2第二章_燃烧控制系统(王伯春)

第二章燃烧控制系统第一节燃烧控制系统概述一、概述(一) 燃烧控制系统的基本任务锅炉燃烧过程是一个将燃料的化学能转变为热能，以蒸汽形式向负荷设备（以汽轮机为典型代表）提供热能的能量转换过程。

燃烧过程控制的基本任务是使锅炉燃烧提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。

燃烧调节是主控制系统的的一个重要子系统，它接受来自主控制系统发出的锅炉负荷指令，将该指令分别送往燃料、送风调节系统，使燃料和风量按预先设置好的静态配合按比例同时动作，以保证合适的风/燃料配比，并通过燃料控制和风量控制的交叉限制作用，满足增负荷先增风，减负荷先减燃料的生产工艺要求，以保证锅炉既安全又经济地正常运行。

送风调节机构的位置指令又作为炉膛压力控制系统的前馈信号，实现送风机和引风机的协调动作，以减小炉膛压力波动。

从而在外界负荷需求发生变化时，使燃料、送风和炉膛压力三个控制子系统同时成比例地动作，以共同适应外界负荷的需求。

（二）锅炉燃烧控制的主要内容1．控制燃料量。

当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时,必须相应地改变锅炉燃烧的燃料量(单位时间内送入炉膛的燃料重量)。

2．控制送风量。

为了实现经济燃烧,必须相应地调节送风量,使送风量(单位时间内送入炉膛的空气重量)与燃料量相适应。

燃烧过程的经济与否可以从过剩空气系数是否合适来衡量,过剩空气系数通常可用烟气中的含氧量来间接表示。

也可通过使风量与燃料量成一定比例的方法实现经济燃烧。

控制送风量也是为了实现安全运行,若风量相对于燃料量太少的话,亦可能导致熄火事故。

3．控制引风量。

为了保持炉膛压力在要求的范围内,引风量(单位时间内从炉膛引出的烟气重量)必须与送风量相适应。

炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全、经济运行。

炉膛压力过低,会使大量的冷风漏入炉膛,将会增大引风机的负荷和排烟损失,炉膛压力太低甚至会引起内爆;反之,炉膛压力高且高出大气压力时,会使烟气冒出,不仅会影响环境卫生,甚至可能影响设备和人身安全。

相应地,由三个(子)控制系统,即燃料量控制系统、送风量控制系统、引风量控制系统,来实现上述三项控制。

三个控制系统之间存在着密切的相互关联,要控制好燃烧过程,必须使燃料量、送风量及引风量三者协调变化；锅炉正常运行时，燃料量、总风量两者必须成适当比例，代表这两个成适当比例的量的变量被定义为锅炉的燃烧率。

二、燃烧系统工艺流程这里提及的燃烧系统工艺流程，主要针对大型电站锅炉的几种常见燃烧方式进行简要介绍。

大型电站锅炉的燃烧方式大致有如下几种：普通四角切圆燃烧、双四角切圆燃烧、前后墙对冲旋流燃烧(简称对冲式燃烧)和W 型火焰。

对燃烧无烟煤(半无烟煤和贫煤，挥发分< 13 ％ )的锅炉，美国的CE，B& W 和 FW 公司，均采用W 型火焰炉，而对其他煤种则分别采用四角切圆直流燃烧和前后墙对冲旋流燃烧炉。

我国从英国 B&W、加拿大B&W、法国STEIN公司进口的燃烧无烟煤或无烟煤与贫煤混烧的锅炉均采用W型火焰炉，一般地说燃烧结果稍优于目内按无烟煤设计的四角切圆炉。

（一）普通四角切圆燃烧锅炉1. 四角切圆燃烧形式电站锅炉的发展四角切圆燃烧技术曾经在我国的电站锅炉设计与实际使用中占据了非常重要的位置，特别是从20世纪70年代末大型机组中CE 型锅炉技术的引进开始，我国的四角切圆燃烧技术日趋成熟。

我国在四角切圆燃烧方式的锅炉方面积累了丰富的设计与运行实践经验，能够成功地燃用烟煤、贫煤与褐煤。

图2.1是四角切圆燃烧示意图，四角切向直流燃烧器射流射向炉膛中心的假想切圆，相互协同形成一个很大的旋转火焰。

这个旋转火焰横扫过大部分炉膛容积，炉内火焰充满度好，有利于保持一定的后期混合，因而有利于燃尽。

炉内旋转火焰还具有自修正作用：当各股射流的风量和煤粉分配稍有不均，以及配风不匀时，旋转火焰可起到一定的修正作用。

四角切圆燃烧煤粉炉所具有的这种适度抗干扰作用在运行中是十分可贵的。

图2.1 同心切圆燃烧示意图2. 四角切圆燃烧的特点（1）四角切圆燃烧方式的优点对于切圆燃烧来说，其优点在于在于：1）燃料适应性好，风粉混合均匀。

2)煤粉在炉内行程长，炉内停留时间长。

3)受邻角高温烟气的直接冲刷，强化了燃烧。

资料显示，目前300MW 以上机组中采用四角切圆燃烧技术的烟煤锅炉，其炉效一般在 93％左右，燃烧效率在99 ％左右，贫煤锅炉的热效率也高于90.5％，燃烧效率高于97％。

在正常情况下，采用切圆燃烧技术时其燃烧经济性是有保障的。

（2）四角切圆燃烧方式的优点的不足由于我国动力用煤煤种多变、煤质偏差，电厂用煤的种类、品质不能保证，同时由于四角切圆燃烧技术和煤粉燃烧器本身的原因，经常导致燃烧锅炉出现多种经济性、安全性问题，一般表现在：1)低负荷稳燃能力差，助燃用油量较大。

2)燃烧效率不够高，平均供电煤耗高于国际先进水平。

3)上炉膛及炉膛出口的水平烟道左右侧的烟温偏差大，易引发的过、再热器超温爆管。

3)水冷壁结渣及高温腐蚀。

4)环境污染等方面的问题。

（二）双四角切圆燃烧锅炉1. 双四角切圆燃烧形式电站锅炉的发展四角切圆燃烧与旋流燃烧器前墙或对冲布置样，是世界范围内应用最为广泛的两大煤粉燃烧方式之一，由于切圆燃烧中四角火焰的相互支持，一、二次风的混合便于控制等特点，其煤种适应性更强，可以较满意地燃用各种低挥发分和高灰分的煤种，从而受到我国电站锅炉工作者的特殊重视。

为解决大型锅炉四角切圆燃烧π型炉炉膛出口烟温偏差问题，美国燃烧工程公司 (CE)1968年为宾夕法尼亚州的Keystome电厂制造了第一台850MW 的单炉膛双切圆燃烧锅炉，之后在多台容量大于600MW的π型锅炉上采用了这种燃烧布置方式。

我国哈锅厂采用引进技术制造的1000MW超超临界锅炉也在陆续投产，这对于深入掌握双切圆燃烧技术对于机组的安全稳定经济运行具有越来越重要的意义。

图2.2是双四角切圆燃烧示意图。

2.双.四角切圆燃烧的特点图2.2 双四角切圆燃烧示意图八角双切圆燃烧方式通过将传统的四角切圆燃烧方式的燃烧器数目倍增，降低了单只燃烧器的热功率，具有以下特点：1）燃烧稳定、热负荷分配均匀。

2）有效解决了大型锅炉四角切圆燃烧π型炉炉膛出口烟温偏差问题。

3）锅炉防结渣性能好。

八角双切圆燃烧方式是解决煤粉燃烧系统大型化的有效途径，是哈锅供1000 M w 超超临界锅炉的重要技术特点。

为引进技术，国内对于八角双切圆燃烧技术的研究还很有限，需要从各个角度探索八角双切圆燃烧技术的各种特性。

（三）对冲燃烧锅炉1.对冲燃烧形式电站锅炉的发展从20 世纪80年代初，我国引进了以巴威和福斯特惠勒为代表的对冲燃烧技术，大大地推进了国内对冲燃烧技术的发展。

现在不少300MW 以上大型机组采用了对冲燃烧技术，使得四角切圆燃烧锅炉的主导地位受到了对冲燃烧锅炉的强有力战。

以某省为例，20世纪80 年代开始上马的300MW以上燃煤组中，对冲燃烧锅炉的总负荷占62.5％，而切圆燃烧锅炉总荷只占37.5％。

图2.3是某600MW 机组锅炉前后墙对冲燃烧燃烧器布置示意图。

前后墙对冲旋流燃烧器射流射向炉膛后，各个旋流燃烧器射流靠卷吸高温烟气来点燃各自的煤粉气流，没有四角切向那样的协同配合，因而炉内火焰充满度不是十分好，但是锅炉布置可较自由，炉膛截面不象切向炉那样受到接近正方形的限制。

2.对冲燃烧形式的特点1）燃烧经济性高，燃烧稳定性和负荷适应性较好。

2）炉膛出口烟气热偏差小。

3)炉膛结渣倾向低。

4）对冲燃烧锅炉采用旋流燃烧器，其旋流燃烧器的一、二次风混合早且强烈，保障了煤粉及时、充分燃尽，而且旋流燃烧器对高温烟气的卷吸率高，还有，对冲燃烧的炉膛的炉图2.3 前后墙对冲燃烧燃烧器布置示意图膛热负荷易控制均匀。

（四）W火焰燃烧锅炉1. W火焰燃烧形式电站锅炉的发展我国燃煤电厂的锅炉炉型一直以四角切圆燃烧煤粉炉为主，约占电站锅炉的95%以上。

自20世纪80年代中期以来，国内先后从英国、加拿大、法国、美国等引进了适用于燃用低挥发分煤的W 火焰煤粉锅炉。

W形火焰炉膛由下部的拱式着火炉膛和上部的辐射炉膛组成。

煤粉喷嘴及二次风喷嘴装在炉顶拱上，并向向下喷射。

当煤粉气流向下流动扩展时，在炉膛下部与三次风相遇后，180度转弯向上流动，形成W形火焰。

图2.4 W火焰锅炉燃烧示意图W形火焰燃烧方式的炉内过程分为三个阶段:第一阶段为起始阶段，燃料在低扰动状态下着火和初燃，空气以低速、少量引入，以免影响着火；第二阶段为燃烧阶段，燃料和二次风、三次风强烈混合，急剧燃烧；第三阶段为辐射传热阶段，燃烧生成物进入上部炉膛，除继续以低扰动状态便燃烧趋于完全外，对受热面进行辐射热交换。

2. W火焰燃烧形式的优点1）煤粉在炉内停留的时间较长，有利于提高燃烧效率，更适合低挥发分煤的燃烧。

2）宜于采用高浓度煤粉燃烧器，有利于着火。

3）因为火焰流向与炉内水冷壁平行，所以没有烟气冲刷炉墙现象，不易结渣。

4）因为火焰不旋转，炉膛出口烟气的速度场和温度场分布比较均匀，可以减少过热器和再热器的热偏差。

而且炉内热力工况良好，有利于稳燃。

5）由于采用分段送风，以及喷嘴出口煤粉的可调性，使W形火焰炉型能适应较厂的煤种、负荷的变化，有良好的调节性能。

3. W火焰燃烧形式的不足主要不足是煤粉和空气的后期混合较差，且由于下部炉膛截面较上部炉膛大，故火焰中心偏低，炉内温度水平较低，可能使不完全燃烧热损失增大。

为解决此问题，必须在炉顶拱下部的水冷壁上敷设卫燃带，以造成着火区的高温，但卫燃带敷设的部位，又易引起结渣。

此外，炉膛结构比较复杂，而且尺寸较大，因而造价也较高。

三、主要设备（一）常规点火1、燃烧设备组成电站煤粉锅炉的燃烧设备由燃烧室（炉膛）、燃烧器和点火装置等组成。

炉膛是供煤粉充分燃烧的空间，煤粉在其中应保证充分燃烧。

炉膛内燃烧生成的高温烟气，主要通过辐射方式把一部分热量传给炉膛四周的水冷壁，炉膛出口烟气流经对流换热面（过热器和再热器），加热过热蒸汽和再热蒸汽。

对燃烧设备的总体要求是：（1）燃烧效率高，即化学末完全燃烧热损失呐和机械未完全燃烧热损失如应尽量小。

（2）着火和燃烧稳定、可靠。

燃烧设备应能保证着火和燃烧稳定和连续，并能保证设备和人身的安全，在运行中不发生结渣、腐蚀、灭火和回火等故障。

（3）制造、安装和检修要简单、方便。

2、煤粉燃烧器分类现代煤粉锅炉的煤粉燃烧器型式很多，就其出口气流特征，可分为旋流式燃烧器和直流式燃烧器两大类。

（1）旋流燃烧器旋流燃烧器一般布置在炉膛的前、后墙或两侧墙，其出口气流是一边旋转，一边向前作螺旋式的运动。

这股旋转气流是从燃烧器喷口喷人炉膛空间自由扩展，形成带旋转运动的扩展射流，它可以是几个同轴旋转射流的组合，也可以是旋转射流和直流射流的组合。