深度調(diào)峰模式下燃煤鍋爐運(yùn)行優(yōu)化探討

姜智春

（國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司北京朝陽(yáng)技術(shù)咨詢分公司，北京 100025）

0 引言

“雙碳”目標(biāo)(2021年習(xí)近平總書記在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)提出中國(guó)力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和)的提出，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入后燃煤發(fā)電時(shí)代。然而煤電在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占比較大，在未來(lái)幾年甚至幾十年中，煤電仍是不可或缺的重要部分[1]。另外，新能源發(fā)電受季節(jié)性和時(shí)效性限制，在傍晚用電高峰時(shí)往往不足以滿足用電要求，需要火電及時(shí)供電，因此，我國(guó)煤電后續(xù)主要向深度調(diào)峰方向變革，即在新能源電力足夠時(shí)，燃煤機(jī)組保持較低負(fù)荷運(yùn)行，一旦新能源電力供給不足時(shí)，燃煤機(jī)組需要迅速升高負(fù)荷，保證供電。燃煤機(jī)組長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行中，會(huì)導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)[2]：（1）燃燒不穩(wěn)定，機(jī)組反饋調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，造成爐內(nèi)突然熄火；（2）過(guò)熱器、再熱器、空預(yù)器等部件工作環(huán)境惡劣，管道受熱不均，容易發(fā)生爆管等安全事故，影響鍋爐使用壽命；（3）造成煤粉不完全燃燒，爐膛溫度降低，鍋爐熱效率降低；（4）排煙溫度降低，影響脫硝系統(tǒng)工作效率，導(dǎo)致排煙出口污染物濃度超標(biāo)。因此，電廠深度調(diào)峰背景下的燃煤機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化對(duì)于維持鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 燃煤電廠運(yùn)行原理[3]

燃煤電廠主要由燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。

1.1 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)主要由原煤運(yùn)輸、煤粉磨制、煤粉燃燒、風(fēng)煙供排和灰渣回收等環(huán)節(jié)構(gòu)成。由于電廠每日用煤量大，一般會(huì)修建煤場(chǎng)(至少能儲(chǔ)備十天以上的煤用量)來(lái)保證充足的煤粉供給。磨煤過(guò)程主要是原煤經(jīng)皮帶運(yùn)輸至原煤倉(cāng)，經(jīng)原煤倉(cāng)落入煤斗，然后由給煤機(jī)輸送到磨煤機(jī)磨成煤粉，通常情況下，磨制好的煤粉會(huì)統(tǒng)一送往煤粉倉(cāng)（直流鍋爐無(wú)煤粉倉(cāng)，磨制好的煤粉直接送入鍋爐燃燒）進(jìn)行儲(chǔ)存，再由一次風(fēng)經(jīng)由給粉機(jī)和燃燒器送入鍋爐進(jìn)行燃燒。燃燒后的灰渣中大部分落入渣斗，經(jīng)破碎機(jī)破碎后排入沖灰溝，小部分隨煙氣進(jìn)入后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)，最終經(jīng)旋風(fēng)除塵器被收集在一起后沖進(jìn)排灰溝。燃燒用風(fēng)由供風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器加熱，一部分經(jīng)磨煤機(jī)、給粉風(fēng)機(jī)由燃燒器送入爐膛進(jìn)行燃燒（一次風(fēng)），另一部分經(jīng)燃燒器內(nèi)部套筒直接進(jìn)入爐膛（大多數(shù)鍋爐將二次風(fēng)分為兩部分送入爐膛，一部分經(jīng)由原二次風(fēng)途徑送入，另一部分作為燃盡風(fēng)送入爐膛，以增加空氣分級(jí)數(shù)，減少氮氧化物生成）。

1.2 汽水系統(tǒng)

火電機(jī)組的汽水系統(tǒng)主要包括鍋爐（主要是水冷壁管道、過(guò)熱器、再熱器以及省煤器等部件）、凝汽器、除氧器、汽輪機(jī)和加熱器等裝置及附屬部件構(gòu)成。鍋爐給水系統(tǒng)的工質(zhì)狀態(tài)變化是液態(tài)-汽態(tài)-液態(tài)，其主要過(guò)程是：鍋爐給水流入水冷壁管時(shí)，爐內(nèi)煤粉燃燒釋放大量熱量，加熱水冷壁金屬管從而將給水變成飽和水蒸氣，水蒸氣經(jīng)管道首先被送往頂端熱屏的再熱器中（過(guò)熱器與再熱器分為幾級(jí)），這時(shí)蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)熱器后變?yōu)闇囟取毫Ω叩倪^(guò)熱蒸汽，由管道送入汽輪機(jī)做功，高速流轉(zhuǎn)的蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)的葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電。蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)做功后，其溫度和壓力大大降低，經(jīng)由管道排入凝汽器，與外界換熱被冷凝成水，然后被凝汽器的熱水井全部收集起來(lái)，通過(guò)凝結(jié)水泵輸送到低壓加熱器進(jìn)行加熱。另外，在工質(zhì)做功的過(guò)程中勢(shì)必會(huì)融入少量氧氣，這對(duì)于整個(gè)鍋爐的安全是潛在的安全隱患，因此必須經(jīng)除氧器除去工質(zhì)中的氧氣，然后加熱才能作為鍋爐給水。為了節(jié)省能源，一般情況下，現(xiàn)代火電機(jī)組都會(huì)在汽輪機(jī)中抽取部分做過(guò)功的溫度相對(duì)較低的水蒸氣用于加熱鍋爐給水，被稱之為給水回?zé)嵫h(huán)。如果把汽輪機(jī)中某一級(jí)的全部蒸汽抽出經(jīng)再熱器再次加熱后送入汽輪機(jī)做功的過(guò)程叫做再熱循環(huán)。

汽水循環(huán)過(guò)程中，漏氣、漏水現(xiàn)象是無(wú)法避免的，為了維持鍋爐汽水循環(huán)的正常運(yùn)行，必須持續(xù)不斷的通過(guò)除氧器或凝汽器向汽水系統(tǒng)補(bǔ)充經(jīng)過(guò)處理的軟化水。

1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要是汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作之后的工作系統(tǒng)，主要包括發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁裝置、廠用電系統(tǒng)和升壓變電系統(tǒng)等。一般情況下，發(fā)電機(jī)出來(lái)的電壓在6～24kV，電流在20kA，要升壓才能并入電網(wǎng)。電廠自用電是通過(guò)降壓廠用變壓器將電壓降到400V后進(jìn)行供電。

2 深度調(diào)峰背景下燃煤機(jī)組存在的主要問(wèn)題

前言中也提到了深度調(diào)峰背景下，現(xiàn)代燃煤發(fā)電機(jī)組存在的主要問(wèn)題，在這里，筆者將問(wèn)題細(xì)化歸類，便于進(jìn)行討論分析。

2.1 鍋爐燃燒不穩(wěn)定[4]

白天新能源供電充足的時(shí)候，燃煤機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行，工作負(fù)荷約為滿負(fù)荷的20%～30%，鍋爐總給煤量即總輸入熱量下降，燃燒穩(wěn)定性差。此外，由于風(fēng)機(jī)存在最低出力，為了防止給粉管發(fā)生堵塞，只能使給風(fēng)系統(tǒng)給風(fēng)量大于煤粉當(dāng)量下的給風(fēng)量，導(dǎo)致給粉濃度下降，低的煤粉濃度增加了氮氧化物生成的同時(shí)還加劇爐內(nèi)燃燒狀況惡化，受電廠生產(chǎn)成本影響，電廠燃煤一般摻燒有各種劣質(zhì)煤，進(jìn)而降低了機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃燒穩(wěn)定性。

2.2 水冷壁水循環(huán)動(dòng)力差

如果機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷小于額定工況的30%，鍋爐水冷壁管流量則接近最小流量，水循環(huán)惡化，管道中水流量的偏差增加，給水流量波動(dòng)增大。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)二次風(fēng)壓力低，射流的剛性差，煙氣側(cè)燃燒供熱的均勻性降低，水冷壁的熱傳遞平衡被破壞，導(dǎo)致水冷壁局部過(guò)熱或壁溫偏差過(guò)大和爐墻破裂的熱應(yīng)力增加[5]。尾端受熱面通常沒(méi)有安裝壁溫測(cè)量點(diǎn)，使得其無(wú)法監(jiān)測(cè)壁的溫差，也會(huì)導(dǎo)致類似的情況發(fā)生。對(duì)于超超臨界機(jī)組，在深調(diào)過(guò)程中還存在改變鍋爐干濕狀態(tài)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。通常，該裝置鍋爐的干燥狀態(tài)和潮濕狀態(tài)之間切換約在30%的負(fù)載。如果深度調(diào)節(jié)到額定負(fù)荷的30%以下，鍋爐可能切換到濕態(tài)運(yùn)行。鍋爐頻繁的干態(tài)和濕態(tài)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致水冷壁不同位置應(yīng)力增加，水冷壁管等的使用壽命進(jìn)一步縮短，管道出現(xiàn)爆管的風(fēng)險(xiǎn)增加。

2.3 鍋爐的熱效率低和氮氧化物排放濃度高

深度調(diào)峰過(guò)程中發(fā)生的燃燒不穩(wěn)定是導(dǎo)致鍋爐熱效率降低的主要原因，運(yùn)行人員無(wú)法對(duì)鍋爐內(nèi)部燃燒參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控，不能及時(shí)做出準(zhǔn)確的調(diào)整，爐內(nèi)一旦發(fā)生熄火，無(wú)法及時(shí)處理，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的危害。低給粉濃度和高給風(fēng)量會(huì)使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性氣氛，從而產(chǎn)生大量氮氧化物，增加了尾部SCR脫硝系統(tǒng)負(fù)荷。燃燒穩(wěn)定性差意味著爐膛的溫度降低，同時(shí)意味著排煙溫度降低，這對(duì)SCR系統(tǒng)的脫硝效率有著極為重要的影響，會(huì)導(dǎo)致尾部煙道氮氧化物的排放增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中的氮氧化物排放的有效控制，煙氣溫度降低還會(huì)導(dǎo)致空氣預(yù)熱器冷端產(chǎn)生大量硫酸氫銨結(jié)晶體，造成空氣預(yù)熱器堵塞，加劇空氣預(yù)熱器的腐蝕，當(dāng)電廠開始增加運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)逐漸增大，風(fēng)粉系統(tǒng)連貫性差，導(dǎo)致尾部溫度增加、氧量增加，硫酸氫氨晶揮發(fā)產(chǎn)生大量SO3，造成環(huán)境污染等問(wèn)題。

2.4 爐內(nèi)煙氣流場(chǎng)惡化

機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行意味著給風(fēng)量降低，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于高壓力、低風(fēng)量的工作環(huán)境，會(huì)增加風(fēng)機(jī)失速、喘振現(xiàn)象，增加機(jī)組停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。一次風(fēng)、二次風(fēng)射流沖擊力降低，四角切圓鍋爐切圓直徑變小，發(fā)生對(duì)沖燃燒，造成煙氣流場(chǎng)局部流速過(guò)快或過(guò)慢，沖刷爐墻，導(dǎo)致受熱面磨損加快，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的結(jié)果是鍋爐無(wú)法吹灰，造成過(guò)熱器、再熱器、煙道等部件大量積灰，增加煙道負(fù)荷，進(jìn)而加劇爐內(nèi)、煙道流場(chǎng)惡化。

3 燃煤機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化策略

針對(duì)燃煤機(jī)組在深度調(diào)峰過(guò)程中展現(xiàn)出來(lái)的種種問(wèn)題，同時(shí)綜合燃煤鍋爐的特點(diǎn)，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)建議：

3.1 燃燒器改造

現(xiàn)有燃燒器已經(jīng)不適用于深調(diào)過(guò)程中的粉-風(fēng)供給，需要進(jìn)行低負(fù)荷燃燒器改造，低負(fù)荷燃燒器的鍋爐穩(wěn)燃供給能力主要圍繞高溫度、高煤粉濃度、高含氧濃度進(jìn)行，這樣才能保證深調(diào)工過(guò)程中爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。

（1）高溫燃燒器改造[6]

高溫燃燒器主要是大調(diào)解比穩(wěn)燃燃燒器的研制。高的預(yù)熱溫度能夠提供穩(wěn)定煤粉著火，同時(shí)向鍋爐輸送熱量增加，有利于鍋爐爐內(nèi)溫度維持平衡。一般大調(diào)解比穩(wěn)燃燃燒器采用中頻加熱點(diǎn)火穩(wěn)燃技術(shù)，其主要方法是使用中等頻率的電加熱裝置對(duì)燃燒器預(yù)熱室進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱室內(nèi)溫度達(dá)到額定溫度后停止加熱，預(yù)熱室內(nèi)煤粉氣化、點(diǎn)燃，穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生的熱量反過(guò)來(lái)對(duì)預(yù)熱室進(jìn)行加熱，保證其成為穩(wěn)定的點(diǎn)火源，由于其獨(dú)有的預(yù)熱裝置，該燃燒器不受爐內(nèi)溫度和主燃燒器負(fù)荷的影響，但高溫燃燒器會(huì)增加額外的預(yù)熱設(shè)備以及冷卻水裝置等附屬設(shè)備，還會(huì)增加額外電耗；

（2）高氧量燃燒器改造

煤粉點(diǎn)火燃燒過(guò)程中，高的氧量有利于煤粉著火穩(wěn)燃，因此，在現(xiàn)有燃燒器噴嘴附近，開一個(gè)小空間供氧通道，當(dāng)高溫煤粉接觸到高濃度氧量時(shí)會(huì)迅速著火，并且燃燒反應(yīng)速率加快，燃燒溫度升高，熱量迅速以噴嘴為圓心向周圍擴(kuò)散，引起周圍煤粉著火燃燒。由于噴嘴高濃度的氧量持續(xù)供應(yīng)，可保證燃燒器實(shí)現(xiàn)深調(diào)工況下穩(wěn)定燃燒，保證爐內(nèi)溫度。該類型燃燒器需要加裝供氧裝置及其附屬設(shè)備；

（3）高煤粉濃度燃燒器改造

鍋爐深調(diào)時(shí)燃燒不穩(wěn)定的另一個(gè)原因是入爐煤粉濃度低。高煤粉濃度燃燒器是通過(guò)壓縮供給煤粉，實(shí)現(xiàn)較高的給粉濃度，保證燃燒器中間區(qū)域煤粉濃度始終處于最佳燃燒范圍，有利于煤粉的著火與穩(wěn)燃，另外，可對(duì)燃燒器的噴嘴進(jìn)行改造，使其煤粉著火射流能在噴口附近形成穩(wěn)定的回流區(qū)，進(jìn)一步增強(qiáng)煤粉的著火能力和燃燒穩(wěn)定性。此方法無(wú)需增加附屬設(shè)備，只需改造現(xiàn)有燃燒器結(jié)構(gòu)即可。

3.2 煤粉摻燒和制粉系統(tǒng)改造

考慮到燃煤機(jī)組運(yùn)行發(fā)電成本，大多數(shù)電廠會(huì)選用劣質(zhì)煤進(jìn)行摻燒，深調(diào)工況下，入爐煤質(zhì)是影響燃燒穩(wěn)定性的重要因素之一，必須加強(qiáng)配煤管理，提高優(yōu)質(zhì)煤種摻燒比例，研究發(fā)現(xiàn)[7]，在熱解焦炭的點(diǎn)火過(guò)程中，摻入一定濃度煙煤，能有效提高焦炭燃燒溫度和燃燒反應(yīng)速率。深度調(diào)峰過(guò)程中制粉系統(tǒng)適應(yīng)性同樣至關(guān)重要，煤粉細(xì)度、煤粉濃度均是影響爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性的重要因素，要增設(shè)深調(diào)制粉機(jī)制，增加磨煤出力，濃縮煤粉濃度。

3.3 提高水冷壁水循環(huán)動(dòng)力和系統(tǒng)安全性

在深度調(diào)峰過(guò)程中，鍋爐水動(dòng)力循環(huán)問(wèn)題主要出現(xiàn)在直流鍋爐，對(duì)于直流鍋爐，要重新根據(jù)水冷壁特性、循環(huán)泵特性進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)改善機(jī)組燃燒工況維持水冷壁的熱傳輸穩(wěn)定性或是提高入爐水溫保證水循環(huán)的穩(wěn)定。對(duì)于汽包鍋爐，水動(dòng)力循環(huán)影響較小，但仍需注意水動(dòng)力循環(huán)的循環(huán)倍率、循環(huán)流速和循環(huán)裕量等參數(shù)。

3.4 提高脫硝系統(tǒng)全負(fù)荷范圍內(nèi)的穩(wěn)定性

爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性變差會(huì)直接導(dǎo)致煙道入口煙溫降低，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)工作溫度降低，影響脫硝效率，需要進(jìn)行全負(fù)荷范圍內(nèi)脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定性改造，一方面可增加煙氣旁路，或者增加省煤器級(jí)數(shù)、省煤器旁路技術(shù)等來(lái)提高脫硝系統(tǒng)煙溫，保證脫硝系統(tǒng)和空預(yù)器正常運(yùn)行；另一方面，傳統(tǒng)SCR脫硝催化劑的工作溫度在320～400℃范圍內(nèi)，而深調(diào)過(guò)程中煙溫在260～300℃，煙溫過(guò)低嚴(yán)重影響脫硝效率，研發(fā)寬溫SCR脫硝催化劑可有效解決煙溫較低問(wèn)題[8]。

3.5 提高機(jī)組變負(fù)荷反應(yīng)速率

當(dāng)電網(wǎng)（自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)）下達(dá)調(diào)峰指令后，并網(wǎng)機(jī)組需要快速響應(yīng)負(fù)荷指令，而燃煤鍋爐運(yùn)行過(guò)程中存在長(zhǎng)時(shí)間慣性機(jī)制，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)指令，若直接增加機(jī)組響應(yīng)速率，會(huì)導(dǎo)致鍋爐的主蒸汽壓力、溫度等參數(shù)頻繁波動(dòng)，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性。要提高機(jī)組變負(fù)荷反應(yīng)速率，需要綜合考慮鍋爐負(fù)荷響應(yīng)速度、鍋爐蓄熱能力和爐機(jī)控制協(xié)調(diào)性等因素，有針對(duì)性開展鍋爐改造，確保鍋爐在深調(diào)過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰指令。

4 結(jié)語(yǔ)

“雙碳”目標(biāo)下，燃煤發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰是構(gòu)建我國(guó)新能源為主，傳統(tǒng)能源為輔的新型電力系統(tǒng)的重要舉措。深入研究煤粉鍋爐在深調(diào)過(guò)程中顯現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題有利于燃煤機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化，保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。筆者經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為未來(lái)提高煤粉鍋爐深調(diào)能力可以從燃燒器改造、增強(qiáng)煤種摻燒管理、優(yōu)化制粉系統(tǒng)、提高水冷壁水循環(huán)動(dòng)力和系統(tǒng)安全性、提高脫硝系統(tǒng)全負(fù)荷范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和提高機(jī)組變負(fù)荷反應(yīng)速率等方面入手。