燃煤锅炉掺配掺烧原则及燃烧调整措施

苏世革

(华电国际山东百年电力发展股份有限公司，山东 龙口 265700)

0 引言

近年来，由于电煤市场煤质不稳定、价格频繁变化，许多发电厂都在购买价格低廉、热值偏离设计煤种的电煤，以确保发电厂能保住边际利润。燃烧煤种的改变导致各种指标和参数偏离设计值，受热面结焦、积灰、磨损泄漏等事件频繁发生，锅炉的安全和可靠运行得不到保障。另外，由于煤种频繁变化，制粉系统优化、喷燃器运行方式优化、一次/二次风量的配比、烟气露点变化等导致制粉系统大修频率、锅炉燃烧效率、受热面磨损情况、尾部受热面低温腐蚀等发生变化。这些变化在短时间内可能表现不突出，一旦暴露出来，问题将会非常严重，不但影响机组的安全运行，而且还需要投入大量的资金进行改造或更换设备。如果不改变传统的运行管理模式、不针对实际情况进行长远规划，势必会使锅炉的使用寿命大大缩短，机组“非计划停运”次数增多，机组安全性和可靠性大幅度降低。基于以上情况，本文结合发电厂的实际情况和笔者多年的管理经验，探讨燃煤锅炉掺配掺烧的原则和锅炉燃烧调整技术，以供相关技术人员参考。

1 燃煤锅炉掺配掺烧原则

不同种类的燃煤进厂后，必须对其进行取样并做详细化验，全面掌握燃料的各项指标，严把质量关，防止个别掺假现象，尽量保证所采购的煤种符合合同要求。从进厂燃煤实际化验结果看，即使是同一个煤种，每个批次的化验结果也不尽相同，热值时高时低，各项指标也存在着差异。因此，必须针对不同的化验结果确定各入厂煤种的特性，根据不同的情况采取相应的掺配方案。燃料进厂后应该分种类堆放至指定地点，然后再根据燃料的特性、机组当前的运行状况、电网负荷计划情况及锅炉制粉系统的运行方式进行效益核算后，确定掺配掺烧方案。

1.1 入炉煤掺配掺烧的条件

掺配掺烧应以设计煤种为依据，掺配后的入炉煤特性应尽可能接近设计煤种，掺烧的煤种要尽量满足以下条件:

(1)锅炉效率不能低于设计值太多，否则掺烧效益体现不出来，建议偏离不能超过2%。

(2)保证锅炉指标和参数，满足机组安全、经济运行的要求。(3)掺配的煤种要保证机组能达到额定出力。(4)机组降至设计最低稳燃负荷时不需要投油稳燃。

(5)掺配的煤种要确保机组在一个小修期内不出现以下情况:

1)因煤质灰分增多导致受热面磨损严重，出现爆管或需要停机更换大量的受热面;

2)因煤种灰熔点降低导致锅炉结焦严重，需要停机清焦;

3)因煤质挥发分较高，导致喷燃器烧损，不得不停机处理;

4)因煤种含硫量较高，导致水冷壁高温腐蚀和尾部受热面低温腐蚀严重，机组不能运行。

1.2 入炉煤的掺配掺烧原则

入炉煤的掺配掺烧主要有2种方式:一种是炉外掺配、炉内混烧，适用于几种比较接近或相邻的煤种(主要是可燃基挥发分比较接近);另一种是分仓掺配、炉内掺烧，适用于2种原煤挥发分和热值等主要指标差别比较大的煤种。掺配掺烧的主要原则如下:

(1)煤场应有足够的存煤空间和完善的掺配设施，能够达到分类存放或均匀掺配的要求。

(2)确保制粉系统安全运行，掺配后煤的挥发分满足制粉系统的设计要求，能有效防止制粉系统自燃和爆炸。

(3)确保掺配后的全硫分能满足脱硫系统的运行要求。

(4)采用炉外掺配、炉内混烧的方式时应遵循以下原则:一是以设计煤种为主，以接近设计煤种的煤为辅;二是尽量选择相近的煤种掺配，禁止跨煤种掺配，具体掺配要求如下:

1)设计煤种是烟煤的锅炉可以使用褐煤和烟煤掺配，但要根据制粉系统的形式来决定。中间储仓式制粉系统不能用褐煤和烟煤掺配，只能用不同热值的烟煤来掺配，掺配后的可燃基挥发分不得高于38%;直吹式制粉系统可以用褐煤和烟煤掺配。

2)设计煤种是贫煤的锅炉可以使用烟煤与贫煤掺配或贫煤与无烟煤掺配，如果掺配后可燃基挥发分升高较多，应采取燃烧调整措施，防止炉膛结焦和喷燃器烧坏，如果掺配后可燃基挥发分降低较多，应采取低负荷稳燃的措施。

3)设计煤种为褐煤的锅炉可以使用烟煤和褐煤掺配，掺配后要做好防止锅炉结焦和低负荷灭火的措施。

(5)掺配要均匀。应利用煤场、输煤设施对掺配煤进行充分混合，确保入炉煤均匀和锅炉燃烧稳定，不影响自动发电量控制AGC(Automatic Generation Control)系统运行。

(6)采用分仓掺配、炉内掺烧的方式时应遵循以下原则(仅适用于直吹式制粉系统):

1)为确保燃烧稳定，四角切圆的锅炉在机组高负荷期间可以将最底层和最顶层制粉系统配制挥发分较高的煤种，中间层制粉系统配制挥发分低的煤种;低负荷时根据制粉系统运行的台数尽量选择下层制粉系统运行，配制挥发分较高的煤种，防止燃烧不稳定引起灭火。旋流燃烧器锅炉也可以按照此法进行掺配掺烧。

2)对于不同的煤种要制订不同的煤粉细度。制粉系统的煤粉细度调整装置能满足R90=10%～40%即可。不同的煤种需要磨制的煤粉细度参考如下:贫煤R90=8% ～12%，烟煤R90=18% ～23%，褐煤R90=30% ～40%，也可以采用以下经验公式来确定煤粉细度

式中:V为入炉煤的可燃基挥发分;n为煤粉的均匀性指数，n值一般为0.8～1.3，n值越大，表明煤粉的均匀性越好，n值的大小与磨煤机形式、粗粉分离器形式等有关，中速磨煤机比钢球磨煤机磨的煤粉均匀性要好，即其n值比较大。

1.3 设置合理的掺配掺烧组织机构

良好的掺配掺烧方案需要一个完善的组织机构来管理和运作，电厂的燃料部门要按照生产技术部门的要求采购煤炭，加强入厂煤和入炉煤的采、制、化管理，明确生产部门和燃料部门的职责范围，确保采购的煤炭符合锅炉掺配掺烧的要求。

(1)设置掺配掺烧组织机构的目的是实现从采购到入炉的统一管理。定期召开掺配掺烧会议，根据在途煤情况、入厂煤煤质情况和煤场存煤情况，制订掺配掺烧方案。

生产调度部门负责制订掺配掺烧方案，燃料部门负责执行，入炉煤质化验结果作为对燃料运行上煤是否正确的考核依据;加强煤场存、取煤管理，做到按区分类存放;建立煤场管理制度和存煤动态管理制度，记录存取煤量、存取时间等，定期对煤场煤进行采样，与运行记录进行比对验证，发现采样样品与运行记录不符合时及时修正，做到煤场存煤可控、在控。

(2)做好入炉煤质、锅炉实际运行情况的信息共享。燃料运行人员、值长、集控运行人员应共享入炉煤质、锅炉实际运行情况的信息。燃料运行人员及时掌握锅炉燃烧工况和负荷情况，集控运行人员随时掌握入炉煤质情况，及时进行燃烧调整。运行部门要根据已确定的掺配掺烧方案，制订锅炉掺烧非设计煤种时的燃烧调整措施，明确制粉系统的运行参数、燃烧控制参数，制订防止锅炉结焦和落焦的措施以及制粉系统防积粉自燃、爆炸的措施等。

2 锅炉掺烧非设计煤种的燃烧调整技术

锅炉运行管理的好坏直接决定着发电厂的经济效益和锅炉的使用寿命，运行人员的技术水平和业务素质对锅炉掺烧非设计煤种至关重要，他们决定着掺烧非设计煤种的数量和质量，同时也关系到锅炉的安全、可靠和经济运行。下面从几个方面探讨锅炉掺烧非设计煤种时燃烧调整的技术问题(以直吹式制粉系统褐煤和烟煤掺烧为例)。

2.1 褐煤与烟煤掺烧的燃烧调整特点

褐煤挥发分高、热值低、水分大、着火点低，燃烧时需要的温度较低;烟煤挥发分低、热值高、水分低、着火点高，燃烧时需要的温度较高。二者在炉内掺烧时会出现以下情况:褐煤由于挥发分高、着火点低首先燃烧，等喷口区域温度升高后，烟煤开始燃烧，此时一次风中的大部分氧气已被褐煤耗尽，烟煤燃烧时需要二次风中的氧气及时进入燃烧区域，否则就会出现缺氧燃烧，局部产生还原气氛，燃烧产生的灰熔点会大幅度降低，出现局部结焦现象。因此，在运行中可采取以下措施:

(1)一次风速不可过高。一般情况下，褐煤与烟煤进行1∶1的炉内掺烧时一次风速可保持在22～25 m/s，其上、下二次风速保持在35～40 m/s。这样，既可以保证不烧坏一次风喷口，又可以确保烟煤充分燃烧，防止未燃尽的煤粉颗粒进入烟道，避免火焰中心上移。如果一次风速超过30 m/s，煤粉着火的时间延迟，即使提高二次风速也不能阻止火焰中心上移，最终导致炉膛出口烟温升高。若达到灰熔点就会出现结焦现象，从而导致水平烟道烟温平均值升高，减温水量升高，锅炉效率降低，严重时会导致水平烟道受热面大面积结焦，形成烟气“走廊”现象。

(2)炉膛出口过剩空气系数α应控制在1.25左右，根据烟气氧量与过剩空气系数关系公式α=21/［21-ω(O2)］可知，氧量应在4.2%以上。这样做的目的是保证烟煤燃烧时能有足够的氧气参与，以达到充分燃烧的目的，防止飞灰可燃物升高和炉膛出口烟气温度升高。在实际运行时可根据以下情况进行修正:掺烧后炉膛的出口温度是否升高，飞灰可燃物是否升高;如果炉膛出口温度升高、飞灰可燃物降低，说明过剩空气系数过大，应适当减少，反之则提高。总之，在掺烧非设计煤种时，控制炉膛出口过剩空气系数很有必要，它直接决定锅炉的安全运行和经济运行。

(3)如果燃煤灰分过大，还应该考虑受热面磨损问题。因为炉内烟道的各级受热面磨损量与烟气流速的三次方成正比，受热面磨损还与飞灰颗粒大小和形状有关，在同等烟气流速的情况下，飞灰颗粒越大磨损越严重。因此，防止受热面磨损首先是控制总的烟气量(烟气流速)，其次是降低煤粉细度(减少飞灰颗粒体积)。但是，在降低煤粉细度时要考虑喷口的着火距离，因为烟煤和褐煤掺烧时，如果按照烟煤的煤粉细度调整，则褐煤由于煤粉过细而导致燃烧速度加快，对喷口的安全运行不利，所以，在燃烧调整时必须实地查看，尽量做到二者兼顾。

(4)杜绝炉膛漏风和烟道漏风现象。炉膛漏风虽然有助于燃烧，但也能降低炉膛温度，导致燃烧效率降低，排烟温度升高。烟道漏风会导致烟气氧量升高，给运行人员造成氧量升高的假象，如果判断不准确而盲目地降低烟气氧量，会导致炉膛出口过剩空气系数减小、燃烧不完全、飞灰可燃物升高，严重时会发生尾部烟道二次燃烧等重大事故。因此，必须定期对烟道“拉漏风”，热工人员应定期校验氧量表计，确保氧量能够反映真实情况。对于炉膛漏风可以采取提高炉膛负压的办法来判断，如果在保持其他工况不变的情况下，炉膛出口烟温升高，减温水量增多，则可以确认炉膛漏风，在缺陷未消除之前尽量保持炉膛微负压运行。

2.2 燃烧调整的主要指标

当前各个电厂基本上都投入了AGC运行，各大电网对负荷的速率控制不同，但总的情况下是要提高负荷变化速率，提高供电品质。因此，机组投入AGC后，锅炉必须被动地执行指令，变化最明显的就是炉内燃烧强度，进入炉膛的煤粉超调量增大。燃烧变化速率不像电压和周波那样可以瞬间变化，目前电网是采用调节汽轮机调门的方法来稳定周波(50 Hz)，锅炉燃烧的强弱是根据主汽压力来协调控制的，因此，从接到压力指令信号到增减进入炉膛的煤粉量，再到燃烧强弱变化引起锅炉负荷的变化是一个比较缓慢的过程。锅炉负荷要想适应电网AGC的要求，目前最有效的办法是采取燃烧过量调节措施，即当锅炉接到增加电负荷的指令时，必须增加超过指令电负荷的给粉量来保证速率，当锅炉热负荷快要满足电负荷的要求时，为了防止热负荷继续升高超过电负荷指令，必须减少部分给粉量，减缓热负荷增高的速率。因此，在电网周波频繁波动的时候，锅炉热负荷的变化速率很大，这是锅炉最脆弱的时期，如果个别指标和参数控制不当，就会给锅炉运行埋下安全隐患，后果会很严重，为此，建议采用以下方法减少锅炉的安全隐患:

(1)提高运行人员的监盘质量，根据煤种及时修改燃烧调整曲线。运行人员要知道制粉系统掺烧非设计煤种的迟延率，掌握给煤机转速与烟气氧量、主汽压力三者之间的关系，经常验证其变化关系，特别是2种燃烧速率不同的煤掺烧后，其变化规律很难掌握，运行人员要经过多次试验才能得出一个比较准确的对应关系。

(2)控制好烟气氧量和炉膛负压。在燃烧过程中，炉膛负压和氧量这2个指标是反应最快、最直接也是最可靠的指标。炉膛燃烧是一个动平衡过程，当燃烧完全、稳定的时候，这2个参数基本保持稳定不变，当增负荷的时候一定要先增加氧量再增加给粉量，同时要保持炉膛负压稳定不变，防止出现缺氧燃烧和炉膛负压大幅度变化。缺氧燃烧容易引起锅炉结焦，导致受热面超温。炉膛负压大幅度变化一是对燃烧不利，易导致不完全燃烧，二是水冷壁承受的交变应力增大(水冷壁的四角是最薄弱的部位)，三是如果炉膛负压瞬间增大会将大量未燃尽的颗粒带入水平烟道和尾部烟道，不但提高了排烟温度，而且埋下了二次燃烧的隐患。因此，在锅炉负荷变化过程中，炉膛负压和烟气氧量最好保持不变。

(3)防止各受热面管壁超温。掺烧非设计煤种的锅炉，当负荷增加较快时受热面管壁最容易出现超温现象。长期超温对受热面是致命的损害，因此，在锅炉增负荷的时候一定要掌握好煤水比和增负荷的速度。控制好壁温是比较难的技术，因为2种煤进行掺烧，总有着火慢的，而煤粉在炉膛停留的时间是相同的，未在规定时间燃尽的煤粉颗粒必然进入炉膛出口或烟道燃烧，就会导致受热面管壁超温。

(4)保持合理的煤粉细度。采用分仓掺配、炉内掺烧时，保持褐煤煤粉细度R90在35%左右，烟煤煤粉细度R90在20% ～25%。采用炉外掺配、炉内混烧时，控制煤粉细度是非常关键的一步，以褐煤和烟煤进行1∶1掺烧为例，煤粉细度需要通过试验进行确定:试验时需要确定喷口着火距离是否适中，着火距离太短易烧坏喷燃器，着火距离太长火焰中心上移，易产生结焦;另外，还要考虑制粉系统的形式和分离器的形式，防止煤粉过细引起制粉系统自燃和爆炸，因此，煤粉细度R90=25% ～28%比较合适。

3 结论

(1)制订完善的掺配掺烧原则有利于发电厂的安全、经济运行，避免效益和安全发生冲突，可有效延长锅炉的使用寿命。

(2)每台锅炉都是按照特定的煤种进行设计的，要按照原则掺烧非设计煤种。制订掺配掺烧原则的目的就是要明确各级管理人员的职责和权限，根据煤场存煤情况和掺配掺烧条件进行合理掺配，达到安全与效益共赢的目的。

(3)锅炉掺烧非设计煤种时改变了设计工况，如果燃烧调整措施得当，根据不同的煤种制订不同的防范措施，那么锅炉的各项指标和参数就不会偏离设计值太多，机组的效率基本保持不变，锅炉受热面磨损可以减低到最低程度，即使某个部位出现问题也可以提前预防，利用机组大小修的机会进行处理或更换，从而做到有的放矢、可控在控。

(4)制订一个完善的掺配掺烧原则和配套的燃烧调整措施是发电单位的主要任务，它是保证发电厂安全、经济运行的有利工具，也是保证电力企业健康、稳定发展的重要因素。