不同负荷下SOFA系统调整策略的试验研究

夏文静，何长征，韦红旗

不同负荷下SOFA系统调整策略的试验研究

夏文静1，何长征2，韦红旗3

（1.中冶华天工程技术有限公司，江苏南京210019；2.南京博沃科技有限公司，江苏南京210001；3.东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）

分离燃尽风（SOFA）系统作为控制NOx排放的主要调整设备，其调整策略的制订对于锅炉运行至关重要。以某660 MW超临界燃煤锅炉为研究对象，基于调整试验，分析SOFA系统对炉效、NOx排放及其运行成本的影响规律，结果表明不同负荷下的调整策略不尽相同，运行中应进行差异化调整。

SOFA；NOx；炉效；调整策略

随着环保力度的加强，低氮燃烧器已成为大型锅炉的标准配置，然而低NOx的控制原理却与煤粉燃烬的原则有所背离，易出现飞灰可燃物及烟气CO浓度上升的现象［1，2］，使得经济运行与环保达标不能同时满足。分离燃尽风（SOFA）系统作为控制NOx排放的主要调整设备，其调整策略的制订对于锅炉运行至关重要，然而目前国内关于大型机组SOFA试验调整的文献［2，3］较少，多为SOFA的数值模拟研究［4-6］。针对660 MW超临界燃煤锅炉，进行了不同负荷下SOFA系统的专项试验研究，以分析该系统对炉效、NOx排放及其运行成本的影响规律，并制定相关调整策略。

1　设备概述

试验锅炉为上海锅炉厂有限公司制造，型号SG-2090/25.4-M975，为超临界参数变压运行直流炉，一次中间再热，四角切圆燃烧，单炉膛，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置，Π型锅炉。主要设计参数、设计煤种如表1、表2所示。该锅炉燃烧系统为低NOx同轴燃烧系统（LFNCSTM），共24只直流式燃烧器，分6层布置于炉膛4角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈四角切圆方式燃烧，而主燃烧器之上设置有5层SOFA，由1台气动执行器集中带动SOFA作上下摆动。

2　研究方法及内容

试验在不同负荷下对运行氧量、主燃烧器系统、SOFA系统及制粉系统进行单因素燃烧调整。为避免其他运行因素参于调整，允许部分参数在较大范围内波动，如主汽温度、再热汽温度、选择性催化反应器（SCR）出口NOx等，并尽量通过水煤比或减温水量对汽温进行调整。

通过众多运行因素的大幅调整，分析其对燃煤成本、尿素成本及其波动幅度的影响规律。针对典型负荷下的SOFA系统进行较为全面的调整试验，以了解不同负荷下SOFA系统运行方式对炉效与NOx排放的关系及规律特性。

表1　主要设计参数

表2　煤质分析数据

试验调整中，机组保持定负荷运行、煤质尽量稳定，各工况均对多个重要参数与指标进行测试及计算，其中包括SCR进口烟气成分、空预器出口烟气成分、排烟温度及环境参数的测量；煤粉、飞灰及炉渣的取样及分析；修正炉效、各项热损失、脱硝效率、烟气总量、燃煤量及尿素量等性能指标的计算。

3　研究分析及结果

3.1燃煤与尿素成本对调整策略的影响

针对高、中、低负荷下的试验工况（对运行氧量、主燃烧系统、SOFA系统及制粉系统进行燃烧调整），对燃煤及尿素成本进行了核算及统计，得出不同负荷下相关成本的变化曲线，如图1所示。

由图1可知，高、中、低负荷各工况尿素成本最大波动幅度分别为200、217、230元/h，而燃煤成本最大波动幅度分别为2832、3066、2718元/h。随着运行因素的调整，尿素成本波动幅度远小于燃煤成本，两者总成本几乎完全取决于燃煤成本。可见从经济运行角度出发，在满足SCR进口NOx不超设计值、出口NOx达标的情况下，合理炉效应为SOFA调整策略的主导方向。

图1　燃煤成本、尿素成本及两者总成本变化曲线

3.2锅炉负荷对调整策略的影响

针对高、中、低负荷下的试验工况，选择各负荷运行氧量相对接近的10个典型工况，对其炉效、SCR进口NOx等相关参数进行平均，以分析负荷对炉效及SCR进口NOx的变化规律，如表3所示。随着机组负荷的降低，炉内温度下降、煤粉停留时间增长，导致NOx排放降低、炉效上升，且变化幅度较大。同时，SCR进口烟温也随之降低，在420 MW负荷时已降至304℃，略高于最低设计运行值（300℃），若负荷继续下降，则SCR退停的可能性很大，进而导致NOx排放严重超标。

由此可见，高负荷运行时，炉效相对较低，上升空间较大，在NOx排放不超标的情况下，炉效应为SOFA调整策略的主导方向。低负荷运行时，炉效相对较高，而SCR退停的可能性又较大，控制NOx排放应为SOFA调整策略的主导方向。

表3　不同负荷试验工况数据汇总

3.3SOFA运行方式对调整策略的影响

3.3.1SOFA风门开度

在高、低两种典型负荷下（运行氧量分别维持在2.7%，3.8%），仅对5层SOFA开度进行单因素调整，以考察其对炉效、NOx排放的影响规律，相关曲线如表4所示。SOFA风门开度的调整，可有效降低NOx排放，整体呈现开度越大，NOx排放越小的趋势，然而对炉效的影响不大。可见，该炉型SOFA系统设计较为合理，能有效调整SOFA风和烟气的混合过程，降低飞灰含碳量和CO含量。因此，为保证SCR进口NOx不超设计值，不同负荷下SOFA可保持在大开度下运行。

表4　不同SOFA风门开度试验工况数据汇总

3.3.2SOFA风投运层

在高、低两种典型负荷下（运行氧量分别维持在2.3%，4.2%），仅对SOFA投运层的运行方式进行单因素调整，以考察其对炉效、NOx排放的影响规律，如表5所示（该炉型SOFA系统共5层SOFA喷口，试验中各层SOFA喷口一旦投运，则保持100%开度，否则保持10%开度，以便冷却喷口）。

表5　不同SOFA风投运层试验工况数据汇总

（1）高低负荷下，随着SOFA风投运层数的增加，SOFA风量有所增加，NOx排放呈现明显下降趋势；

（2）高低负荷下，5层SOFA风全投，会导致主燃烧器区域的空气量减小，CO排放可能会有所增加（如660 MW试验工况），但飞灰含碳量呈明显下降趋势，说明SOFA风量的增加对飞灰燃烬有改善作用，因此5层SOFA全投时炉效较高；

（3）通过投运上3层SOFA与投运下3层的对比，可知上层SOFA由于与主燃烧器距离相对较大、NOx还原时间更长，其降NOx的效果相对明显，但炉效会有所损失。

综上所述，该炉SOFA设计较为合理，投5层SOFA后NOx排放最低、炉效较高。因此，为了保证SCR进口NOx不超设计值，不同负荷下SOFA可保持5层全投状态。

3.3.3SOFA风箱/炉膛差压

在高、低两种典型负荷下（运行氧量分别维持在2.6%、4.5%），5层SOFA全部投运、各层开度均为100 %时，仅对主燃烧器二次风门开度（25%～50%）进行单因素调整，以改变SOFA风箱/炉膛差压，考察其对炉效、NOx排放的影响规律，如表6所示。

由表6可知，随着二次风开度减小、风箱/炉膛差压上升、SOFA风量增加，导致NOx排放降低，但下降幅度较为有限。同时，差压与炉效不呈线性变化，规律性及变化幅度均较弱。分析认为，出于运行安全及降氮需要，运行中需保持较高的风箱/炉膛差压，加之二次风门（除SOFA、CCOFA风以外）多达72个、组合方式众多，不便快速调整，因此二次风开度及调整范围均较小。

表6　不同SOFA风箱/炉膛差压试验工况数据汇总

由此可见，试验条件下SOFA风箱/炉膛差压对炉效及NOx排放影响较弱，因此锅炉的安全运行应作为该因素的主导方向。

3.3.4SOFA风上下摆角

在高、低两种典型负荷下（运行氧量分别维持在3.0%，4.6%），5层SOFA全部投运、各层开度均为100%时，仅对5层SOFA上下摆角进行单因素调整，考察其对炉效、NOx排放的影响规律，如表7所示。

表7　不同SOFA上下摆角试验工况数据汇总

（1）高低负荷下，SOFA上摆，NOx还原区高度增加，进而NOx还原时间增加、降氮效果增强，整体来看SOFA每上摆25%，NOx约下降14 mg/m3；

（2）高负荷下，SOFA上摆，炉效呈明显上升趋势；低负荷下，SOFA上摆，炉效却呈明显下降趋势，说明不同负荷下摆角对炉效的影响规律有所差异。

分析认为，高负荷运行时，炉内火焰中心较高，由于SOFA自身及存在的故障，当SOFA下摆时，可能对炉内燃烧形成了一定的干扰，导致炉效有所下降。低负荷运行时，炉内火焰中心明显下移（上两层燃烧器停用），当SOFA下摆时，对炉内燃烧的干扰作用已不存在，但对炉内火焰的下压作用却有所突显，导致排烟温度、飞灰含碳量均有较为明显的下降，进而炉效上升。

在不考虑汽温及其偏差的情况下［7］，由于SOFA风上下摆角在不同负荷下对炉效及NOx排放的影响较大，且调节迅速，因此可作为SOFA系统调整的主要手段。同时，由于上下摆角在不同负荷下对炉效的影响规律不同，进而其调整策略也有所不同，建议不同负荷下的调整策略如下：

（1）高负荷运行时，SOFA可上摆至最高位置，以同时满足高效与低NOx排放的要求；

（2）低负荷运行时，总NOx排放较低，为保证较高的炉效，SOFA可下摆至最低位置；

（3）SCR退停时，NOx排放严重超标前，SOFA可迅速上摆至最高位置，以控制NOx排放，但运行中应注意炉内稳燃状况。

4　结束语

对于试验机组而言，通过SOFA系统调整策略的试验研究，发现其低氮燃烧器设计合理，正常运行方式下，对炉效的影响较小，但不同负荷下仍需采用不同的调整策略。在炉效与低NOx排放的联合优化中，合理的炉效应为调整的主导因素，也即在满足SCR进口NOx不超设计值、SCR出口NOx达标及生产安全的情况下，运行调整应以炉效为主导；高负荷运行时，炉效相对较低，上升空间较大，应通过燃烧调整优化，在保证NOx排放不超标的情况下，尽可能高效运行；低负荷运行时，炉效相对较高，但SCR退停的可能性明显增大，为避免NOx严重超标，应通过燃烧调整优化，保证较低的NOx排放，以保持一定的调节余量；为保证不同负荷较高的炉效及SCR进口NOx不超设计值，SOFA系统应维持5层全投、大开度及较大差压运行，同时将其上下摆角作为SOFA系统调整的主要手段，试验数据表明该摆角对炉效的调整幅度为0.3%～0.5%，对NOx的调整幅度可达到50 mg/m3；SCR退停时，对NOx排放控制及炉内稳燃的要求很高，在对SOFA系统调整的基础上，还应结合运行氧量、磨煤机运行方式等其他调整手段进行联合控制。

［1］夏文静，衡丽君，何长征，等.660 MW超超临界燃煤锅炉降低CO排放的试验研究［J］.热能动力工程，2014，29（1）：58-64.

［2］何小平，文力.SOFA对NOx排放及燃烧的影响［J］.陕西电力，2014，42（12）：91-93.

［3］卞康麟.1000 MW机组塔式锅炉NOx排放的试验研究［J］.江苏电机工程，2014，33（5）：73-75.

［4］吕太，闫晨帅，路昆，等.不同负荷下变SOFA风率对低NOx燃烧特性影响分析［J］.热能动力工程，2014，29（4）：67-72.

［5］钟亚峰，孙保民.600 MW锅炉SOFA风率降低NOx影响研究［J］.电站系统工程，2013，29（6）：33-36.

［6］赵振宁，童家麟，叶学民.燃尽风对300 MW锅炉燃烧特性影响的数值模拟［J］.华东电力，2013，41（1）：219-224.

［7］周立群，张碧珠.600 MW超临界机组燃烧调整中SOFA摆角的作用［J］.华电技术，2010，32（4）：08-11.

Experimental Study of SOFA System Adjusting Strategy under Different Loads

XIA Wenjing1，HE Changzheng2，WEI Hongqi3
（1.Huatian Engineering&Technology Corporation，MCC，Nanjing 210019，China；2.Nanjing Bowo Technology Co.Ltd.，Nanjing 210001，China；3.School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

As the main adjusting method for reducing NOxemission，the adjusting strategy of SOFA system is essential for boiler operation.Using 600 MW supercritical coal-fired boiler as the research object，analysis on the influence of SOFA system on the boiler efficiency，the NOxemission，and the operating cost has been carried out based on combustion adjustment tests.The results indicated that variable adjusting strategies for SOFA system should be adopted under different loads.

SOFA；NOx；boiler efficiency；adjusting strategy

TK227.1

A

1009-0665（2015）05-0068-04

夏文静（1978），女，江西南昌人，高级工程师，从事电厂热力系统设计工作；

何长征（1978），男，江西新余人，工程师，从事电力热力设备性能测试及优化运行；

韦红旗（1966），男，安徽霍山人，副教授，研究方向为电力热力设备性能测试及优化运行。

2015-03-20；

2015-06-05