深度調(diào)峰時(shí)火電機(jī)組安全運(yùn)行問題探討

陳 濤

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

國家經(jīng)濟(jì)形勢新常態(tài)下的電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益加劇，火電機(jī)組常規(guī)的50 %調(diào)峰能力無法滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需要。因此，深度挖掘火電機(jī)組調(diào)峰能力，在保證機(jī)組安全的基礎(chǔ)上將調(diào)峰負(fù)荷降低至40 %以下，已成為發(fā)電企業(yè)和科研院所的關(guān)鍵課題。

常規(guī)火電機(jī)組汽輪機(jī)大都可在20 %—30 %額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，故火電機(jī)組深度調(diào)峰幅度往往取決于鍋爐能否安全、穩(wěn)定燃燒。通過查閱大量鍋爐性能考核試驗(yàn)的結(jié)果可知，當(dāng)負(fù)荷降到30 %—40 %額定負(fù)荷時(shí)，鍋爐在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定、水動(dòng)力不足、泵與風(fēng)機(jī)運(yùn)行失穩(wěn)等問題。

1 深度調(diào)峰中的鍋爐安全問題

1.1 火電機(jī)組厚壁元件壽命損耗問題

在燃煤機(jī)組深度調(diào)峰過程中，機(jī)組負(fù)荷的大范圍、快速升降，會(huì)帶來蒸汽壓力和蒸汽溫度的快速升降，在這樣的工況下，往往會(huì)出現(xiàn)厚壁元件的壁溫差增大，導(dǎo)致金屬部件熱應(yīng)力增大、疲勞程度加大。所以燃煤機(jī)組深度調(diào)峰過程中要特別關(guān)注類似于汽包、集箱、汽水分離器等部件的狀態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注深度調(diào)峰過程中機(jī)組元件的壽命損耗。

1.2 超低負(fù)荷工況下爐內(nèi)受熱面壁溫安全性問題

(1) 在超低負(fù)荷燃燒下，會(huì)出現(xiàn)給煤量和返灰量投入不均衡，造成換熱管道受熱不均，從而易導(dǎo)致管道局部超溫，引起管壁過熱，長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)增加爆管發(fā)生的幾率。

(2) 鍋爐在長期低負(fù)荷運(yùn)行后，排煙溫度會(huì)有所下降，使尾部布置的換熱管道的低溫腐蝕發(fā)生幾率增加。

(3) 在超低負(fù)荷工況下，對于鍋爐內(nèi)工質(zhì)來說，蒸汽流量較低，必然會(huì)造成汽水流程的管壁內(nèi)部流量偏差加劇，換熱不均，局部超溫現(xiàn)象嚴(yán)重。

(4) 在超低負(fù)荷工況下，為了保證爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性，風(fēng)煙系統(tǒng)的空氣動(dòng)力場會(huì)偏離最佳狀態(tài)。然而煙氣流量低，爐膛火焰充滿度差，對流換熱處的煙氣偏差加劇，壁溫偏差大的現(xiàn)象會(huì)時(shí)有發(fā)生。運(yùn)行時(shí)煙速下降，更容易在水平煙道位置產(chǎn)生積灰；水平煙道里積灰較多時(shí)，不但影響傳熱，還會(huì)造成受熱面壁溫偏差增大，甚至超溫。當(dāng)積灰達(dá)到一定厚度時(shí)，在爐膛負(fù)壓擾動(dòng)下會(huì)造成垮灰，甚至造成鍋爐滅火。

據(jù)此，當(dāng)深度調(diào)峰過程在超低負(fù)荷的工況下時(shí)，需要重新核算受熱面的壁溫安全性，評估拉裂危險(xiǎn)性。隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，受熱面工質(zhì)側(cè)、煙氣側(cè)偏差加大，部分對流受熱面溫度偏差升高，在確保受熱面壁溫安全性的基礎(chǔ)上需要重新優(yōu)化受熱面壁溫報(bào)警系統(tǒng)。低負(fù)荷下報(bào)警溫度的設(shè)定則需考慮壓力、溫度的變化，增加受熱面動(dòng)態(tài)壁溫報(bào)警功能以實(shí)現(xiàn)壁溫的超前調(diào)節(jié)。

1.3 直流爐水動(dòng)力安全性問題

對于亞臨界汽包爐，一般不存在水動(dòng)力安全性問題，只需在深度調(diào)峰的快速變負(fù)荷過程中注意水循環(huán)穩(wěn)定性即可。主要控制好汽包水位和汽包的上下、內(nèi)外壁溫差，確保鍋筒安全；采用相對較高的壓力定壓運(yùn)行；控制變負(fù)荷速度，防止省煤器汽化。

對于超臨界直流爐，在超低負(fù)荷工況下，特別是當(dāng)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷降至30 %及以下時(shí)，省煤器入口給水流量已接近保護(hù)定值，爐內(nèi)水動(dòng)力情況惡化，局部過熱爆管可能性急劇增大。另外由于受磨煤機(jī)投運(yùn)組合關(guān)系的影響，爐內(nèi)熱流密度偏差加大，管間壁溫偏差加大。

為提高深度調(diào)峰過程中燃煤機(jī)組水動(dòng)力的運(yùn)行安全性，要從以下幾個(gè)方面開展工作。

(1) 需定量核算低負(fù)荷工況下，燃煤機(jī)組水動(dòng)力安全性。通過核算水動(dòng)力的停滯、循環(huán)水速和動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性，保證水冷壁受熱面可靠的溫度工況和確定整個(gè)汽水系統(tǒng)的壓力損耗，從而選擇合適的給水泵工作壓頭。

(2) 重點(diǎn)關(guān)注分離器工質(zhì)的過熱度。在快速負(fù)荷變動(dòng)過程中，給水與燃料之間需要密切協(xié)調(diào)，以維持合適的燃水比。

(3) 避免省煤器入口工質(zhì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。為降低汽機(jī)熱耗，鍋爐給水溫度設(shè)置較高，因此在鍋爐快速升降負(fù)荷過程中，由于壓力的大幅變化，很可能出現(xiàn)省煤器工質(zhì)汽化現(xiàn)象，所以要嚴(yán)格控制給水溫度和壓力的變化。

1.4 超低負(fù)荷脫硝裝置投入問題

在鍋爐啟停及負(fù)荷較低時(shí)，因脫硝裝置反應(yīng)器入口煙氣溫度較低，硫酸氫氨沉積在催化劑和下游設(shè)備上，導(dǎo)致催化劑活性下降和設(shè)備堵塞，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此，在深度調(diào)峰的超低負(fù)荷工況下，存在脫硝裝置無法投入的問題，機(jī)組無法環(huán)保、安全運(yùn)行。同時(shí)負(fù)荷低于40 %后，鍋爐一次風(fēng)率加大，火焰剛度過大，導(dǎo)致對墻水冷壁結(jié)焦加劇，同時(shí)二次風(fēng)率降低可能引起中心風(fēng)筒積灰、燃燒器冷卻風(fēng)量不足，氮氧化合物生成量的控制存在諸多困難。

據(jù)此，在深度調(diào)峰過程中，需要深入研究如何提高脫硝裝置反應(yīng)器入口煙氣溫度和寬溫催化器的寬負(fù)荷脫硝技術(shù)。目前常用方式是提高反應(yīng)器入口煙氣溫度，工程上可用的方法有：采用分級省煤器布置，增加尾部煙氣旁路，增加省煤器工質(zhì)旁路，熱水再循環(huán)至省煤器入口等。

1.5 超低負(fù)荷燃燒器穩(wěn)燃和制粉系統(tǒng)配合問題

燃煤機(jī)組深度調(diào)峰的首要目標(biāo)是降低到能保證機(jī)組安全運(yùn)行的最低負(fù)荷，所以超低負(fù)荷下制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。而目前燃煤機(jī)組制粉系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀存在諸多問題，如運(yùn)行環(huán)境惡劣，制粉系統(tǒng)故障率高；精細(xì)化監(jiān)測、控制難度大，自動(dòng)化程度低；直吹式制粉系統(tǒng)斷煤或跳磨對機(jī)組安全運(yùn)行影響很大；碾磨煤質(zhì)復(fù)雜多變，對設(shè)備適應(yīng)性要求高等。燃煤機(jī)組超低負(fù)荷工況下安全運(yùn)行對制粉系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)要求。

(1) 實(shí)際煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤質(zhì)的情況，原磨運(yùn)行方式不再適用，磨振動(dòng)、石子煤量大、爆燃、出力不足等問題頻出。所以需要對幾種常用煤質(zhì)分別進(jìn)行制粉系統(tǒng)特性試驗(yàn)，掌握不同煤質(zhì)對磨運(yùn)行特性的影響規(guī)律，以指導(dǎo)燃煤機(jī)組的安全運(yùn)行。

(2) 針對煤質(zhì)多變，表盤無有效監(jiān)測手段，如無風(fēng)粉在線監(jiān)測或風(fēng)量測量不準(zhǔn)，運(yùn)行人員無法及時(shí)調(diào)整的問題，需要安裝風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)和穩(wěn)定精確的風(fēng)量測量裝置，以供運(yùn)行人員參考。

(3) 由于摻燒煤泥比例過高，給煤機(jī)斷煤頻繁，機(jī)組負(fù)荷容易快速下降，為了穩(wěn)燃需要投油槍又有可能出現(xiàn)磨煤機(jī)爆燃等問題，需要進(jìn)行摻燒煤泥試驗(yàn)，找尋制粉系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的最佳摻配比例。

為保障超低負(fù)荷下制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造。

(1) 為了改善風(fēng)粉偏差，防堵管，優(yōu)化爐內(nèi)流場，提高熱負(fù)荷分配的均勻性和穩(wěn)定性，需要對煤粉分配器進(jìn)行改造。

(2) 針對低負(fù)荷時(shí)鍋爐燃燒不穩(wěn)，易超溫和NOx排放的大幅波動(dòng)問題，需要進(jìn)行燃燒優(yōu)化智能控制。

(3) 為提高粗粉分離器效率，擴(kuò)大煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)范圍和提高煤粉均勻性指數(shù)，需要對粗粉分離器進(jìn)行改造。

(4) 從提高細(xì)粉分離器效率，降低三次風(fēng)帶粉率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃、增效和降氮的目的出發(fā)，需要對細(xì)粉分離器進(jìn)行改造。

(5) 優(yōu)化改造制粉系統(tǒng)風(fēng)量測量裝置，改善制粉系統(tǒng)風(fēng)量測量裝置存在的堵灰、磨穿、直管道過短、溫度場和速度場不均勻等問題，提高磨入口風(fēng)量的準(zhǔn)確度、線性度，確保深度調(diào)峰過程中的風(fēng)煤比準(zhǔn)確控制。

(6) 為降低燃煤成本，采用摻燒煤泥方式；但易出現(xiàn)斷煤，影響低負(fù)荷穩(wěn)燃和制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需對原煤斗防堵性能進(jìn)行優(yōu)化改造。

1.6 超低負(fù)荷風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行問題

在低負(fù)荷下，風(fēng)機(jī)的流量、系統(tǒng)阻力與風(fēng)機(jī)特性匹配差，造成風(fēng)機(jī)失速和喘振。對此，可通過對風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)機(jī)及輔助設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全適應(yīng)性。

(1) 改造不合理的風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道布置方式，對整個(gè)煙風(fēng)管道進(jìn)行優(yōu)化改造。

(2) 降低風(fēng)煙系統(tǒng)管道阻力及風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)量。

(3) 風(fēng)機(jī)適當(dāng)采用變頻控制或小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)。

(4) 保持風(fēng)機(jī)本體不動(dòng)，僅對風(fēng)機(jī)配套電機(jī)進(jìn)行降速改造或雙速電機(jī)改造。

(5) 根據(jù)深度調(diào)峰對風(fēng)機(jī)葉輪或葉片的運(yùn)行要求，優(yōu)化改造風(fēng)機(jī)局部葉輪和葉片。

2 給水泵和凝結(jié)水泵的安全運(yùn)行問題

針對汽水系統(tǒng)給水泵和凝結(jié)水泵在深度調(diào)峰過程中遇到的問題，可通過對給水泵和凝結(jié)水泵的全程控制方式進(jìn)行優(yōu)化，以提高給水泵和凝結(jié)水泵在低負(fù)荷工況下安全運(yùn)行的適應(yīng)性。

2.1 給水泵的最小流量控制

對于配置汽動(dòng)給水泵的燃煤機(jī)組，在給水流量較低的情況下，給水泵運(yùn)行容易超出泵的安全工作區(qū)，造成給水流量波動(dòng)，影響給水泵的安全運(yùn)行。因此，要在深入研究機(jī)組汽動(dòng)給水泵的安全工作區(qū)域基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)汽動(dòng)給水泵最小流量的全程自動(dòng)控制。一般最小流量的全程自動(dòng)控制方式有2種。

(1) 汽動(dòng)給水泵入口流量閉環(huán)控制。此種控制方式需要對給水泵入口流量設(shè)定安全流量值。在低負(fù)荷工況下給水流量低于這個(gè)安全值時(shí)，為保證最小流量閥慢慢開啟，需另外設(shè)置優(yōu)先級更高的超馳回路，使得低負(fù)荷工況下給水流量低于保護(hù)值時(shí)回路能快速開通，以保護(hù)給水泵的運(yùn)行安全。

(2) 汽動(dòng)給水泵最小流量閥開環(huán)控制。此種控制方式，需要設(shè)置給水泵入口流量與最小流量閥調(diào)節(jié)開度的開環(huán)線性插值函數(shù)。一般需設(shè)計(jì)給水流量上升過程和下降過程的2套函數(shù)，以避免控制過程存在一定死區(qū)。另外，需設(shè)置優(yōu)先級更高的超馳回路，使得低負(fù)荷工況下給水流量低于保護(hù)閾值時(shí)回路能快速開通，以保護(hù)給水泵的運(yùn)行安全。

2.2 給水泵汽輪機(jī)汽源的安全控制

深度調(diào)峰低負(fù)荷工況下，汽輪機(jī)四段抽汽壓力必然大幅降低，此時(shí)給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門進(jìn)汽壓力得不到保障，必然造成給水系統(tǒng)出力降低，從而危及機(jī)組安全運(yùn)行。現(xiàn)有的小汽輪機(jī)汽源切換和調(diào)節(jié)，僅憑運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)進(jìn)行。當(dāng)機(jī)組突發(fā)事故時(shí)，例如跳機(jī)后四段抽汽突然失去時(shí)必須及時(shí)切換到另一路汽源，以保障鍋爐的正常上水。通常是將汽源切換至輔助蒸汽系統(tǒng)或冷再熱蒸汽。但是手動(dòng)切換時(shí)間長，小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量大。若沒能及時(shí)切換至另一路汽源或投用時(shí)擾動(dòng)過大，則給水泵出力不足，將直接威脅到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)此，應(yīng)研制對給水泵汽輪機(jī)汽源進(jìn)行自動(dòng)切換的控制裝置，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰過程中給水泵汽輪機(jī)汽源穩(wěn)定控制的目的?？赏ㄟ^在汽源管路中配置相應(yīng)的調(diào)節(jié)門，并設(shè)計(jì)汽源壓力自動(dòng)閉環(huán)控制的控制策略，實(shí)現(xiàn)汽源壓力的在線閉環(huán)調(diào)整。

2.3 凝結(jié)水泵的安全運(yùn)行問題

除采用與給水泵相同的入口流量閉環(huán)控制和最小流量閥開環(huán)控制策略外，對于采用凝結(jié)水泵變頻控制的機(jī)組，還要特別注意低負(fù)荷工況下變頻器的控制范圍。要在考慮變頻控制線性度的情況下，設(shè)計(jì)全程除氧器水位和凝結(jié)水壓力的自動(dòng)控制方式，確保除氧器水位穩(wěn)定和滿足凝結(jié)水用戶的需求。

3 結(jié)論

鑒于現(xiàn)階段國內(nèi)主力電網(wǎng)構(gòu)成的特點(diǎn)使電網(wǎng)在低谷階段的安全性和穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅，接納新能源能力嚴(yán)重受限，棄風(fēng)、棄光、限核電現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因而迫切需要研究燃煤機(jī)組的深度調(diào)峰問題，為區(qū)域電網(wǎng)消納新能源提供更大的空間。

燃煤機(jī)組運(yùn)行的安全性是開展深度調(diào)峰的首要條件，以上從超(超)臨界燃煤機(jī)組深度調(diào)峰過程中的厚壁元件壽命、受熱面璧溫、水動(dòng)力安全、脫硝環(huán)保裝置、制粉系統(tǒng)低負(fù)荷安全以及給水泵的安全運(yùn)行幾個(gè)問題出發(fā)，研究深度調(diào)峰過程中運(yùn)行設(shè)備及參數(shù)的技術(shù)瓶頸和危險(xiǎn)點(diǎn)，并針對性地提出解決方案，以保障機(jī)組在深度調(diào)峰過程中的安全性。

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