某330 MW燃用貧煤機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)研究

曹保生，王 興

（1.國(guó)能榆次熱電有限公司，山西 榆次 030600；2.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023）

0 引言

隨著新能源發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加以及負(fù)荷側(cè)用電結(jié)構(gòu)的變化，電網(wǎng)峰谷差逐漸增大，電網(wǎng)調(diào)峰需求越來(lái)越大，火電機(jī)組參與深度調(diào)峰已迫在眉睫。為了提高機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)能力，越來(lái)越多的火電機(jī)組都參與到電網(wǎng)深度調(diào)峰中，甚至不少600 MW、1 000 MW機(jī)組也在積極探索參與深度調(diào)峰[1]。某660 MW超超臨界機(jī)組，通過(guò)制粉系統(tǒng)優(yōu)化和燃燒調(diào)整，并進(jìn)行了相應(yīng)的配風(fēng)燃燒調(diào)整，在無(wú)設(shè)備改造的前提下，實(shí)現(xiàn)了鍋爐無(wú)助燃方式下22.7%額定負(fù)荷穩(wěn)定燃燒并調(diào)峰的目標(biāo)[2]。某660 MW超臨界燃煤機(jī)組[3]，通過(guò)開(kāi)展深度調(diào)峰試驗(yàn)研究，綜合考慮鍋爐的最低斷油穩(wěn)燃負(fù)荷、干濕態(tài)轉(zhuǎn)換負(fù)荷點(diǎn)和選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）脫硝裝置退出的負(fù)荷，確定機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷的下限值約為220 MW，并得出機(jī)組負(fù)荷低于50%時(shí)，供電煤耗增加16~25 g/（kW·h）的結(jié)論。

上述實(shí)踐表明，許多600 MW級(jí)火電機(jī)組通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行、精細(xì)化調(diào)整具備了30%額定負(fù)荷下深度調(diào)峰的能力。但是在300 MW等級(jí)機(jī)組中，尤其是燃用貧煤并采用四角切圓燃燒方式的30%負(fù)荷以下深度調(diào)峰鮮見(jiàn)成功案例。本文以某燃用貧煤的330 MW燃煤機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)為例，對(duì)機(jī)組深度調(diào)峰能力進(jìn)行了研究，并對(duì)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，可為同類型機(jī)組參與深度調(diào)峰提供借鑒。

1 設(shè)備概述

本次深度調(diào)峰試驗(yàn)鍋爐為東方鍋爐股份有限公司制造的亞臨界空冷燃煤機(jī)組，鍋爐型號(hào)為DG1164/17.5-Ⅱ12，燃煤汽包鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 164 t/h，中間一次再熱、自然循環(huán)，爐膛為單爐膛∏型布置，燃燒方式為四角切圓燃燒，尾部雙煙道，采用風(fēng)冷固態(tài)干式連續(xù)排渣，平衡通風(fēng)，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。制粉系統(tǒng)為鋼球磨雙進(jìn)雙出冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，磨煤機(jī)共3臺(tái)，不設(shè)備用?？疹A(yù)器形式為三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器，除塵器為靜電除塵器。鍋爐帶基本負(fù)荷，也可以調(diào)峰，鍋爐采用定壓運(yùn)行，也可采用定—滑—定運(yùn)行方式。鍋爐原設(shè)計(jì)不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷為40%額定負(fù)荷。設(shè)計(jì)煤種與試驗(yàn)煤種對(duì)比如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)煤種與試驗(yàn)煤種對(duì)比

2 深度調(diào)峰試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[4]對(duì)74家發(fā)電公司制約機(jī)組深度調(diào)峰能力的因素開(kāi)展了相關(guān)研究，結(jié)果表明低負(fù)荷下74.3%的主要瓶頸問(wèn)題為鍋爐穩(wěn)燃問(wèn)題，64.9%的主要瓶頸問(wèn)題為SCR入口煙氣溫度無(wú)法達(dá)到脫硝催化劑的要求，51.3%的主要問(wèn)題是無(wú)法滿足供熱需求，36.5%的主要問(wèn)題是自動(dòng)發(fā)電量控制系統(tǒng)無(wú)法投運(yùn)。這說(shuō)明制約現(xiàn)役機(jī)組鍋爐側(cè)深度調(diào)峰能力的主要因素是鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和低負(fù)荷脫硝運(yùn)行溫度低于允許運(yùn)行溫度兩個(gè)突出問(wèn)題。

本試驗(yàn)鍋爐設(shè)計(jì)燃用煤種為貧煤，貧煤的著火和燃燼特性較差，深度調(diào)峰試驗(yàn)除考慮低負(fù)荷脫硝投運(yùn)問(wèn)題外，還需重點(diǎn)考慮鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。本次試驗(yàn)，鍋爐實(shí)際燃用煤著火和穩(wěn)燃特性較差，其中干燥無(wú)灰基揮發(fā)分僅有18.85%，而收到基灰分高達(dá)42.19%，進(jìn)一步增加了鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒的難度[5]。

2.1 低負(fù)荷穩(wěn)燃能力試驗(yàn)研究

2.1.1 燃燒器改造分析

本鍋爐采用四角布置、切向燃燒，每角燃燒器共布置17層噴口，其中6層一次風(fēng)噴口，一次風(fēng)噴口四周均布置有周界風(fēng)，燃燒器噴口適當(dāng)擺動(dòng)可以改變火焰中心的位置，可進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整。在一次風(fēng)噴口上、下布置二次風(fēng)噴口，共7層。爐膛上部布置4層分離燃燼風(fēng)SOFA（separate over fire air）噴口。2018年為解決鍋爐爐膛結(jié)焦、減溫水量大等問(wèn)題，完成了燃燒器改造。將原來(lái)B、C、D、E、F這5層垂直濃淡燃燒器改造為水平濃淡低氮強(qiáng)卷吸煤粉燃燒器，將AA、AB、BC、CD、DE、EF、FF層共28支燃燒器二次風(fēng)噴口進(jìn)行調(diào)整切圓方向優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中一次風(fēng)切圓保持原有直徑790 mm不變，二次風(fēng)切圓直徑重新設(shè)計(jì)為1 381 mm。

貧煤由于揮發(fā)分較低，具有難著火和難燃燼的特點(diǎn)，為保證在低氧條件下煤粉氣流在著火初期的穩(wěn)定著火，改造中一次風(fēng)噴嘴采用強(qiáng)回流燃燒器，該燃燒器鈍體由水平鈍體和濃淡分隔板組成，水平鈍體布置在噴口前端，作用是使煤粉氣流經(jīng)過(guò)后形成負(fù)壓渦流區(qū)，卷吸爐內(nèi)高溫?zé)煔饧訜崦悍?，從而使煤粉在缺氧環(huán)境中提前著火。濃淡分隔板貫穿整個(gè)噴口，它的作用是使在噴管內(nèi)形成的濃淡兩股煤粉氣流保持濃淡一直進(jìn)到爐膛，確保爐內(nèi)水平濃淡的低氮燃燒。

上述改造在一定程度上改善了鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。本次鍋爐深度調(diào)峰試驗(yàn)就是為了驗(yàn)證機(jī)組是否具備30%鍋爐最大連續(xù)出力BMCR（boiler maximum continuous rating）以下的調(diào)峰能力。

2.1.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作及注意事項(xiàng)

深度調(diào)峰試驗(yàn)前需保證各主、輔系統(tǒng)運(yùn)行正常，鍋爐本體、輔機(jī)設(shè)備無(wú)影響本試驗(yàn)正常進(jìn)行的缺陷。正式試驗(yàn)前應(yīng)完成制粉系統(tǒng)調(diào)整及鍋爐燃燒初調(diào)整試驗(yàn)，測(cè)試A、B磨煤機(jī)煤粉細(xì)度。根據(jù)本鍋爐實(shí)際燃用煤質(zhì)特性，要求煤粉細(xì)度R90≤12%。制粉系統(tǒng)保證磨煤機(jī)回粉管鎖氣器動(dòng)作靈活，消防系統(tǒng)可靠備用。

試驗(yàn)前完成鍋爐本體吹灰1次、A層燃燒器微油點(diǎn)火裝置試驗(yàn)正常，具備隨時(shí)投入條件。爐底干排渣系統(tǒng)各人孔、檢查孔封閉嚴(yán)密不漏風(fēng)，渣井觀察孔、攝像頭觀察孔玻璃安裝完好，不漏風(fēng)。試驗(yàn)中應(yīng)維持鍋爐爐膛壓力波動(dòng)不大，燃燒穩(wěn)定，火焰檢測(cè)信號(hào)正常。

深度調(diào)峰試驗(yàn)降負(fù)荷期間，要加強(qiáng)各層燃燒器火檢信號(hào)檢查，當(dāng)同層燃燒器出現(xiàn)2個(gè)以上火檢信號(hào)擺動(dòng)或者爐膛負(fù)壓波動(dòng)超過(guò)±200 Pa時(shí)，應(yīng)停止繼續(xù)減負(fù)荷。調(diào)整過(guò)程中當(dāng)主、再熱汽溫低于510℃暫停試驗(yàn)，待汽溫平穩(wěn)后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.3 低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒試驗(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始后，機(jī)組逐漸降負(fù)荷到165 MW，此時(shí)分別投運(yùn)A、B、C、D這4層燃燒器。調(diào)整二次風(fēng)擋板開(kāi)度，AA層、CD層保持開(kāi)度50%，投運(yùn)的燃燒器層二次風(fēng)擋板保持40%開(kāi)度，周界風(fēng)開(kāi)度保持30%。關(guān)閉2層SOFA，保持爐膛與二次風(fēng)箱差壓不低于0.3 kPa。進(jìn)一步降低機(jī)組負(fù)荷到135 MW時(shí)，停運(yùn)D層燃燒器，調(diào)整鍋爐主要參數(shù)并使其穩(wěn)定，調(diào)整過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注汽包水位，通過(guò)尾部煙道擋板開(kāi)度，調(diào)整主、再熱汽溫保持在合理范圍內(nèi)。機(jī)組進(jìn)一步降負(fù)荷到115 MW時(shí)，送風(fēng)機(jī)切換到手動(dòng)，風(fēng)量逐漸減至最低，一次風(fēng)機(jī)退出自動(dòng)，風(fēng)壓逐漸降低至6 kPa。隨著負(fù)荷進(jìn)一步降低，通過(guò)關(guān)小A磨煤機(jī)容量風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度，降低A、B這2層燃燒器的出力，停運(yùn)C層2支燃燒器，直至機(jī)組負(fù)荷降低到89 MW（27%BMCR），總給煤量48 t/h，調(diào)整各參數(shù)并使其穩(wěn)定，考察鍋爐的穩(wěn)燃能力。

機(jī)組在89 MW工況下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，火檢信號(hào)強(qiáng)度正常無(wú)閃爍。現(xiàn)場(chǎng)就地通過(guò)觀火孔觀測(cè)爐內(nèi)著火情況，發(fā)現(xiàn)火焰較為明亮，爐內(nèi)火焰充滿度較好，煤粉氣流著火和燃燒較為穩(wěn)定。整個(gè)低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)，機(jī)組在89 MW工況下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行8 h，機(jī)組主、再熱蒸汽溫度可以控制在正常范圍，深度調(diào)峰試驗(yàn)期間主蒸汽溫度能夠控制在515~535℃之間，再熱蒸汽溫度可控制在513~536℃之間，主、再熱蒸汽溫度均能穩(wěn)定在535℃左右正常運(yùn)行。另外，整個(gè)深度調(diào)峰試驗(yàn)期間，各主要受熱面未見(jiàn)明顯的超溫情況。

2.2 脫硝系統(tǒng)寬負(fù)荷運(yùn)行特性

隨著鍋爐負(fù)荷的降低，省煤器出口煙氣溫度逐漸降低，當(dāng)煙氣溫度減低到一定程度，脫硝系統(tǒng)將無(wú)法正常投運(yùn)。本機(jī)組脫硝噴氨最低運(yùn)行溫度為305℃。本鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)和校核煤質(zhì)中省煤器出口煙氣溫度如圖1所示。

圖1 不同負(fù)荷省煤器出口煙氣溫度分布圖

由圖1可知，本鍋爐40%BMCR到100%BMCR工況之間，省煤器出口煙氣溫度設(shè)計(jì)值在345~389℃之間，能夠滿足脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求。但本鍋爐設(shè)計(jì)最低穩(wěn)燃負(fù)荷為40%BMCR，熱力計(jì)算書中未見(jiàn)30%BMCR工況下省煤器出口煙氣溫度值。

本試驗(yàn)鍋爐采用四角切圓燃燒方式，燃燒器可上下擺動(dòng)±30°，通過(guò)燃燒器擺角的上下擺動(dòng)，可調(diào)整爐內(nèi)燃燒中心的位置，進(jìn)而調(diào)整省煤器出口煙氣溫度。另外，本試驗(yàn)鍋爐尾部煙道分為前后布置的雙煙道，前煙道布置低溫再熱器，后煙道分別布置了低溫過(guò)熱器和省煤器。通過(guò)調(diào)整前、后煙道擋板開(kāi)度，調(diào)整流經(jīng)過(guò)前后煙道的煙氣流量，即可起到調(diào)節(jié)再熱汽溫的作用，同時(shí)對(duì)脫硝進(jìn)口煙氣溫度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

本鍋爐不同負(fù)荷下省煤器出口煙氣溫度相對(duì)較高，鍋爐深度調(diào)峰試驗(yàn)過(guò)程中，隨著負(fù)荷的降低，省煤器出口煙氣溫度有所降低，但降低幅度有限。89 MW工況深度調(diào)峰試驗(yàn)期間，A側(cè)脫硝裝置進(jìn)口煙氣溫度在306~332℃之間，B側(cè)脫硝裝置進(jìn)口煙氣溫度在309~340℃之間，均能滿足脫硝對(duì)系統(tǒng)正常投運(yùn)的條件要求。采取的措施主要有：一是盡量降低單支燃燒器功率，以提高燃燒器投運(yùn)數(shù)量；二是隨著負(fù)荷的降低，將側(cè)煙氣擋板全開(kāi)，關(guān)小低溫過(guò)熱器側(cè)煙氣擋板至5%，以降低流經(jīng)省煤器的煙氣量，從而降低省煤器的吸熱量，提高煙氣溫度；三是根據(jù)左右側(cè)汽溫偏差情況，可適當(dāng)將燃燒器擺角上擺；四是將主汽壓力控制在對(duì)應(yīng)滑壓曲線范圍內(nèi)下限，以提高汽輪機(jī)高壓缸排汽溫度（即低溫再熱器入口溫度）。

3 存在的問(wèn)題分析

通過(guò)本鍋爐深度調(diào)峰試驗(yàn)可知，在無(wú)須開(kāi)展較大技術(shù)改造的前提下，本鍋爐在89 MW工況下能夠穩(wěn)定燃燒。通過(guò)精細(xì)化調(diào)整，機(jī)組主、再熱蒸汽溫度均能保持在正常范圍，機(jī)組能夠長(zhǎng)時(shí)間保持低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。但在深度調(diào)峰試驗(yàn)期間，鍋爐輔機(jī)和制粉系統(tǒng)也暴露出一些問(wèn)題和安全隱患[6]，若不加以重視，可能會(huì)對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的隱患，以下進(jìn)行必要的分析和討論。

3.1 制粉系統(tǒng)下限出力

本鍋爐制粉系統(tǒng)采用3套雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，為了保證鍋爐運(yùn)行的可靠性，最低需投運(yùn)A、B這2臺(tái)磨煤機(jī)。其中A磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)A、B下2層燃燒器，B磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)C、D 2層燃燒器，A層燃燒器配有微油助燃裝置。低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，為了保證鍋爐著火的穩(wěn)定性，需保持A、B這2層燃燒器出力相對(duì)較大。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低到89 MW工況時(shí)，A磨煤機(jī)出力維持在38 t/h左右，B磨煤機(jī)出力僅為10 t/h左右。為了控制鍋爐燃煤器與鍋爐蒸發(fā)量相匹配，B磨煤機(jī)僅投運(yùn)C層2支燃燒器。給煤量降低后，磨煤機(jī)的通風(fēng)量難以同步降低，B磨降出力較為困難。

3.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性降低

鍋爐深度調(diào)峰期間，為了保證機(jī)組運(yùn)行的可靠性，一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)均為2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，限于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的開(kāi)度幾乎已關(guān)至最小，但鍋爐運(yùn)行氧量依然達(dá)到13.5%。本文研究對(duì)象，在深度調(diào)峰至89 MW工況時(shí)，送風(fēng)機(jī)開(kāi)度已經(jīng)降低到極限，A、B兩側(cè)送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉全關(guān)。送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度過(guò)小，風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振和失速的風(fēng)險(xiǎn)增加。若機(jī)組長(zhǎng)期在低負(fù)荷下運(yùn)行，考慮到風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性，可以考慮單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可行性[7]，甚至進(jìn)行縮小容量改造。

3.3 給水泵再循環(huán)頻繁開(kāi)啟的問(wèn)題

隨著鍋爐負(fù)荷的降低，所需的給水流量降低，當(dāng)給水流量降低到350 t/h時(shí)，為了匹配給水流量和給水泵出力之間的關(guān)系，需開(kāi)啟給水泵的再循環(huán)門。在深度調(diào)峰和機(jī)組負(fù)荷變化過(guò)程中，給水泵再循環(huán)閥可能存在頻繁開(kāi)、閉現(xiàn)象，造成給水流量大幅波動(dòng)從而影響汽包水位的穩(wěn)定性，進(jìn)一步影響鍋爐運(yùn)行的安全性。本試驗(yàn)過(guò)程中采取了將再循環(huán)閥全部手動(dòng)開(kāi)啟的方式。

3.4 風(fēng)箱差壓低引起燃燒波動(dòng)

隨著鍋爐負(fù)荷的降低，所需風(fēng)量逐漸降低，二次風(fēng)風(fēng)箱壓力隨之降低。深度調(diào)峰期間，若二次風(fēng)門開(kāi)度過(guò)大，將引起二次風(fēng)風(fēng)箱差壓過(guò)低，造成燃燒不穩(wěn)定，火檢信號(hào)閃爍。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)關(guān)小二次風(fēng)門開(kāi)度，并關(guān)閉2層SOFA風(fēng)，保持風(fēng)箱差壓達(dá)到0.3 kPa以上，可以明顯改善燃燒的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論及建議

燃用貧煤及劣質(zhì)煙煤鍋爐，低負(fù)荷工況下穩(wěn)定燃燒能力較差，限制了其深度調(diào)峰能力。通過(guò)燃燒器投運(yùn)層數(shù)、投運(yùn)方式、二次風(fēng)風(fēng)箱差壓、尾部雙煙道擋板開(kāi)度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)了27%額定負(fù)荷機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，為同類型機(jī)組參與深度調(diào)峰提供了一定的借鑒。同時(shí)，通過(guò)深度調(diào)峰試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)制粉系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)等重要輔機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，也存在一定的安全隱患，下一步長(zhǎng)周期參與深度調(diào)峰時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注上述設(shè)備運(yùn)行的可靠性。