660 MW鍋爐超低負(fù)荷段燃燒優(yōu)化試驗(yàn)研究

康科偉，施子福，李 培，周永剛

（1.浙江浙能樂(lè)清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂(lè)清 325609；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及風(fēng)電、光伏發(fā)電等隨機(jī)波動(dòng)性新能源的大規(guī)模接入，電網(wǎng)負(fù)荷及峰谷差不斷增大[1-2]，600 MW和1 000 MW等級(jí)的超臨界、超超臨界火電機(jī)組已經(jīng)成為電網(wǎng)主力機(jī)組，并頻繁地承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)[3-4]。一方面機(jī)組的負(fù)荷率普遍大幅下降，機(jī)組在日常運(yùn)行時(shí)有相當(dāng)一部分時(shí)間處于低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷的工況，偏離設(shè)計(jì)工況的運(yùn)行時(shí)間更久、范圍更寬，由于過(guò)去機(jī)組負(fù)荷大多為滿負(fù)荷或常規(guī)負(fù)荷，因此發(fā)電廠在進(jìn)行鍋爐燃燒優(yōu)化時(shí)，往往著重于滿負(fù)荷和常規(guī)負(fù)荷工況，沒(méi)有必要對(duì)低負(fù)荷、超低負(fù)荷工況進(jìn)行優(yōu)化。另一方面，電網(wǎng)對(duì)機(jī)組AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）性能的調(diào)節(jié)品質(zhì)考核變得更加嚴(yán)格[5]，低負(fù)荷或超低負(fù)荷時(shí)鍋爐風(fēng)、煤、水的協(xié)調(diào)關(guān)系可能出現(xiàn)嚴(yán)重失衡，自動(dòng)控制系統(tǒng)投入困難，特別是在50%以下負(fù)荷時(shí)，不得不撤出自動(dòng)控制，運(yùn)行人員手動(dòng)操作不僅效率低下，而且污染物排放會(huì)受到影響。即使是當(dāng)前部分機(jī)組已投運(yùn)了超低負(fù)荷段的自動(dòng)控制，但其控制目標(biāo)往往是AGC投運(yùn)、蒸汽品質(zhì)等，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能及環(huán)保排放指標(biāo)等并沒(méi)有明確的控制目標(biāo)，不能真正達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保條件下的深度調(diào)峰。

由于深度調(diào)峰為近年來(lái)才出現(xiàn)的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)對(duì)此尚處于初步研究階段，成果不多，且大部分主要是通過(guò)設(shè)備改造、汽輪機(jī)滑壓曲線優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制完善等方面提高機(jī)組的深度調(diào)峰能力，解決低負(fù)荷或超低負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定性、汽輪機(jī)運(yùn)行安全性及環(huán)保設(shè)備投運(yùn)的問(wèn)題，而對(duì)鍋爐本身的燃燒調(diào)節(jié)控制研究較少。隨著當(dāng)前深度調(diào)峰、機(jī)組低負(fù)荷甚至超低負(fù)荷運(yùn)行成為常態(tài)，鍋爐在低負(fù)荷區(qū)間的運(yùn)行優(yōu)化變得非常重要。

響應(yīng)深度調(diào)峰的要求，國(guó)內(nèi)某發(fā)電廠660 MW超臨界機(jī)組調(diào)峰能力從原來(lái)的50%~100%拓寬到40%~100%，原來(lái)常規(guī)負(fù)荷下的機(jī)組燃燒優(yōu)化運(yùn)行方案已不再適用。針對(duì)該660 MW超臨界機(jī)組40%~50%負(fù)荷段的鍋爐運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，緩解或解決超低負(fù)荷下鍋爐再熱汽溫偏低、NOX濃度較高等問(wèn)題，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，可為超低負(fù)荷下機(jī)組自動(dòng)控制提供目標(biāo)。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠660 MW超臨界機(jī)組，鍋爐型號(hào)為SG-1913/25.4-M956，π型爐，采用四角切圓燃燒方式，6層LNCFS（低NOX同軸直流式燃燒器），燃燒器上部設(shè)置2層風(fēng)COOFA（二層緊湊燃盡風(fēng)）、5層SOFA風(fēng)（分離燃盡風(fēng)）。制粉系統(tǒng)為冷一次風(fēng)風(fēng)機(jī)正壓直吹系統(tǒng)，配6臺(tái)HP1003型中速磨煤機(jī)。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤田活雞兔煤，主要煤質(zhì)見(jiàn)表1。

2 原運(yùn)行方案及存在問(wèn)題分析

該發(fā)電廠在進(jìn)行本次優(yōu)化試驗(yàn)之前偶爾存在40%~50%負(fù)荷段的運(yùn)行要求，在該負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)自動(dòng)控制撤出，采用運(yùn)行人員手動(dòng)操作的模式，運(yùn)行方式沿用了原50%~100%常規(guī)負(fù)荷燃燒調(diào)整的結(jié)果。此外，低負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)投運(yùn)方式視實(shí)際入爐煤Qnet，ar的高低對(duì)帶負(fù)荷能力的影響進(jìn)行切換：當(dāng)入爐煤Qnet，ar相對(duì)較低時(shí)，330 MW負(fù)荷以下時(shí)由4套制粉系統(tǒng)（A/B/C/D）運(yùn)行切換為3套制粉系統(tǒng)（A/C/D）運(yùn)行； 當(dāng)入爐煤 Qnet，ar相對(duì)較高，可以滿足帶負(fù)荷能力要求時(shí)，則以280 MW作為制粉系統(tǒng)投運(yùn)方式切換的臨界負(fù)荷點(diǎn)。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤種及校核煤種主要煤質(zhì)指標(biāo)

分別在4套制粉系統(tǒng)運(yùn)行（330 MW和280 MW）和3套制粉系統(tǒng)運(yùn)行（330 MW和260 MW）方式下，對(duì)鍋爐進(jìn)行性能考核試驗(yàn)，試驗(yàn)期間入爐煤由蒙混煤和富動(dòng)24煤摻配而成，主要煤質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2，試驗(yàn)得到鍋爐主要運(yùn)行指標(biāo)見(jiàn)表3。

低負(fù)荷下再熱汽溫偏低是600 MW和1 000 MW鍋爐普遍存在的問(wèn)題[6-9]，該660 MW超臨界鍋爐再熱蒸汽溫度設(shè)計(jì)值為（569±5）℃，50%~100%負(fù)荷段內(nèi)再熱蒸汽溫度即在設(shè)計(jì)值下限上下波動(dòng)，在562.1~568.8℃，40%~50%的超低負(fù)荷段內(nèi)，再熱蒸汽溫度進(jìn)一步降低至534.3~553.2℃，比設(shè)計(jì)值下限低了10~30℃。同時(shí)，與50%~100%負(fù)荷段相比，40%~50%負(fù)荷時(shí)SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)入口NOX濃度明顯升高，特別是在280 MW和260 MW時(shí)SCR入口NOX濃度分別為476.3 mg/m3（標(biāo)況下，以下同）和432.6 mg/m3，超過(guò)設(shè)計(jì)值350 mg/m3。此外，40%~50%負(fù)荷段內(nèi)鍋爐效率與50%~100%負(fù)荷段相比雖略有降低，但降低幅度不大，基本不低于94%，主要與負(fù)荷降低后爐膛氧量提高、飛灰含碳量下降有關(guān)，因此鍋爐效率并不是超低負(fù)荷運(yùn)行優(yōu)化關(guān)注的重點(diǎn)。

3 超低負(fù)荷段的燃燒優(yōu)化及效果分析

3.1 燃燒優(yōu)化方向

從理論上講，提高再熱汽溫與降低SCR入口NOX濃度往往是相互制約的，前者主要受到超低負(fù)荷時(shí)停運(yùn)上層燃燒器后火焰中心高度下移、負(fù)荷降低后爐膛水冷壁結(jié)渣程度減輕、爐膛輻射換熱量偏高的影響，導(dǎo)致再熱器吸熱量不足，一般從提高火焰中心高度的方向著手[10-11]。但從另一方面而言，超低負(fù)荷時(shí)鍋爐空預(yù)器入口的煙氣溫度水平降低，導(dǎo)致進(jìn)入鍋爐的二次風(fēng)溫下降，或是火焰中心高度上移后煤粉在爐膛的燃燒停留時(shí)間縮短，均會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛出口的煙氣溫度水平降低，從而也會(huì)造成再熱汽溫偏低。后者則主要受到超低負(fù)荷時(shí)爐膛出口氧量上升的影響，往往通過(guò)降低主燃燒區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)或降低火焰中心高度、表面局部高溫、縮短燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間以及增大煤粉從著火燃燒到燃盡之間的距離著手[12-14]。

針對(duì)上述鍋爐40%~50%負(fù)荷段內(nèi)表現(xiàn)出的再熱汽溫偏低、SCR入口NOX濃度上升的問(wèn)題，從鍋爐燃燒運(yùn)行的角度進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)冷/熱風(fēng)門擋板、送/引風(fēng)機(jī)擋板、SOFA風(fēng)風(fēng)門，對(duì)各臺(tái)磨煤機(jī)的風(fēng)煤比、爐膛出口氧量、SOFA風(fēng)率進(jìn)行單因素輪換法優(yōu)化試驗(yàn)[15-16]。考慮到超低負(fù)荷下鍋爐的燃燒穩(wěn)定性，暫不改變?nèi)紵鲾[角及二次風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度。

3.2 燃燒優(yōu)化效果的評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)的鍋爐燃燒調(diào)整往往對(duì)鍋爐效率關(guān)注較高，隨著環(huán)保要求的提高，關(guān)注點(diǎn)又逐漸轉(zhuǎn)移到NOX排放上，考慮到該發(fā)電廠超低負(fù)荷段內(nèi)主要問(wèn)題為再熱蒸汽溫度偏低及SCR入口NOX濃度偏高，因此對(duì)不同的運(yùn)行方式進(jìn)行比較時(shí)，著重考慮再熱汽溫及SCR入口NOX的權(quán)重，當(dāng)上述2個(gè)指標(biāo)較為接近時(shí)，再進(jìn)一步兼顧鍋爐效率。如表4所示，以260 MW負(fù)荷為例，與基準(zhǔn)工況相比，雖然優(yōu)化工況1對(duì)再熱蒸汽溫度的提高幅度最大，但綜合考慮SCR入口NOX濃度的下降及鍋爐效率的提高，特別是該工況下再熱蒸汽溫度與優(yōu)化工況1接近，且SCR入口NOX濃度降低明顯，因此可以認(rèn)為優(yōu)化工況3的優(yōu)化效果相對(duì)其他工況較好。

3.3 超低負(fù)荷段的燃燒優(yōu)化效果

綜合4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的燃燒優(yōu)化結(jié)果，得到40%~50%超低負(fù)荷段的燃燒優(yōu)化效果（見(jiàn)表5），與初始狀態(tài)相比，燃燒調(diào)整優(yōu)化后再熱蒸汽平均升高7.2℃，SCR入口NOX濃度平均降低62.1 mg/m3，鍋爐效率平均升高0.25%。雖然再熱蒸汽溫度仍低于設(shè)計(jì)值下限，但根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算，660 MW超臨界機(jī)組再熱汽溫每降低10℃對(duì)煤耗的影響約0.2 g/kWh，再熱汽溫升高7.2℃可使煤耗降低約0.144 g/kWh，進(jìn)一步考慮鍋爐效率升高對(duì)煤耗影響權(quán)重，按鍋爐效率升高1%、煤耗降低約3.188 g/kWh估算，因再熱蒸汽溫度和鍋爐效率的升高，燃燒優(yōu)化后超低負(fù)荷段煤耗合計(jì)降低約0.941 g/kWh。進(jìn)一步考慮對(duì)SCR入口NOX濃度的降低效果，可以認(rèn)為上述針對(duì)40%~50%超低負(fù)荷段的燃燒優(yōu)化效果明顯。

表2 實(shí)際燃用煤種煤質(zhì)分析報(bào)告

表3 原運(yùn)行方案下40%～50%負(fù)荷段鍋爐主要運(yùn)行指標(biāo)

表4 260 MW負(fù)荷燃燒優(yōu)化效果的評(píng)價(jià)

表5 綜合各負(fù)荷點(diǎn)的超低負(fù)荷段燃燒優(yōu)化效果

表6為超低負(fù)荷段鍋爐初始狀態(tài)和優(yōu)化后較優(yōu)運(yùn)行方式的磨煤機(jī)風(fēng)煤比、爐膛出口氧量、SOFA風(fēng)率，與初始狀態(tài)相比，燃燒優(yōu)化后較優(yōu)運(yùn)行方式的磨煤機(jī)風(fēng)煤比、爐膛出口氧量下降，SOFA風(fēng)率提高。這與理論上降低SCR入口NOX濃度的調(diào)節(jié)方向一致[17]，且超低負(fù)荷段由于爐膛出口氧量較高，飛灰含碳量在較低的范圍內(nèi)，磨煤機(jī)風(fēng)煤比、爐膛出口氧量的降低有利于控制排煙溫度及排煙氧量，對(duì)提高超低負(fù)荷段鍋爐效率有顯著作用。表6可作為運(yùn)行人員的運(yùn)行指導(dǎo)，也可為40%~50%負(fù)荷段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供目標(biāo)，以達(dá)到鍋爐節(jié)能減排的目的。

表6 超低負(fù)荷段鍋爐燃燒優(yōu)化后的較優(yōu)運(yùn)行方式

4 結(jié)論

（1）在40%~50%負(fù)荷段，發(fā)電廠原運(yùn)行方式下，再熱蒸汽溫度欠溫達(dá)到10~30℃，同時(shí)SCR入口NOX濃度較高，特別是280 MW和260 MW時(shí)SCR入口NOX濃度分別為476.3 mg/m3和432.6 mg/m3， 比設(shè)計(jì)值 350 mg/m3高出 80～130 mg/m3，此負(fù)荷段鍋爐效率與50%以上差別不大，基本不低于94%。

（2）超低負(fù)荷段燃燒調(diào)整優(yōu)化后，各工況再熱蒸汽平均升高7.2℃，SCR入口NOX濃度平均降低62.1 mg/m3，鍋爐效率平均升高0.25%，綜合考慮再熱蒸汽溫度的提升及鍋爐效率的提高，40%～50%負(fù)荷段平均供電煤耗降低約0.941 g/kWh。

（3）經(jīng)過(guò)超低負(fù)荷段鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整，確定40%～50%鍋爐運(yùn)行方案，不僅對(duì)目前深度調(diào)峰低負(fù)荷及超低負(fù)荷段運(yùn)行具有指導(dǎo)意義，也可為40%～50%負(fù)荷段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供目標(biāo)。

[1]BILLINTON R，JINGDONG GE.A comparison of fourstate generationg unit reliability models for peaking units[J].Power Systems，IEEE Transaction，2004，19（2）∶763-768.

[2]呂學(xué)琴，劉剛，黃自元.電力調(diào)峰方式及其存在的問(wèn)題[J].電站系統(tǒng)工程，2007，23（5）∶37-40.

[3]焦慶豐，雷霖，李明，等.國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組寬度調(diào)峰試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電力，2013，46（10）∶1-4.

[4]林俐，鄒蘭青，周鵬，等.規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下火電機(jī)組深度調(diào)峰的多角度經(jīng)濟(jì)性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2017，41（10）∶21-27.

[5]柏春光，萬(wàn)杰，劉嬌，等.基于遺傳算法的臭氣供熱機(jī)組間的熱電負(fù)荷分配優(yōu)化研究[J].節(jié)能技術(shù)，2014，32（3）∶201-204.

[6]孫科.1 913 t/h超臨界壓力鍋爐再熱汽溫低的原因分析[J].發(fā)電設(shè)備，2010（4）∶265-267.

[7]羅韶輝，李春宏，潘國(guó)清.1 000 MW機(jī)組塔式鍋爐再熱汽溫偏低的原因分析及調(diào)整[J].熱力發(fā)電，2012，41（11）∶55-58.

[8]李茹萍，何曙勇，李志堅(jiān).鍋爐再熱汽溫偏低的原因分析及對(duì)策研究[J].浙江電力，2013，32（4）∶38-41.

[9]孟建國(guó)，曹建臣，嚴(yán)林博，等.通過(guò)受熱面改造解決再熱汽溫偏低問(wèn)題[J].華北電力技術(shù)，2010（4）∶27-31.

[10]黨黎軍，楊輝，應(yīng)文忠，等.660 MW超超臨界鍋爐再熱汽溫偏低問(wèn)題分析及技術(shù)改造[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2017，37（4）∶261-266.

[11]消琨，張建文，王振東.600 MW亞臨界鍋爐低氮改造后汽溫特性研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35（9）∶699-703.

[12]肖海平，張千，王磊，等.燃燒調(diào)整對(duì)NOX排放及鍋爐效率的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（8）∶1-6.

[13]楊楊.600 MW超臨界機(jī)組低NOX燃燒協(xié)調(diào)優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[14]張步庭，秦淇，李玲，等.燃燒調(diào)整對(duì)NOX排放和鍋爐效率的影響[J].電站系統(tǒng)工程，2013，29（3）∶29-31.

[15]岑可法，姚強(qiáng)，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[16]周新剛，劉志超，路春美.燃燒調(diào)整降低鍋爐NOX排放的試驗(yàn)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2005，21（5）∶16-18.

[17]孫保民，王頂輝，段二鵬，等.燃盡風(fēng)率對(duì)燃煤鍋爐NOX生成特性影響的數(shù)值模擬[J].電站系統(tǒng)過(guò)程，2013，29（1）∶9-12.