一种防止水冷壁高温腐蚀的燃烧优化系统及调整方法技术领域
本发明属于火力发电设备领域，具体涉及一种能够有效防止前后墙对冲旋流燃烧
锅炉水冷壁高温腐蚀的燃烧优化调整方法及系统，尤其适用于采用对冲旋流燃烧锅炉的燃
煤发电机组。
背景技术
作为电站锅炉三大主要燃烧方式之一的前后墙对冲旋流燃烧锅炉，因燃烧设备和
受热面布置方面的优势，成为国内超临界和超超临界锅炉主要采用的燃烧方式之一，在国
内在役火电机组中占有很大的份额。为了实现高效、经济、环保运行，该类炉型通常采用空
气分级燃烧+低氮燃烧器的方式控制NOx排放。
采用低氮燃烧技术所形成的炉内强还原区虽可降低NOx的排放，但给锅炉的安全
运行带来一些列问题。首先，还原区气体中含有大量强腐蚀性气体，如H2S。该气体在一定条
件下极易破坏水冷壁表面的氧化铁保护膜，从而导致水冷壁出现严重的硫化物型高温腐
蚀。其次，炉内还原性气氛增强，煤的灰熔融温度也将大幅度降低，这不仅会造成该区域水
冷壁严重结渣，而且还会加速受热面的高温腐蚀。随着NOx排放要求的日益提高，电厂为了
进一步降低NOx排量，不断增强空气分级的程度，降低主燃区和还原区氧量，加大燃尽风的
比例，但该做法使得水冷壁高温腐蚀问题更加突出。水冷壁发生高温腐蚀后，壁厚减薄，强
度降低，极易发生爆管，造成机组非停，已成为困扰我国大型燃煤电站锅炉特别是对冲旋流
燃烧锅炉采用低氮燃烧技术后的痼疾。
对于冲旋流燃烧锅炉来说，由于炉内燃烧组织方式和炉膛结构特殊，水冷壁高温
腐蚀主要发生在主燃区和还原区的左右两侧墙上。为了缓解或解决对冲旋流燃烧锅炉两侧
墙水冷壁高温腐蚀，目前常用的方法主要有以下几种：
1、水冷壁表面喷涂处理。采用耐腐蚀的材料对水冷壁表面进行喷涂防腐处理。目前，该
技术应用最为广泛，但存在费用高，防护周期短等问题，不能从根本上解决水冷壁高温腐蚀
问题。
2、实施贴壁风改造。在水冷壁高温腐蚀严重区域通过开孔或设置喷口，将少量二
次风送入炉膛，保证送入炉膛内的空气沿着壁面流动，从而提高水冷壁近壁区氧量，阻止水
冷壁高温腐蚀的发生。但是从已改造机组的运行结果表明，侧墙水冷壁开孔或设置喷口并
无法在水冷壁表面形成稳定的风膜，对水冷壁高温腐蚀的防护作用有限，且影响锅炉燃烧
效率，氮氧化物排放浓度，甚至造成炉内严重结焦。
3、燃烧优化调整。通过运行上的优化调整，提高两侧墙水冷壁近壁区烟气中氧含
量，从而阻止高温腐蚀反应的发生。目前，燃煤发电机组锅炉燃烧优化调整一般都是从配风
上着手，对冲旋流燃烧锅炉都采用所谓的“碗式配风”的方式，即从两侧至中间燃烧器风门
开度逐渐减小，提高两侧墙水冷壁近壁区氧量，但经过实际运行发现存在以下问题：
（1）提高两侧墙水冷壁近壁区氧量的效果并不明显。经大量试验和实际运行发现，试验
中将中间燃烧器二次风风门关至15~20%，靠近侧墙燃烧器二次风门全开，两侧墙水冷壁近
壁区氧量略有升高，但在实际运行中，将燃烧器二次风风门开度调整过小运行存在安全隐
患，将燃烧器二次风风门开度调整过大影响煤粉着火和燃尽，配风优化调整提高两侧墙水
冷壁近壁区氧量的效果并不明显。
（2）风量与旋流强度无法有效匹配，影响燃烧效率和稳定性。对冲旋流燃烧锅炉采
用的燃烧器为旋流燃烧器。该燃烧器通过旋流叶片在距喷口一定距离处形成回流区卷吸高
温烟气点燃煤粉，具有极强的稳燃特性。旋流叶片同时也是控制燃烧器二次风进风量的风
门。在调整时，靠近侧墙燃烧器的风门开度过大虽然能增加风量，但降低了旋流强度，不利
于煤粉及时着火，影响煤粉燃尽。中间区域的燃烧器风门过小虽能降低风量，但增大了旋流
强度，会导致着火提前、烧喷嘴、刷墙等问题。
（3）热偏差大，减温水量高，机组经济性下降。对冲旋流燃烧锅炉炉内横向混合效
果极差，采用非均等配风燃烧必然会导致炉内温度场和烟气流场的分布不均，这种不均从
主燃区一直会延续到省煤器出口，由此导致屏过、高过、高再等受热面受热不均，存在热偏
差，进而导致减温水流量增加，机组经济性下降。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够有效缓解水冷壁
高温腐蚀的燃烧优化系统。
为了达到上述目的，本发明提供了一种防止水冷壁高温腐蚀的燃烧优化系统，该
燃烧优化系统用于对冲旋流燃烧锅炉；包括风粉调整装置、二次风风量分配调节装置、水冷
壁近壁区烟气组分测量装置、辅助燃尽风喷口、温度场测量装置和省煤器出口烟气氧量场
测量装置；风粉调整装置为多个，对冲旋流燃烧锅炉内的各燃烧器对应的一次风煤粉管道
上分别设有对应的风粉调整装置；二次风量分配调节装置为多个，对冲旋流燃烧锅炉内的
各二次风风箱内分别设有对应的二次风量分配调节装置；每个二次风量分配调节装置均包
括多个挡板结构，各挡板结构角度可调节地设于对应的二次风风箱内；水冷壁近壁区烟气
组分测量装置为两个，分别安装在对冲旋流燃烧锅炉炉膛的两侧墙水冷壁处；辅助燃尽风
喷口为多个，分别设置在对冲旋流燃烧锅炉内燃尽风喷口下方；温度场测量装置设于炉膛
内、屏式过热器下方；省煤器出口烟气氧量场测量装置设于省煤器出口烟道处。
组成每个二次风量分配调节装置的挡板结构数量为对应二次风风箱内燃烧器数
量减2；二次风风箱内设有的燃烧器分为两端燃烧器和中间燃烧器；两端燃烧器为两个，分
别位于二次风风箱的两端入口处；中间燃烧器位于两个两端燃烧器中间；各挡板结构分别
设于对应的中间燃烧器的入风口端。
其中，各挡板结构均包括三块挡板，分别通过电动转轴可转动地设置在二次风风
箱对应的不同内壁处，且三个电动转轴位于同一纵截面上；当挡板结构的三块挡板与对应
的内壁均呈90度时，挡板结构的遮挡面积为二次风风箱纵截面面积的30~50%。
挡板呈梯形，下底为该挡板与二次风风箱内壁相接处边长的80~90%，上底为下底
的70~80%，高度为与相接处边长垂直的另一边边长的10~15%。
当对冲旋流燃烧锅炉为300MW等级时，辅助燃尽风喷口为4个，呈墙式切圆布置；当
对冲旋流燃烧锅炉为600MW或1000MW等级时，辅助燃尽风喷口为8个，呈双切圆布置。
辅助燃尽风喷口设于燃尽风喷口下方1-2m处。
本发明燃烧优化系统还包括控制单元；控制单元分别与风粉调整装置、二次风量
分配调节装置、水冷壁近壁区烟气组分测量装置、辅助燃尽风喷口、温度场测量装置和省煤
器出口烟气氧量场测量装置相连。
本发明还提供了采用上述燃烧优化系统进行燃烧优化调整的方法，该方法通过所
述水冷壁近壁区烟气组分测量装置对水冷壁近壁区O2、CO和H2S浓度进行实时测量，通过风
粉调整装置和二次风量分配调节装置分别调控进入各燃烧器内的煤粉质量流率和二次风
风量，使位于同一个二次风风箱内的各燃烧器煤粉质量流率分布由中间至两侧逐渐减小、
二次风风量由中间至两侧逐渐增加，并使得水冷壁近壁区O2、CO和H2S浓度同时满足：O2≥
1.5%、H2S≤100ppm、CO≤2000ppm；通过温度场测量装置监测屏式过热器下部炉膛截面的温
度场，通过省煤器出口烟气氧量场测量装置监测省煤器出口烟道的氧量场，控制燃尽风喷
口和辅助燃尽风喷口的出口风量，使屏式过热器下部炉膛截面的温度场均匀，省煤器出口
烟道的氧量场的烟气氧量场均匀。
当所述烟气组分测量装置测得的水冷壁近壁区O2、CO和H2S实时浓度：O2＜1.5%、
H2S＞100ppm、或CO＞2000ppm时，风粉调整装置和二次风量分配调节装置的具体调节方式
为：增加靠近两端燃烧器的二次风风量分配调节装置的挡板结构与风箱内壁的夹角，提高
两端燃烧器的二次风进风量，减小两端燃烧器对应一次风煤粉管道上的风粉调节装置开
度，降低两端燃烧器的煤粉质量流率。
本发明燃烧优化调整方法，具体步骤如下：
（1）锅炉启动前，调整各燃烧器内、外二次风叶片开度，并使位于同一个二次风风箱内
的各燃烧器内、外二次风叶片开度一致；锅炉启动时，调整一次风煤粉管道上的风粉调整装
置，使位于同一个二次风风箱内的各燃烧器一次风风量和煤粉流量相同；
（2）当锅炉热态运行稳定后，通过烟气组分测量装置检测的水冷壁近壁区O2、CO和H2S
实时浓度，传送至所述控制系统，由控制系统控制风粉调整装置和二次风量分配调节装置
分别调控进入各燃烧器内的煤粉质量流率和二次风风量，使水冷壁近壁区O2、CO和H2S浓度
同时满足：O2≥1.5%、H2S≤100ppm、CO≤2000ppm；当所述烟气组分测量装置测得的水冷壁近
壁区O2、CO和H2S实时浓度：O2＜1.5%、H2S＞100ppm、或CO＞2000ppm时，所述风粉调整装置和
二次风量分配调节装置的具体调节方式为：增加靠近两端燃烧器的二次风风量分配调节装
置的挡板结构与风箱内壁的夹角，提高两端燃烧器的二次风进风量，减小两端燃烧器对应
一次风煤粉管道上的风粉调节装置开度，降低两端燃烧器的煤粉质量流率；风量分配调整
装置中各挡板每次的调节角度为5~10度，风粉调节装置的调节幅度为5~10度，每次调整后
稳定测量5~10min后，再进行下次调整；
（3）同时通过温度场测量装置监测屏式过热器下部炉膛截面的温度场，通过烟气氧量
场测量装置监测省煤器出口烟道的氧量场，并将监测数据传送至所述控制系统，由控制系
统控制燃尽风喷口和辅助燃尽风喷口的出口风量，使屏式过热器下部炉膛截面的温度场均
匀，省煤器出口烟道的氧量场的烟气氧量场均匀；具体调整方式为：若炉膛截面烟气温度场
出现中间高、两侧低，省煤器出口氧量场出现中间低、两侧高的分布特征，则增加辅助燃尽
风风量、减少燃尽风风量；若出现相反的分布特征，则减小辅助燃尽风风量，增加燃尽风风
量。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明以煤粉分布调整为主、二次风分布为辅的方式，提高两侧墙水冷壁近壁区烟
气中的含氧量：通过调整风粉调整装置降低靠近侧墙燃烧器的煤粉流量，通过调整二次风
箱内的调节挡板，提高靠近侧墙燃烧器的二次风风量，风、粉调整相结合保证靠近侧墙燃烧
器过量空气系数大于1，进而有效提高两侧墙水冷壁近壁区氧量。同时对二次风量的调节通
过设置在二次风风箱内部的挡板进行角度调节，保证各支燃烧器的内外二次风旋流叶片调
整开度相同，从而实现了燃烧器风量与旋流强度的有效匹配。
2、本发明同时通过切圆射流辅助燃尽风喷口的设置，加强了炉内的横向混合，从
而保证了屏下烟气温度场和烟气流场分布相对均匀。
3、本发明燃烧优化系统可直接在现有的对冲旋流燃烧锅炉内进行安装，在不影响
锅炉运行的安全性和经济性的前提下，有效解决对冲旋流燃烧锅炉侧墙水冷壁高温腐蚀的
问题。
附图说明
图1为本发明燃烧优化系统用于对冲旋流燃烧锅炉的结构示意图；
图2为本发明燃烧优化系统用于对冲旋流燃烧锅炉的立体结构示意图；
图3为图2中二次风风箱及二次风风量分配调节装置的结构示意图；
图4为图2中辅助燃尽风喷口呈墙式切圆布置的结构示意图；
图5为图2中辅助燃尽风喷口呈双切圆布置的结构示意图；
图6为现有对冲旋流燃烧锅炉水冷壁近壁区与采用本发明进行燃烧优化调整后的水冷
壁近壁区烟气组分分布对比图；
图7为现有对冲旋流燃烧锅炉的燃烧器所在横截面烟气组分分布与采用本发明进行燃
烧优化调整后的燃烧器所在横截面烟气组分分布对比图；
图8为现有对冲旋流燃烧锅炉的屏底炉膛截面烟气温度分布与采用本发明进行燃烧优
化调整后的屏底炉膛截面烟气温度分布对比图。
图中，1-炉膛，2-炉膛上部水平烟道，3-竖井烟道，4-省煤器出口烟道，5-屏式过热
器，6-高温过热器，7-高温再热器，8-低温过热器，9-低温再热器，10-省煤器，11-燃烧器，
11a-中间燃烧器，11b-两端燃烧器，12-二次风风箱，13-燃尽风（OFA）喷口，14-磨煤机，15-
一次风煤粉管道，16-风粉调节装置，17-风粉测量装置， 18-水冷壁近壁区烟气组分测量装
置，19-炉膛截面温度场测量装置，20-省煤器出口烟气氧量场测量装置，21-二次风风量分
配调节装置，21a-挡板结构，22-辅助燃尽风喷口，23-辅助燃尽风风箱。
图6、图7、图8中，a-燃烧优化调整前，b-燃烧优化调整后。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本实施例进行燃烧优化的对象为一台660MW超超临界对冲旋流燃
烧锅炉，该对冲旋流燃烧锅炉包括炉膛1、燃烧器11、屏式过热器5、高温过热器6、高温再热
器7、低温过热器8、低温再热器9、省煤器10、二次风风箱12、燃尽风喷口13、磨煤机14、一次
风煤粉管道15。炉膛1是由前墙、后墙及两侧墙水冷壁组成，在前、后墙各布置上、中、下3层
燃烧器，每层6个燃烧器，共36个燃烧器，每层燃烧器11共置在一个二次风风箱12中。锅炉配
备6台磨煤机14，每台磨煤机向一层燃烧器11供应煤粉。运行时，每台磨煤机14破碎的煤粉
经过6根一次风煤粉管道15送入同层各支对应的燃烧器。在前、后墙上分别安装一层燃尽风
喷口13，位置在最上层燃烧器上方。
本发明燃烧优化系统包括控制单元（未画出）、风粉调节装置16、二次风风量分配
调节装置21、辅助燃尽风喷口22、风粉测量装置17、水冷壁近壁区烟气组分测量装置18、炉
膛截面温度场测量装置19、省煤器出口烟气氧量场测量装置20。具体设置如下：在每层燃烧
器11对应的二次风风箱12内安装二次风风量分配调节装置21；在每台磨煤机14出口的一次
风煤粉管道15上安装风粉调节装置16和风粉测量装置17；在燃尽风喷口以下1~2m处安装切
圆射流辅助燃尽风喷口22；在锅炉两侧墙水冷壁腐蚀严重区域安装水冷壁近壁区烟气组分
测量装置18；在省煤器出口烟道4上安装省煤器出口烟气氧量场测量装置20；在炉膛1上部、
屏式过热器5下方安装炉膛截面温度场测量装置19。
风粉调节装置16采用ESSEN Process Industrial Limited(UK)公司生产的OMC
massflow600，用于调节各一次风煤粉管道15内的煤粉质量流率和一次风风量。二次风风量
分配调节装置21由二次风风箱12内对称安装的若干调节挡板结构构成，挡板结构21a的数
量为对应二次风风箱12内设燃烧器的数量减2，以本实施例为例，各二次风风箱12内设有6
个燃烧器11，包括两个两端燃烧器11b，四个中间燃烧器11a，内设四个挡板结构21a，分别设
置在左端两个中间燃烧器的左端和右端两个中间燃烧器的右端。如图3所示，各挡板结构
21a包括三个分别设置在二次风风箱12不同内壁上的挡板，各挡板通过电动转轴转动设置
在同一截面上。将各支燃烧器的内外二次风旋流叶片调整到相同开度，通过调整二次风箱
内各挡板的角度，调整进入各支中间燃烧器11a 的二次风量，从而实现燃烧器风量与旋流
强度的有效匹配。当组成挡板结构21a的各挡板与对应的内壁呈90度角时，进入燃烧器内的
二次风量最小，此时，三块挡板合并的遮挡面积为二次风风箱12内通道截面的30~50%。优选
的，各挡板为梯形，大小为：梯形下底为二次风箱高度/宽度（即二次风风箱12内壁与挡板连
接处的边长）的80~90%，上底为下底的70~80%，高度为二次风箱高度（即与连接边垂直方向
的边长）10~15%（如二次风风箱12截面为正方形，则此处的高度、宽度均为内壁截面边长）。
辅助燃尽风喷口22与辅助燃尽风风箱23相连，采用燃尽风喷口设计，通过调整喷口出风量，
进行屏式过热器下部炉膛截面温度场调节。辅助燃尽风喷口22的布置如图5所示，本发明采
用的600MW等级锅炉，以及1000 MW等级锅炉均可采用所示双切圆布置。针对300MW等级锅炉
可采用如图4所示墙式切圆布置的辅助燃尽风喷口22。水冷壁近壁区烟气组分测量装置18
采用德国M&C的仪表，用于监测水冷壁近壁区烟气中的O2、CO和H2S浓度。省煤器出口烟气氧
量场测量装置20采用的是西门子氧量仪表，用于监测经过省煤器后烟气的氧量浓度场分
布。炉膛截面温度场测量装置19采用声学测量技术，用于监测炉膛截面烟气温度场。控制单
位为PLC组态，用于接收水冷壁近壁区烟气组分测量装置18、省煤器出口烟气氧量场测量装
置20和炉膛截面温度场测量装置19的信号，控制风粉调节装置16、二次风风量分配调节装
置21和辅助燃尽风喷口22。
本专利提出的燃烧优化调整方法是在锅炉稳定运行的状态下进行。锅炉启动前，
应根据燃用煤质情况将各层燃烧器内、外二次风叶片开度调整合理值，调整时保证同层燃
烧器内、外二次风叶片开度一致。锅炉启动时，应通过调整一次风煤粉管道15上的风粉调节
装置16保证同层各支燃烧器一次风风量和煤粉质量流量相同，以保证启炉的稳定性。锅炉
热态运行稳定后，采用安装在锅炉侧墙上的水冷壁近壁区烟气组分测量装置18对水冷壁近
壁区O2、CO和H2S浓度的进行实时在线测量。
若测得的O2<1.5%，H2S >100ppm，CO>2000ppm，则利用安装在一次风煤粉管道上的
风粉调节装置16，逐渐降低靠近侧墙燃烧器的煤粉质量流率，利用安装在二次风箱内的风
量分配调整装置（21），逐渐提高靠近侧墙燃烧器的二次风风量，直至两侧墙近壁区O2≥
1.5%、H2S≤100ppm、CO≤2000ppm。具体的调整方式为：风量分配调整装置21中各挡板每次
的调节角度为5~10度，风粉调节装置16的调节幅度为5~10度，每次调整后稳定测量5~10min
后，在进行下次调整。
在调整过程中，时刻监视安装在屏式过热器下部的炉膛截面温度场测量装置19和
安装在省煤器出口烟道上的烟气氧量场测量装置20的测量结果，并关注过热器和再热器两
侧气温的偏差情况，及时调整切圆射流辅助燃尽风喷口22和燃尽风喷口13的出口风量，保
证屏式过热器下部炉膛截面温度场均匀，省煤器出口烟气氧量场均匀，过热器和再热器热
偏差和减温水量在设计范围内。辅助燃尽风喷口的具体调整方式为：若炉膛截面烟气温度
场出现中间高、两侧低，省煤器出口氧量场出现中间低、两侧高的分布特征，增增加辅助燃
尽风风量、减少燃尽风风量；若出现相反的分布特征，则减小辅助燃尽风风量，增加燃尽风
风量。
下表给出了优化调整前后锅炉主要指标的变化情况，由表中可以看出，与优化调
整前相比，水冷比近壁区O2浓度显著增加，CO和H2S浓度显著降低，过热器和再热器减温水量
没有显著变化，均在设计范围内。调整前后，过热器和再热器汽温偏差基本不变。
项目
优化调整前
优化调整后
水冷壁近壁区O2（%）
0/0/0
3.2/1.7/2.4
水冷壁近壁区CO（ppm）
>20000
1800/1760/1278
水冷壁近壁区H2S（ppm）
>500
32/51/27
过热器减温水量（t/h）
31.5
53.2
再热器减温水量（t/h）
4.61
0
过热器汽温热偏差（oC）
4
3
再热器汽温热偏差（oC）
3
4
锅炉效率（%）
93.21
93.33
为了进一步说明本实施例的效果，采用数值模拟的方法分析了本实施例的运行方
式炉内的燃烧情况。图6、图7和图8给出了采用本专利技术优化调整前后，侧墙水冷壁近壁
区氧量、炉膛燃烧器层截面氧量场及屏式过热器下部温度场的变化。由图中可以看出，与优
化调整前相比，水冷壁近壁区氧量显著增加，绝大部分区域的氧量高于1.5%（图中值为
0.015）。炉膛燃烧器层截面上氧量呈中间低，靠近四周水冷壁区域高的特点，可有效防止水
冷壁高温腐蚀。屏式过热器下部炉膛截面温度场与调整前基本一致，这表明燃烧器采用本
专利提出的煤粉和二次风分配方式并没有造成过热器区温度场发生偏斜、不均。