由于河南省電網峰谷差逐漸增大，使大型發電機組參與調峰日趨頻繁，降低調峰助燃用油已成為當務之急。為此各科研部門開發出了多種型式的低負荷穩燃裝置，并已廣泛用于各種爐型。為使鍋爐能在低負荷時穩燃，一般采用兩種方法，即熱回流技術和濃縮煤粉技術來實現強化煤粉的加熱和著火過程，其所需要的熱源取決于火焰和爐墻的輻射熱以及高溫煙氣回流的對流熱，而對流熱又起著主導作用。為使煤粉迅速點燃而且又能穩定燃燒，在爐內要有一個高煤粉濃度、高溫以及高擾動度和高氧濃度的燃燒區域，在該區域內煤粉不斷點燃、燃燒并逐漸趨于穩定。

1　雙穩可調濃淡燃燒裝置

　　為了達到上述目的，我公司與浙江大學熱能工程研究所針對燃用貧煤的鍋爐共同研制出適合于燃用貧煤的雙穩可調濃淡燃燒裝置。由于煤粉氣流沖擊到可調的流線型擋塊上產生轉向，煤粉顆粒的慣性遠遠大于空氣的慣性，而使煤粉在濃側聚合，將煤粉分成水平濃淡兩股，使大部分煤粉進入濃側管道，剩余小部分煤粉進入淡側管道，實現濃淡分離。四角噴燃鍋爐一次風布置型式一般都有 2 個角的煤粉經彎頭轉向后濃側進入背火側，淡側進入向火側，造成不利于高煤粉濃度燃燒的條件。雙穩可調濃淡燃燒裝置具有導向功能，可使 4 個角的煤粉氣流全部濃側向火、淡側背火，從而實現煤粉的濃縮燃燒，達到高煤粉濃度的條件。
　　在燃燒器出口處加裝鈍體，使煤粉氣流在其后形成回流區，著火后的部分高溫煙氣經卷吸回流至鈍體前方，為后續煤粉氣流著火提供附加熱源，有利于煤粉迅速點燃。將鈍體設計為波紋形狀是該型燃燒器的又一大特點，使回流后的高溫煙氣與以后的一次風氣流加強了擾動，在鈍體附近同時形成了一個既有較高溫度場，又有高擾動度的區域。其綜合作用使向火側形成一個高煤粉濃度區。在鈍體外壁上，由于煤粉顆粒的附壁效應，亦存在一個高煤粉濃度區，這樣在噴口附近形成了局部空間交叉的兩個高濃度區，同時出現在向火側的高溫回流區域內。橫置式波紋鈍體又增加了擾動能力，煤粉在上述復合作用下形成相互交叉又相互影響的多個著火帶，由此便在噴口處形成了適合于煤粉點燃的三高區，在爐內既吸收輻射熱，又吸收對流熱；在理論上既采用了熱回流技術，又采用了煤粉濃縮技術，該型燃燒器故稱之為雙穩燃燒裝置。
　　本公司鍋爐設計燃用(30～40)%小礦煤，煤質變化較大，為適應煤種及調峰需要，設計燃燒器擋塊高度0～145 mm，且為可調式，改變擋塊高度即可改變煤粉濃度比。另外在鈍體中心加入了調節風，其風速由裝在管道上的測速管控制，當煤質較好或高負荷時投入調節風可破壞回流區，以降低噴燃器出口處壁溫，可防止燃燒器燒壞。該型燃燒器的特點在于同時采用了上述雙調節方法，在噴口濃淡兩側各裝有溫度顯示及報警系統，當壁溫超過設定溫度時即出現報警信號，可采取降低煤粉濃淡比或投入調節風的方法來保護噴燃器。燃燒器裝置如圖1所示。
 

圖 1　雙穩可調濃淡燃燒裝置結構圖

2　安裝及調試

2.1　概況
　　本公司 2 臺爐均系哈爾濱鍋爐廠生產的HG670/13.7-PM10 型，一次中間再熱單汽包自然循環固態排渣煤粉爐，配 200 MW汽輪發電機組。燃用鶴壁貧煤，無油最低穩燃負荷為 145 MW。制粉系統采用鋼球磨中間儲倉式熱風送粉。采用四角布置直流式燃燒器，四組燃燒器在正方形爐膛中心形成D800 呈順時針旋轉的假想切圓。整組燃燒器高度為 9.86 m，每組燃燒器分別由 4 個一次風口，7 個二次風口、2個三次風口和 2個油燃燒器組成，如圖2所示。
 

圖2　燃燒器布置示意圖

2.2　濃淡燃燒器改造前運行情況
　　2號爐于 1992 年3月19 日移交生產，截止 1998 年3月小修前已運行39547 h，累計發電量69.4 億kW.h。由于實際燃用煤量的50%來自地方煤礦，其煤種多變，煤質較差，煤場又無專用混煤設施，上煤不均勻時會影響燃燒穩定性。中間兩層一次風之間有一油噴嘴和2個二次風風口，使該兩層一次風之間距增大到 2.54 m，煤質差時燃燒穩定性會減弱。再者，上三次風口距上一次風口3.19 m，當低負荷停上排一次風時，則上三次風口距第二層一次風口距離增大到4.23 m，三次風中煤粉可能形成斷層燃燒，三次風溫低且風速較高，對燃燒的穩定性不利，為此，每年要消耗大量的助燃用油。
　　隨著管理制度的完善，運行整體水平的不斷提高，節油獎勵制度的實施，對進廠煤質加強了控制，使助燃油量逐年減少。但到1997 年下半年以后，50% 額定負荷調峰量逐月增大，助燃油量又大幅度上升。為提高企業的經濟效益和適應電網調峰的需要，以降低助燃油量為目的，改造成既適應多煤種又能達到低負荷穩燃的燃燒器已迫在眉睫。經多方調研、考證和計算，確定改為雙穩可調式燃燒器。
2.3　改造簡況
　　1997 年 12 月首先對 2 號爐進行了熱態診斷試驗，以了解設備狀況和習慣運行方式下的鍋爐各種參數、經濟指標，由此計算出只需改造中間兩層噴燃器即可達到預定目的的結果。為了在檢修工期內使全部改造結束，運行中就將冷卻風管道敷設完畢。由于設計合理，組織嚴密，措施落實，嚴格按計劃網絡圖施工，使該重大改進項目在 20 天內即全部結束。通過冷態空氣動力場試驗得出如下結論：(1)由于噴口通流截面與原一次風口基本相同，當一、二次風調平以后，仍保持了原爐內空氣動力工況；(2)測出了擋塊在最高位置時濃淡兩側一次風速最大偏差 1.28 m／s，說明擋塊對濃淡兩側風速影響較小，擋塊在最高位置時(145 mm)阻力僅 50 Pa；(3)測量出鈍體后的回流區長度和高度分別為 600 mm和140 mm，隨著鈍體中心調節風逐漸開大，回流區長度和高度亦隨之縮小。當各調節風速達到 23～26 m/s時，回流區大部分消失，即鈍體失去作用，達到了破壞回流區之目的。當煤質較好或高負荷時可將擋塊位置低調或投入調節風，即可作為普通燃燒器使用。所以該型燃燒器具有預防噴口附近結渣的功能。
2.4　改造后運行情況
2.4.1　低負荷試運情況
　　機組并網當天晚上，對濃淡燃燒器全面調整后，停了所有助燃油，即開始了長達 8 h的100 MW穩燃試驗。試驗中，10 臺給粉機投入(中間兩層濃淡燃燒器及下面 2 臺)，2 套制粉系統運行，測得爐膛中心溫度 1 500℃，比改造前高出 55℃。后因粉位高，陸續停下 2 套制粉系統，主蒸汽參數依然保持在額定值。因 11 號一次風膨脹節處漏粉停下該給粉機，即只有 7 臺濃淡燃燒器投入，測得爐膛中心溫度仍然在 1 450℃ 左右。當粉位降低逐臺啟動制粉系統過程中，火檢顯示燃燒穩定。為檢驗燃燒器功能，隨后進行了90 MW負荷試驗，雖然僅有 7 臺濃淡燃燒器投入，測得爐膛中心溫度都在 1 400℃ 以上。1.5 h后，發現后屏部分管壁溫度有所上升，為防止管材過熱和維持正常爐水循環，結束了該工況試驗。由此看出：雖然僅有 7 臺濃淡燃燒器投入，但是仍能達到 50% 額定負荷下連續 10 h穩定燃燒節油的目的。
2.4.2　滿負荷工況試驗
　　在額定負荷工況下重點測試了擋塊位置(高度)及調節風量對燃燒狀況的影響，擋塊由全投逐漸下調至 0，依次測出濃淡兩側對應的爐膛溫度，投入與退出時相差 400℃。說明濃淡分離器的擋塊位置(高度)降低時，濃淡比下降，退出后即成為普通一次風口。　　
　　該型燃燒器噴口處濃淡兩側都裝有溫度測點，當調節風速增大到 30 m/s時，相應的爐膛溫度最大下降 86℃，噴口壁溫最大下降 99℃。由此說明采取調節風可控制回流區的狀況，高負荷時能降低爐膛溫度，所以至今尚未發現噴口燒壞和噴燃器附近有結渣的現象。
2.5　運行情況總結
　　自 1998 年 4 月改造后至今運行狀況良好，改造前是：接到調峰命令后，先由司爐投入油槍，經全面檢查燃燒穩定后才通知電氣減負荷，全過程所用時間較長；改造后是：已將擋塊調至中間位置，各種負荷下都不再作調整，可隨時增減負荷。截止 1998 年底，全年小礦煤進量占總進量 44.76%，個別礦的灰份高達 40.55%，發熱量僅 16 500 kJ/kg左右，揮發份在 10% 以下，但仍能在 50% 額定負荷下完全脫油調峰運行。在調峰運行中即使給粉機故障，或一次風管漏粉(因為在晚上，暫無法消除故障，而造成 6 臺濃淡燃燒器運行)，亦未投用助燃油。由于爐膛溫度水平提高，從未發生因煤質及燃燒原因而造成的滅火現象。該型燃燒器因本身結構合理(阻力小)，一次風管未出現堵塞現象。

3　經濟效益分析

　　我公司 1993 年制定出節約助燃油的考核辦法，隨后又數次修訂，使燃油量大幅度下降。由匯總表1看出 1997 年 4 月～1997 年 12 月底 100 MW負荷累計運行 693.9 h，共消耗調峰助燃油 470.2 t，由此算出平均耗油 0.68 t/h，而 1998 年同期 100 MW負荷累計運行 1 767 h，與上年同期比共節油 0.68×1 767－4＝1 198 t；飛灰及爐渣可燃物分別下降1.11% 和 1.73%。雖然 50%負荷調峰時間接近總運行小時數的 1/3，仍取得了巨大的經濟效益。

　　通過改造前后熱效率試驗得出如下結論：由于擋塊已調至中間位置，使爐內燃燒強化，在各種負荷下爐膛整體溫度水平都得到了改善(200 MW時爐膛中心平均溫度比改前升高了94℃)。煤粉燃盡程度的好轉，使各工況下的鍋爐熱效率也相應升高，100 MW時的鍋爐熱效率僅比額定負荷下的設計值(91.55%)低 0.82%，由此一項就可使供電煤耗大幅度下降。表2為改造前后的鍋爐熱效率匯總表。

　　采用濃淡燃燒技術后，可在燃燒器出口局部區域形成富燃料區，產生還原性氣氛，抑制NOx的生成。由試驗測出在 200 MW、145 MW工況時NOx比改前分別下降 11×10－6、19×10－6，在 100 MW工況時下降 30×10-6；SO2　也分別下降了89×10-6、35.1×10-6　和 70.2×10-6，由于減輕了對環境的污染，其社會效益亦不可估量。
　　由于在低負荷運行時，后屏過熱器輻射受熱增強，而蒸汽質量流速明顯降低，使管壁溫度升高，90 MW負荷時個別管壁溫度達 510℃，為此在考核試驗中，在100 MW工況下分別進行了滑壓降溫和滑壓不降溫的對比試驗，測試了受熱面的壁溫情況，得出如下結論：在 50% 額定負荷調峰時，當采用滑壓降溫方式運行時，后屏過熱器壁溫增長速度相對較小，同時為保護后屏過熱器還應盡量投入一級減溫水系統。
　　綜上所述，雙穩可調濃淡燃燒技術在眾多燃燒器改造中顯示了巨大的優越性，具有廣泛的推廣價值。我公司 1 號爐在當年的小修中亦進行了同樣的改造，取得了明顯的經濟效益。在該型燃燒器設計中集濃淡燃燒、撞擊塊高度可調、波紋鈍體的合理設計、調節風的采用、壁溫報警等多項技術為一體，開創了燃用貧煤鍋爐使用的先例。