火力發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)及優(yōu)化

王 立， 王燕晉， 李戰(zhàn)國(guó)， 宋洪鵬， 周紅梅

(1. 華北電力科學(xué)研究院 西安分公司， 西安 710065;2. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司， 北京 100045)

近年來(lái)，隨著我國(guó)發(fā)電結(jié)構(gòu)和用電結(jié)構(gòu)的不斷變化，電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題日益突出。為協(xié)調(diào)電力區(qū)域供需不平衡，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰靈活性，深化智能電網(wǎng)建設(shè)，對(duì)占全國(guó)發(fā)電量 73.93%的火力發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰能力進(jìn)行挖掘就顯得尤為重要[1]?；鹆Πl(fā)電機(jī)組日常調(diào)度負(fù)荷很大程度上取決于低負(fù)荷穩(wěn)燃、環(huán)境排放、尾部煙氣溫度、低負(fù)荷機(jī)組效率、熱電解耦限制等因素；因此，一套完善的火電機(jī)組深度調(diào)峰測(cè)試方案應(yīng)考慮到安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，并能為機(jī)組靈活性技術(shù)改造和控制優(yōu)化提供參考。

筆者以某電廠350 MW供熱機(jī)組為研究對(duì)象,依次完成低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)和低負(fù)荷段排煙溫度測(cè)試，對(duì)脫硝自動(dòng)控制、風(fēng)煤動(dòng)態(tài)配量、協(xié)調(diào)升降負(fù)荷率、低負(fù)荷一次調(diào)頻等進(jìn)行了研究, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最終確定機(jī)組深度調(diào)峰方式和負(fù)荷調(diào)節(jié)深度。

1 機(jī)組概況

該電廠為350 MW亞臨界一次中間再熱燃煤凝汽式機(jī)組，亞臨界控制循環(huán)燃煤汽包鍋爐，一次中間再熱、單爐膛、雙切圓燃燒、鋼架全懸吊結(jié)構(gòu)、半露天布置、固態(tài)排渣煤粉爐。鍋爐額定蒸發(fā)量為1 052 t/h，過(guò)熱器額定壓力為17.2 MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為541 ℃。機(jī)組分布式控制系統(tǒng)(DCS)為美國(guó)美卓自動(dòng)化公司(Metso)的Maxdna分散控制系統(tǒng)，2臺(tái)機(jī)組在2014年分別進(jìn)行低氮燃燒器改造、低溫省煤器改造、脫硫增容改造、濕式電除塵改造等。

鍋爐原設(shè)計(jì)燃用晉北煙煤，目前較為穩(wěn)定的鍋爐燃煤以神華煤、準(zhǔn)格爾煤摻燒為主，摻配比例為m(神華煤)∶m(準(zhǔn)格爾煤)=7∶3，采用爐外摻配，其元素分析見(jiàn)表1。

表1 煤種的元素分析 %

2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)燃煤機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 深度調(diào)峰系列試驗(yàn)流程圖

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第一階段完成深度調(diào)峰低限負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)、低負(fù)荷段排煙溫度測(cè)試等試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)限定機(jī)組負(fù)荷低限，并報(bào)備電網(wǎng)作為運(yùn)營(yíng)機(jī)組深度調(diào)峰負(fù)荷范圍幅值設(shè)定的依據(jù)；第二階段完成深度調(diào)峰負(fù)荷段內(nèi)的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)和一次調(diào)頻功能優(yōu)化，確定深度調(diào)峰負(fù)荷段機(jī)組負(fù)荷變化率，最后完成機(jī)組正常負(fù)荷調(diào)度擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰功能。

2.1 調(diào)峰負(fù)荷低限深度測(cè)試

試驗(yàn)前檢查油槍及投入條件，退出選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)入口煙溫保護(hù)，監(jiān)測(cè)CO質(zhì)量濃度、SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度、排煙溫度、磨煤機(jī)出口粉管煤粉細(xì)度等重要參數(shù)。試驗(yàn)在50%額定負(fù)荷段以下展開(kāi)。

適當(dāng)增大燃燒器擺角，以保證主蒸汽(簡(jiǎn)稱主汽)溫度達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值；試驗(yàn)過(guò)程中保持中層磨煤機(jī)組運(yùn)行，視情況切換至上層磨煤機(jī)組以提高火焰中心和爐膛出口溫度。

在不投入微油或大油等油槍的穩(wěn)燃工況下，確保擬定鍋爐負(fù)荷燃燒穩(wěn)定，負(fù)壓波動(dòng)正常，火檢無(wú)閃爍，鍋爐三大風(fēng)機(jī)和中上層磨煤機(jī)均運(yùn)行穩(wěn)定，參數(shù)正常，滿足穩(wěn)燃要求。各金屬受熱面壁溫正常，減溫水量足夠，不存在超溫現(xiàn)象。175 MW負(fù)荷時(shí)主汽溫度、再熱蒸汽(簡(jiǎn)稱再熱汽)溫度分別為543 ℃、542 ℃，均能達(dá)到設(shè)計(jì)值；140 MW負(fù)荷時(shí)主汽溫度、再熱汽溫度分別為543 ℃、534 ℃，再熱汽溫度偏低；若主汽流量測(cè)量和給水流量測(cè)量不存在明顯非線性偏差，給水自動(dòng)控制盡量保持在三沖量控制，風(fēng)煙系統(tǒng)制粉系統(tǒng)保持調(diào)節(jié)穩(wěn)定，在保證安全裕度的同時(shí)適當(dāng)放開(kāi)燃料低限和風(fēng)量限制。記錄低負(fù)荷區(qū)間主要輔機(jī)狀態(tài)、燃料低限，評(píng)估機(jī)組的安全性，為機(jī)組控制參數(shù)調(diào)整備用。

2.2 低負(fù)荷段排煙溫度測(cè)試

穩(wěn)定擬定的目標(biāo)負(fù)荷(140 MW)30 min，使用網(wǎng)格法在SCR脫硝系統(tǒng)入口進(jìn)行煙氣溫度的測(cè)量，并和DCS顯示溫度進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2和表3)[2]。由表2和表3可知：A側(cè)、B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫總體上均呈現(xiàn)出從前墻到后墻不斷降低，從兩側(cè)向中間不斷升高的規(guī)律；SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫在不同負(fù)荷工況下的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)位置基本不變，且煙溫偏差隨負(fù)荷下降；在擬定的目標(biāo)140 MW負(fù)荷下，A側(cè)有3個(gè)點(diǎn)溫度低于295 ℃，B側(cè)有4個(gè)點(diǎn)溫度低于295 ℃，但每側(cè)的平均溫度均高于295 ℃，不影響SCR脫硝系統(tǒng)的正常投運(yùn)。

表2 A側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫實(shí)測(cè)分布(A側(cè)向B側(cè)均分4點(diǎn)) ℃

表3 B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫實(shí)測(cè)分布(B側(cè)向A側(cè)均分4點(diǎn)) ℃

經(jīng)檢查，SCR脫硝系統(tǒng)入口在線溫度測(cè)點(diǎn)每側(cè)3個(gè)均安裝在靠近煙道后墻(最深)，正好是溫度分布較低的位置，因此DCS顯示值比實(shí)測(cè)平均值偏低。根據(jù)代表點(diǎn)平均值與實(shí)測(cè)平均值的偏差(見(jiàn)表4)，機(jī)組后期調(diào)用更具代表性且能反映整個(gè)截面溫度分布的在線測(cè)點(diǎn)進(jìn)入保護(hù)邏輯，并在溫度較低時(shí)協(xié)調(diào)控制邏輯中閉鎖減鍋爐負(fù)荷。

表4 SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫實(shí)測(cè)值和DCS顯示值的對(duì)比

2.3 SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx測(cè)試及調(diào)整

同樣使用網(wǎng)格法在SCR脫硝系統(tǒng)入口進(jìn)行煙氣NOx質(zhì)量濃度和O2體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量，測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格分布在SCR脫硝系統(tǒng)入口處，從B側(cè)到A側(cè)，從淺至深。由SCR脫硝系統(tǒng)入口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖2)可知：A側(cè)、B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度和O2體積分?jǐn)?shù)分布較為均勻，A側(cè)NOx質(zhì)量濃度及O2體積分?jǐn)?shù)較B側(cè)偏高，A側(cè)、B側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度的平均值分別為6.9%和408 mg/m3、6.1%和358 mg/m3。

圖2 140 MW負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度及O2體積分?jǐn)?shù)分布

依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，隨即展開(kāi)適當(dāng)降O2配風(fēng)調(diào)整，修正擬定的目標(biāo)負(fù)荷下風(fēng)量燃料配量曲線，力爭(zhēng)將NOx質(zhì)量濃度降低至300 mg/m3，減小脫硝控制壓力。

2.4 協(xié)調(diào)控制改造

完成深度調(diào)峰負(fù)荷穩(wěn)定燃燒及優(yōu)化配風(fēng)試驗(yàn)后，根據(jù)GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行了175 MW和140 MW負(fù)荷的鍋爐效率試驗(yàn)，進(jìn)風(fēng)溫度修正后鍋爐效率偏量Δηcr,a為-0.56%。

機(jī)組在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和能效方面理論上已經(jīng)確定了深度調(diào)峰負(fù)荷目標(biāo)值的驗(yàn)證工作，綜合評(píng)估能效損失和深度調(diào)峰補(bǔ)償后，應(yīng)該向電網(wǎng)正式申報(bào)擬定的深度調(diào)峰負(fù)荷數(shù)值，并將負(fù)荷限制數(shù)據(jù)驗(yàn)證說(shuō)明作為附件，隨即完成深度調(diào)峰變負(fù)荷試驗(yàn)，完成表5所羅列的項(xiàng)目。

表5 深調(diào)機(jī)組熱控自動(dòng)檢查優(yōu)化項(xiàng)目表

深度調(diào)峰試驗(yàn)的協(xié)調(diào)控制改造是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮各項(xiàng)參控因素，重點(diǎn)包括計(jì)算模塊高低限重新修正、閉鎖保護(hù)限值優(yōu)化、深度調(diào)峰負(fù)荷區(qū)段協(xié)調(diào)控制和子系統(tǒng)自動(dòng)控制調(diào)控品質(zhì)測(cè)試、滑參數(shù)運(yùn)行設(shè)定曲線確認(rèn)等項(xiàng)目檢查。

為確保機(jī)組調(diào)節(jié)的安全性，深度調(diào)峰機(jī)組在50%額定負(fù)荷以下時(shí)可以適當(dāng)降低AGC調(diào)節(jié)性能，對(duì)于協(xié)調(diào)控制中為了縮短鍋爐響應(yīng)的燃料超前控制可以適當(dāng)進(jìn)行限幅或者去除，確保低負(fù)荷燃料的穩(wěn)定性。此次試驗(yàn)，去除了協(xié)調(diào)燃料微分超調(diào)控制，增加了負(fù)荷指令調(diào)節(jié)三階慣性環(huán)節(jié)，增加該負(fù)荷區(qū)段負(fù)荷指令自動(dòng)降速功能，設(shè)定1.1%額定負(fù)荷變負(fù)荷率，0.12 MPa/min變主汽壓力率，平緩調(diào)節(jié)爐側(cè)熱負(fù)荷，依據(jù)鍋爐響應(yīng)時(shí)間滯后調(diào)節(jié)汽輪機(jī)側(cè)電負(fù)荷，減小燃料波動(dòng)，安全高效地完成AGC下機(jī)組深度調(diào)峰低負(fù)荷調(diào)節(jié)(見(jiàn)圖3)。

圖3 深度調(diào)峰機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)趨勢(shì)

3 優(yōu)化措施

3.1 低負(fù)荷燃燒控制

在確定的深度調(diào)峰負(fù)荷區(qū)間內(nèi)宜展開(kāi)燃燒控制優(yōu)化，通過(guò)合理控制爐內(nèi)配風(fēng)量，可以控制鍋爐 CO 排放處于合理水平，降低NOx排放量。構(gòu)建CO對(duì)于風(fēng)量的需求模型(見(jiàn)圖4)[3]，采用模糊校正O2體積分?jǐn)?shù)曲線，結(jié)合動(dòng)態(tài)風(fēng)煤校正模塊和風(fēng)煤交叉限制的控制策略，完善鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)CO排放質(zhì)量濃度不超過(guò)9 mg/m3，SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx排放質(zhì)量濃度不超過(guò)300 mg/m3，保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效提高鍋爐效率。

圖4 深度調(diào)峰機(jī)組低負(fù)荷燃燒控制優(yōu)化模型

3.2 尾部煙道溫度控制

該機(jī)組受限于SCR脫硝系統(tǒng)平均煙溫大于295 ℃的要求，擬定深度調(diào)峰負(fù)荷為40%額定負(fù)荷，但此時(shí)為中上層磨煤機(jī)組投運(yùn)，且燃燒器擺角已擺至上限。因此應(yīng)進(jìn)一步了解SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫的變化規(guī)律，在協(xié)調(diào)控制邏輯中加入SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫低于300 ℃時(shí)閉鎖減鍋爐負(fù)荷的邏輯。

綜合考慮深度調(diào)峰補(bǔ)償效益和機(jī)組經(jīng)濟(jì)安全性后，若進(jìn)一步探低深度調(diào)峰負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷脫硝技術(shù)路線，加大機(jī)組調(diào)峰深度?？刹扇〉募夹g(shù)改造方案見(jiàn)表6。

表6 寬負(fù)荷脫硝技術(shù)路線對(duì)比

3.3 脫硝控制優(yōu)化

大量實(shí)踐數(shù)據(jù)說(shuō)明：SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度應(yīng)該控制在300 mg/m3以內(nèi)，否則脫硝噴氨系統(tǒng)耗氨量較大，在變工況時(shí)，容易造成較大的氨逃逸率，因此常規(guī)的基于物質(zhì)的量比的單回路脫硝控制已經(jīng)難以滿足大負(fù)荷變化帶來(lái)的控制挑戰(zhàn)，在低負(fù)荷區(qū)燃燒優(yōu)化試驗(yàn)后，將SCR脫硝系統(tǒng)NOx控制、低氮燃燒配風(fēng)及分級(jí)燃盡風(fēng)(SOFA)補(bǔ)償控制綜合考慮，實(shí)現(xiàn)NOx從低氮燃燒到配風(fēng)抑制最后尾部煙道脫硝的三階脫硝控制。

4 結(jié)果分析

制定適合該機(jī)組的深度調(diào)峰負(fù)荷區(qū)間。該機(jī)組申報(bào)的40%額定負(fù)荷深度調(diào)峰負(fù)荷低限主要受限于尾部煙道溫度要求，后期靈活性改造可以通過(guò)防腐處理、分級(jí)省煤器等技術(shù)進(jìn)一步降低深度調(diào)峰負(fù)荷。深度調(diào)峰負(fù)荷低限的選擇既要考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)保又要保證機(jī)組運(yùn)行安全，各機(jī)組依據(jù)不同的制約因素可選取不同的靈活性改造策略，最終“木桶短板”偏差趨近，找到安全與經(jīng)濟(jì)的平衡，達(dá)到最優(yōu)的負(fù)荷運(yùn)行低限。

在低負(fù)荷下保證鍋爐效率。應(yīng)開(kāi)展燃燒優(yōu)化試驗(yàn)，降低O2含量，穩(wěn)定燃料量，降低燃燒NOx排放量。

完善自動(dòng)化控制。協(xié)調(diào)及子系統(tǒng)控制參數(shù)在深度調(diào)峰區(qū)間內(nèi)有較強(qiáng)的非線性特性，應(yīng)獨(dú)立于前參數(shù)，單獨(dú)完成其優(yōu)化試驗(yàn)。

完善深度調(diào)峰運(yùn)行的安全措施。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析和確認(rèn)各系統(tǒng)輔機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行方式和出力限值，重視深度調(diào)峰帶來(lái)的運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變，形成有效的安全預(yù)控機(jī)制。

此次試驗(yàn)并未考慮機(jī)組冬季供熱工況的負(fù)荷低限計(jì)算。實(shí)現(xiàn)熱電解耦的熱電機(jī)組，在供熱工況下，在鍋爐負(fù)荷低限下，調(diào)峰負(fù)荷低限可以進(jìn)一步探低。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的深度調(diào)峰系列測(cè)試試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

(1) 廠網(wǎng)安全及靈活性調(diào)峰一體化。

為確保調(diào)峰安全，電源點(diǎn)深度調(diào)峰負(fù)荷也不能一味求低，必須將深度調(diào)峰負(fù)荷區(qū)機(jī)組性能和電網(wǎng)靈活性能一體化考慮。電源點(diǎn)申報(bào)的調(diào)峰負(fù)荷深度應(yīng)該由系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為依據(jù)并在電網(wǎng)備案，機(jī)組深度調(diào)峰測(cè)試試驗(yàn)也應(yīng)納入涉網(wǎng)試驗(yàn)統(tǒng)一管理。

(2) 時(shí)效性評(píng)估。

隨著深度調(diào)峰工作的開(kāi)展，調(diào)峰能力較弱的機(jī)組將會(huì)承擔(dān)較多的調(diào)峰費(fèi)用。因此應(yīng)本著“早改造早收益”和“深度調(diào)峰下機(jī)組效益和環(huán)保排放最優(yōu)化”的原則，盡早制定適合機(jī)組實(shí)際情況的靈活性改造優(yōu)化方案。

(3) 綜合效益尋優(yōu)。

根據(jù)火電機(jī)組特點(diǎn)和電網(wǎng)靈活調(diào)度的需求，應(yīng)綜合考慮機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，核算深度調(diào)峰的相關(guān)補(bǔ)償機(jī)制，評(píng)估機(jī)組改造投入產(chǎn)出效益，實(shí)現(xiàn)廠網(wǎng)能效共贏。