X燃烧优化方法及系统附图说明" src="/d/file/p/2020/12-24/fcbd825958d62d8ec2d7bd4fdc71c713.gif" />
一种火电机组低负荷NOX燃烧优化方法及系统
技术领域
本发明属于电站锅炉技术领域，具体地说是一种火电机组低负荷NOX燃烧优化方法及系统。
背景技术
根据国家环境保护部颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，重点地区火电机组NOX排放量均需控制在100mg/Nm3以下；目前，火电机组均采用低NOX燃烧技术以达到国家规定的排放标准。但近年来，我国特高压建设和可再生能源发展迅猛，给传统电力系统带来了巨大的挑战。由于我国电源结构是以火电为主，而普通火电机组又是以常规负荷为设计基础，使得火电机组低负荷运行常偏离设计值，其中因锅炉运行氧量提高等原因，使得低负荷时炉膛出口NOX含量远高于常规负荷时，这给低负荷时火电机组NOX排放控制带来了巨大挑战。因此，对火电机组低负荷NOX燃烧优化是现阶段的一项重要任务。
专利文献CN103423765采用了一种用于降低NOX排放的配风耦合燃烧方法及系统，其通过煤粉颗粒在尽可能低过量空气系数下燃烧的方式以降低NOX排放，但该方案未考虑现阶段火电机组低负荷时脱硝装置入口烟气温度较低的实际情况，若在低负荷时采用该方案，脱硝装置入口烟气温度往往难以达到其所需最低温度，造成脱硝装置无法正常运行。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种火电机组低负荷NOX燃烧优化方法及系统，其以切圆燃烧锅炉为研究对象，在尽量降低对火电机组低负荷脱硝装置入口烟气温度和燃料燃尽率影响的前提下，可以有效降低炉膛出口NOX含量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种火电机组低负荷NOX燃烧优化方法及系统，其包括：
将切圆燃烧锅炉的燃料和风以层为单位喷入炉膛燃烧；
根据各投运燃烧器层目标燃料量计算公式，对各投运燃烧器层燃料量进行计算；
控制各投运给煤机燃料量，进而调整各投运燃烧器层燃料量，使得入炉燃料集中于主燃烧区投运燃烧器层中部区域喷入；
控制投运燃烧器层各煤粉管上的可调缩孔的开度，使得投运燃烧器层各燃烧器燃料量达到目标燃料量；
根据各投运燃烧器层目标风量计算公式，对各投运燃烧器层风量进行计算；
控制各投运燃烧器层总二次风门开度，进而调整各投运燃烧器层风量，使得入炉风量集中于主燃烧区投运燃烧器层上部和下部区域喷入；
控制投运燃烧器层各燃烧器二次风门开度或者二次风叶片角度，使得投运燃烧器层各燃烧器风量达到目标风量；
根据再循环烟气燃烧器层目标烟气量计算公式，对再循环烟气燃烧器层烟气量进行计算；
控制再循环烟气燃烧器层各燃烧器风门开度，使得各燃烧器烟气量达到目标烟气量；
根据燃尽风燃烧器层目标风量计算公式，对燃尽风燃烧器层风量进行计算；
控制燃尽风燃烧器层各燃烧器燃尽风门开度，使得各燃烧器燃尽风量达到目标燃尽风量。
进一步地，所述锅炉总燃料量的计算公式为：
Cz＝{Qgr(hgrc-hgs)+Qgjw(hgrc-hgjw)+Qzr(hzrc-hzrr)+Qzjw(hzrc-hzjw)}/η/Qnet，其中，Qgr为过热蒸汽流量，hgrc为过热器出口蒸汽焓值，hgs为省煤器入口给水焓值，Qgjw为过热器减温水流量，hgjw为过热器减温水焓值，Qzr为再热蒸汽流量，hzrc为再热器出口蒸汽焓值，hzrr为再热器入口蒸汽焓值，Qzjw为再热器减温水流量，hzjw为再热器减温水焓值，η为锅炉效率，Qnet为入炉燃料加权低位发热量。
进一步地，所述第n层投运燃烧器层目标燃料量的计算公式为：Cn＝Czαn，
更进一步地，所述第n层投运燃烧器层各燃烧器目标燃料量的计算公式为：cm＝Cn/m，m∈[1,4]；其中，m为第n层燃烧器的燃烧器个数。
进一步地，所述锅炉总风量的计算公式为：Fz＝Czβzτz；其中，βz为理论空气量，τz为锅炉过量空气系数。
进一步地，所述第n层投运燃烧器层目标风量的计算公式为：Fn＝Fzγn，n∈[1,4]；其中，γn为第n层投运燃烧器层风量系数，n为投运燃烧器层数。
更进一步地，所述第n层燃烧器层各燃烧器目标风量的计算公式为：fm＝Fn/m，m∈[1,4]；其中，m为第n层燃烧器的燃烧器个数。
进一步地，所述再循环烟气燃烧器层目标烟气量的计算公式为：Fy＝FzγyVk/Vy；其中，γy为再循环烟气量系数，Vk为空气中氧体积分数，Vy为再循环烟气中氧体积分数。
更进一步地，所述再循环烟气燃烧器层各燃烧器目标烟气量的计算公式为：fy＝Fy/m，m∈[1,4]；其中，m为再循环烟气燃烧器层燃烧器个数。
进一步地，所述燃尽风燃烧器层目标风量的计算公式为：Fr＝Fzγr，其中，γr为燃尽风量系数。
更进一步地，所述燃尽风燃烧器层各燃烧器目标风量的计算公式为：fr＝Fr/m，m∈[1,4]；其中，m为燃尽风层燃烧器个数。
进一步地，所述第n层投运燃烧器层风量系数、再循环烟气量系数、燃尽风量系数之和：
本发明方法以国内较为常见的切圆燃烧锅炉为研究对象，可以尽量在降低对火电机组低负荷脱硝装置入口烟气温度和燃料燃尽率影响的前提下，通过调整投运燃烧器层各燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布，有效降低炉膛出口NOX含量。
本发明还提供另一种技术方案：一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的系统，其包括：计量系统、燃料量控制系统、风量控制系统、再循环烟气量控制系统、燃尽风量控制系统、燃料量调节系统、风量调节系统、再循环烟气量调节系统和燃尽风量调节系统；
所述的计量系统：根据计算公式对各燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量进行计算；
所述的燃料量控制系统：将入炉燃料分级喷入炉膛内，集中于主燃烧区投运燃烧器层中部区域喷入；
所述的风量控制系统：将入炉风分级喷入炉膛内，集中于主燃烧区投运燃烧器层上部和下部区域喷入；
所述的再循环烟气量控制系统：将省煤器出口烟气除尘加压后喷入还原区；
所述的燃尽风量控制系统：将燃尽风喷入燃尽区；
所述的燃料量调节系统：调节煤粉管可调缩孔开度，使得投运燃烧器层各燃烧器燃料量达到目标燃料量；
所述的风量调节系统：调节各燃烧器二次风门开度或者二次风叶片角度，使得投运燃烧器层各燃烧器风量达到目标风量；
所述的再循环烟气量调节系统：调节各燃烧器再循环烟气风门开度，使得燃烧器再循环烟气量达到目标再循环烟气量；
所述的燃尽风量调节系统：调节各燃烧器燃尽风门开度，使得燃烧器燃尽风量达到目标燃尽风量。
进一步地，所述的投运燃烧器层各燃烧器风量为投运燃烧器层各燃烧器一次风量和二次风量之和。
本发明控制各投运给煤机燃料量，进而调整各投运燃烧器层燃料量，使得入炉燃料集中于主燃烧区投运燃烧器层中部区域喷入；控制各投运燃烧器层二次风门开度，进而调整各投运燃烧器层风量，使得入炉风集中于主燃烧区投运燃烧器层上部和下部区域喷入。
与现有技术相比，本发明系统通过调整投运燃烧器各燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布，可以尽量在降低对火电机组低负荷脱硝装置入口烟气温度和燃料燃尽率影响的前提下，有效降低炉膛出口NOX含量。
附图说明
图1为现有技术在40％额定负荷时，以4×6层燃烧器的锅炉为例，各投运燃烧器层燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布示意图(图1a为燃料量分布图，图1b为风量、再循环烟气量、燃尽风量分布图)；
图2为本发明具体实施方式中的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的方法的流程图；
图3为本发明具体实施方式在40％额定负荷时，以4×6层燃烧器的锅炉为例，在采用本发明方法的条件下，各投运燃烧器层燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布示意图(图3a为燃料量分布图，图3b为风量、再循环烟气量、燃尽风量分布图)；
图4为本发明具体实施方式在40％额定负荷时，第2层燃烧器层各投运燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布示意图(图4a为燃料量分布图，图4b为风量、再循环烟气量、燃尽风量分布图)；
图5为本发明具体实施方式中的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的系统各燃烧器喷口布置及A-A面剖口示意图；
图6为本发明具体实施方式中的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的系统的结构示意图。
具体实施方式
以下便结合本发明实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明的技术方案更易于理解、掌握。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的方法，以国内较为常见的切圆燃烧锅炉为研究对象，可以尽量在降低对火电机组低负荷脱硝装置入口烟气温度和燃料燃尽率影响的前提下，通过调整投运燃烧器层各燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布，有效降低炉膛出口NOX含量；按照本发明调整后，使得入炉燃料集中于投运燃烧器层中部区域喷入，同时入炉风集中于投运燃烧器层上部和下部区域喷入。
请参阅附图2为本发明实施例公开的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的方法的流程图。本发明公开了一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的方法，本发明主要以国内较为常见的切圆燃烧锅炉为研究对象，通过新型燃烧方式调整投运燃烧器层各燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布，其主要目的是降低火电机组低负荷炉膛出口NOX含量，同时尽量降低对脱硝装置入口烟气温度和燃料燃尽率的影响，该方法包括具体步骤为：
步骤1：将切圆燃烧锅炉的燃料和风以层为单位喷入炉膛燃烧；
步骤2：根据各投运燃烧器层目标燃料量计算公式，对各投运燃烧器层燃料量进行计算；
步骤3：控制各投运给煤机燃料量，进而调整各投运燃烧器层燃料量，使得入炉燃料集中于投运燃烧器层中部区域喷入；
步骤4：控制投运燃烧器层各煤粉管上的可调缩孔的开度，使得投运燃烧器层各燃烧器燃料量达到目标燃料量；
步骤5：根据各投运燃烧器层目标风量计算公式，对各投运燃烧器层风量进行计算；
步骤6：控制各投运燃烧器层总二次风门开度，进而调整各投运燃烧器层风量，使得入炉风量集中于主燃烧区投运燃烧器层上部和下部区域喷入；
步骤7：控制投运燃烧器层各燃烧器二次风门开度或者二次风叶片角度，使得投运燃烧器层各燃烧器风量达到目标风量；
步骤8：根据再循环烟气燃烧器层目标烟气量计算公式，对再循环烟气燃烧器层烟气量进行计算；
步骤9：控制再循环烟气燃烧器层各燃烧器风门开度，使得各燃烧器烟气量达到目标烟气量；
步骤10：根据燃尽风燃烧器层目标风量计算公式，对燃尽风燃烧器层风量进行计算；
步骤11：控制燃尽风燃烧器层各燃烧器风门开度，使得各燃烧器风量达到目标风量。
当采用上述步骤以后，若脱硝装置入口烟气温度有所降低，则通过进一步调整燃尽风燃烧器风量分配等手段调整脱硝装置入口烟气温度。
若燃料燃尽率有所下降，则通过优化磨煤机出口折向挡板开度、旋转分离器转速、磨辊加载力等手段调整磨煤机出口煤粉细度。
为实现本发明的意图，需在各煤粉管可调缩孔上、各燃烧器二次风门或者二次风叶片上、各再循环烟气燃烧器风门上、各燃尽风燃烧器风门上加装电动阀以进行实时调整。
本发明以某亚临界600MW四角切圆燃烧锅炉40％额定负荷运行为例，该锅炉为4×6层燃烧器。通常该锅炉在40％额定负荷时投运下4层燃烧器，即4×4层燃烧器运行，投运燃烧器为均等配煤、均等配风的燃烧方式，投运燃烧器层燃料量、风量、燃尽风量分布的大致情况如图1所示。本发明的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的的方法投运燃烧器层燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布的大致情况如图3所示。
图1及图3中，1～4层燃烧器层燃料量分别以C1、C2、C3、C4表示，其单位为t/h。
图1及图3中，1、2、3、4层燃料量系数分别以α1、α2、α3、α4表示，一般而言，图1中α1＝α2＝α3＝α4＝0.25，图3根据研究对象的不同，取值亦不相同，约在0.1～0.4之间，应综合考虑炉膛出口NOX含量、燃料燃尽率等因素后确定，对于本发明的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化的方法而言，α1＝α4<α2＝α3,图1和图3中
图1及图3中，1～4层燃烧器层的风量系数分别以γ1、γ2、γ3、γ4表示，一般而言，图1中γ1＝γ2＝γ3＝γ4＝0.20，图3根据研究对象的不同，取值亦不相同，取值在0.15～0.20之间，γ1＝γ4>γ2＝γ3。
图1中，因不存在再循环烟气，因此，再循环烟气量系数γy＝0，图3中再循环烟气量系数γy取值大致在0.05～0.10之间。
图1及图3中，燃尽风燃烧器层的风量系数分别以γr表示，一般而言，图1中γr＝0.20，图3根据研究对象的不同，取值亦不相同，取值在0.10～0.30之间。
图1及图3中，风量系数、再循环烟气量系数、燃尽风量系数之和：
此外，本发明提供了锅炉总燃料量、风量、投运燃烧器层各燃烧器的目标燃料量、目标风量、目标再循环烟气量、目标燃尽风量的计算公式：
Cz＝{Qgr(hgrc-hgs)+Qgjw(hgrc-hgjw)+Qzr(hzrc-hzrr)+Qzjw(hzrc-hzjw)}/η/Qnet；
cm＝Cn/m；
Fz＝Czβzτz；
fm＝Fn/m；
fr＝Fr/m。
其中，βz为锅炉理论空气量，τz为锅炉过量空气系数。对于燃煤锅炉深度调峰低负荷运行而言，τz取值在1.20～1.30之间。
对于该型锅炉，其40％额定负荷运行时，常规燃烧方式投运燃烧器层典型燃料量分布如图1上半部分所示，典型风量分布如图1下半部分所示。
对于该型锅炉，其40％额定负荷运行时，根据本发明改进后的燃烧概念如图3所示，入炉燃料量集中于投运燃烧器层中部区域喷入，入炉风量则集中于投运燃烧器层上部和下部区域喷入。
比较图1与图3的燃烧概念可知，本发明的燃烧方式较常规燃烧方式降低了入炉燃料量较为集中的投运燃烧器层过量空气系数，使得这部分燃料在愈加缺氧的情况下燃烧，极大程度抑制了燃料型NOX生成，同时这部分燃料与二次风混合延迟，使得燃料燃烧相对推迟，炉膛内火焰中心提高，有利于提高脱硝装置入口烟气温度。与专利文献CN103423765的燃烧方式比较，CN103423765将燃料集中于投运燃烧器层下部区域喷入，而本发明的燃烧方式将燃料集中投运燃烧器层中部区域喷入，更有利于提高低负荷时脱硝装置入口烟气温度。此外，本发明增加了低温再循环烟气的喷入，在降低进一步主燃烧区过量空气系数的同时降低了炉膛整体烟气温度，更有利于降低炉膛出口NOX含量。同时，低温再循环烟气的喷入可以提高低负荷下再热蒸汽温度，这对于低负荷时再热蒸汽温度偏低的锅炉更加有利。而本燃烧方式除上述技术外，更注重投运燃烧器层各燃烧器之间燃料和风量均衡，更有利于减小脱硝装置入口烟气温度偏差。
但本发明的燃烧方式较常规燃烧方式主燃烧区过量空气系数更小，这使得燃料燃烧推迟，在炉膛内停留时间减少，同时炉膛整体烟气温度降低，这两方面因素对于燃料燃尽率可能产生不利的影响。
若本发明的燃烧方式带来了燃料燃尽率下降的问题，本发明可根据实际情况通过优化磨煤机出口折向挡板开度、旋转分离器转速、磨辊加载力进行优化。
若本发明的燃烧方式实际使用过程中仍出现了脱硝装置入口烟气温度较低的情况，本发明可根据实际情况通过进一步调整燃尽风各燃烧器风量分配进行优化。
下面以某电厂1号锅炉为例，该锅炉为亚临界、一次再热、强制循环、平衡通风、单汽包、半露天2008t/h四角切圆燃烧煤粉锅炉，配置了6层共24只低NOX燃烧器，为进一步降低NOX排放，锅炉还在主燃烧器上部设置燃尽风喷口。该锅炉设计燃料分析如表1所示、40％额定负荷时主要设计参数如表2所示。
表1锅炉设计燃料分析
表2锅炉主要设计参数
在设计燃料下，若不考虑吹灰、排污等影响，经本发明的锅炉总燃料量计算公式计算可得，锅炉40％额定负荷运行约需112t/h燃料量。在常规燃烧方式下，投运燃烧器层燃料量与风量分布如图1上半部分和下半部分所示。
设计燃料下，锅炉40％额定负荷运行时，本发明燃烧方式投运燃烧器层燃料量与风量分布如图3上半部分和下半部分所示，第2层燃烧器层各燃烧器燃料量与风量分布如图4上半部分和下半部分所示。
对于该锅炉而言，采用本发明的燃烧方式，燃料量系数：0.10≤α1＝α4<α2＝α3≤0.40，且
投运燃烧器层目标燃料量如表3所示，其燃料量可通过给煤机转速进行控制。
表3本发明燃烧方式投运燃烧器层目标燃料量
投运燃烧器层目标风量、再循环烟气量、燃尽风量如表4所示，其风量、再循环烟气量、燃尽风量可通过二次风箱、再循环烟气风箱、燃尽风箱入口处加装风量测量装置进行控制。
表4本发明燃烧方式投运燃烧器层目标风量、再循环烟气量、燃尽风量
采用本发明燃烧方式后，根据实际情况，若带来了燃料燃尽率下降的问题，本发明可根据实际情况通过优化磨煤机出口折向挡板开度、旋转分离器转速、磨辊加载力进行优化。同时，若出现了脱硝装置入口烟气温度较低的情况，本发明可根据实际情况通过进一步调整燃尽风各燃烧器风量分配进行优化。
本发明涉及的各燃烧器喷口布置及A-A面剖面见图5所示。
实施例2
请参阅附图6，为本发明的一种火电机组低负荷NOX燃烧优化系统的示意图。本发明的系统以电站切圆燃烧锅炉为研究对象，调整投运燃烧器层各燃烧器燃料量、风量、再循环烟气量、燃尽风量分布，该系统包括计量系统、燃料量控制系统、风量控制系统、再循环烟气量控制系统、燃尽风量控制系统、燃料量调节系统、风量调节系统、再循环烟气量调节系统和燃尽风量调节系统。
计量系统：对各燃烧器燃料量、风量燃料量、再循环烟气量、燃尽风量进行计算，计算公式与实施例1相同。
燃料量控制系统：将入炉燃料分级喷入炉膛内，集中于主燃烧区投运燃烧器层中部区域喷入。
风量控制系统：将入炉风分级喷入炉膛内，集中于主燃烧区投运燃烧器层上部和下部区域喷入。
再循环烟气量控制系统：将省煤器出口烟气除尘后喷入还原区。
燃尽风量控制系统：将燃尽风喷入燃尽区。
燃料量调节系统：调节煤粉管可调缩孔开度，使得投运燃烧器层各燃烧器燃料量达到目标燃料量。
风量调节系统：调节各燃烧器二次风门开度或者二次风叶片角度，使得投运燃烧器层各燃烧器风量达到目标风量。
再循环烟气量调节系统：调节各燃烧器再循环烟气风门开度，使得燃烧器再循环烟气量达到目标再循环烟气量。
燃尽风量调节系统：调节各燃烧器燃尽风门开度，使得燃烧器燃尽风量达到目标燃尽风量。
对所公开实施例的上述说明，使本领域专业人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的修改对本领域专业人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例。
