大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問題探討

張少強 ，陳露 ，劉子易 ，張鵬 ，王智博 ，宋民航 ,?

（1.新疆天池能源有限責任公司, 新疆 昌吉 831100；2.河北師范大學(xué) 中燃工學(xué)院, 河北 石家莊 050024；3.中國科學(xué)院 過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100190）

0 引言

由于石油、煤炭等化石能源的日趨枯竭以及環(huán)境問題的日益突出，國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要明確指出構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展使得包括風(fēng)電、光伏、水電等在內(nèi)的可再生能源發(fā)電比例逐年提高?！笆奈濉逼陂g，將持續(xù)推動可再生能源作為能源消費增量主體，為實現(xiàn)2030年非化石能源消費占比20%的戰(zhàn)略目標奠定基礎(chǔ)[1]?？稍偕茉窗l(fā)電量預(yù)測如圖1所示。如按照當前水電、風(fēng)電、光伏和生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量的發(fā)展規(guī)模增長預(yù)測，到2025年可再生能源理論發(fā)電量可達到4億kWh左右[2]。在該形勢下，火電正面臨著前所未有的困境。

圖1 可再生能源發(fā)電量預(yù)測Fig.1 Renewable energy generation forecast

可再生能源的大規(guī)模接入使電網(wǎng)中各類電力的數(shù)量、比例和時空分布等發(fā)生了較大變化，對調(diào)峰電源的需求也逐漸升高，但各類水電機組、太陽能發(fā)電、抽水蓄能機組等受環(huán)境及自然條件影響，調(diào)峰能力有限，顯現(xiàn)出快速高效調(diào)峰資源不足的問題[3]。因此，調(diào)峰困難已成為目前限制風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的主要原因之一，造成了棄風(fēng)、棄光等能源浪費現(xiàn)象[4]。

在燃煤機組產(chǎn)能過剩和電網(wǎng)對可再生能源大量吸納的雙重壓力下，煤電機組自身特點及良好的調(diào)峰性能，使其成為了電網(wǎng)靈活調(diào)峰的基礎(chǔ)調(diào)節(jié)能源，承擔著電網(wǎng)調(diào)峰的艱巨任務(wù)。目前，受電網(wǎng)負荷峰谷差較大的影響，各燃煤機組降出力和超基本調(diào)峰范圍運行已成為常態(tài)，形成了深度調(diào)峰的運行方式。深度調(diào)峰能力取決于機組的最小負荷及最大負荷之比，以及變負荷運行下的快速適應(yīng)能力，并直接決定著電網(wǎng)調(diào)峰容量的大小[5]。

由于中國電力供需仍呈現(xiàn)出總體富余、部分地區(qū)明顯過剩的格局，在電力消費增速減速換擋及煤電機組投產(chǎn)過多的情況下，煤電機組正承擔著高速增長的清潔能源發(fā)電深度調(diào)峰和備用電源的功能，火電機組尤其是煤電機組在未來相當長一段時間內(nèi)將持續(xù)低負荷運行。因此，積極推動燃煤機組靈活性改造，充分挖掘火電機組深度調(diào)峰潛力，對緩解我國當前調(diào)峰壓力，接納更多可再生能源，促進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有不可替代的作用[4]?！蛾P(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》明確提出“開展火電機組靈活性改造，提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力”以及“優(yōu)先提升30萬千瓦級煤電機組的深度調(diào)峰能力。改造后的純凝機組最小技術(shù)出力達到30%～40%額定容量，熱電聯(lián)產(chǎn)機組最小技術(shù)出力達到40%～50%額定容量；部分電廠達到國際先進水平，機組不投油穩(wěn)燃時純凝工況最小技術(shù)出力達到20%～30%”。

挖掘燃煤機組調(diào)峰性能是提升電網(wǎng)調(diào)峰能力的必由之路[6-7]。針對大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問題，需要在提升鍋爐低負荷穩(wěn)燃、快速啟停和快速升降負荷的同時[8]，兼顧低負荷運行中可能出現(xiàn)的NOx生成量偏高、爐溫不均、主再熱汽溫偏低、壁溫超溫、煤粉燃盡差等問題，從而實現(xiàn)靈活調(diào)峰過程中的穩(wěn)定、清潔及高效燃燒。

本文在總結(jié)已有的針對煤電機組燃燒側(cè)的深度調(diào)峰技術(shù)及研究成果基礎(chǔ)上，從燃煤鍋爐低（變）負荷過程中的燃燒穩(wěn)定性、運行可靠性、環(huán)保性及經(jīng)濟性需求出發(fā)，首先總結(jié)了大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰所面臨的關(guān)鍵問題，并分別從低（變）負荷運行下燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保性和經(jīng)濟性、主要輔機適應(yīng)性和安全性及熱電機組的熱電解耦四個方面，對目前主要技術(shù)內(nèi)容及進展進行分析總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，對燃煤鍋爐深度調(diào)峰技術(shù)進行研究及發(fā)展展望，為促進大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰提供一定理論支撐。

1 燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問題

1.1 燃燒穩(wěn)定性

燃煤鍋爐的運行安全性是火電廠所關(guān)心的首要問題，而燃燒穩(wěn)定性是運行安全性的重要體現(xiàn)。其中，煤粉燃燒器是決定著鍋爐穩(wěn)燃能力的關(guān)鍵核心設(shè)備。常用的煤粉燃燒方式包括直流燃燒及旋流燃燒兩種[9-11]，經(jīng)過多年技術(shù)升級，在滿負荷運行工況下能夠維持良好的煤粉著火和穩(wěn)定燃燒，但在低負荷和變負荷運行時，由于整體燃燒特性的改變，低（變）負荷運行特性大幅偏離滿負荷運行，從而引起著火推遲、燃燒不穩(wěn)定、火焰檢測信號弱、尾部煙道二次燃燒等一系列影響鍋爐運行安全性的問題，嚴重時將造成鍋爐熄火等重大事故。為了應(yīng)對燃煤鍋爐調(diào)峰過程中的燃燒不穩(wěn)定問題，常采用投油助燃的輔助穩(wěn)燃措施[12-13]，但從相關(guān)政策來看，投油助燃僅能作為特殊情況下避免鍋爐熄火等非停事故的一項緊急手段，開展火電機組深度調(diào)峰仍然需要從燃燒設(shè)備方面著手[14]。以上問題嚴重影響著燃煤鍋爐靈活調(diào)峰過程中的運行安全性及可靠性[15]。

1.2 環(huán)保性及經(jīng)濟性

在低（變）負荷運行下，燃煤機組為了滿足燃燒穩(wěn)定性等需求，通常在較大煤粉燃燒化學(xué)當量比下運行，使NOx排放濃度不降反升。同時，為了維持穩(wěn)燃進行投油的方式也將產(chǎn)生煤油混燒條件下的NOx和SOx生成量增多等問題[16]。以上問題使機組靈活調(diào)峰過程中面臨著更加嚴峻的污染物減排需求，需要開展全負荷脫硫脫硝相關(guān)研究工作。同時，這部分與鍋爐負荷不匹配的污染物排放也將增加調(diào)峰過程中的經(jīng)濟成本。

此外，由于深度調(diào)峰下鍋爐運行工況偏離設(shè)計工況較大，鍋爐系統(tǒng)運行效率遠低于設(shè)計效率。并且，隨著機組負荷率的下降，風(fēng)機、水泵等輔機由于自身容量較大，低負荷下功率又不易調(diào)節(jié)，機組供電煤耗率大幅度上升。測試表明，深度調(diào)峰將提高綜合廠用電率及發(fā)電煤耗，直接影響著機組的經(jīng)濟性運行。因此，在調(diào)峰機組低負荷運行時，還需要注重經(jīng)濟性分析及提升。

1.3 主要輔機間的適應(yīng)性

燃煤鍋爐調(diào)峰過程中帶來的主要輔機運行特性的改變，也是需要關(guān)注的重點問題。燃煤發(fā)電機組在低負荷下長時間運行時，各輔機設(shè)備（包括送引風(fēng)機、給水泵、磨煤機等）均偏離于設(shè)計參數(shù)運行，將直接影響到輔機系統(tǒng)的運行狀態(tài)和做功效率。如對風(fēng)機而言，可能引發(fā)風(fēng)機的搶風(fēng)和失速，進而導(dǎo)致喘振、跳閘等一系列安全問題。因此，應(yīng)基于各負荷段下的主要輔機運行特性，加強對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、分析和管理，提高輔機設(shè)備的可靠性，開展自身運行特性及輔機間運行協(xié)同性的系統(tǒng)研究，從而保證深度調(diào)峰運行下，包括磨煤機、三大風(fēng)機、脫硝、脫硫、除塵設(shè)備、鍋爐本體受熱面、汽水系統(tǒng)等在內(nèi)的鍋爐本體及主要輔機設(shè)備的穩(wěn)定運行，提高燃煤鍋爐主要輔機間的適應(yīng)性及安全性。

1.4 熱電機組的熱電解耦問題

在燃煤機組整體調(diào)峰能力不足情況下，處于供暖季的熱電機組無疑又限制了燃煤機組的調(diào)峰能力。因此，需解耦其“以熱定電”的約束，開展針對熱電機組的熱電解耦技術(shù)研究開發(fā)及示范應(yīng)用，從而緩解熱電機組深度調(diào)峰與供暖季供熱之間的矛盾。在熱電解耦技術(shù)中，核心是就近吸收供熱產(chǎn)生的電負荷，或通過電加熱及電能替代等方式將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能或化學(xué)能儲存起來，待需要時送出。目前代表性的技術(shù)有儲熱罐及熱泵供熱、儲熱電鍋爐、汽輪機旁路補償供熱、切除低壓缸供熱等。然而，盡管以上熱電解耦技術(shù)已不同程度上應(yīng)用于供熱調(diào)節(jié)及靈活調(diào)峰上，但仍存在部分問題需要完善，主要體現(xiàn)在，已有研究多集中于對熱電解耦前后促進新能源消納效果的對比分析，對改造前后機組運行所帶來的經(jīng)濟效益變化還有待進一步深入分析[17]。同時，采用不同類型技術(shù)對熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行熱電解耦所帶來的電源側(cè)靈活性提升規(guī)模，仍有待系統(tǒng)評估。

基于以上問題，圖2給出了燃煤鍋爐深度調(diào)峰下的關(guān)鍵問題及對應(yīng)的重點關(guān)注內(nèi)容。下文將結(jié)合圖中所述內(nèi)容開展詳細分析。

圖2 燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問題Fig.2 Key issues of depth peak adjustment of coal-fired boiler

2 燃煤鍋爐深度調(diào)峰研究現(xiàn)狀

2.1 燃煤鍋爐的燃燒穩(wěn)定性

1）穩(wěn)燃燃燒器

在挖掘煤粉燃燒器的低負荷穩(wěn)燃性能方面，目前形成了幾類主流的技術(shù)措施，包括強化煤粉高效濃縮及高溫煙氣回流[18-19]、優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)[20]、構(gòu)建各負荷段下接近的燃燒特性[21]，以及研究低（變）負荷下的煤粉燃燒機理[21]等。圖3給出了幾種典型電站鍋爐旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖。針對采用外層淡煤粉氣流包裹中心濃煤粉氣流的中心給粉旋流燃燒器（如圖3(a)所示），在燃用難燃低揮發(fā)分煤種時，降低負荷將推遲煤粉氣流的著火，但仍能在40%負荷附近維持穩(wěn)定燃燒，并伴隨著較小的爐內(nèi)負壓波動[22]。在強化高溫回流區(qū)促進穩(wěn)燃方面，通過設(shè)置鈍體及利用高速旋轉(zhuǎn)氣流可構(gòu)建低壓區(qū)卷吸高溫煙氣形成回流。具體可根據(jù)實際需求，構(gòu)建單一高溫回流區(qū)，或以上幾種方式的多級組合回流區(qū)，用以強化高溫煙氣回流的穩(wěn)燃效果。此外，針對煤粉燃燒器的運行參數(shù)優(yōu)化也是一種常見的促進穩(wěn)燃措施[21]。

圖3 典型電站鍋爐旋流煤粉燃燒器類型Fig.3 Typical swirl pulverized-coal burner for utility boiler

以上研究工作從燃煤鍋爐的源頭開展燃燒器穩(wěn)燃能力的提升，對提高燃煤鍋爐靈活調(diào)峰能力具有先發(fā)優(yōu)勢。

2）制粉系統(tǒng)

鍋爐低負荷運行時對于制粉系統(tǒng)，尤其是煤粉細度及均勻性指數(shù)的要求更高，構(gòu)建適應(yīng)于不同負荷需求的煤粉細度及均勻性，有利于促進煤粉及時著火穩(wěn)燃、降低飛灰可燃物含量、增強煤種適應(yīng)性，從而增強機組的調(diào)峰能力。因此，需要根據(jù)鍋爐不同負荷需求，通過對磨煤機及制粉系統(tǒng)的特性研究及優(yōu)化改造，實現(xiàn)連續(xù)、均勻、有調(diào)節(jié)地供應(yīng)質(zhì)量合格的煤粉。

在提高煤粉濃度促進穩(wěn)燃方面，通過對各根一次風(fēng)管風(fēng)速的調(diào)平及適當降低一次風(fēng)速提高煤粉濃度，可以有效提高鍋爐的低負荷穩(wěn)燃能力[14]。但實際過程中，為了實現(xiàn)對煤粉的氣力輸送，決定了一次風(fēng)速不能低于煤粉的臨界輸送速度，因此通過該種方式對煤粉濃度的提升幅度有限。通過調(diào)整動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速，可以對煤粉細度及均勻性進行有效調(diào)節(jié)，是促進低負荷下不同煤種及時著火穩(wěn)燃的一項重要措施[23]。結(jié)合燃用煙煤的低負荷穩(wěn)燃試驗表明，通過增大動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速降低煤粉細度（R90由23%降至10%），能夠降低鍋爐最低穩(wěn)燃負荷至30%[24]。通過增加350 MW機組的磨煤機運行數(shù)量（2臺增加至3臺），可以促進鍋爐30%負荷下的穩(wěn)定運行，有效避免了由于燃燒不穩(wěn)定造成的非停事故[25]。但無論是增加動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速還是增加磨煤機運行數(shù)量，都將使設(shè)備用電量增加，提高了機組低負荷運行能耗。

3）點火穩(wěn)燃系統(tǒng)

為了緩解常規(guī)投油穩(wěn)燃所產(chǎn)生的高額費用問題，研究人員設(shè)計開發(fā)了等離子體點火穩(wěn)燃[26-27]、小油槍微油助燃[28-29]及電加熱穩(wěn)燃等方式[30-31]。等離子體穩(wěn)燃的主要特點是采用等離子體槍（如圖4(a)所示），通過高溫電弧的瞬間放熱，促進煤粉快速著火及穩(wěn)燃，相對來說，安全、環(huán)保，運行費用較低，缺點是初期投資費用較高、電極壽命較短且煤質(zhì)適應(yīng)性較差，常用于燃燒高揮發(fā)分煙煤的鍋爐。微油穩(wěn)燃是使用少量油率先點燃濃煤粉氣流，而后通過自身的燃燒放熱加熱并點燃與其相鄰的煤粉氣流，如將小油槍穿過旋風(fēng)筒煤粉濃縮器并伸入濃煤粉氣流的中心，用以強化煤粉著火并引燃周圍煤粉氣流（如圖4(b)所示）。該方法具有節(jié)油及煤種適應(yīng)性強的優(yōu)勢，但長期運行中仍然會對尾部電除塵及脫硫設(shè)備產(chǎn)生一定的負面效果。中頻電加熱穩(wěn)燃是利用中頻電加熱技術(shù)實現(xiàn)煤粉氣流的快速升溫著火[30-31]。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于實驗室規(guī)模的直流煤粉燃燒器（如圖4(c)所示），實驗結(jié)果表明可以在燃燒神華煤條件下實現(xiàn)13.6%～100%寬負荷下的穩(wěn)定燃燒，該技術(shù)有待進一步在實際鍋爐進行應(yīng)用驗證[32]。

圖4 典型點火穩(wěn)燃器類型Fig.4 Typical ignition stabilizers

2.2 燃煤鍋爐運行環(huán)保性及經(jīng)濟性

1）降低污染物排放

當前，針對調(diào)峰過程中的污染物排放問題，主要聚焦于NOx和SOx減排方面。在鍋爐低負荷運行下，由于風(fēng)煤比增大，使鍋爐運行氧量偏高，容易造成NOx生成量偏高的問題[33]。通過對比前后墻對沖鍋爐和四角切圓鍋爐的運行結(jié)果得到，隨著鍋爐負荷的降低，過量空氣系數(shù)增加，燃料型NOx的增加量要遠高于熱力型NOx的減少量，使NOx生成量總體上與鍋爐負荷變化趨勢相反[34]。目前，聚焦于深度調(diào)峰對脫硫影響的研究報道較少。在常規(guī)低負荷運行情況下一般不采用投油穩(wěn)燃措施，對脫硫的影響主要體現(xiàn)在由于過量空氣系數(shù)增大，使SO3生成量有所增加，將一定程度上加劇對尾部煙道的腐蝕效果。但在極低負荷運行時，深度調(diào)峰機組還需采取投油穩(wěn)燃措施。研究表明未完全燃盡的燃油及其產(chǎn)物將與脫硫漿液產(chǎn)生一系列物化反應(yīng)，嚴重時將導(dǎo)致脫硫漿液“中毒”，影響脫硫系統(tǒng)的正常運行并降低脫硫效率[35]。

污染物的減排路徑可分為兩方面，一方面為抑制爐內(nèi)的生成，另一方面為生成后的尾部脫除。針對爐內(nèi)抑制NOx生成方面，常采用具有強穩(wěn)燃能力的低氮燃燒器、優(yōu)化爐內(nèi)分級配風(fēng)、煙氣再循環(huán)等技術(shù)手段控制爐內(nèi)的NOx生成。在尾部脫硝方面，面臨的主要問題是低負荷下SCR入口煙溫常低于催化劑的正常工作溫度窗口（通常為300～400 ℃），容易造成SCR反應(yīng)器無法正常投入，影響NOx的達標排放。為緩解這一問題，可結(jié)合對分級省煤器、省煤器煙氣旁路、省煤器水旁路、熱水再循環(huán)等的改造以提高SCR入口煙溫[36]。研究表明，通過采用鍋爐啟動技術(shù)和省煤器分級技術(shù)組合方案，可實現(xiàn)600 MW亞臨界機組的超低負荷脫硝[37]。此外，對噴氨管路進行優(yōu)化布置也是降低NOx排放的一項重要措施。在降低SOx排放及緩解尾部脫硫設(shè)備負擔方面，需要在低負荷運行下避免投油穩(wěn)燃的運行方式，采用新型穩(wěn)燃技術(shù)及優(yōu)化尾部脫硫工藝來降低SOx排放。除了NOx和SOx污染物外，顆粒物及重金屬減排也是需要關(guān)注的重要方面，需要在未來進行持續(xù)深入的研究。

2）提高機組運行經(jīng)濟性

一般情況下，采用中儲式制粉系統(tǒng)的機組，80%～90%額定負荷以上為經(jīng)濟負荷區(qū)，此時鍋爐效率最高，而配直吹式制粉系統(tǒng)的機組，經(jīng)濟負荷區(qū)可能略高于滿負荷時[38]。而隨著負荷的降低，鍋爐效率降低，機組運行經(jīng)濟性逐漸變差。以某330 MW機組低負荷運行為例，由于偏離額定工況，會引起經(jīng)濟性的下降，當負荷降到60%時，裝置效率相對降低1.3%，煤耗增加約10 g/kWh，并隨著負荷的降低，運行煤耗將進一步增加[38]。因此，需要從包括提高煤粉燃盡率、降低主要輔機廠用電率等在內(nèi)的多方面整體考慮。

爐內(nèi)氧量是影響煤粉燃盡程度的重要因素：一方面，若燃燒氧量低，雖有利于著火穩(wěn)燃，但燃燒后期風(fēng)粉混合性差，將增加燃燒不完全損失；另一方面，若提高氧量，將使爐溫降低影響燃燒穩(wěn)定性，并增加排煙損失。為緩解以上矛盾，在保證揮發(fā)分完全燃燒及煤粉氣力輸送的前提下，可適當減小一次風(fēng)量（風(fēng)壓）及降低煤粉細度、深化爐內(nèi)空氣分級燃燒、提高燃燒器入口風(fēng)粉溫度等，從而提高煤粉燃盡率。針對某機組65%MCR運行下，減小一次風(fēng)壓由100 Mbar至75 Mbar，能夠降低飛灰可燃物含量至2.7%，鍋爐效率達到87.71%[39]。在發(fā)電廠廠用電量方面，廠用電量約占機組容量的5%，其中主要輔機設(shè)備消耗的電能約占廠用電的70%～80%，因此，優(yōu)化組合主要輔機運行方式，充分挖掘低負荷運行過程時輔機的節(jié)能潛力，是非常必要的[40]。具體可通過減少磨煤機投運臺數(shù)、風(fēng)機單側(cè)運行、降低風(fēng)機能耗、受熱面定期吹灰等方面降低廠用電率[38]。其中，采用合理的輪換方式對受熱面定期吹灰，不僅可以提高受熱面吸熱能力，還可以減少煙道阻力及風(fēng)機電耗、降低尾部空預(yù)器堵灰可能性[39]。此外，采用汽輪機滑壓運行[41]，降低機組調(diào)峰過程中污染物生成及相應(yīng)處理費用，以及進行熱電解耦[42]，也是提高機組運行經(jīng)濟性的重要措施。

2.3 燃煤鍋爐主要輔機協(xié)同配合

1）鍋爐受熱面

在燃煤鍋爐深度調(diào)峰運行時，負荷的變化將加劇壁溫波動，加上給水流量偏低，使鍋爐單根水冷壁管進水均勻性下降及分配不均，容易造成局部過熱現(xiàn)象，增加了水冷壁爆管的可能性。同時，由于產(chǎn)汽量小，也將出現(xiàn)工質(zhì)偏差增大的問題，易產(chǎn)生氧化皮并加速材料老化。為緩解該問題，可通過壁溫核算、增加壁溫測點、優(yōu)化報警值、升級受熱面等措施，更加有效的監(jiān)控水冷壁超溫點，并有針對性地進行燃燒區(qū)域調(diào)整和受熱面吹灰，從而增強受熱面運行安全。

2）汽水系統(tǒng)

在快速升降負荷過程中，由于壓力的大幅變化，將使汽包工質(zhì)汽化現(xiàn)象加劇，水位波動幅度增加，難以控制。通過對汽包內(nèi)汽水工質(zhì)循環(huán)過程的簡化分析，建立了汽包水位動態(tài)模型，采用該模型計算得到燃料量與汽包壓力變化是引起汽包“虛假水位”、波動劇烈的主要原因，且在超低負荷下該問題更為嚴重[43]?？梢酝ㄟ^給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)給水量，使其適應(yīng)不同負荷下的蒸發(fā)量變化，維持汽包水位在合理的范圍內(nèi)，保證安全運行。針對水循環(huán)安全，基于350 MW機組亞臨界自然循環(huán)鍋爐建立的水冷壁流量和壁溫計算模型，計算得到深度調(diào)峰工況的水動力結(jié)果，表明深度調(diào)峰25% THA負荷下的循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率，可以滿足鍋爐安全運行，且流量和循環(huán)流速較為合理，四面墻各墻回路流量分配均勻，金屬溫度能夠滿足材料強度和抗氧化要求，但應(yīng)確保爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定、火焰充滿度好且熱負荷分布均勻，以避免個別受熱較弱的上升管發(fā)生停滯爆管[44]。

3）吹灰器及尾部除塵

基于低（變）負荷下的受熱面及主要輔機積灰形成機制，并結(jié)合實際燃煤鍋爐運行情況，評估制定鍋爐各負荷段下的吹灰策略，包括吹灰頻率、壓力、吹灰器布置位置等工作運行參數(shù)。通過監(jiān)控煙溫、壁溫、汽溫、負壓等鍋爐運行參數(shù)，以及優(yōu)化吹灰器布置及數(shù)量，確保吹灰可靠性及有效性，最大限度上降低吹灰擾動和風(fēng)險，避免塌灰等問題。

燃煤機組尾部除塵技術(shù)主要有低低溫靜電除塵技術(shù)、濕式電除塵技術(shù)、電袋負荷除塵技術(shù)等，其中，低低溫靜電除塵技術(shù)將受深度調(diào)峰過程的影響較大，這是由于深度調(diào)峰時的煙氣溫度降低，使煙氣中飛灰比電阻降低，有利于捕捉飛灰顆粒及提高除塵效率，但負荷的降低使得低溫省煤器出口溫度更低，酸性腐蝕性氣體物質(zhì)易粘結(jié)于除塵設(shè)備上，影響設(shè)備正常運行[35]。因此，需要根據(jù)實際運行需求，開展除塵設(shè)備選型及優(yōu)化改造。

2.4 燃煤鍋爐運行性能優(yōu)化調(diào)整

1）基于運行人員經(jīng)驗的優(yōu)化調(diào)整

針對燃煤鍋爐調(diào)峰性能進行優(yōu)化調(diào)整是電廠運行人員采用的常規(guī)措施[45]。具體是通過機組運行數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場實驗測試等方式，結(jié)合設(shè)備改造等技術(shù)升級，對機組性能進行優(yōu)化提升，挖掘機組的調(diào)峰能力[14]。表1給出了幾類常用的燃煤鍋爐優(yōu)化調(diào)整措施。

表1 燃煤鍋爐優(yōu)化調(diào)整常用措施Tab.1 Commonly used optimization and adjustment measures of coal-fired boilers

對于采用燃燒器對沖布置的鍋爐而言，低負荷運行下容易出現(xiàn)爐內(nèi)火焰不對稱分布現(xiàn)象，造成爐膛出口煙溫偏差及熱負荷分布不均等問題，通過優(yōu)化燃燒器運行位置及數(shù)量，可有效緩解該問題[46]。針對應(yīng)用某種旋流煤粉燃燒器鍋爐的研究表明，增大旋流葉片角度能夠強化回流區(qū)卷吸高溫煙氣的效果，使燃燒器出口區(qū)域溫度達到1 200 ℃以上，火檢信號穩(wěn)定，爐內(nèi)負壓波動降低（±100 Pa內(nèi)），有利于提升機組的低負荷穩(wěn)燃性能[47]。在挖掘機組調(diào)峰性能方面，結(jié)合減小一次風(fēng)速、增大旋流強度、提高二次風(fēng)速及降低煤粉細度，能夠?qū)崿F(xiàn)30%負荷下的穩(wěn)定燃燒[48]。此外，燃煤摻燒比例優(yōu)化、制粉系統(tǒng)優(yōu)化、爐內(nèi)氧量調(diào)整、磨煤機運行方式調(diào)整、尾部煙氣擋板開度調(diào)整、輔機啟停優(yōu)化、煤水比調(diào)節(jié)也是優(yōu)化機組深度調(diào)峰運行的常見措施[49]。以上調(diào)整中的一個重要核心內(nèi)容是對風(fēng)煤比的調(diào)節(jié)，適當?shù)娘L(fēng)煤比，不僅可以促進煤粉燃盡提高鍋爐效率，還可以降低NOx生成，以及根據(jù)負荷情況，調(diào)整爐內(nèi)火焰中心位置、著火點遠近等。

以上所述的優(yōu)化調(diào)整，其弊端主要體現(xiàn)在兩方面，一方面因受限于實際鍋爐的巨大空間尺寸，只能進行宏觀調(diào)節(jié)，另一方面該類優(yōu)化嚴重依賴于運行人員的經(jīng)驗，為了避免非停事故發(fā)生，常采用較保守的優(yōu)化調(diào)整策略，產(chǎn)生運行能耗增加等問題。

2）基于算法模型的智能優(yōu)化調(diào)整

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，燃煤鍋爐逐漸走向數(shù)字化和智能化，成為火電機組靈活調(diào)峰發(fā)展的一個重要趨勢。張振宇等[50]針對一臺330 MW機組，綜合開展現(xiàn)場設(shè)備治理、優(yōu)化負荷指令前饋函數(shù)和最小流量再循環(huán)閥控制邏輯，對機組AGC及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行分析優(yōu)化，在不投油助燃情況下，實現(xiàn)了30%額定負荷的深度調(diào)峰，并能夠適應(yīng)負荷的頻繁、快速、深度調(diào)整需求。鮑鐵軍等[51]在機組燃燒優(yōu)化與機爐協(xié)調(diào)控制方面，采用先進控制技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，對440 t/h的CFB鍋爐進行燃燒參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了深度調(diào)峰時的CCS控制，使鍋爐煤耗降低1%，同時減輕了運行人員勞動強度。王立等[52]通過在控制器中加入入口煙溫低于300 ℃時閉鎖減鍋爐負荷的邏輯，并結(jié)合脫硝系統(tǒng)入口NOx排放濃度調(diào)節(jié)，用于實現(xiàn)最優(yōu)負荷運行。

圖5給出了一種根據(jù)核函數(shù)及尋優(yōu)得到的模型參數(shù)結(jié)果建立的NOx排放量預(yù)測模型，能夠?qū)Φ停ㄗ儯┴摵蛇\行下的NOx排放濃度進行預(yù)測，從而有針對性地進行優(yōu)化調(diào)控[53]。目前基于算法模型的智能優(yōu)化，往往多基于數(shù)據(jù)和算法模型，能夠一定程度上預(yù)測并指導(dǎo)機組運行，但由于缺乏爐內(nèi)多相流動、燃燒及傳熱機理的理論模型支撐，實際應(yīng)用過程中存在預(yù)測精度不足的問題，而基于機理模型的智能優(yōu)化將有助于提高優(yōu)化調(diào)控精度及可靠性。因此，應(yīng)以相關(guān)機理模型為基礎(chǔ)，耦合人工智能優(yōu)化方法來指導(dǎo)機組的調(diào)峰運行，從而提高智能優(yōu)化的準確度。目前，基于機理模型的智能優(yōu)化已成為能源及控制交叉領(lǐng)域的研究熱點，但相關(guān)研究及報道較少[54]，有待后續(xù)的持續(xù)深入研究。

圖5 參數(shù)優(yōu)化和模型建立流程圖Fig.5 Flow chart of parameter optimization and model establishment

2.5 熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電解耦

1）儲熱罐技術(shù)

儲熱罐技術(shù)是利用水或者熔鹽的顯熱將熱量存儲到儲熱罐內(nèi)。對于供熱量大的熱電機組，可考慮安裝大型儲熱裝置，當熱電機組降低出力時，輸出熱量補齊熱力缺額，當熱電機組增加出力時，儲存富裕熱量，實現(xiàn)“熱電解耦”運行。圖6給出了一種典型儲熱罐進行調(diào)峰的布置工藝圖。在該技術(shù)中，儲熱的供熱功率、儲熱的熱容量、機組供熱能力與熱負荷的比值是影響其調(diào)峰幅度的重要因素[42]。目前，儲熱罐技術(shù)已在國內(nèi)外一些企業(yè)得到了成功應(yīng)用，如丹麥的Fyn電站，配置的熱水箱可存儲13 500 GJ的熱能，占電站滿負荷供熱功率的70%以上。

圖6 采用儲熱罐進行調(diào)峰的布置工藝圖Fig.6 Process drawing of heat storage tank system

此外，也可以將儲熱罐技術(shù)與電鍋爐技術(shù)進行結(jié)合，形成儲熱電鍋爐，使設(shè)備更加集成化，拓寬其應(yīng)用場景。針對某熱電廠熱網(wǎng)的研究表明，通過經(jīng)濟性分析和儲熱電鍋爐裝機容量優(yōu)化，可以滿足采暖期供熱需求，并實現(xiàn)經(jīng)濟收益最大化[55]。目前，儲熱罐及儲熱電鍋爐技術(shù)的熱經(jīng)濟性較好，但投資改造成本相對較高，占地面積也較大，是限制其大范圍推廣的主要因素。

2）汽輪機旁路補償供熱技術(shù)

旁路供熱技術(shù)是在機組調(diào)峰時，將鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽經(jīng)由旁路系統(tǒng)減溫減壓后直接向用戶供熱，也就是減少輸入到汽輪機中的供汽量以降低發(fā)電功率接納新能源。針對熱電機組通過旁路運行進行靈活調(diào)峰的理論研究表明，對于大型機組而言，采用旁路供暖運行方式接納風(fēng)電具有一定的經(jīng)濟可行性[56]。

就投資成本而言，熱電機組一般都安裝有旁路系統(tǒng)，因此，該方案可就地利用現(xiàn)有旁路系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，整體成本低。不足之處在于使用旁路供熱必然造成一定的熱效率損失，包括減溫減壓熱損失等，同時，頻繁使用旁路補償供熱，也可能會對管路壽命造成影響。此外，同類型的切除低壓缸供熱技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的熱經(jīng)濟性，但目前的應(yīng)用業(yè)績較少，安全性還有待進一步驗證。

3 燃煤鍋爐深度調(diào)峰技術(shù)展望

3.1 持續(xù)挖掘燃煤鍋爐深度調(diào)峰潛能

目前，針對燃煤鍋爐的深度調(diào)峰需求，在低負荷穩(wěn)燃、機組運行效率提升、污染物減排及安全穩(wěn)定運行等方面，均取得了較為豐富的研究成果及運行經(jīng)驗，但尚存在較大提升空間，仍需進一步挖掘燃煤機組在最低穩(wěn)燃負荷、快速啟停、提高變負荷速率及降低NOx排放等方面的潛力。

對于今后的研究重點，燃燒系統(tǒng)、輔機設(shè)備[23]、運行系統(tǒng)[57]、耐高溫腐蝕的優(yōu)質(zhì)材料仍然是需要持續(xù)關(guān)注的核心內(nèi)容，并同時結(jié)合精細化優(yōu)化控制技術(shù)，提升機組的調(diào)峰能力。此外，除了聚焦于燃煤鍋爐自身外，可積極探索燃煤鍋爐與其他類型技術(shù)間的耦合效果，如結(jié)合固體燃料氣化技術(shù)與燃煤鍋爐提升低負荷穩(wěn)燃能力、熱電解耦技術(shù)促進電力調(diào)峰、儲熱技術(shù)進行能源消納等。

3.2 深化機組智能調(diào)峰及電力調(diào)度

在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，基于算法預(yù)測模型，對燃煤機組的調(diào)峰過程進行演算和預(yù)測，是深化燃煤機組智能調(diào)峰的一項重要研發(fā)形式[58]。同時，需要以節(jié)能環(huán)保低碳為目標，制定科學(xué)可行的電力系統(tǒng)調(diào)度原則和具體措施，確定各類機組的發(fā)電優(yōu)先序位、機組調(diào)峰及輪停序位等。在推進節(jié)能低碳電力調(diào)度的同時，加強對新能源發(fā)電功率的預(yù)測，發(fā)揮電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線調(diào)劑作用，在提高可再生能源消納的同時，減少能源、資源消耗及污染物排放。

3.3 建立健全國家及地方政策激勵

由于燃煤鍋爐深度調(diào)峰的整體經(jīng)濟效益并不恒定，呈波動性變化，因此，合理的燃煤機組調(diào)峰價格和價格補償是推動燃煤鍋爐靈活調(diào)峰的重要基礎(chǔ)[59]。為了激勵燃煤機組積極參與調(diào)峰，提升系統(tǒng)調(diào)峰能力，需要在燃煤機組分段調(diào)峰成本模型和市場參考定價模型的基礎(chǔ)上，國家及各地區(qū)不斷建立健全靈活調(diào)峰下的污染物排放政策、調(diào)峰輔助補償機制，優(yōu)化推廣發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)峰谷電價方案，整合系統(tǒng)運行、市場交易和用戶數(shù)據(jù)，提高負荷側(cè)大數(shù)據(jù)分析及響應(yīng)能力，引導(dǎo)用戶錯峰用電。

4 結(jié)論

本文分別從低（變）負荷運行下的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保性和經(jīng)濟性、主要輔機適應(yīng)性和安全性及熱電機組的熱電解耦四個方面出發(fā)，對目前的主要研究內(nèi)容及進展進行分析總結(jié)。得出結(jié)論如下：

1）煤粉鍋爐低（變）負荷下所關(guān)心的環(huán)保性、經(jīng)濟性及主要輔機適應(yīng)性，都必須建立在機組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上。因此，燃燒不穩(wěn)定性及受熱面安全是機組調(diào)峰過程中的首要問題；

2）靈活調(diào)峰需要從燃煤鍋爐的全系統(tǒng)流程出發(fā)，進行主要輔機運行狀態(tài)評估、系統(tǒng)運行性能優(yōu)化、系統(tǒng)智慧運行及優(yōu)化控制能力提升，從而提高燃煤鍋爐在低負荷運行、快速啟停及升降負荷過程中運行的穩(wěn)定性、環(huán)保性及經(jīng)濟性；

3）燃煤鍋爐調(diào)峰過程中的諸多因素對機組運行穩(wěn)定性、環(huán)保性及經(jīng)濟性的影響并非各自獨立的，而是存在各因素間的相互關(guān)聯(lián)及耦合。因此，需要從全局考慮，進行綜合評估，首先抓住主要影響因素開展研究，如煤粉燃燒器、水動力系統(tǒng)、尾部出口煙溫等，并同時輔助其他方面的優(yōu)化改進。