680 MW超臨界機組深度調(diào)峰技術(shù)實踐研究

戚鵬

（大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266500）

0 引言

“3060”碳排放戰(zhàn)略的提出為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向，以風(fēng)電、光伏為代表的清潔能源進入快速發(fā)展期。為滿足日益增加的可再生能源消納需求，我國政府從頂層設(shè)計上提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［1］。因可再生能源發(fā)電具有間歇性和波動性，提升系統(tǒng)的靈活性成為電力行業(yè)未來發(fā)展要解決的核心問題。從技術(shù)上講，電網(wǎng)互聯(lián)互濟、煤電機組靈活性調(diào)峰、燃氣輪機發(fā)電、抽水蓄能、需求側(cè)響應(yīng)、電化學(xué)儲能等都是提升電力系統(tǒng)靈活性的重要措施。但受建設(shè)條件、成本、周期、技術(shù)成熟度等多方面因素的制約，燃氣發(fā)電、抽水蓄能以及其他新型儲能的比例合計不超過5%，并且在短時間內(nèi)很難提升。鑒于我國電源結(jié)構(gòu)特點，主力電源燃煤機組進行深度調(diào)峰，是目前提升電網(wǎng)靈活性的最現(xiàn)實選擇。

除供熱機組需考慮的熱電解耦問題外，煤電機組參與深度調(diào)峰主要需解決鍋爐側(cè)的技術(shù)難題，包括低負荷穩(wěn)燃、寬負荷脫硝、主輔機低負荷適應(yīng)性以及運行方式經(jīng)濟性等。近幾年，國內(nèi)的專家學(xué)者、工程技術(shù)人員在此方面開展了大量實踐研究，積累了一定經(jīng)驗。王茂貴等［2］在浙江省61 臺300 MW 以上統(tǒng)調(diào)燃煤機組上完成40%額定功率的深度調(diào)峰試驗，指出了機組深度調(diào)峰過程中需解決的各項問題。劉文勝等［3］在600 MW 亞臨界鍋爐上開展了30%額定負荷的深度調(diào)峰試驗，并圍繞30%～40%額定容量深度調(diào)峰動態(tài)過程進行了研究。張廣才等［4］通過精細化的燃燒調(diào)整成功在1 臺燃用煙煤的600 MW 對沖鍋爐上實現(xiàn)了20%額定負荷的深度調(diào)峰試驗。劉沛奇等［5］對華電3臺600 MW級燃煤機組寬負荷脫硝改造方案進行論證，深度剖析了省煤器分級、高溫?zé)煔馀月?、省煤器流量置換等幾種改造路線的優(yōu)缺點。高林等［6］全面分析了火電機組深度調(diào)峰在熱工控制各方面的局限，給出了控制系統(tǒng)改造的潛在技術(shù)方案。趙晴川等［7］結(jié)合山東境內(nèi)參與啟停調(diào)峰及深度調(diào)峰的14 臺不同容量和類型的燃煤機組運行情況，分析總結(jié)了調(diào)峰對機組安全性的影響。趙紫原等［8］采訪的多位業(yè)內(nèi)專家都普遍反映燃煤機組頻繁深度調(diào)峰存在較大設(shè)備隱患。趙斌等［9］對某600 MW 超臨界機組深度調(diào)峰運行經(jīng)濟性進行分析，發(fā)現(xiàn)機組由40%負荷繼續(xù)向下深度調(diào)峰時，汽機熱耗率大幅增加，機組熱經(jīng)濟性顯著變差。盡管取得如此多的成果，但目前行業(yè)內(nèi)在指導(dǎo)火電機組靈活性調(diào)峰工作方面尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)路線，各火電企業(yè)面對深度調(diào)峰的應(yīng)對策略短期也難以統(tǒng)一。而針對機組深度調(diào)峰遇到的一些實際問題，公開報道中也很難找到可直接利用的解決方案。

截止到2020 年末，山東省境內(nèi)電力裝機共計15 560 萬kW，其中煤電、風(fēng)電、光伏發(fā)電分別為10 305萬kW、1 795萬kW、2 273萬kW。隨外電入魯政策持續(xù)推進及新能源裝機容量的快速增加，山東境內(nèi)火電機組頻繁參與調(diào)峰已成為常態(tài)。以某680 MW超臨界機組為例，詳細闡述機組為實現(xiàn)30%負荷常態(tài)化深度調(diào)峰運行所開展工作，分享技術(shù)經(jīng)驗，以期為同類機組開展深度調(diào)峰工作提供參考。

1 設(shè)備概述

某電廠三期2×680 MW 機組鍋爐型號SG-2102/25.4-M953，是上海鍋爐廠制造的超臨界壓力變壓運行螺旋管圈直流爐，為單爐膛、一次中間再熱、固態(tài)排渣、全鋼懸吊Π 型鍋爐。鍋爐前部為爐膛，爐膛寬度18 816 mm、深度18 144 mm，爐膛上部布置分隔屏過熱器和后屏過熱器，水平煙道布置末級再熱器和末級過熱器，尾部豎井布置有低溫再熱器和省煤器，尾部豎井下方布置有2 臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。鍋爐設(shè)計燃用煤種為兗州煙煤，采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，配6 臺ZGM113G 型中速磨煤機。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，配低NOx同軸燃燒系統(tǒng)，采用等離子無油點火方式啟動，設(shè)計最低穩(wěn)燃負荷30%BMCR。鍋爐采用大氣擴容式啟動系統(tǒng)，設(shè)計啟動流量630 t/h。鍋爐采用平衡通風(fēng)方式，配2 臺PAF18-13.3-2 型動葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機、2 臺FAF26.6-12.5-l 型動葉可調(diào)軸流送風(fēng)機和2臺HA46236-8Z型靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機。

2 機組深度調(diào)峰適應(yīng)性改造

為實現(xiàn)機組30%負荷常態(tài)化深度調(diào)峰可靠運行目標(biāo)，近些年現(xiàn)場陸續(xù)開展過一些設(shè)備改造，基本解決設(shè)備方面存在的問題。

2.1 提升鍋爐低負荷穩(wěn)燃能力改造

煤粉鍋爐依靠射流的卷吸組織爐內(nèi)燃燒，鍋爐的低負荷穩(wěn)燃能力與其燃煤特性、爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器性能等因素有關(guān)。多個現(xiàn)場的試驗表明：燃用優(yōu)質(zhì)煙煤的四角切圓鍋爐在不進行任何改造的條件下，具備30%負荷不投油穩(wěn)燃能力?？紤]應(yīng)對一些突發(fā)情況、擴展鍋爐低負荷的運行方式，將鍋爐的B 層燃燒器也改造成等離子點火燃燒器，基本解決了鍋爐低負荷穩(wěn)燃方面問題。理論上講，依靠助燃設(shè)備，鍋爐可實現(xiàn)任意負荷下的穩(wěn)燃［10］。

2.2 全負荷脫硝改造

鍋爐采用選擇性催化還原法脫硝工藝，脫硝所用催化劑為釩鈦基催化劑，設(shè)計運行溫度區(qū)間305～410 ℃，最低投入溫度290 ℃。由于脫硝催化劑自身的毛細微孔結(jié)構(gòu)，在低于其最低連續(xù)運行噴氨溫度下，存在催化劑硫酸氫銨中毒的風(fēng)險［11］。實際運行中，當(dāng)鍋爐負荷低于60%時，脫硝入口煙溫即已低于投入溫度下限，存在較大設(shè)備隱患?？紤]行業(yè)政策深度，項目確定的改造目標(biāo)為脫硝并網(wǎng)即投，即實現(xiàn)全負荷脫硝。為實現(xiàn)此目標(biāo)，對省煤器分級、省煤器流量置換、高溫?zé)煔馀月啡N改造技術(shù)路線進行論證，并最終確定采用“省煤器分級+高溫?zé)煔馀月贰钡慕M合改造路線，即先通過40%的省煤器受熱面分級實現(xiàn)脫硝入口煙溫的永久提升；無法滿足要求時，則再通過高溫?zé)煔馀月返耐度雭磉M一步提升脫硝入口煙溫。與其他方案相比，該路線充分汲取兩種路線的優(yōu)點，既保證了高負荷段的鍋爐效率，又保證了低負荷段的煙溫調(diào)節(jié)能力?；谏鲜雎肪€設(shè)計的改造方案已在現(xiàn)場2臺機組上實施，圖1所示為改造后機組啟動初期脫硝入口煙溫變化曲線。由圖1可見，各負荷下脫硝入口煙溫均超過290 ℃，滿足脫硝并網(wǎng)即投的改造目標(biāo)。

圖1 機組啟動初期脫硝入口煙溫變化

2.3 靜葉調(diào)節(jié)引風(fēng)機加裝煙氣再循環(huán)管路改造

軸流風(fēng)機的失速特性是由風(fēng)機的葉型等特性決定的，葉片的沖角隨流量的減少而增大，當(dāng)沖角增大至超過臨界值后，葉背的流動邊界層受到破壞，尾部會出現(xiàn)渦流區(qū)，產(chǎn)生所謂的“失速”現(xiàn)象，此時作用于葉片的壓力大幅降低，阻力大幅度增加。與動葉調(diào)節(jié)風(fēng)機的原理不同，靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機是依靠可調(diào)的前導(dǎo)葉使煙氣在進入葉輪前產(chǎn)生負預(yù)旋，較容易發(fā)生低負荷的失速問題。在實際深度調(diào)峰過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的靜葉調(diào)節(jié)引風(fēng)機在低負荷下存在喘振搶風(fēng)現(xiàn)象。結(jié)合風(fēng)機特性曲線，30%負荷下引風(fēng)機的運行工況點已基本處于失速線的邊緣，稍有波動確有較大風(fēng)險進入失速區(qū)?？紤]空預(yù)器堵塞、漏風(fēng)等造成的風(fēng)機工作點漂移，風(fēng)機失速的風(fēng)險較大，需考慮改造措施。對變頻器改造、加裝煙氣再循環(huán)管路改造、動葉調(diào)節(jié)風(fēng)機改造三種可行的改造方案進行論證，最終確定了投資最少的加裝煙氣再循環(huán)管路改造方案并現(xiàn)場實施，基本解決了該問題［12］，改造方案示意見圖2。

圖2 靜葉調(diào)節(jié)引風(fēng)機加裝再循環(huán)管路

除上述內(nèi)容外，現(xiàn)場近兩年又陸續(xù)開展了鍋爐壁溫測點和過熱器聯(lián)箱加強管座升級改造等工作。

3 機組低負荷運行優(yōu)化技術(shù)研究

在役煤電機組設(shè)計階段基本未考慮深度調(diào)峰工況，機組在實際深度調(diào)峰過程中不可避免要存在一些問題，這些問題中有共性、也有特例。研究機組低負荷運行優(yōu)化技術(shù)，在不進行設(shè)備改造的條件下深度挖掘鍋爐低負荷的安全、節(jié)能潛力具有現(xiàn)實意義。

3.1 精細化燃燒調(diào)整技術(shù)

在不進行設(shè)備改造的條件下，開展精細化的燃燒調(diào)整是挖掘鍋爐低負荷穩(wěn)燃性能的最有效手段。其本質(zhì)在于使鍋爐的燃燒邊界盡可能向改善燃燒的方向調(diào)整，具體措施包括：

1）制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整。煤粉氣流的著火是鍋爐實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒要解決的核心問題，制粉系統(tǒng)調(diào)整的重點就在于從煤粉氣流自身角度去改善著火條件。具體手段包括：一次風(fēng)速及其偏差優(yōu)化調(diào)整，低負荷下適當(dāng)降低一次風(fēng)率有助于降低煤粉氣流的著火熱，減少四角風(fēng)速偏差有利于改善爐膛整體的燃燒工況；煤粉細度優(yōu)化調(diào)整，隨煤粉細度降低，煤粉顆粒比表面積增加，更有利于揮發(fā)分的析出和顆粒的非均相著火；磨煤機投運方式調(diào)整，低負荷階段應(yīng)盡量投運相鄰的磨煤機，控制磨煤機投運臺數(shù)，使鍋爐的熱負荷更加集中，低負荷階段應(yīng)盡量避免磨煤機的啟停操作。

2）配風(fēng)方式優(yōu)化調(diào)整。低負荷時，鍋爐總煙氣量減少，二次風(fēng)箱壓力降低，爐膛火焰充滿度和爐膛溫度也較低。傳統(tǒng)的配風(fēng)調(diào)整都是運行人員憑主觀經(jīng)驗定性調(diào)節(jié)，因缺乏對爐膛熱態(tài)特性的認知，難以實現(xiàn)按煤粉燃燒需求精細補氧。針對這種技術(shù)現(xiàn)狀，在大量現(xiàn)場實踐的基礎(chǔ)上，開發(fā)出基于阻力系數(shù)的二次風(fēng)精準(zhǔn)控制技術(shù)。通過對鍋爐配風(fēng)邊界的精細化控制，將低負荷階段鍋爐主燃區(qū)過量空氣系數(shù)控制在0.9～1.0，提高主燃區(qū)溫度的同時提高火焰抗干擾能力，進而可實現(xiàn)鍋爐低負荷穩(wěn)燃性能的提升。為了確保配風(fēng)調(diào)整效果，需要定期開展燃燒設(shè)備狀況檢查和冷態(tài)空氣動力場試驗。

3）運行氧量優(yōu)化調(diào)整。爐膛出口氮氧化物偏高是燃煤鍋爐低負荷運行普遍存在的一個問題，其主要原因多是在于運行氧量偏高而送風(fēng)又難以進一步下調(diào)所致。低負荷時，應(yīng)在確保煤粉充分燃盡的同時，設(shè)法降低運行氧量?？刹扇〉募夹g(shù)措施包括：降低磨煤機投運臺數(shù)、送風(fēng)機單側(cè)運行/單側(cè)停運、送風(fēng)投入再循環(huán)、在鍋爐尾部增加CO 在線監(jiān)測裝置、爐膛本體漏風(fēng)治理等。

上述一系列措施在現(xiàn)場實際應(yīng)用后，鍋爐低負荷的運行性能已得到較大程度改善，30%負荷下，鍋爐各項參數(shù)穩(wěn)定，火檢強度正常，在保證鍋爐燃燒效率的同時控制爐膛出口氮氧化物質(zhì)量濃度在30～50 mg/m3。

3.2 汽溫優(yōu)化調(diào)整技術(shù)

主汽溫和再熱汽溫偏低是燃煤鍋爐低負荷運行普遍存在的一個問題。對于汽包爐，采用滑壓運行方式能有效改善鍋爐的汽溫特性，其基本原理是低壓下工質(zhì)汽化潛熱增加和蒸汽比熱降低使得相同吸熱量下工質(zhì)溫升增加［13］。但對于直流爐，其調(diào)節(jié)規(guī)律有很大不同。以該項目為例，現(xiàn)場摸底試驗結(jié)果顯示：機組深度調(diào)峰至40%負荷，鍋爐主汽溫尚可維持在額定，此時再熱汽溫偏低約20 ℃；而當(dāng)機組進一步深度調(diào)峰至30%負荷時，鍋爐汽溫則下降較明顯，主汽溫偏低值達45 ℃，再熱汽溫偏低更是達到60 ℃，且存在較大的轉(zhuǎn)濕態(tài)運行風(fēng)險，嚴重影響機組發(fā)電經(jīng)濟性，增加了鍋爐受熱面和汽輪機的運行風(fēng)險，造成此現(xiàn)象的根源在于鍋爐啟動流量定值限制了低負荷下分離器出口過熱度的調(diào)整，而此流量定值設(shè)置的目的是為了保證低負荷下鍋爐水冷壁的水動力特性。針對該問題，對國內(nèi)同類型機組運行狀況進行了走訪調(diào)研，也咨詢了鍋爐廠意見，并邀請有能力單位開展了鍋爐水動力特性計算［14］。計算結(jié)果顯示：螺旋管圈單管在30%負荷下呈水動力單值性，脈動處于穩(wěn)定區(qū)且有較大裕量。為滿足現(xiàn)場需求，現(xiàn)場嘗試將鍋爐的啟動流量由630 t/h 逐步下調(diào)至570 t/h，流量定值更改后的現(xiàn)場試驗顯示：鍋爐水動力工況穩(wěn)定，不存在局部管子超溫問題。配合汽溫調(diào)整技術(shù)，鍋爐主汽溫同比升高20～30 ℃，再熱汽溫同比升高約10 ℃。

4 機組低負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)研究

單元機組的負荷控制系統(tǒng)又稱為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有機協(xié)調(diào)地控制鍋爐的燃料、送風(fēng)、給水以及汽機調(diào)節(jié)閥門開度，使各變量間的影響最?。?5］。常規(guī)火電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計通常都是針對50%以上負荷。當(dāng)機組在低負荷下運行時，控制對象特性發(fā)生較大變化，大量設(shè)備接近極限工況運行，普遍存在控制品質(zhì)差、響應(yīng)速度慢等問題。為降低機組深度調(diào)峰過程中的控制風(fēng)險，開發(fā)并應(yīng)用機組低負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)，將機組低負荷的大量操作方式固化是必要的。具體實施措施如下：

1）開展精細化的熱控邏輯調(diào)整試驗，對機組主要控制子系統(tǒng)的控制邏輯進行深度梳理，將其作用范圍擴展至低負荷區(qū)間，并結(jié)合開環(huán)試驗對其控制品質(zhì)進行優(yōu)化。所涉及系統(tǒng)包括機組負荷控制、主蒸汽壓力控制、鍋爐燃料主控、給水控制、中間點溫度控制、風(fēng)煙系統(tǒng)控制、汽溫控制、加熱器水位控制、壁溫控制等大量邏輯。

2）開展30%～50%負荷下手動調(diào)節(jié)方式的機組升降負荷試驗。結(jié)合試驗過程數(shù)據(jù)，確定機組深度調(diào)峰過程各項主參數(shù)的控制邊界，包括燃料、給水、風(fēng)量等控制量；確定機組各個輔機操作要點，包括給水泵、磨煤機、風(fēng)機等；確定機組各隨動系統(tǒng)控制函數(shù)曲線，包括煤水比、風(fēng)煤比、滑壓曲線等；確定機組干濕態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界點以及轉(zhuǎn)換過程主參數(shù)的控制需求等。

3）建立機組低負荷協(xié)調(diào)控制的靜態(tài)模型（詳見圖3），基于運行干預(yù)經(jīng)驗和專業(yè)控制理論動態(tài)修正模型邊界，并綜合使用“偏差拉回”“快速維穩(wěn)”“變參數(shù)調(diào)節(jié)”和“超馳控制”等手段去保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

圖3 機組低負荷協(xié)調(diào)控制靜態(tài)模型

該技術(shù)已成功在現(xiàn)場5 號機組上實施，并順利通過2 次升降負荷試驗的驗證，基本實現(xiàn)30%～50%負荷段協(xié)調(diào)的可靠投入，有力擴展了機組協(xié)調(diào)投入的負荷邊界。圖4 所示為某次試驗中，機組270 MW（約40%）至200 MW（約30%）降負荷過程控制曲線，試驗過程中機組始終維持干態(tài)運行，對應(yīng)的降負荷速率約2 MW/min。由圖4 可見，機組低負荷階段各項參數(shù)運行穩(wěn)定，基本不存在安全風(fēng)險。

圖4 機組270 MW至200 MW降負荷過程控制曲線

5 結(jié)語

存量火電機組深度調(diào)峰是現(xiàn)階段提升電網(wǎng)可再生能源消納能力的最經(jīng)濟措施。為實現(xiàn)機組30%負荷常態(tài)化可靠運行，借鑒成熟工程經(jīng)驗，從解決機組低負荷運行存在的設(shè)備問題、提高機組低負荷運行經(jīng)濟性、提高機組低負荷自動控制水平等3 個方面入手開展系統(tǒng)的研究和實踐，取得較理想效果，大幅提升了現(xiàn)場設(shè)備的運行水平。這一系列技術(shù)措施的應(yīng)用可為同類型機組開展深度調(diào)峰工作提供可行的解決思路。