燃煤機組最小邊界出力穩(wěn)定性評價方法分析

韓 義，王研凱，于英利，蔡 斌，李迎春

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著風(fēng)電和光伏等新能源發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力結(jié)構(gòu)中新能源發(fā)電占比日益增加。由于風(fēng)電和光伏發(fā)電具有間歇性、波動性、隨機性等特點，加劇了電網(wǎng)的調(diào)峰難度[1]。燃煤機組作為電力能源結(jié)構(gòu)中的主要組成部分，參與深度調(diào)峰已迫在眉睫。從2018年開始，為進一步提升內(nèi)蒙古電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電量的消納水平，確保電網(wǎng)低谷運行的安全性和可靠性，開展了燃煤機組深度調(diào)峰最小邊界出力特性核定工作?，F(xiàn)以300 MW級燃煤機組為例，兼顧安全、穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能等需求，進行機組最小邊界出力穩(wěn)定性評價方法探討，這對于核準機組出力特性、開展精準負荷調(diào)節(jié)、拓展新能源消納等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 示范機組概況

某2×300 MW機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司制造的HG-1025/17.5-YM11型亞臨界鍋爐，采用一次中間再熱、四角切圓燃燒方式，從下至上配備ABCDE五臺中速制粉系統(tǒng)，配亞臨界壓力的300 MW汽輪發(fā)電機組。純凝模式下燃煤機組最小出力特性主要受鍋爐最小負荷限制，示范機組在設(shè)計煤種下最低穩(wěn)燃負荷為44%額定電負荷，目前電網(wǎng)調(diào)度最低負荷為50%額定電負荷。按照實際入爐煤種，兼顧安全、穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能等需求，機組從50%額定負荷開始降低負荷，分別在45%，35%，25%額定負荷維持穩(wěn)定，對該機組進行最小出力特性核定評價[2]。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。入爐煤質(zhì)如表2所示。

2 燃燒穩(wěn)定性評價

鍋爐低負荷的穩(wěn)燃性是個核心問題，煤粉氣流穩(wěn)定著火所需熱量主要來源于煙氣卷吸產(chǎn)生的熱對流以及爐膛內(nèi)的熱輻射。鍋爐參與深度調(diào)峰低負荷運行時，由于送入爐內(nèi)的燃料量減少，爐膛

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

表2 入爐煤質(zhì)

容積熱負荷、截面熱負荷、爐膛中心溫度均大幅降低。煤粉氣流獲取的對流及輻射換熱量明顯下降，這部分熱量將有更大比例地用于提高煤粉氣流溫度，這就造成煤粉著火困難、火焰穩(wěn)定性差、易熄火，存在爐膛滅火、爆燃等重大隱患。另外，超低負荷運行時，為滿足爐內(nèi)流場以及磨煤機干燥出力的要求，爐內(nèi)燃燒風(fēng)煤比遠大于中高負荷工況下的值，煤粉氣流所需要的著火熱變大。當熱煙氣卷吸已不能滿足煤粉著火要求時，就會發(fā)生著火延遲或困難。通常情況下，運行人員主要通過負壓波動、制粉系統(tǒng)火檢強度、現(xiàn)場火焰燃燒充滿度和火焰形態(tài)，以及爐膛煙氣溫度場變化來綜合評價爐膛燃燒穩(wěn)定性。

2.1 火焰檢測強度分析

機組投運制粉系統(tǒng)的火焰檢測強度是重要檢測指標，火檢信號分為模擬量與開關(guān)量。模擬量顯示火焰強弱，范圍在0～100%，開關(guān)量為有火或者無火兩個狀態(tài)?；饳z模擬量指標主要用來監(jiān)測火焰強度，一般不參與熱工邏輯保護?；饳z開關(guān)量用作制粉系統(tǒng)邏輯保護及鍋爐主保護MFT，通常情況下，單臺制粉系統(tǒng)四個開關(guān)量煤火檢喪失兩個，則認為此套制粉系統(tǒng)對應(yīng)的火焰層燃燒不穩(wěn)定，系統(tǒng)會發(fā)出制粉系統(tǒng)跳閘指令，對應(yīng)的磨煤機、給煤機跳閘，磨煤機入口冷熱風(fēng)隔絕門跳閘關(guān)閉，出口閘閥關(guān)閉，入口冷熱風(fēng)調(diào)節(jié)門關(guān)閉。當所有制粉系統(tǒng)判斷火焰喪失，則觸發(fā)鍋爐主保護MFT邏輯，發(fā)出爐膛火焰喪失MFT保護，切除鍋爐所有燃料系統(tǒng)并且觸發(fā)一次風(fēng)機跳閘。機組低負荷穩(wěn)燃試驗過程中，試驗人員嚴密監(jiān)視投運制粉系統(tǒng)的火檢強度，要求開關(guān)量火檢不能發(fā)生短暫閃動喪失，模擬量火焰強度不能低于90%。一旦發(fā)生火檢不穩(wěn)定情況，立刻停止降負荷，馬上進行風(fēng)煤比調(diào)整，待火檢穩(wěn)定后才能進行下一步試驗工作。在試驗過程中，機組從50%額定負荷開始降低負荷，分別在45%，35%，25%額定負荷維持穩(wěn)定，期間各制粉系統(tǒng)火檢均未發(fā)生不穩(wěn)定情況。

2.2 爐內(nèi)著火特性分析

火焰檢測強度信號為熱工測量原件，受到測量原理、測量精度、安裝位置等多方面因素影響，其準確性應(yīng)定期校驗，不能僅僅憑火檢指標判定燃燒穩(wěn)定性。尤其在機組低負荷運行階段，應(yīng)結(jié)合其他各種參數(shù)綜合判定燃燒穩(wěn)定性。最直接的方法是通過就地觀火孔觀察火焰燃燒情況。機組在降負荷過程中，不定期就地觀察火焰情況，通過火焰實際燃燒狀況，指導(dǎo)運行人員進行相應(yīng)的燃燒調(diào)整優(yōu)化，維持鍋爐參數(shù)的穩(wěn)定。通過調(diào)整，保證爐膛整體火焰明亮、充滿度良好，單只燃燒器火炬分區(qū)科學(xué)、規(guī)律脈動、燃燒良好。燃燒火炬分為三個區(qū)域：煤粉預(yù)熱區(qū)、揮發(fā)分析出著火區(qū)、燃盡區(qū)。燃燒器出口根部為煤粉預(yù)熱區(qū)，表現(xiàn)為一段黑色火根，既確保煤粉氣流充分預(yù)熱，又保護燃燒器噴口燒損變形；隨后為揮發(fā)分析出著火區(qū)，煤粉氣流卷席煙氣熱量、析出揮發(fā)分并開始著火，顏色為金黃明亮；最后為燃盡區(qū)，這處于火炬外圍，煤粉氣流繼續(xù)吸收熱量，火焰溫度提升，煤粉中固定碳開始燃盡。單只火炬燃燒匯入爐膛，構(gòu)成爐膛燃燒動力場。

2.3 負壓穩(wěn)定性分析

爐膛壓力是最直觀表征燃燒穩(wěn)定性的參數(shù)，煤粉在爐膛內(nèi)與氧結(jié)合，燃燒釋放熱量、CO2及其他成分，穩(wěn)定的脈動燃燒會釋放相對穩(wěn)定的熱量與煙氣，在平衡通風(fēng)的爐膛內(nèi)，形成穩(wěn)定的煙氣流通，使得爐膛負壓在一定小的范圍內(nèi)波動。如果發(fā)生燃燒不穩(wěn)定情況，爐膛負壓會形成大范圍的波動。低負荷穩(wěn)燃試驗過程中負壓波動情況如圖1所示。由圖1可見，各試驗負荷下最大負壓為-78 Pa，最小負壓為-10 Pa，平均負壓在-40 Pa附近波動，燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 低負荷穩(wěn)燃負壓波動

2.4 爐膛煙氣溫度分析

爐膛煙氣溫度是表征鍋爐燃燒穩(wěn)定性的重要指標，穩(wěn)定、較高的煙氣溫度能夠保證煤粉氣流良好的著火性能和較強的抗干擾穩(wěn)定特性。低負荷穩(wěn)燃試驗過程中，在各個負荷區(qū)間進行爐膛煙氣溫度測試[2]，測試數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 爐膛煙氣溫度分布

由圖2可見，45%，35%，25%三個負荷段五種穩(wěn)燃工況下，鍋爐總體保持較好的溫度水平，平均煙氣溫度為990～1 141℃，平均煙氣溫度隨機組負荷下降而降低，45%負荷的BCD磨組工況較ABC磨組工況煙氣溫度偏高約100℃，25%負荷煙氣平均溫度為990℃。從爐膛垂直斷面煙溫分布來看，均等配風(fēng)方式下，爐膛垂直煙溫分布與磨組投運方式相關(guān)聯(lián)，燃燒溫度最高區(qū)域為CD，DE層，煙氣溫度1 094～1 236℃，最下AA層區(qū)域保持了較好的托底燃燒作用，煙氣溫度1 029～1 125℃，燃盡層煤粉濃度降低，處于最終燃盡狀態(tài)，燃燒溫度最低為758～1 010℃。其中，最低25%負荷工況下，AB磨組投運，燃燒密集區(qū)集中于AA層與CD層之間，爐膛煙氣溫度保持在1 072～1 172℃之間。目前，業(yè)內(nèi)主流燃燒器主要著眼于穩(wěn)定與潔凈燃燒技術(shù)，能夠在相對較高的溫度水平下，兼顧燃燒穩(wěn)定性與環(huán)保性，穩(wěn)燃過程中，平穩(wěn)的煙氣溫度確保了穩(wěn)定燃燒工況的組織建立。

3 環(huán)保指標評價

按國家環(huán)保政策，火電機組需要滿足全負荷污染物排放控制要求，機組低負荷下，出于穩(wěn)定燃燒及輔機系統(tǒng)安全運行需求，過量空氣系數(shù)控制往往偏大，這不利于抑制NOx生成，低負荷下過低的煙氣溫度也不利于SCR脫硝裝置安全高效運行[3-5]。本次低負荷穩(wěn)燃試驗中SCR入口NOx指標及煙氣溫度如圖3所示。由圖3可知，45%額定負荷工況下SCR入口NOx值較低，尤其ABC磨組工況的NOx值穩(wěn)定在172 mg/m3附近，為后續(xù)SCR脫硝系統(tǒng)減輕了壓力。35%，25%額定負荷工況NOx指標相對較高，為482～655 mg/m3， 但也滿足后續(xù)SCR脫硝系統(tǒng)協(xié)同處理能力。

圖3 機組環(huán)保指標

由圖3可以看出，在機組45%，35%，25%額定負荷，分別投運BCD磨煤機、ABC磨煤機、AB磨煤機時，SCR入口煙氣溫度總體隨著負荷下降逐步下降，分別維持在327℃，323℃，324℃，314℃，301℃，并且均高于報警下限值300℃，基本能夠滿足脫硝要求，其中投運上層磨工況的煙氣溫度相對較高。機組25%額定負荷AB磨組工況下，表盤SCR入口煙溫平均為301℃，已經(jīng)接近設(shè)計最低下限值300℃，并且?guī)缀鯖]有裕量?？紤]到煤質(zhì)與環(huán)境溫度變化對煙溫的影響，為保證機組環(huán)保設(shè)備安全，不能繼續(xù)降低負荷。

4 能耗指標評價

通常情況下，機組高效運行區(qū)段往往在中高負荷工況，低負荷工況機組能耗水平偏低。為了滿足電網(wǎng)安全調(diào)峰運行及新能源消納任務(wù)，深調(diào)峰工況能耗水平直接影響火電廠經(jīng)濟效益。鍋爐低負荷穩(wěn)燃過程中，對機組鍋爐設(shè)備能耗水平進行評價，結(jié)果見圖4。

機組在45%，35%，25%額定負荷下，鍋爐熱效率在92.25%～93.69%范圍內(nèi)，其中45%負荷鍋爐熱效率相對較高，35%和25%負荷鍋爐熱效率相對較低，35%負荷的ABC磨組熱效率最低約92.25%。排煙溫度隨著機組負荷的降低呈現(xiàn)降低趨勢，變化區(qū)間為126.46～143.82℃，這主要由于機組負荷降低，鍋爐燃燒整體呈現(xiàn)減弱趨勢，煙氣量也逐漸降低。鍋爐飛灰可燃物含量總體不大，呈現(xiàn)35%負荷偏大、45%與25%負荷偏小趨勢，變化區(qū)間為0.18%～0.64%，其中25%負荷飛灰含碳最小約0.18%。爐渣可燃物含量總體不大，分布不規(guī)律，變化范圍為0.41%～4.22%，45%負荷ABC磨組工況爐渣可燃物含量最大約4.22%。

圖4 機組經(jīng)濟性指標

5 結(jié)語

基于電站鍋爐切圓燃燒機理與運行調(diào)整技術(shù)，兼顧安全、穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能多因素需求，研究探討穩(wěn)定燃燒評價方法，并應(yīng)用于最小出力核定工作中，在示范機組完成25%額定負荷的穩(wěn)燃能力評價。這對于核定機組出力特性、開展精準負荷調(diào)節(jié)、拓展新能源消納具有重要的指導(dǎo)意義。