變負荷下再熱汽溫低的原因及調節(jié)對策

，，

(煙臺龍源電力技術股份有限公司，北京 100039)

0 引言

電站鍋爐再熱汽溫影響著機組的安全經濟運行，如何保證再熱汽溫維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)是控制的焦點。近年來，隨著新能源電力的規(guī)?；刖W，調峰運行已經成為火電機組的新常態(tài)。在此常態(tài)下，變負荷工況下的機組特性以及再熱汽溫的調節(jié)均發(fā)生了明顯變化，尤其在燃煤鍋爐大面積開展低氮燃燒技術改造后，爐膛內的燃燒份額分配發(fā)生了很大變化，燃燒特性也發(fā)生了變化，變負荷工況下再熱汽溫調節(jié)特性的變化更加劇烈。但再熱汽溫的調節(jié)策略卻未隨之改變，變負荷下再熱汽溫偏低的問題變得越來越普遍。這個問題在低負荷時表現(xiàn)得更加明顯，主要表現(xiàn)為當機組參與調峰運行時，鍋爐在低負荷運行工況下往往出現(xiàn)負荷降低時再熱汽溫隨之下降的現(xiàn)象[1]。

1 變負荷能力影響因素

鍋爐生產出品質合格的蒸汽必須經過汽輪機才可以變成機械能，進而通過發(fā)電機轉化為電能。發(fā)電機變負荷速度跟其輸入的軸功率有關，汽機變負荷速度取決于鍋爐輸入蒸汽的能量，因而鍋爐變負荷速度也就是汽機輸入蒸汽能量的變化速度。汽機輸入能量交換公式為

W=DSHHSH，

(1)

式中：W為發(fā)電機功率，MW；DSH為進入汽機調節(jié)閥的主蒸汽流量，kg/s；HSH為單位質量主蒸汽的做功能力，kJ/kg，與主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓力及汽機調節(jié)閥控制方式、背壓、滑參數(shù)及各級抽汽參數(shù)的控制有關。為保證汽機的安全運行，運行中要求這些參數(shù)維持穩(wěn)定，盡管它們對于主蒸汽做功能力有影響，但其影響很小，變負荷時可以忽略。

由此可見，變負荷能力主要體現(xiàn)為鍋爐是否能夠及時根據(jù)汽機做功的要求提供足夠的主蒸汽量，即變負荷能力取決于鍋爐的產汽能力，與鍋爐水冷壁的傳熱能力直接相關。根據(jù)傳熱學原理，鍋爐水冷壁接受爐膛內的輻射熱能量，輻射能力受式(2)約束

(2)

式中：Q為傳熱量，kW；Bj為鍋爐完全燃燒的實際給煤量，kg/s；qR為折算到單位燃料量的熱流密度，kJ/(kg·m2)；ε1為火焰黑度；ε2為水冷灰污壁面黑度；σ0為斯蒂芬波爾滋曼常數(shù)，kW/(m2·K4)；T1為火焰溫度，K；T2為水冷灰污壁面溫度(受制于爐膛清潔程度)，K；A為鍋爐換熱壁面面積，m2。

式(2)各影響因素中，只有給煤量、爐膛清潔程度和火焰溫度3方面的因素是可以人為控制的量。在保持爐膛清潔程度的基礎上，給煤量可以直接控制，相對簡單，而火焰溫度的影響受燃燒影響較為復雜。鍋爐爐膛中的燃燒方式與火焰溫度密切相關，最為理想的燃燒方式是所有的燃料與氧氣間的化學反應在爐膛中心集中于一點，瞬間完成。給煤方式、給氧、二次風配風等多種因素都關系到燃燒集中度，影響方式如下。

(1)給煤量越集中，燃燒集中度越高，T1越高，但給煤量受磨煤機出力的制約，且燃燒器位置確定，受到一定程度的制約。

(2)給氧越集中，燃燒集中度越高，T1越高。給氧集中度可控度強，是控制燃燒的重要方式之一。

(3)二次風給風越集中，燃燒集中度越高，T1越高，也是控制燃燒的重要方式之一。

2 變負荷下再熱蒸汽溫度偏低原因分析

某330 MW機組鍋爐為HG-1025/17.4-YM28型，亞臨界壓力、П型結構布置、一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風、燃煤汽包爐。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025.00 t/h，額定蒸發(fā)量為951.87 t/h。設計煤質為山西晉北煙煤，實際燃用煤質大部分為褐煤，余下部分為國產燃煤41號，少部分印尼煤。

燃燒器已采用低氮燃燒技術進行了綜合改造，改造后爐膛內的燃燒份額分配發(fā)生了很大變化，燃燒特性也發(fā)生了變化。由于再熱蒸汽比熱容小，對于吸熱量的變化很敏感，其調節(jié)特性較改造前發(fā)生了明顯改變。具體表現(xiàn)為：高負荷時再熱蒸汽溫度偏高，需要再熱器噴水，一般有10～30 t/h的減溫水量，而低負荷時由于火焰中心下降，又出現(xiàn)再熱汽溫不夠的問題，往往不足530 ℃，動態(tài)變化中最差時再熱蒸汽溫度會低至近500 ℃，嚴重威脅汽輪機的安全運行。

目前，該機組再熱蒸汽溫度調溫方式主要為主燃區(qū)燃燒器擺動角度調節(jié)方式。這種方式是利用火焰中心高度調節(jié)再熱蒸汽溫度的典型設計之一，高負荷時主燃區(qū)擺角處于水平或下擺位置，低負荷時擺角上擺，通過改變爐膛出口煙氣溫度、調節(jié)鍋爐輻射和對流受熱面吸熱量比例，達到調節(jié)再熱蒸汽溫度的目的[2]。

然而，這種方式對于低氮燃燒改造機組再熱蒸汽溫度的調節(jié)不再完全適用，低氮燃燒技術改造前鍋爐的火焰燃燒中心只有一個，盡管設有燃盡風進行空氣分級，但由于燃盡風風量有限，且燃盡區(qū)與主燃燒區(qū)的距離很小，主燃燒區(qū)還是一個整體，其對于燃燒集中度影響程度可以忽略不計。煤粉的絕大部分燃燒和放熱在主燃區(qū)內完成，因此主燃區(qū)燃燒器的上下擺角可以調節(jié)火焰中心的高度，從而控制再熱蒸汽溫度。而對于采用深度空氣分級的低氮燃燒技術而言，鍋爐燃燒中心變成兩個，且這兩個中心燃燒量的控制無法通過變化給煤量來控制，而只能通過給風量來控制，給再熱蒸汽溫度的動態(tài)特性產生了非常明顯的影響。由于主燃燒器的給氧不足、放熱減弱，使得該區(qū)域熱負荷下降，一部分燃燒熱推遲到燃盡風區(qū)域放出，火焰溫度整體下降后影響到機組的變負荷性能，再熱蒸汽溫度容易偏低。

3 變負荷下再熱蒸汽溫度偏低的調節(jié)對策

3.1 快速給煤調節(jié)

機組快速響應負荷變化，一般有兩個途徑：一是通過改變給煤量來實現(xiàn)；二是通過調節(jié)汽機調節(jié)閥來實現(xiàn)。后者本質上是利用鍋爐的蓄熱，不能持續(xù)，因而機組最終的變負荷必須依靠給煤量的改變來實現(xiàn)。鍋爐需要的總給煤量與鍋爐主控一一對應，一旦機組要改變負荷，鍋爐就需要快速給煤調節(jié)，以適應汽機側負荷變化，并盡量與汽機同步。

具體實施的調節(jié)對策是：考慮到燃料是由一次風輸送的，磨煤機入口一次風量的響應速度要遠高于磨煤機內煤層厚度的響應速度，利用磨煤機內存積的煤粉足以提供升負荷初期所需的入爐燃料增量。因而，首先通過優(yōu)化運行試驗，獲得各靜態(tài)點的一次風母管壓力最佳經濟運行值，再在此基礎上將一次風壓提高0.5～1.0 kPa。這樣當燃料指令增加時，風門打開瞬間，利用磨煤機中的存粉來得到迅速的燃燒，以響應負荷變化指令，減少后來的超調，同時人為快速主動地加入富裕燃料，使鍋爐盡快恢復到正常工作狀態(tài)。

3.2 增負荷工況下快速加氧、配風調節(jié)

低氮燃燒技術改造后，整個主燃區(qū)變?yōu)榍费跞紵?，鍋爐會在爐內貯備大量一氧化碳的中間能量。因而升負荷工況下，需要對一氧化碳中間能量加以利用，快速加氧配風就是對這部分儲備能量的利用技術，即在變負荷工況下，通過改變氧量偏置或二次風門開度分配來調整爐膛內不同高度燃燒份額分配的運行調節(jié)技術。

具體實施的調節(jié)對策是：在升負荷過程中，快速提高主燃燒器區(qū)域的二次風給入量，使一部分中間能量在該區(qū)域迅速完成燃燒，提高鍋爐主燃區(qū)的產汽能力，加速負荷變動。當判斷為升負荷時，將周界風門及主燃區(qū)特定二次風門開度快速加大，同時減緩燃盡風門開大速度，使更多的風量從主燃燒器區(qū)域給入，增大燃燒器區(qū)域燃燒和放熱份額，實現(xiàn)火焰中心下移的效果，從而維持再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定。

3.3 減負荷工況下燃盡風門延遲關閉

目前該機組燃盡風控制采用鍋爐負荷指令作為調節(jié)源，燃盡風門跟隨鍋爐指令變化，在負荷減小時其開度也同步減小。由于鍋爐負荷指令遠遠超過了實際負荷的變化量，使得燃盡風門過早關閉，嚴重壓低了火焰中心，導致再熱蒸汽溫度下降幅度和速度都大為增加。再熱蒸汽溫度在大幅度連續(xù)減負荷時下降過多，嚴重影響了機組的經濟性。因此，在負荷下降過程的調節(jié)重點是延遲燃盡風門的關閉。

具體實施的調節(jié)對策是：在自動控制邏輯中，對燃盡風跟隨負荷指令的變化增設了90 s的慣性優(yōu)化，延長燃盡風的摻混時機，以保證在連續(xù)減負荷過程中再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定。

4 應用效果

4.1 再熱蒸汽溫度偏低的現(xiàn)象明顯改善

快速大幅變負荷過程中，再熱蒸汽溫度的控制主要通過調整爐膛內不同高度的燃燒強度和吸熱份額，從而將再熱蒸汽溫度穩(wěn)定在合理的范圍內。按照上述對策調節(jié)再熱蒸汽溫度后，優(yōu)化效果如圖1所示?？梢?，在270 MW快速降至140 MW的減負荷過程中，再熱蒸汽溫度基本保持在535 ℃以上，動態(tài)過程中再熱蒸汽溫度可保持在530 ℃以上；在140～300 MW快速升負荷過程中，同樣保證再熱蒸汽溫度不低于535 ℃。

圖1 調節(jié)策略實施后再熱蒸汽溫度優(yōu)化效果Fig.1 Optimized reheat steam temperature after implementing regulation measures

4.2 再熱器減溫水流量明顯下降

高負荷段，爐膛上部熱負荷情況改善，加之燃燒份額改變，再熱蒸汽溫度超溫現(xiàn)象得到了緩解，再熱器減溫水流量也得到了明顯降低。統(tǒng)計調節(jié)策略實施前后半個月的運行數(shù)據(jù)，同負荷段、相同負荷升降速率下，再熱器減溫水流量平均降低6.3 t/h。

5 結束語

低氮燃燒技術改造后，很多電廠都出現(xiàn)了低負荷時再熱蒸汽溫度偏低的問題，對機組的經濟性和安全性帶來了很大挑戰(zhàn)。研究變負荷工況下再熱蒸汽溫度偏低的原因以及調節(jié)對策，有助于解決燃煤電站再熱蒸汽溫度控制難度大的通病，具有很大的應用價值。快速給煤調節(jié)，在升負荷階段快速開大周界風及主燃區(qū)二次風門、同時減緩燃盡風門開大速度，在降負荷階段對燃盡風門設置適當?shù)难舆t時間等對策，均有助于變負荷工況下再熱蒸汽溫度控制的穩(wěn)定性。