1000MW 超超臨界塔式鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行特性研究

孫銘陽(yáng)，楊佩，趙天，張健，楊振

（1.國(guó)能徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221135；2.江蘇省方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211167）

1 前言

雙碳戰(zhàn)略下，我國(guó)將持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高清潔能源比例，大力推動(dòng)太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，而新能源消納是當(dāng)前實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略亟須解決的問(wèn)題。

燃煤發(fā)電仍然是保障我國(guó)能源安全的壓艙石，提升大型燃煤發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰靈活性，助力新能源消納，是我國(guó)能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著《全國(guó)煤電機(jī)組改造升級(jí)實(shí)施方案》的制定，各發(fā)電企業(yè)推進(jìn)煤電機(jī)組改造升級(jí)工作，從燃燒優(yōu)化調(diào)整、蒸汽溫度、脫硝NOx等方面對(duì)鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行展開(kāi)研究。深度調(diào)峰時(shí)，鍋爐設(shè)備可靠運(yùn)行是保障其他熱力設(shè)備和電網(wǎng)穩(wěn)定安全的重要基礎(chǔ)。楊磊等探索了1000MW 鍋爐機(jī)組低負(fù)荷極限，實(shí)現(xiàn)了30%BMCR 低負(fù)荷穩(wěn)燃。舒健分析了鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煤粉著火、吹灰及油槍投運(yùn)等方面，制定機(jī)組運(yùn)行措施。何志瞧等對(duì)浙江省燃煤火電機(jī)組在深度調(diào)峰中穩(wěn)燃、受熱面超溫、SCR 煙溫等問(wèn)題進(jìn)行了分析。我國(guó)早期引進(jìn)鍋爐技術(shù)以Π 型鍋爐為主，導(dǎo)致我國(guó)對(duì)塔式鍋爐的研究相對(duì)較少，調(diào)試、運(yùn)行理論方面的經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。和Π 式鍋爐相比，塔式鍋爐熱偏差小、磨損輕、傳熱系數(shù)高，在高參數(shù)和大型化方面的應(yīng)用逐漸增加。隨著電網(wǎng)對(duì)深度調(diào)峰的需求，有必要對(duì)大型塔式鍋爐深度調(diào)峰特性進(jìn)行全面解讀。本文采用1000MW 超超臨界塔式燃煤鍋爐，進(jìn)行了超低負(fù)荷運(yùn)行，評(píng)估了超低負(fù)荷下過(guò)/再熱汽溫特性、NOx 生成和脫硝特性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 鍋爐概況

本文在國(guó)華徐州發(fā)電有限公司1000MW 燃煤鍋爐上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該鍋爐是一次再熱3099t/h 超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫，配置6 臺(tái)中速磨，BMCR 工況時(shí)5 臺(tái)運(yùn)行，1 臺(tái)備用，BMCR 和BRL 工況下蒸汽參數(shù)如表1 所示。如圖1 所示，鍋爐上部沿著煙氣流動(dòng)方向依次布置一級(jí)過(guò)熱器、三級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)再熱器、二級(jí)過(guò)熱器、一級(jí)再熱器和省煤器，煙氣經(jīng)過(guò)SCR 脫銷(xiāo)裝置后進(jìn)入空氣預(yù)熱器。過(guò)熱器系統(tǒng)配有兩級(jí)減溫水，再熱器配置了常規(guī)減溫水點(diǎn)和事故減溫水。

表1 鍋爐蒸汽參數(shù)

圖1 鍋爐受熱面布置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文選取190MW、250MW 和286MW 三個(gè)超低負(fù)荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用B、C、D 三層磨組合運(yùn)行的方式；此外，選取494MW 和985MW 兩個(gè)高負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，鍋爐在高負(fù)荷下運(yùn)行，然后根據(jù)規(guī)范降負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷降至設(shè)定值時(shí)，維持運(yùn)行0.5 ～1h，密切監(jiān)視并記錄蒸汽參數(shù)、NOx 生成量和脫硝情況等。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，僅在250MW 和190MW 下，B、C 兩層磨投微油以穩(wěn)定燃燒，僅985MW 負(fù)荷下開(kāi)啟了過(guò)熱器減溫水控制過(guò)熱汽溫。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸汽溫度

穩(wěn)定的蒸汽氣溫是保證汽輪機(jī)高效安全運(yùn)行的重要前提。對(duì)于直流鍋爐，氣溫調(diào)節(jié)主要是先依靠水煤比粗調(diào)，再結(jié)合噴水、燃燒器擺角細(xì)調(diào)。如圖2 和圖3 所示，隨著負(fù)荷由985MW 下降到190MW，水煤比由5.67 下降至4.3；985MW 工況下過(guò)熱汽溫為600℃，250MW 負(fù)荷下降至565℃左右，這表明，水煤比下降幅度不足以提高過(guò)熱氣溫，為了提高汽輪機(jī)排氣干度，則需進(jìn)一步降低再熱蒸汽的壓力，實(shí)際運(yùn)行中，超低負(fù)荷下再熱蒸汽壓低于1.5MPa；進(jìn)一步降負(fù)荷至190MW 時(shí)，分離器濕態(tài)運(yùn)行，蒸汽經(jīng)過(guò)熱器吸熱不夠，導(dǎo)致過(guò)熱器氣溫降低到520℃。因此，在深度調(diào)峰改造中，可以增加輻射過(guò)熱器受熱面，強(qiáng)化低負(fù)荷下吸熱量，同時(shí)減少對(duì)流受熱面，以盡量保持高負(fù)荷下過(guò)熱汽溫平衡；此外，在保證水冷壁安全的前提下，可以細(xì)化水煤比管理，并搭配燃燒器擺角進(jìn)行調(diào)溫。

圖2 不同負(fù)荷下的水煤比

圖3 不同負(fù)荷下過(guò)熱汽溫

再熱汽溫對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性至關(guān)重要。圖4 給出了負(fù)荷對(duì)再熱器進(jìn)、出口汽溫的影響，隨著負(fù)荷增加，再熱器進(jìn)、出口溫度同步增加，由此可見(jiàn)，過(guò)熱器出口汽溫偏低是再熱氣溫下降的原因之一。在985MW 工況，再熱蒸汽溫基本能達(dá)到要求，494MW 工況（再熱器進(jìn)口溫度更高），即使降低再熱氣壓，再熱器出口溫度仍然加速下降，主要是因?yàn)殄仩t的布置決定了兩級(jí)再熱器都是以對(duì)流換熱為主，隨著負(fù)荷下降，吸熱比下降，負(fù)荷進(jìn)一步下降至200MW 時(shí)，再熱器出口溫度僅有499℃。因此，對(duì)于再熱汽溫的調(diào)節(jié)，首先采取措施滿(mǎn)足過(guò)熱汽溫，再配合調(diào)整燃燒器擺角，以提高再熱汽溫，如還不能滿(mǎn)足要求，再適當(dāng)增加再熱器受熱面，高負(fù)荷下采用減溫水防止超溫。

圖4 典型負(fù)荷下的再熱蒸汽溫度

3.2 NOx 生成

NO 排放是大型燃煤機(jī)組深度調(diào)峰所面臨的重要問(wèn)題之一。煤燃燒過(guò)程中NOx以NO 為主，生成機(jī)理可以分為熱力型和燃料型，而鍋爐的運(yùn)行溫度低于熱力型NO 的生成溫度，因此，本實(shí)驗(yàn)中NO 以燃料型為主，其生成受燃燒氣氛影響，氧化性氣氛越強(qiáng)，NO 生成量越多，而還原性氣氛越強(qiáng)，NO 生成就越少。如圖5 所示，當(dāng)鍋爐機(jī)組負(fù)荷較高時(shí)，風(fēng)煤比維持在6 左右，當(dāng)負(fù)荷降到286MW 后，風(fēng)煤比增加到11.3，這主要是空氣量需要滿(mǎn)足磨煤機(jī)和一次風(fēng)風(fēng)速等的需求，因此，隨著負(fù)荷減小，送風(fēng)量和O2含量急劇增加。如圖6 所示，高負(fù)荷工況下，NO 含量約為220mg/m3，當(dāng)負(fù)荷降至低于286MW 時(shí)，NO含量急劇增加到608mg/m3。此外，高負(fù)荷下，通過(guò)提高燃盡風(fēng)配比，降低主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)，借助原性氣氛減少NO 的生成量。

圖5 負(fù)荷對(duì)風(fēng)煤比和煙氣O2 濃度的影響

圖6 負(fù)荷對(duì)爐膛排煙NO含量的影響

3.3 SCR 脫硝性能

電廠(chǎng)鍋爐普遍采用選擇性催化還原（SCR）脫硝，反應(yīng)溫度是影響SCR 脫硝性能的關(guān)鍵因素。如圖7 所示，隨著負(fù)荷從985MW 下降到286MW，SCR 入口的溫度由353℃降至300℃，當(dāng)負(fù)荷由985MW 下降到494MW 時(shí)，煙氣流速下降，停留時(shí)間降低，脫硝效率提高，隨后，SCR 入口溫度降至300℃，催化劑活性下降；當(dāng)負(fù)荷進(jìn)一步下降時(shí)，寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，SCR 入口溫度和脫硝效率有所改善。電廠(chǎng)SCR 脫硝采用尿素?zé)峤猱a(chǎn)生的NH3作為還原劑，而尿素投放量是基于環(huán)保要求進(jìn)行控制的，理論上只要尿素使用量足夠多，就可以將NO全部脫除。但當(dāng)尿素過(guò)量時(shí)，一方面，多余的NH3就會(huì)排入大氣；另一方面，這部分NH3在SO2和O2的作用下會(huì)生成NH4H(SO)4，對(duì)除塵造成負(fù)面影響，因此，需要對(duì)SCR 出口進(jìn)行NH3逃逸監(jiān)測(cè)。如圖8 所示，286MW 下2個(gè)SCR 脫硝出口NH3濃度分別為6ppm 和10ppm，而其余負(fù)荷下NH3濃度都在3ppm 以下，這表明，SCR 脫硝溫度過(guò)低會(huì)造成脫硝效率下降，尿素使用量過(guò)多會(huì)造成NH3逃逸增加。

圖7 SCR 脫硝性能隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)

圖8 氨逃逸率隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文在1000MW 塔式鍋爐上進(jìn)行超低負(fù)荷運(yùn)行摸底實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論。（1）受輻射換熱和對(duì)流換熱特性的影響，超低負(fù)荷下過(guò)熱氣溫度偏低，進(jìn)一步引起再熱蒸汽溫偏低，可以通過(guò)增加輻射過(guò)熱器受熱面，強(qiáng)化低溫下輻射過(guò)熱器的吸熱量，提高過(guò)熱器溫度；超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在保證水動(dòng)力穩(wěn)定的前提下進(jìn)一步優(yōu)化水煤比，提高過(guò)熱器溫度。（2）機(jī)組超低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)煤比的提高導(dǎo)致?tīng)t膛氧化性氣氛增強(qiáng)，NOx生成量急劇增加。（3）鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙溫降低，脫硝效率下降，過(guò)多的尿素使用導(dǎo)致NH3逃逸增加；250MW 和190MW 超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)（給水旁路+熱水再循環(huán)）運(yùn)行，能提升脫硝性能，降低尿素投放量和NH3逃逸。