300 MW“W”火焰鍋爐靈活性運(yùn)行技術(shù)研究

張樹同，劉啟亮

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

電網(wǎng)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源裝機(jī)所占比重越來越大，社會用電量增速持續(xù)放緩，電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差值日益增大，加之新能源裝機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)峰的局限性，這就要求并網(wǎng)的火電機(jī)組平抑規(guī)模化光伏、風(fēng)電大幅度波動［1］，促進(jìn)其電能消納中扮演靈活性角色。然而，對于現(xiàn)役的“W”型火焰鍋爐，普遍存在低負(fù)荷穩(wěn)燃能力差、調(diào)峰調(diào)頻能力不足、部分自動設(shè)置及設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行靈活性不足的問題，嚴(yán)重降低了參與競價上網(wǎng)、深度調(diào)峰的能力。因此，分析300 MW“W”火焰鍋爐靈活性運(yùn)行技術(shù)，優(yōu)化控制參數(shù)及相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行方式，完善現(xiàn)有保護(hù)設(shè)置和控制回路［2］，對提升“W”火焰鍋爐靈活性運(yùn)行能力具有十分重要的意義。

1 鍋爐概況

國家能源菏澤發(fā)電公司二期工程2×300 MW 機(jī)組，配備了英國Mitsui Babcock 公司生產(chǎn)的單汽包、單爐膛、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、燃煤、半露天式布置、再熱器溫度熱風(fēng)注射控制、亞臨界參數(shù)的“W”型自然循環(huán)鍋爐（簡稱3 號爐、4 號爐）。鍋爐燃燒系統(tǒng)由制粉及動態(tài)粗粉分離裝置、旋風(fēng)子濃淡分離裝置、燃燒器及噴口、煙風(fēng)系統(tǒng)及輔機(jī)、爐膛及燃燒室等組成。爐膛四周敷設(shè)569 m2衛(wèi)燃帶。狹縫式燃燒器分組布置在鍋爐前后墻爐拱上，三次風(fēng)從前后墻下部引入，強(qiáng)化爐膛空氣分級燃燒的效果，分級燃燒降低NOx的生成。爐膛前后兩側(cè)爐拱處各布置了3 組直流垂直下射狹縫式燃燒器，每組燃燒器由4 只濃煤粉主噴口、4 只淡粉乏氣噴口、8 只二次風(fēng)噴口組成，如圖1 所示。

鍋爐配備正壓直吹式制粉系統(tǒng)，由2 臺密封風(fēng)機(jī)、2 臺離心式一次風(fēng)機(jī)（技術(shù)參數(shù)如表1 所示）、3臺雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)（技術(shù)參數(shù)如表2 所示）、6 臺皮帶式給煤機(jī)組成。3 臺磨煤機(jī)的制粉能力為鍋爐MCR時所需煤量的120%。通過調(diào)整一次風(fēng)機(jī)入口靜葉和一次風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速來滿足系統(tǒng)對一次風(fēng)量的需求；制粉系統(tǒng)配備有動態(tài)粗粉分離器，可實時在線調(diào)整粗粉分離器煤粉細(xì)度。

圖1 爐膛噴燃器布置

表1 一次風(fēng)機(jī)及電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 磨煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)組均安裝SCR 脫硝裝置，分別采用石灰石—石膏濕法脫硫裝置和濕式電除塵器脫除SO2和煙塵。SCR 反應(yīng)區(qū)溫度要求在310～420 ℃。超過此溫度范圍，隨反應(yīng)溫度提高，溫度繼續(xù)升高會使NH3氧化而使脫硝率下降；反應(yīng)溫度過低，煙氣脫硝反應(yīng)不充分，易產(chǎn)生NH3的逃逸［3］。

2 鍋爐運(yùn)行現(xiàn)況

機(jī)組正常工況下，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍180～300 MW，2 臺一次風(fēng)機(jī)，3 臺磨煤機(jī)全部運(yùn)行，機(jī)組投入AGC，AGC 工況下負(fù)荷變化率6 MW／min，負(fù)荷升降時段通過降低料位和調(diào)整一次風(fēng)機(jī)靜葉來滿足燃燒需要，滿足AGC 投入條件。此種運(yùn)行方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前電網(wǎng)對火電機(jī)組快速變負(fù)荷能力、快速啟停能力、深度調(diào)峰能力的要求，在AGC 工況下，鍋爐頻繁出現(xiàn)超壓、超溫、汽包水位波動；AGC 指令低時負(fù)荷降不下來，AGC 指令高時負(fù)荷高不上去的現(xiàn)象。機(jī)組參與深度調(diào)峰能力弱，深度調(diào)峰期間鍋爐穩(wěn)燃能力差、脫硝及空預(yù)器系統(tǒng)運(yùn)行溫度趨近邊緣值工況惡化，低負(fù)荷階段設(shè)備超富裕出力運(yùn)行，造成機(jī)組低負(fù)荷階段廠用電率升高等問題。

3 鍋爐靈活性運(yùn)行優(yōu)化

3.1 磨煤機(jī)熱一次風(fēng)擋板靈活性控制方式優(yōu)化

原一次風(fēng)系統(tǒng)為滿足鍋爐燃燒需要以通過變頻器調(diào)整一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為主，一次風(fēng)機(jī)入口靜葉調(diào)整為輔，磨煤機(jī)熱風(fēng)擋板在全開位置，冷風(fēng)擋板根據(jù)磨煤機(jī)出口溫度投自動調(diào)節(jié)，這種運(yùn)行方式，對于風(fēng)機(jī)節(jié)能具有一定的作用，但對于機(jī)組的調(diào)整嚴(yán)重不利，尤其是在電網(wǎng)要求快速升降負(fù)荷時，往往造成鍋爐主汽壓超壓或者主汽壓下滑速率較快，給鍋爐汽溫、水位等參數(shù)調(diào)整帶來困難，致使機(jī)組AGC 頻繁解除而受到電網(wǎng)“兩個細(xì)則”（《發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行管理細(xì)則》《發(fā)電機(jī)組輔助服務(wù)管理細(xì)則》）的考核。綜合考慮一次風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和機(jī)組AGC 狀態(tài)下自動調(diào)節(jié)的投入率，現(xiàn)將A、C 磨煤機(jī)熱一次風(fēng)擋板納入自動調(diào)節(jié)即：一次風(fēng)母管壓力低時A、C 磨煤機(jī)熱一次風(fēng)擋板（如圖2 所示）按照一定函數(shù)比例開度在30%～100%間自動調(diào)節(jié)，保留B磨煤機(jī)熱風(fēng)擋板在全開位置，以確保在深度調(diào)節(jié)過程中鍋爐燃燒的穩(wěn)定性。經(jīng)過一段時間的摸索和靈活性優(yōu)化后，機(jī)組參數(shù)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，自動調(diào)節(jié)性能及AGC 投入率有了大幅度提高，運(yùn)行人員手動干預(yù)次數(shù)減少，如表3 所示。

圖2 鍋爐一次風(fēng)系統(tǒng)

表3 磨煤機(jī)熱一次風(fēng)擋板靈活性優(yōu)化前后參數(shù)對比

3.2 磨煤機(jī)運(yùn)行方式靈活性優(yōu)化

由于雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)耗能較高，對于日趨激烈競爭的上網(wǎng)環(huán)境，探索磨煤機(jī)運(yùn)行方式的靈活性、經(jīng)濟(jì)性也是大勢所趨。既要保證制粉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又要滿足電網(wǎng)對機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷的需求。在機(jī)組正常運(yùn)行中，根據(jù)煤質(zhì)、負(fù)荷狀況、AGC 投入等因素采用了每臺爐2 臺磨、3 臺磨或者2 爐5 磨靈活性方式運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組AGC 投負(fù)荷跟蹤模式即“O 模式”，若可預(yù)見的負(fù)荷曲線長時間較低（2 h 以上），負(fù)荷在230 MW 以下，煤質(zhì)較好，應(yīng)停運(yùn)1 臺磨，保持2 臺磨煤機(jī)運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組AGC 投正常模式即“R 模式”運(yùn)行時，機(jī)組負(fù)荷連續(xù)在230 MW 負(fù)荷左右運(yùn)行時，煤質(zhì)較好，維持較高的主汽壓力，停運(yùn)1 臺磨煤機(jī)備用，停運(yùn)的磨煤機(jī)除熱風(fēng)隔斷門關(guān)閉外，其余擋板在開啟位置，以做到備用磨煤機(jī)啟停迅速，以免影響機(jī)組負(fù)荷被省調(diào)考核。另外，對磨煤機(jī)鋼球裝載進(jìn)行了靈活性調(diào)整，通過磨煤機(jī)鋼球級配裝載優(yōu)化調(diào)整試驗，摸索確定磨煤機(jī)最佳鋼球裝載量［4］，維持磨煤機(jī)在經(jīng)濟(jì)電流下運(yùn)行，保持了磨煤機(jī)最經(jīng)濟(jì)出力運(yùn)行（如表4 所示）。

表4 鋼球裝載優(yōu)化前后磨煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)對比

3.3 磨煤機(jī)啟停步驟靈活性優(yōu)化

磨組啟動一般是通過順控程序啟動，順控程序如圖3 所示，順控啟動磨組需要較長的啟動時間，大量消耗啟動燃油及延滯對負(fù)荷的響應(yīng)，尤其是經(jīng)常頻繁出現(xiàn)閥門、擋板開啟不正常，甚至出現(xiàn)打不開關(guān)不上的情形，這就更加延長了磨組的啟動時間，影響機(jī)組并網(wǎng)及帶負(fù)荷能力，不但浪費(fèi)了燃油、損失了電量，甚至還要面臨電網(wǎng)調(diào)度部門下發(fā)的考核。因此，研究300 MW“W”型火焰鍋爐磨組啟停操作優(yōu)化，分析影響制粉系統(tǒng)運(yùn)行出力和威脅制粉系統(tǒng)運(yùn)行安全性的因素并提出了磨煤機(jī)啟停靈活性運(yùn)行優(yōu)化措施，簡化手動啟動磨組程序，在一定程度上能大大降低制粉單耗、降低廠用電率，實現(xiàn)磨組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖3 磨煤機(jī)原啟動順控程序

鍋爐運(yùn)行工況滿足停磨條件后，根據(jù)燃燒情況及機(jī)務(wù)消缺要求，確定所停磨組編號后，迅速將磨煤機(jī)熱風(fēng)擋板關(guān)閉、冷風(fēng)擋板全開、給煤機(jī)給煤量盡快減至0，將磨煤機(jī)內(nèi)煤粉抽空15 min 以上，根據(jù)磨煤機(jī)電機(jī)電流、一次風(fēng)流量、鍋爐氧量等參數(shù)判定煤粉抽空后，將該磨拉掉停備。停磨前，可以將磨煤機(jī)濃淡粉門、粗粉分離器出口擋板、給煤機(jī)出入口插板門聯(lián)鎖切至“掛起”狀態(tài)，停磨后除磨煤機(jī)一次風(fēng)隔離擋板門、磨煤機(jī)入口冷熱一次風(fēng)門在關(guān)閉狀態(tài)外，其他擋板插板門應(yīng)在全開或者全開“掛起”狀態(tài)，完全滿足快速啟磨條件。

3.4 低負(fù)荷鍋爐穩(wěn)燃能力優(yōu)化

由于“W”火焰鍋爐設(shè)計煤種為無煙煤與煙煤的混煤，加上日常再摻燒一系列劣質(zhì)煤種，因此低負(fù)荷穩(wěn)燃及低負(fù)荷投油搶助燃問題尤為突出，除需針對目標(biāo)機(jī)組制粉系統(tǒng)低負(fù)荷可靠性、煤種及煤粉細(xì)度、底部風(fēng)擋板開度或投油助燃等制定可行性操作方案外，關(guān)注機(jī)組間冷再抽汽供工業(yè)蒸汽方式，更有利于增加鍋爐熱出力，提升機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，減少鍋爐低負(fù)荷燃燒過程中因煤粉濃度過低、煤粉分配不均勻度急劇惡化導(dǎo)致火檢保護(hù)動作的可能性。

表5 “W”型火焰鍋爐靈活運(yùn)行典型工況下的外供蒸汽抽汽參數(shù)

根據(jù)鍋爐廠家技術(shù)參數(shù)及相關(guān)工程經(jīng)驗，綜合考慮抽汽量對高中壓缸推力軸承、高中壓動葉強(qiáng)度及汽輪機(jī)本體影響，此“W”火焰鍋爐允許最大抽汽量一般為鍋爐蒸汽流量的6%，其抽汽參數(shù)如表5 所示，這對于頻繁參加調(diào)峰至160 MW 的“W”火焰鍋爐，相當(dāng)于多增加了近10 MW 的鍋爐出力，同時抽汽能進(jìn)一步提升鍋爐再熱蒸汽汽溫，減少主再熱蒸汽度偏差。外供工業(yè)蒸汽參數(shù)要求為壓力1.2 MPa，溫度250 ℃，利用現(xiàn)有系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)（如圖4 所示），通過外供工業(yè)蒸汽聯(lián)箱調(diào)整，即使在深度調(diào)峰至9 MW情況下，仍能滿足外供蒸汽需要。

所以，機(jī)組在參加深度調(diào)峰時，靈活利用現(xiàn)有設(shè)備及系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)，實時調(diào)整各機(jī)組冷再抽汽量，在一定程度上能大大提高鍋爐出力，增強(qiáng)鍋爐穩(wěn)燃能力，減少“W”火焰鍋爐參與深度調(diào)峰時的穩(wěn)燃用油量，提升了機(jī)組參與深度調(diào)峰的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

圖4 W 火焰鍋爐機(jī)組外供工業(yè)蒸汽

3.5 寬工況脫硝系統(tǒng)靈活性運(yùn)行優(yōu)化

鍋爐配套SCR 系統(tǒng)設(shè)計的正常最低運(yùn)行溫度是310 ℃，若催化劑長期在規(guī)定的溫度值以下運(yùn)行，將會導(dǎo)致催化劑中毒，影響催化劑的活性及反應(yīng)效率，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性下降，實際運(yùn)行過程中，在機(jī)組負(fù)荷低于160 MW 時，優(yōu)化運(yùn)行前脫硝系統(tǒng)煙氣入口溫度見表6，SCR 入口煙氣溫度低于或者接近了最低運(yùn)行溫度，給鍋爐達(dá)標(biāo)排放帶來了嚴(yán)重威脅［3］。

表6 SCR 反應(yīng)器入口煙溫統(tǒng)計

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，通過優(yōu)化暖風(fēng)器運(yùn)行方式、調(diào)整磨煤機(jī)動態(tài)粗粉分離器等一系列措施，盡量提高低負(fù)荷燃燒時SCR 反應(yīng)器入口煙溫。首先，當(dāng)機(jī)組參與深度調(diào)峰時，投入送風(fēng)機(jī)暖風(fēng)器，提高送風(fēng)溫度至40 ℃，從而提高進(jìn)入爐膛內(nèi)的一次風(fēng)、二次風(fēng)的風(fēng)溫，減少對鍋爐內(nèi)煙氣溫度的削弱，在一定程度上提高了鍋爐省煤器后即SCR 反應(yīng)器入口煙溫；其次是通過調(diào)整動態(tài)分離器，適當(dāng)增大煤粉燃燒細(xì)度，隨著煤粉細(xì)度的提高，煤粉顆粒的氣流跟隨性能增強(qiáng)，煤粉顆粒自身的下沖慣性力減弱，再適當(dāng)配合鍋爐底部風(fēng)開度調(diào)整，使得爐膛火焰中心上移，以便提高SCR 反應(yīng)器入口煙溫。最后，低負(fù)荷時適當(dāng)降低一次風(fēng)壓，減少火焰下沖深度，提升爐膛火焰中心高度，提高空預(yù)器后煙溫，以適應(yīng)脫硝系統(tǒng)對煙溫的要求。通過靈活運(yùn)行優(yōu)化，鍋爐脫硝系統(tǒng)運(yùn)行工況寬度得以提升，由表6 可以看出，即使寬深度調(diào)峰至9 MW（目前這種工況調(diào)峰運(yùn)行時間一般在10 min 左右，電網(wǎng)即要求結(jié)束調(diào)峰），煙溫在300 ℃左右，脫硝系統(tǒng)仍可短時運(yùn)行，不至于因機(jī)組煙氣排放不達(dá)標(biāo)而被迫停機(jī)造成損失。

3.6 鍋爐啟停過程靈活性優(yōu)化

隨著機(jī)組參與調(diào)峰的頻次逐漸增多，機(jī)組正常啟停也趨于頻繁，為節(jié)約機(jī)組啟動成本，提升機(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)效益，本單元機(jī)組將2 臺熱一次風(fēng)進(jìn)行了聯(lián)絡(luò)優(yōu)化，2 臺鍋爐熱一次風(fēng)母管利用機(jī)組檢修窗口建立連接（如圖5 所示），通過鄰爐熱風(fēng)連接系統(tǒng)，充分利用熱風(fēng)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)作用，根據(jù)鍋爐相關(guān)參數(shù)，靈活實時調(diào)節(jié)熱一次風(fēng)量，實現(xiàn)對鍋爐啟動過程中的各部溫升速率的精準(zhǔn)控制，譬如可以控制對磨煤機(jī)暖磨速度，減少磨煤機(jī)空轉(zhuǎn)時間，降低磨煤機(jī)制粉單耗，減少一次風(fēng)機(jī)高富裕出力運(yùn)行時間；再者鄰爐熱風(fēng)連接系統(tǒng)利于空氣預(yù)熱器的壽命健康管理，可以使空氣預(yù)熱器的溫度逐漸升高或降低，防止空氣預(yù)熱器溫度驟升驟降影響空預(yù)器壽命；最后鍋爐啟動后通過熱一次風(fēng)聯(lián)絡(luò)調(diào)節(jié)門逐步關(guān)小，實現(xiàn)鄰爐一次熱風(fēng)平穩(wěn)切至本爐一次熱風(fēng)。熱一次風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化后，可大大降低點火啟動用油，降低一次風(fēng)單耗，縮短機(jī)組啟動并網(wǎng)帶負(fù)荷時間，提升了機(jī)組參與電網(wǎng)啟停調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 單元制機(jī)組鍋爐熱一次風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)示意圖

4 結(jié)語

通過對“W”火焰鍋爐相關(guān)系統(tǒng)分析，對磨煤機(jī)熱一次風(fēng)擋板控制方式、磨煤機(jī)運(yùn)行方式及機(jī)組低負(fù)荷脫硝系統(tǒng)寬工況運(yùn)行及相關(guān)系統(tǒng)實施靈活性運(yùn)行方式探索，“W”火焰鍋爐參與電網(wǎng)深度調(diào)峰靈活運(yùn)行的能力有了更進(jìn)一步的提升，機(jī)組在160 MW以上負(fù)荷全程投協(xié)調(diào)控制的能力得到大大提升，人為干預(yù)相關(guān)調(diào)節(jié)及自動的頻次逐步下降，機(jī)組負(fù)荷可變速率可以提高到2.33%／min 以上，機(jī)組AGC 投入合格率達(dá)到100%。當(dāng)然，“W”火焰鍋爐機(jī)組運(yùn)行靈活性提高的同時，不可避免地對機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備壽命產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)濟(jì)性方面的影響可以通過《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》 及《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》等相關(guān)政策補(bǔ)貼進(jìn)行評估，但對設(shè)備壽命的健康管理短期內(nèi)無法進(jìn)行評估［5］。尤其是在機(jī)組參與寬深度調(diào)峰調(diào)頻時，鍋爐島、汽機(jī)島相關(guān)系統(tǒng)變工況幅度大，系統(tǒng)工藝參數(shù)嚴(yán)重偏離各種設(shè)備的額定設(shè)計工況范圍，在快速動態(tài)調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的壓力、溫度及流量的變工況參數(shù)及其波動幅度等都對各種設(shè)備壽命及健康管理存在不利影響。