炉膛水冷壁高温腐蚀和结渣事故的发生，下部燃烧器组采用复合型直流系统，将部分二次风流道折向水冷壁方向，可在炉内的水平方向形成分级燃烧，中心区域为高燃烧强度区，水冷壁周围为具有较高氧浓度，较低温度，低的CO含量和低的颗粒浓度，从而起到防止结渣和高温腐蚀的作用。•上层燃尽风喷口设计为具有上下和水平摆动功能，从而可以调整燃尽风穿透深度和混合效果，并有效防止炉膛出口过大的扭转残余。•大风箱全部保留，二次风喷口面积重新设计。燃尽风风道设计。改造效果•NOx降低48.5％，由改造前的700~800mg/Nm3左右降低到360～400mg/Nm3左右(省煤器出口氧量5％).•飞灰含碳量有所降低，由改造前的2.5%下降到1.4%.•炉内燃烧稳定，没有结渣现象。•采用水平可摆动SOFA技术，炉内出口烟温偏差可控制在30度以内。100MW锅炉再燃•已成功改造四台100MW锅炉，改造后NOx最低200mg/Nm3左右，•燃用神混煤。•采用上一次风再燃技术•采用数值模拟技术进行方案论证。mmmmmmmmα＝0.77α＝0.955α＝0.856α＝0.97α＝0.79α＝1.00α＝0.98α＝1.10煤粉四角均配在线监测系统研究和现场应用•低NOx燃烧技术与锅炉运行中燃料浓度和过量空气系数控制水平的要求非常高。•运行人员希望能够有准确的单喷口煤粉浓度的在线测量数据，从而可以保证四角切圆燃烧锅炉同层一次风的四角煤粉浓度基本均衡，防止出现局部的燃烧过强区域，控制NOx排放水平。•防止炉内结渣和高温腐蚀。基于电磁波法的管内煤粉浓度测量方法粉管:波导管;电磁波衰减和频移:煤粉浓度相关测速:获得管内流速接收探头发射探头煤粉空气混合物接收探头电磁波粉管实验室获得的煤粉浓度测量结果0.00.10.20.30.40.51.01.52.02.53.03.54.0输出电压(V)煤粉浓度(kg/kg)现场应用：广东沙角C电厂660MW锅炉耐磨发射接收天线浓度在线监测系统探头现场安装实景德国进口的等速取样标定设备煤粉浓度在线监测系统的输出信号在线记录值14:55:5915:00:5915:05:5915:10:5915:15:5915:20:590.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.02号角实测电压(伏特)15:27:1915:30:3915:33:5915:37:1915:40:390.51.01.52.02.52号角实测电压(伏特)0.220.240.260.280.300.320.340.40.60.81.01.21.41.6工况1工况3工况2(1,2)工况4工况0输出电压值（V）煤粉浓度（kg/kg)系统输出信号随煤粉浓度的变化创新点1)采用可调的电磁波谐振频率，利用一套电磁波发射和接收装置即可适应不同管径的煤粉管道。2)采用低频电磁波，由于煤粉气流中水蒸汽的干扰受电磁波频率的增加明显，低频电磁波可抑制水蒸气的干扰。而且煤粉管道中存在较多的弯头，采用低频电磁波有利于防止弯头反射造成的干扰。3)采用截面发射，吸收方