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摘要：本文在研究中以660MW超超临界机组为核心，列举真实案例，对660MW超超临界机组直流锅炉进行优化设计，提高直流锅炉烟气的利用效率，降低热量损失和烟气排放量，实现最大经济效益，并为相关研究人员提供一定的借鉴和帮助。
关键词：660MW超超临界机组；直流锅炉；烟气排放；优化设计
在660MW超超临界机组运行中，直流锅炉排烟损失较大，占据着锅炉热损失中的较大比例，即为燃料热量的8%左右，而如何有效控制排烟损失就是实现直流锅炉热效率最大化的关键。从电力企业可持续发展的角度上看，由于燃煤机组的容量大、参数高，不仅要控制发电耗煤程度，还要加强系统优化设计工作，实现660MW超超临界机组直流锅炉的超低排放。对此，本文深入分析660MW超超临界机组直流锅炉的运行现状，根据运行需求和工作现状，对660MW超超临界机组直流锅炉进行二次改造，将两级低温省煤器替换成以及前置式烟气换热器，提高烟气热量的利用率，降低烟气排放，进而提高系统的运行效率。在这样的环境背景下，探究660MW超超临界机组直流锅炉烟气高效利用设计优化具有非常重要的现实意义。
一、660MW超超临界机组直流锅炉运行现状
某发电厂采用煤电一体化供应方式，拥有两台660MW超超临界机组，分别处于1000kv特高压交流输电工程项目中，机组运行中配以SCR脱硝设施与石灰石湿法脱硫设施，其中除尘系统以双室五电场高效静电除尘器为主。直流锅炉属于全悬吊结构，采用改进型低NOXPM主燃烧器、MACT型低NOX分级送风燃烧系统，全身封闭布设，单炉膛结构，四角切圆燃烧，由固体排查，具备平衡通风的特点，属于Ⅱ型变压运行直流锅炉，；发电机属于“水-氢-氢”冷却汽轮发动机，具备静态励磁功能；汽轮机可以一次中间加热，为三缸两排结构，属于空气冷凝汽式汽轮机。该660MW超超临界机组直流锅炉选择露天煤矿加工形成的褐煤，通过对煤质进行分析，发现这种褐煤水分为35%、灰分为16.86%、挥发分为45.12%、硫为0.53%、低位发热量为12310kJkg-1，具有高分水、高挥发分、低硫分、低灰分、低热值等特点。
二、660MW超超临界机组直流锅炉烟气高效利用设计优化方案
（一）前置换热器替换方案
在空气预热器入口烟道、脱硫装置烟道出口等位置布设前置换热器，换热工质从3号高压加热器，通过烟气换热进入到2号高压加热器，其功能和省煤器分组布置相似，可以把原有省煤器出口烟气温度上升10℃，使得脱硫装置处于全负荷运行状态。同时，可以在预热器入口安设前置换热器，通过高压加热器水源进行脱硝装置出口烟气温度的急速下降，约为365℃，通过空气预热器烟气余热进行高压加热器给水加热，提高烟气热量的利用率，进而实现660MW超超临界机组经济效益的最大化。
图1前置换热器替换方案设计
第一，参数设计。通过对前置式烟气换热器热力计算，获得热力性能指标，汽轮机主蒸汽出口汽温为605℃，汽流量为2145t/h；前置式换热器进口给水温度为190.7℃，出口给水温度为300.8℃，而进出口烟气温度分别是403℃、363℃；空气预热器入口烟气温度为363℃，出口烟气温度为135.7℃。
第二，结构设计。结合当前系统结构，为了减少钢架变化程度，维持原脱硝装置钢架不变，要拆除原钢架Q排柱，并对钢架R排柱进行位置调整。同时，要调整脱硝装置，由于原来脱硝装置中的催化剂模块为“9•11”布设方式，入口烟道为喇叭形，入口较宽而出口窄，在一定程度上干扰烟气流场的均匀性，增加导流板设置难度，容易发生催化剂磨损、堵塞问题。对此，在调整钢结构后，要调整催化剂模块布设位置，将其调整为“11•9”布设方式，使得反应器宽度和深度符合系统运行要求，提高流场均匀性。除此之外，要调整脱销装置出口烟道，由于原来脱硝反应器出口烟道主要以倾斜30°为主的布设形式，结合前置换热器运行要求，其烟道要与脱硫反应器支撑钢梁存在一定距离，预留高压给水管道的设置空间，将原有的倾斜布设调整为水平烟道，满足各项要求。
（二）直流锅炉燃烧调整方案
除了设置前置换热器之外，还可有对660MW超超临界机组直流锅炉进行燃烧调整，提高烟气热量的利用效率，降低烟气排放，进而达到优化设计目标。
1.控制炉膛出口氧量
在燃烧调整方案中，首先要控制炉膛出口氧量，在直流锅炉运行中，借助调整二次风量的方式，依托于锅炉效率反平衡原理，使得锅炉低氧量运行而发生燃烧不完全，形成热损失增大的情况。在高氧量运行中，锅炉内部温度会下降，不利于炉内辐射换热，形成排烟损失，提高送引风机电流。对此，结合负荷与煤质情况，对过量空气系数进行调整，工作人员要时刻关注炉膛燃烧情况，对锅炉内部飞灰与灰渣含碳量进行实时测量，以获得准确的过量空气系数。同时，还可以在SCR入口位置布设CO监测点，根据炉膛氧量监测点和CO监测点来控制风量，减少锅炉中飞灰与炉渣的含量，大大提高锅炉运行效率。
2.调整燃烧器摆角
由于该机组具备喷嘴上下摆动功能，实际运行中可以一次二次风的上下摆动，摆动角度为30°，在低负荷时，摆角为向上摆动，维持再热汽温，对各个阶段负荷进行燃烧调整，纠正燃烧器摆角，使得再热汽温上升到额定值。在实际控制中，煤粉燃烧器摆角要低于85%，低负荷情况下，不能利用燃烧器摆角进行NOX、飞灰含碳量以及主再热汽温的调整。
3.二次风门调整
在二次风挡板运行中，要对二次风箱与炉膛差压进行有效控制，以保证炉内压力梯度，使得进风量稳定，防止过剩系数出现过大或是过小的情况，降低燃烧效率。同时，要保证炉内温度梯度的稳定性，特别是主热蒸汽温度和再热蒸汽温度，由于二次风挡板开度较小，增加了风箱差压，会造成不必要的节流损失，提高送风机气流。对此，在二次风门调整中，要扩大各个风门挡板，保证适当的风箱差压，控制节流损失，减少送风机电流，使其形成适当燃烧区域氧量，提高再热汽温。
4.炉膛吹灰调整
在660MW超超临界机组直流锅炉运行中，要制定适当的吹灰方式，结合当前实验结果和运行情况来看，工作人员要定期对空预器进行吹灰操作，并制定有效的水冷壁、再热器、省煤器以及过热器等设备的吹灰方案，确定吹灰器投运时间、运行频次和压力设置，结合直流锅炉现场燃烧情况和再热汽温度变化情况，对现有吹灰方式进行纠正，保证主再热器温度处于额定参数、两侧偏差中的可允许范围，进而提高660MW超超临界机组直流锅炉的运行效率。
（三）排烟温度调整方案
为了加大直流锅炉烟气利用效率，还要降低排烟温度，防止锅炉过量损耗，具体可表现为以下几方面：
第一，提出磨煤机出口温度。一旦出口温度提高，磨煤机热一次风调门扩展，冷一次则风调门减少，导致空预器流通热量一次风量上升，排烟温度所有下降。基于现有磨煤机运行模式，在660MW超超临界机组负荷运行稳定的情况下，提高磨煤机出口温度，并实时监测分析，得到出口温度由73℃提高至79℃时，排烟温度会下降1℃，降低排烟损失，也减少一氧化碳和的未燃尽碳形成的资源损失，使得直流锅炉运行效率提高了0.24%。
第二，降低磨煤机入口一次风量。由于一次风量有所降低，磨煤机出口风速也随之降低，燃煤着火燃烧时间短，减少炉膛内部火焰温度，继而达到排烟温度的降低。在保证当前磨煤机运行结构的前提下，减少磨煤机入口一次风量，获得实时监测结果，一旦磨煤机入口风量降低到9t/h时，其系统排烟温度会随之降低1.1℃，而直流锅炉效率会提高0.14%，降低一次风机运行能耗，有效提高整个机组综合经济效益。
第三，提高磨煤机旋转分离器转速。提高磨煤机旋转分离机转速后，会提高煤粉细度，加快煤粉燃烧速度，以控制炉膛中心温度，最终实现系统排烟温度的降低。在现有磨煤机运行模式的情况下，保证机组整体负荷处于稳定状态，提高磨煤机旋转分离器转速而进行实时检测分析，得到磨煤机旋转分离器转速提高30rpm后，机组排烟温度会随之下降1.3℃，直流锅炉效率会提高0.13%。在实际控制调整中，工作人员要根据现场情况进行着重安排，避免磨煤机旋转分离器转速过大，提高设备耗电量而增加能源消耗，通过对旋转分离器转速的合理控制，已达到最佳的经济效益。除此之外，要调整磨煤机运行方式，在保证煤质稳定的前提下，结合660MW超超临界机组高负荷工况，尽量使用五台磨煤机，达到最佳的运行效率。
三、660MW超超临界机组直流锅炉烟气高校利用设计优化的经济分析
优化改造后，汽轮机THA工况下，其进气量可达到1857.3t/h，设计背压为11KPa，主汽阀参数是28MPa/600℃，热耗率为7926kJ/kWh，选择三级高压加热器、一级热力除氧器和四级低压加热器形成八级再热回热系统，辅以汽动给水泵。在进行热平衡计算中，以此为参数计算条件，得到660MW超超临界机组直流锅炉运行效率达到93.78%，其中发电机效率也可达到99%，基于汽轮机THA工况下，可将直流锅炉烟气利用热量上升到39.54MW，以每年5500h运行时间进行计算，煤价为264元/t，则热平衡计算结果为表1所示。
表1660MW超超临界机组直流锅炉改造前后热平衡结果
四、660MW超超临界机组直流锅炉维护管理方法
为了提高锅炉运行效率，除了直流锅炉优化改造之外，还要做好日常维护管理工作，延长锅炉的使用寿命和各个零部件的运行功能，使其处于最佳的运行状态中，实现经济效益的最大化。
（一）运行过程管理工作
在660MW超超临界直流锅炉运行中，锅炉蒸发量控制在额定范围中，水位、汽压、温度等参数都要保持正常，具备良好的燃烧工况，进而保证锅炉运行的高效性。在排污管理中，在直流锅炉处于低负荷运行下进行定期排污，排污前检查各个排污管路和门阀，把水位调整至35mm，严格控制排污量，并按照相关规定流程进行排污作业。在清炉管理中，锅炉内部水位要超过正常水位，增加一定的给煤量，在锅炉汽压稳定的情况下进行清炉作业，清炉时间在2分钟以内，工作人员要随时关注除渣机运行状态，保证清炉作业的顺利开展。
（二）锅炉检查维护工作
在锅炉运行中，管理人员要按照锅炉巡回检查制度，对锅炉设备运行情况进行仔细检查，做好检查记录，若发现异响或是异常情况，立即查明根源，并采取针对性处理措施，消除异常现象，做好后期监视工作，保证直流锅炉的高效稳定运行。一般情况下，锅炉在运行4周左右后需要停炉检查，工作人员从炉墙中部检查孔进入到燃炉室中，清理内部积灰，并检查是否存在前拱断裂或是脱落等情况，及时更换炉排片，及时修复水位表、阀门或是管道等部位的渗漏问题，并检查锅炉其他附属设备，修复和更换损坏零件。
（三）锅炉停炉保养工作
在锅炉停炉后，一般选择以下两种保养方法，一是干保养法，锅炉停炉超过1个月后放炉水，清除内部污垢，炉膛内部用微火进行烘干，把块状生石灰分盘装好，放到锅炉内部，把锅炉入孔、手孔、各个管道阀门进行封闭。二是湿保养法，锅炉停炉超过1个月后放炉水，清除内部污垢，重新注入处理完的水，加满为止，把炉水加热到100℃，排除水中的气体，并关闭全面阀门。
结束语：
本文对660MW超超临界机组直流锅炉烟气高效利用设计优化的研究，得出：
1.通过对660MW超超临界直流锅炉组成结构和运行状态的分析，制定前置换热器替换方案、直流锅炉燃烧调整方案、排烟温度调整方案，将两级低温省煤器替换成以及前置式烟气换热器，提高烟气热量的利用率，降低烟气排放，进而提高系统的运行效率。
2.优化改造后，基于汽轮机THA工况下，进行超超临界机组直流锅炉改造前后热平衡计算，每年可节省208万元，经济效益明显。
3.为了提高锅炉运行效率，除了直流锅炉优化改造之外，还要做好日常维护管理工作，加强运行过程管理工作、锅炉检查维护工作和锅炉停炉保养工作，提高锅炉运行效率，达到最大的经济效益。
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