引言为了进一步促进火电机组实现节能降耗、清洁高效的目标，保障我国“双碳”目标的实现，国家能源局制定了《全国煤电机组改造升级实施方案》，要求在役机组结合实际情况，探索多种技术方法进行优化改造。各发电企业积极响应国家政策，通过优化改造提升机组的行业竞争力[1-3]。针对某厂600 MW超临界直流锅炉存在的问题，提出并实施节能提效改造方案，改造后锅炉各项性能指标得到改善，提高了机组运行的经济性和环保性，提高了企业的效益。1设备概况锅炉为600 MW超临界直流锅炉，设计煤种为淮北矿业集团公司祁南矿烟煤。设计计算热效率93.07%，保证热效率92.5%。采用冷一次风机正压直吹式制粉系统，配6台ZGM113G型中速磨煤机。锅炉采用前后墙对冲燃烧方式，24支旋流燃烧器分三层布置在炉膛前后墙上。每层燃烧器一次风喷口中心线间的层间距离为4 957.1 mm，同层燃烧器之间的水平距离为3 962.4 mm，最上层燃烧器一次风喷口中心线到大屏底部的距离为24.595 4 m，最下层燃烧器一次风喷口中心线到冷灰斗拐点的距离为2 424.6 mm。每层最外侧燃烧器到侧墙中心线的距离为4 451.8 mm。在最上层燃烧器上部布置燃烬风(OFA)风口，12只燃烬风风口分别布置在前后墙上。前后墙上中间4只燃烬风风口与最上层燃烧器一次风中心线的距离为7 004.6 mm。前后墙靠近两侧墙的2只燃烬风风口距离最上层燃烧器一次风中心线4 772.7 mm。锅炉主要设计参数如表1所示。燃料特性如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.021.T001表1锅炉主要设计参数项目BMCRTRL过热器出口流量/(t/h)1 913.001 782.66再热器出口流量/(t/h)1 583.711473.60过热器出口压力/MPa25.525.3再热器出口压力/MPa4.243.99过热蒸汽温度/℃571571再热蒸汽温度/℃591591空气预热器进口/℃368361空气预热器出口/℃13212910.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.021.T002表2燃料特性项目设计煤种校核煤种收到基碳/%50.8946.15收到基氢/%3.362.78收到基氧/%5.764.87收到基氮/%0.890.78收到基全硫/%0.410.40收到基全水分/%8.009.45收到基灰分/%30.6835.60干燥无灰挥发分/%38.8824.29收到基低位发热量/(MJ/kg)19.8217.502存在的问题为了掌握锅炉性能状况，进行摸底试验。根据现场调研及试验结果，得出制约锅炉经济运行的主要问题：第一，煤粉燃烬性差：600 MW负荷工况下，A侧空预器出口处CO浓度为1 638 μL/L，B侧空预器出口处CO浓度为2 016 μL/L，生成CO引起的热损失偏离设计值，说明炉内燃烧状况不佳，煤粉燃烬性差，增加了气体不完全燃烧热损失。第二，二次风流场不均：前后墙对冲燃烧方式因采用二次大风箱方式配风而风箱尺寸设计时并未考虑流场不均匀性，根据经验前后墙分量分配不均，同墙上、中和下层二次风箱呈中层少、上层和下层多的风量分配，每层二次风箱左、中和右位置呈左和右少、中多的风量分配。第三，高温腐蚀：受煤炭市场影响，采用分磨燃烧方式燃用高硫煤，燃烧器长期运行烧损严重，炉膛温度分布不均匀，造成局部高温腐蚀。第四，空预器漏风率高：A、B侧空预器在600 MW负荷下的漏风率分别为8.51%和7.72%。空预器漏风率偏高。第五，锅炉效率低：600 MW、480 MW和350 MW负荷工况下，修正后锅炉热效率分别为92.12%、92.34%和92.75%；满负荷工况下，锅炉效率比设计值(92.5%)低0.38%。3节能提效改造3.1燃烧器优化改造根据煤粉着火与燃烧原理，为了提高锅炉燃烧效率和燃烧稳定性，对燃烧器进行优化改造。第一，提高一次风煤粉浓度：单位体积一次风粉混合物、煤粉颗粒释放的挥发分增多，着火热减少，辐射吸热量增加，火焰传播速度加快。第二，提高氧气浓度：降低煤粉气流速度，呈现富氧状态，燃烧火焰温度升高、强化辐射换热。第三，提高一次风温度：降低加热煤粉气流所需要的热量，进而降低着火热。第四，增大湍流度：增强流体微团的脉动或旋流度，进而强化对流换热，增大高温烟气卷吸量。第五，提高煤粉细度：煤粉越细，比表面积越大，吸热量越大，细颗粒热容量小，加热速率快。考虑对锅炉进行提效，采用超低NOx旋流煤粉燃烧器及燃烧系统对原燃烧系统进行优化改造。与现有燃烧器相比，采用新型径向双级煤粉浓缩器，实现煤粉气流的高效浓缩，获得外浓内淡的煤粉气流，高浓度煤粉的燃烧效率较高；采用稳焰齿、一二次风导向锥等综合措施，在燃烧器出口获得更好的环形回流区和较高的一次风湍动度，有效提高燃烧器的低负荷稳燃性能、燃烧效率，并抑制NOx的生成；采用环形浓淡分级技术，在一次风通道出口处，在圆周方向设置环形钝体，从煤粉浓缩器流出的外浓内淡煤粉气流进一步被分开，将浓煤粉气流送入周向外圈回流区燃烧，进一步提高煤粉着火稳定性，强化燃烧，可以在前期将煤粉中的燃料氮进一步释放。同时在一次风二级扩口根部增加一定高度的台阶，可以在末端增加阻流环，延迟二次风与一次风的混合，有利于抑制燃烧污染物NOx的生成；在一次风道末端设置一级扩口，结合钝体的多重作用，将浓煤粉气流向外送入回流区，与逆流烟气强烈撞击混合并燃烧，产生驻涡热源，在原来回流烟气加热煤粉气流的基础上增加了多重热源，进一步对煤粉气流进行加热，温度的提高有利于煤粉挥发分析出，提高HCN和NH3的析出浓度，有利于抑制NOx的生成，同时提升燃烧器着火和火焰的稳定性；采用分级送风的双调风技术，合理分配内二次风和外二次风风量，控制高旋的外二次风和火焰的适时混合，保证煤粉的燃烬效率；采用中心配风技术，在一次风管内部设置中心风管，通过调节中心风量为运行油枪提供最佳配风，在燃煤时控制煤粉着火点，防止结焦并获得最佳火焰形状。具体改造内容如下：原前后墙6层24只煤粉燃烧器总数量和布置位置保持不变，更换20只煤粉燃烧器为新型超低NOx旋流煤粉燃烧器；等离子层（前墙下层4只）等离子煤粉燃烧器本体不改造，更换其二、三次风配风组件；更换改造区域燃烧器水冷壁开孔；更换燃烧器外二次风门执行器，采用连续调节型；增加燃烧器冷却风系统，采用热一次风冷却；更换原点火油枪（启动油枪取消）及炉前燃油系统，采用气泡雾化油枪；增加燃烧器固定装置。改造后燃烧器结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.021.F001图1改造后燃烧器结构3.2贴壁风改造掺烧高硫煤在降低标煤单价的同时带来了锅炉水冷壁高温腐蚀的危害。高温腐蚀对机组的安全、经济运行有很大影响，严重时会导致非停。解决该问题的主流技术方案是增加贴壁风，通过在水冷壁送入少量氧气，降低还原性气氛，可以有效避免高温腐蚀问题[4-6]。对冲旋流燃烧锅炉的贴壁风技术布置方式主要有前后墙、两侧墙及全墙组合[7]。采用前后墙与侧墙结合的新型贴壁风技术预防侧墙水冷壁高温腐蚀。（1）下喷贴壁风技术：喷口射流下喷，增加侧墙气流上升阻力，减少气流向侧墙的扩散，从源头减弱还原性气氛产生；加强贴壁气流和侧墙气流的混合，促进CO的氧化燃烧；提升贴壁风气流沿炉膛深度方向的覆盖范围，降低侧墙中部区域还原性气氛。（2）前后墙结合侧墙贴壁风综合技术：及时补充侧墙中心壁面氧量；侧墙贴壁风辅助前后墙贴壁风，有效预防煤粉（或焦炭）颗粒积聚在侧墙壁面附近燃烧而产生局部强还原性气氛。（3）增压二次风、二次风组合风源：增压二次风刚性大，有利于抑制煤粉颗粒向侧墙移动；增压二次风刚性大，射流长度大，及时补充侧墙中心壁面氧量；组合射流、空间上交错配风。为了有效改善侧墙水冷壁壁面还原性气氛，缓解水冷壁高温硫腐蚀，在前后墙燃烧器层区域，靠近侧墙的合适位置增设3层共12只贴壁风喷口（风量手动调节），喷口按下倾一定角度设计。在锅炉两侧墙靠近炉膛中心区域各增加4层侧墙贴壁风喷口，上两层每层布置4只喷口，下两层每层布置2只喷口，采用手动调节方式，风源取自热二次风。为了保证达到较好的配风效果，前后墙贴壁风源采用增压热二次风（增加风机）。3.3二次风系统流场优化二次风量分配不均会带来沿炉膛宽度方向管壁温度偏差大的问题。为了控制局部受热面管子不超温运行，增加减温水量运行，整体蒸汽温度不能达到设计值，影响机组运行经济性；侧墙区域缺风严重，欠氧燃烧，相应区域CO排放浓度偏高，运行中已无有效调整手段，影响锅炉燃烧效率，增加了灰渣含碳量，侧墙水冷壁中部区域易出现高温腐蚀；高负荷下，为了控制NOx浓度被迫低氧运行，偏差进一步加剧。节能提效对二次风系统流场进行优化改造，具体内容如下：采用导流板结构优化燃烧器风箱设计，获得更为均衡的燃烧器风量。更换现有二次风门用执行器，采用调节型（原设计为开关型），增加每个燃烧器的风量分配调节手段。增加风箱入口二次风道导流板，从结构上尽可能消除各层风室的风量分配不均，通过各层风室入口调节挡板进行必要的风量调节。3.4空预器漏风治理空预器密封按密封片接触形式可分为固定式密封、刷式密封、可调式密封和柔性密封等[8]。固定式密封间隙设定后固定不变，导致其在变工况下漏风率较大，使得扇形板和密封片的磨损加剧，如果遇到突发状况，可能导致空预器的转子卡死问题。刷丝的磨损大，刷丝变形、失效快、损耗率高、更换周期快、更换成本较高。可调式密封技术间隙测量传感器工作在回转式空预器的恶劣、高温、高腐蚀、高粉尘等环境中，受制于工作环境的影响，间隙测量误差较大，使得漏风率较高。柔性密封最大补偿量可达70 mm，可弥补热态下空预器热端三角漏风区域，有效降低漏风率，对扇形板无磨损，不增加运行电流。因此，本次改造采用柔性密封技术。4改造后锅炉性能指标改造前后锅炉热效率对比如图2所示。600 MW、480 MW和350 MW负荷工况下，改造前锅炉热效率分别为92.12%、92.34%和92.75%，改造后分别为93.34%、93.62%和93.67%，平均提高1.12%，折合降低供电煤耗3.36 g/kWh。改造后，600 MW、480 MW和350 MW负荷工况下，SCR入口NOx浓度分别为347 mg/m3、305 mg/m3和292 mg/m3，比改造前平均降低80 mg/m3。改造后，600 MW负荷工况下，A侧空预器漏风率均值为4.21%，B侧空预器漏风率均值为4.72%，漏风率明显降低。主燃烧区各层壁面附近CO浓度均值为7 070 μL/L，O2浓度均值为3.63%，有效降低了燃烧区域的还原性气氛。改造后锅炉性能指标得到提升，有效提高了运行经济性及安全性。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.021.F002图2改造前后锅炉热效率对比5结语介绍某电厂600 MW超临界直流锅炉节能提效改造方案以及改造前后锅炉的性能状况。通过燃烧系统优化改造、贴壁风改造、二次风流场优化及空预器密封改造，锅炉效率提高，煤耗降低，污染物排放量减少，有效降低了运行成本。