引言煤炭在我国一次能源消费结构中占比超过50%，燃煤发电耗煤占煤炭消费总量的一半以上[1]。燃煤发电机组节能减排受到高度重视[2-3]，在围绕“碳中和”目标建设以可再生能源为主的电力系统中，燃煤发电机组以可靠性和负荷调节灵活性支撑可再生能源消纳和电网安全[4-5]。当前燃煤电站锅炉低负荷运行成为常态，电站锅炉低负荷运行工况下，节能减排愈加重要，再热汽温对燃煤机组煤耗具有显著影响[6-7]。提高再热汽温，实现蒸汽温度达到设计水平是电站锅炉节能的重要方面[8-10]。现役机组中，服役时间较长的锅炉，提升低负荷再热汽温的难度相对来说较大，因此有必要开展节能减排实施技术的改造。辽宁北部地区煤炭资源以高灰分烟煤为主。辽宁某电厂300 MW燃煤发电机组低负荷再热汽温长期大幅度偏低。近年来，锅炉低负荷运行时间逐渐增长，且入炉煤灰分不断增大，煤质变差和平均负荷下移均给电厂节能减排带来巨大压力。本研究通过开展煤种燃烧特性试验、燃烧设备调试及煤种掺烧性能测试，了解低负荷再热汽温特性，分析锅炉节能改造潜力，为燃煤电站锅炉低负荷运行技术改造提供思路。1设备概况辽宁某电厂一期4×300 MW机组锅炉为HG—1021/18.2YM4型亚临界自然循环汽包炉，该锅炉为单炉膛、一次再热、平衡通风、四角切圆燃烧、固态排渣Π型煤粉锅炉。锅炉主要设计参数如表1所示。采用正压冷一次风直吹式制粉系统，配5台配MPS116A型磨煤机及挡板式静态分离器，额定负荷下4运1备。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T001表14×300 MW机组锅炉主要设计参数项目数值最大蒸发量/（t/h）1 021再热蒸汽量/（t/h）825主蒸汽压力/MPa（g）18.2主蒸汽温度/℃540再热蒸汽压力/MPa（g）3.62再热蒸汽进口温度/℃324再热蒸汽出口温度/℃540炉膛宽、深尺寸/m14.048/11.858燃烧器布置及只数4角5层20只一次风速/（m/s）26二次风速/（m/s）46.7一次风率/%24.8二次风率/%75.2燃料消耗量/（t/h）178.4上一次风中心距屏下缘高度/m18.292炉膛出口过量空气系数1.25炉膛出口烟温/℃1328炉膛容积热负荷/（kW/m3）116.2炉膛截面积热负荷/（MW/m3）5.22设计排烟温度/℃138设计锅炉效率/%91.8采用美国燃烧工程公司宽调节比燃烧技术，利用弯头分离一次风煤粉，故单个煤粉喷嘴为上浓、下淡形式。煤粉喷嘴可向上或向下摆动20°，二次风喷嘴可向上或向下摆动30°。炉膛截面宽深比为1.26，燃烧器设计假想切圆直径为：1.18 m（1#/3#角）和0.90 m（2#/4#角）。每个角燃尽风含有3层喷口。燃尽风喷嘴可向上或向下摆动30°，同时还可向左或向右摆动10°。锅炉过再热蒸汽受热面布置，如图1所示。在炉膛上部垂直布置辐射（墙式）再热器和分隔屏过热器、后屏过热器；在炉膛出口水平烟道上依次布置后屏再热器、末级再热器和末级过热器；在后部竖井中自上而下布置低温过热器和省煤器。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.F001图1锅炉受热面布置示意图过热器采用两级喷水调温，再热器调温主要依靠燃烧器上下摆动调节炉膛火焰中心的位置，改变炉膛出口烟温，实现对再热汽温的调节，再热器配置事故紧急喷水减温器。锅炉设计燃料为辽宁北部地区的铁法烟煤，设计煤种煤质参数如表2所示。机组服役时间已超过25 a。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T002表2锅炉设计煤煤质参数项目设计煤种校核煤种收到基全水分Mt/%13.5718.00收到基灰分Aar/%30.5828.70干燥无灰基挥发分Vdaf/%42.4741.35收到基碳Car/%42.2440.46收到基氢Har/%2.612.48收到基氧Oar/%10.009.40收到基氮Nar/%0.610.58收到基全硫St，ar/%0.390.38可磨性系数HGI7155收到基低位发热值Qnet，V，ar/（MJ/kg）16.0115.252燃烧诊断试验2.1入厂煤煤质参数该电厂入厂煤结构较复杂，来源近20种。然而绝大部分入厂煤炭产自电厂周边，煤的干燥无灰基挥发分，指标均位于(42±2)%范围，推断煤中可燃质组成和化学特性基本相似。入厂煤之间的主要区别是灰分Aar和低位发热量Qnet,V,ar。2019~2020年入厂煤化验数据中灰分和发热量的对应关系，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.F002图2入厂煤灰分和发热量的对应关系由图2可知，绝大多数入厂的煤灰分均大于20%。将煤中灰量折算至1 000 kCal低位发热量，得到入厂煤的折算灰分，如图3所示。通常认为，折算灰分大于4×10-5 kg/kCal为高灰分煤，以此判断入厂煤多属于高灰分煤。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.F003图3入厂煤折算灰分情况从图2和图3可以看出，入厂煤灰分变动范围较大。由于机组发供电煤耗的变动范围远小于灰分变动幅度，因此折算灰分的差别可以表征相同负荷下燃用不同煤种入炉灰量的差别。2.2煤燃烧特性实验依据电厂入厂煤煤质特点，采集4种具有代表性的高灰分煤，4种煤主要煤质参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T003表32019~2020年典型入厂煤煤质参数检测结果检测项目检测结果铁法晓南铁法晓青得在煤矸石Mt/%14.2015.8012.2011.86Aar/%21.8531.7040.4955.02Vdaf/%40.0539.3344.3442.34Qnet，V，ar/（MJ/kg）19.9015.4313.948.78HGI62637152按文献[10]所述方法，分别测试4种煤的燃烧稳定性指数CSI和燃尽指数BI，并评价着火和燃尽性能。试验采用的热重分析仪型号为WRT-1D型微机热天平，4种煤燃烧特性参数检测结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T004表4煤样燃烧特性参数检测结果煤种参数检测结果CSI/℃着火性BI燃尽性铁法晓南246极易2.08极易铁法晓青254极易5.35易得在388难11.36难煤矸石406难13.72难结果显示，随着煤质灰分增大，低位发热量降低，CSI和BI指数均随之增大，着火性能和燃尽性能均变差，特别是得在煤和煤矸石，着火、燃尽属“难”级别。虽然4种煤均属于挥发分接近的高挥发分煤，但灰分升高对煤的燃烧特性影响显著，明显阻碍煤的着火和燃尽过程。2.3锅炉冷态动力场试验锅炉冷态动力场试验对于诊断切圆燃用锅炉的燃烧状态具有重要价值。将每台磨煤机出口冷态一次风速偏差调平至±5%以内，并校准磨煤机通风量计量装置。检查消除燃烧器二次风门挡板和燃烧器喷口角度的定位缺陷。测量燃烧器喷口假想切圆直径，启炉前、消缺后锅炉假想切圆直径如表5所示。由表5可知，1#、3#角假想切圆直径与设计值接近，而2#、4#角假想切圆直径比设计值大300 mm。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T005表5启炉前消缺后锅炉假想切圆直径喷口名称假想切圆直径1#角2#角3#角4#角一次风喷口假想切圆平均直径+1 030+1 117+1 030+1 129二次风喷口假想切圆平均直径+983+1 120+1 210+1 266燃尽风喷口假想切圆平均直径-1 202-1 300-1 221-1 300注：“+”为俯视逆时针方向，“-”为俯视顺时针方向。mm开展炉膛空气动力场试验，锅炉满足几何相似，设置的冷态风速接近实际热态值，故炉内气流运动处于自模化区。一、二次风速相对大小按冷、热态动量比相等原则进行设置。风速模化参考冷态风门开度—风速特性推算实际热态运行典型工况风门开度下的风速值（二次风10%左右、燃尽风100%）。具体的冷态模化实验条件设置，如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T006表6动力场试验冷态模化条件理论计算结果项目设计参数与实测值热态设计参数热态运行概值冷态设计参数冷态试验实测一次风速/（m/s）26282933（浓）/27（淡）一次风温/℃70851112二次风速/（m/s）46.728.019.520.2二次风温/℃3303301010测试布置在炉膛对称十字线上的风速和方向，按最大风速处测算空气射流切圆，结果如图4所示。由图4可知，炉膛空气射流切圆呈椭圆，椭圆中心偏后墙0.25 m，偏左墙0.50 m，前后墙切圆直径8.80 m，左右墙6.50 m。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.F004图4冷态空气动力场测试结果2.4制粉系统运行测试分析热态运行条件下，将每台磨煤机出口热态一次风速偏差调节至±5%以内，并标定磨煤机通风计量装置。采用等速取法，采集磨煤机出口煤粉，分析煤粉细度，不同煤种结构的煤粉细度测试结果如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T007表7煤粉细度测试结果煤种R90R200铁法混煤15.980.9050%铁法混煤+50%得在煤24.233.1050%铁法混煤+50%煤矸石38.468.15%由表7可知，铁法混煤煤粉细度较佳（Qnet,v,ar≈16 MJ/kg）；而铁法煤掺得在低热值煤后，煤粉细度变差；铁法煤掺烧煤矸石后煤粉细度显著变差，煤中粗颗粒多。煤粉细度试验显示，高灰分低热值煤较难磨，煤粉细度不达标，且堵磨风险高。磨煤机风煤比对锅炉燃烧有重要影响，因此基于风量校准系统和运行历史数据，统计5台磨煤机实际的风煤比，如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.F005图5设计风煤比和实际风煤比统计结果由图5可知，绝大多数工况下磨煤机风煤比显著大于设计值，主要原因是铁法煤与得在煤和煤矸石掺配后，煤的灰分增大、热值降低、灰分比重大。为了维持煤粉正常吹出、防止堵磨，相同给煤量下，运行中必然倾向于采用更高的风煤比。2.5锅炉变煤种掺烧性能测试锅炉实际运行中，掺烧大量的低热值高灰烟煤和超低热值的矸石。为获得不同煤种结构下的锅炉数据，开展锅炉变煤种掺烧试验。在设计煤种条件下进行燃烧调整，通过燃尽风摆角优化，将左右侧屏过出口蒸汽温度偏差调整在5 ℃以内。煤种混烧采用两条皮带煤流同时入煤仓的预混掺烧方式。为保持混煤过程的可控性，并满足上煤效率的要求，所有混煤工况均为50∶50。不同工况下机组运行稳定后测试的性能数据，如表8所示。由表8可知，所有测试工况下，入炉煤灰分均高于30%。由于铁法煤热值范围大，入厂煤平均热值低，故热值超过16.7 MJ/kg的入厂煤均需要与低热值煤掺混入仓。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T008表8锅炉变煤种掺烧性能测试结果项目测试结果100%铁法50%铁法+50%得在50%铁法+50%矸石100%铁法50%铁法+50%得在50%铁法+50%矸石100%铁法50%铁法+50%得在50%铁法+50%矸石机组发电负荷/MW279280272224226226150150149入炉煤灰分Aar/%31.5138.5738.5635.6837.0138.2638.2739.9740.91入炉煤Qnet，v，ar/（MJ/kg）16.0114.1713.8415.3214.0913.8414.2513.7413.12二次风门开度/%101010666233燃尽风门开度/%100100100100100100100100100脱硝入口氧量/%3.23.43.33.94.03.95.85.55.6过热器减温水总量/（t/h）50.169.154.960.435.859.925.811.926.8主汽温度/℃539539538544539541543524543再热汽温/℃536535536542538535513490519排烟温度/℃140.3135.0133.8130.1129.7129.1110.9114.2114.9未燃碳热损失q4/%1.021.162.331.361.332.081.442.585.25脱硝入口NOx/（mg/m3）290283297307345341340320463锅炉效率（修正）/%91.6791.5290.7791.3991.2990.3691.4990.4287.78高负荷工况下，再热汽温欠温幅度较小，燃烧器喷口保持水平位置，二次风门关至10%，燃尽风开度100%。中、低负荷再热汽温欠温问题突出，因此中低负荷均优先停运下层燃烧器，并将二次风门进一步关至最小值（风量约为50%开度约为45%），同时将燃烧器喷口设置为上仰20°~30°，尽可能改善再热汽温。结果显示，中负荷下主再热汽温基本与高负荷相当。但是低负荷下再热汽温欠温幅度高达20 ℃以上，仅再热汽温影响发电标准煤耗达到1.5 g/kWh以上。铁法混煤掺烧得在煤或矸石后，燃尽变差、锅炉效率降低，特别是矸石造成未燃碳热损失大幅度升高，印证了高灰分阻碍燃尽过程。掺烧试验过程中，测试锅炉炉膛温度，在每个高度3~4个看火孔位置，采用红外辐射测温仪测量烟温，取算数平均值作为可测平均烟温。不同负荷下炉膛温度场分布情况，如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.F006图6不同负荷下炉膛温度场分布情况低负荷屏底烟温和炉膛出口烟温大幅低于中高负荷，也低于同等容量下正常锅炉50%BMCR负荷采用相同方法测得的烟温（屏底约920 ℃，炉膛出口约710 ℃），推断原因是低负荷再热汽温无法进一步调高。3再热汽温形成机制及应对策略目前先进切圆燃烧锅炉运行中再热汽温调节方式一般包括燃烧器喷口摆动、燃尽风比例调节、锅炉水煤比及减温水量调节、过再热系统烟气挡板调节。而该锅炉无烟气挡板，其余调节方式已用至极限。燃烧诊断试验初步表明，烟温低且无法进一步调高是造成锅炉低负荷再热汽温大幅度偏低的直接原因。3.1锅炉设备条件与煤种特性的适应性分析炉膛容积热负荷qV、炉膛截面热负荷qF、燃烧器区域壁面热负荷qB、上层燃烧器至屏底的距离h1等炉型参数对锅炉燃烧进程具有重要影响[11-13]。一方面辽宁北部紧邻盛产褐煤的内蒙古东部，另一方面铁法煤等电厂周边烟煤挥发分Vdaf高达40%以上，可以推断锅炉入炉煤虽然属于烟煤，但燃烧特性更趋近于褐煤。锅炉炉型参数与褐煤和烟煤锅炉的对比情况，如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T009表9300 MW等级不同煤种锅炉炉型参数对比情况炉型参数参数对比烟煤褐煤本研究中的锅炉qV/（kW/m3）80~12082~88116.2qF/（MW/m2）3.5~5.33.6~4.25.2qB/（MW/m2）1.1~1.81.1~1.41.6h1/m15.5~21.518~21.518.3由表9可知，研究中的锅炉炉膛横截面积小，容积、截面和燃烧器区壁面的热负荷水平均显著偏高，这种特征将推高煤燃烧过程的峰值温度，加速煤粉燃尽。四角切圆燃烧锅炉、燃烧器安装切圆直径及实际射流切圆直径直接影响火焰中心[14-15]。300 MW等级机组切圆直径改造典型案例使用的一次风假想切圆直径djx和一次风气流切圆直径dair与本研究中的锅炉值对比情况，如表10所示。从表10中可知，本研究中的锅炉安装切圆直径较烟煤锅炉大，实际气流切圆直径也明显偏大。切圆直径大将延长煤粉在燃烧器区域的停留时间，降低炉膛火焰中心，而低负荷气流速度更低，因此影响更显著。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T010表10300 MW等级锅炉炉型参数对比情况项目参数对比褐煤烟煤本研究中的锅炉炉膛宽深/m14.0×13.614.0×14.014.0×11.9djx/mm6506751 111dair/mm8 0005 8007 650风煤比偏高将直接增大一次风比例，增加煤粉燃烧初期供氧。对于极易着火的铁法混煤，显著加速煤粉燃尽。极易着火叠加燃烧初期供氧充足，因此高灰分高挥发分煤在锅炉中呈现“短促燃烧”特性，即过多的可燃质在主燃烧器区域完成燃烧。为综合表征高挥发分煤这种短促燃烧的倾向，提出一个表征一次风量与煤中可燃质量比值的指标e（简称风燃比），计算公式为：e=100qairqcoal100-Mt-Aar (1)式中：qair——一次风质量流量，t/h；qcoal——一次风中煤粉质量流量，t/h。典型烟煤锅炉磨煤机中等出力下风燃比指标，与本研究中的锅炉典型低负荷工况下风燃比的对比情况，如表11所示。从表11中可以看出，本研究中的锅炉一次风风燃比显著偏高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.015.T011表11典型锅炉风燃比实测值对比情况项目准东煤神华煤霍林河褐煤本研究中的锅炉Mt/%27.214.129.712~15Aar/%5.917.123.535~40e3.33.24.03.8~5.2电厂短期内难以将入炉煤灰分降至30%以下，因此将长期维持高灰分燃料特性。由于高灰分煤难磨且比重大，故堵磨风险高，因此风燃比e短期内无法降至一般水平。一次风率将长期处于35%左右，由于初期供氧过量，不利于组织空气分级低氮燃烧，导致高挥发分煤的大部分可燃质快速燃尽。铁法混煤及电厂周边的高灰分高挥发分煤的“短促燃烧”特性十分突出，在后续技术改造设计中应加以重视。综合以上分析，锅炉设备条件与煤种特性存在不适应问题，入炉煤灰分增加、热值降低后，煤质在燃用过程中呈现一定的特殊性质，在锅炉设备条件的共同影响下，造成入炉煤的“短促燃烧”特性，导致屏式过热器底部烟温和炉膛出口烟温低，进而在低负荷下，再热低温无法进行有效调节。3.2应对策略及措施建议为了消纳快速增长的可再生能源，电站锅炉将频繁地处于低负荷运行状态，火电机组将大面积进行深度调峰灵活性改造，锅炉需要进一步降低至30%BMCR，导致再热汽温偏低问题将更加突出。为提高低负荷再热汽温，并满足机组深度调峰汽温达标的节能需要，建议实施以下技术措施：（1）大幅度减小炉膛切圆：考虑将浓一次喷口假想切圆调整至-200~0 mm（对冲或反切布置），将淡一次风喷口假想切圆调整至+400 mm左右；将二次风喷口假想切圆调整至+800 mm左右。设置三切圆结构，推迟一、二次风混合，降低煤粉燃烧初期供氧，延长燃尽时间，强化分级低氮燃烧。为防止喷口快速磨损，应进行燃烧器组整体调整，避免在浓一次风喷口设置气流导向结构，淡一次风和二次风喷口可设置气流导向结构。（2）对流受热面改造：减少屏式过热器或末级过热器的管排数量，减小受热面积，减小过热器吸热量；同时增加墙式再热器、后屏再热器或末级再热器的管排数量，增加受热面面积，提高再热器吸热量。（3）强化设备消缺与可靠性管控：由于高灰分煤磨损性强，制粉系统、燃烧器浓淡分离结构件易磨损，因此应加强设备消缺，采用高等级防磨构件。燃尽风和主燃烧器摆角是实际运行中灵活调节再热汽温的主要手段，应强化设备消缺，确保运行周期内摆动机构的可靠性。4结语通过煤质特征分析、煤种燃烧特性试验、磨煤机风煤比诊断、炉膛空气动力场测试诊断、热态燃烧调整和煤种掺烧等一系列的研究，逐步分析锅炉低负荷再热汽温大幅度偏低的原因。研究结果表明：（1）低负荷屏式过热器底部和炉膛出口烟温低且无法有效调高，是造成锅炉低负荷再热汽温大幅度偏低的直接原因。（2）炉膛热负荷水平显著偏高、燃烧器切圆直径偏大、一次风风燃比显著偏大共同加速煤粉燃尽，使炉膛中煤粉呈现“短促燃烧”特性。其中灰分高是主要的影响因素之一。（3）为提高低负荷再热汽温，并适应机组深度调峰运行常态化，建议大幅度减小燃烧器喷口安装切圆直径，并适当调整过、再热系统对流受热面积的分配比例。