鍋爐深度調(diào)峰穩(wěn)燃技術(shù)與運(yùn)行策略

“雙碳”目標(biāo)背景下，可再生能源并網(wǎng)容量大幅提升，對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提出新需求。燃煤機(jī)組作為支撐環(huán)節(jié)，其深度調(diào)峰運(yùn)行頻率與負(fù)荷波動(dòng)強(qiáng)度顯著加劇。相比中高負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況，鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行下呈現(xiàn)出典型非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，熱力場(chǎng)、燃料反應(yīng)路徑及風(fēng)粉輸送結(jié)構(gòu)均發(fā)生明顯改變，傳統(tǒng)穩(wěn)燃控制邏輯不再適用。因此，須圍繞深度調(diào)峰運(yùn)行特征，重構(gòu)鍋爐深度調(diào)峰穩(wěn)燃技術(shù)與運(yùn)行策略。

1.鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行中的燃燒特性變化

在電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展的進(jìn)程中，火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰成為保障電網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鍋爐作為實(shí)現(xiàn)熱力轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，其在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃燒表現(xiàn)出復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這種運(yùn)行狀態(tài)的改變，不僅涉及燃料熱量匹配問題，更體現(xiàn)在爐膛內(nèi)燃燒組織形式、熱量釋放速度以及氣固兩相流動(dòng)形態(tài)的協(xié)同變化上。

當(dāng)鍋爐負(fù)荷大幅下降，爐內(nèi)熱力場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)明顯的不均勻分布。燃燒區(qū)域的溫度差異增大，主燃區(qū)面臨更高的局部熄火風(fēng)險(xiǎn)，火焰穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。燃料著火時(shí)間延遲，揮發(fā)分的釋放與燃燒階段不同步，導(dǎo)致燃料無法充分燃燒。同時(shí)，風(fēng)煤配比的調(diào)節(jié)范圍變窄，單位空間內(nèi)空氣過剩系數(shù)升高，可能造成局部富氧或貧氧燃燒，進(jìn)而引發(fā)氮氧化物排放增加或爐膛腐蝕等問題[1]。

不同結(jié)構(gòu)類型的鍋爐在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，燃燒響應(yīng)機(jī)制存在差異。以直流式鍋爐為例，因其水冷壁對(duì)溫度變化反應(yīng)迅速，熱慣性較小，火焰偏移容易引發(fā)瞬間熱負(fù)荷的劇烈波動(dòng)，而自然循環(huán)型鍋爐由于熱量傳遞存在延遲，會(huì)出現(xiàn)燃燒中心下移、尾部煙溫快速降低的現(xiàn)象，導(dǎo)致高溫區(qū)域位置改變和煤粉燃燒不充分。如果爐膛結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，隨著調(diào)峰深度的增加，鍋爐穩(wěn)定燃燒的安全余量會(huì)不斷減少，極易進(jìn)入不穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。

在深度調(diào)峰工況下，煤粉的粒徑大小、揮發(fā)分含量、水分含量以及灰分分布等燃料特性，會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生更為顯著的影響。較大粒徑的煤粉在低溫環(huán)境中點(diǎn)火困難，燃燒時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡容易偏離火焰中心。較高的水分含量會(huì)增加蒸發(fā)吸熱，抑制燃燒初期的溫度上升速度，使得火焰分布分散，燃料燃盡率降低。此外，灰分分布會(huì)改變爐內(nèi)的輻射傳熱過程，在深度調(diào)峰時(shí)這種影響更為敏感。因此，在燃料搭配使用時(shí)需要提前進(jìn)行篩選和適配。

2.鍋爐深度調(diào)峰穩(wěn)燃技術(shù)及其運(yùn)行策略

2.1多級(jí)燃燒器濃淡分配切換控制技術(shù)在深度調(diào)峰運(yùn)行條件下，要保持火焰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，燃燒器必須具備快速響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)的能力。多級(jí)燃燒器濃淡分配切換控制技術(shù)的核心，是根據(jù)負(fù)荷變化情況，靈活調(diào)整一次風(fēng)中煤粉濃度的分布和噴射順序，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰形態(tài)、主燃區(qū)溫度分布以及燃燒過程的精確控制。該技術(shù)需要建立負(fù)荷閾值的動(dòng)態(tài)分級(jí)調(diào)控模型，在控制系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定多種不同的濃淡燃料配比模式，分別對(duì)應(yīng)不同運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間的穩(wěn)定燃燒邊界條件。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，燃燒器應(yīng)采用分級(jí)分組布置方式，每組配備獨(dú)立的風(fēng)粉輸送管道和調(diào)節(jié)裝置。當(dāng)鍋爐負(fù)荷下降到額定負(fù)荷的 40% 至 50% 區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉非主燃區(qū)域的稀相風(fēng)粉輸送通道，僅保留爐膛中心附近的高濃度煤粉火焰，以增強(qiáng)火焰的穿透能力和穩(wěn)定性。與此同時(shí)，風(fēng)粉輸送系統(tǒng)要同步調(diào)整送粉速度、引射比例和混合風(fēng)系數(shù)，確保火焰根部穩(wěn)定，避免出現(xiàn)脫火或回火現(xiàn)象。為了保證燃燒分布的均勻性，運(yùn)行控制邏輯中應(yīng)引入火焰圖像識(shí)別反饋系統(tǒng)，對(duì)火焰形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦檢測(cè)到火焰長(zhǎng)度、亮度或根部形態(tài)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)立即啟動(dòng)調(diào)節(jié)程序，精確調(diào)整濃淡配比。此外，該技術(shù)還需綜合考慮爐膛內(nèi)壁溫度分布、出口煙溫變化速率等多個(gè)參數(shù)，形成復(fù)合閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定燃燒能力。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，建議將濃淡切換策略與電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化集成，實(shí)現(xiàn)配比調(diào)節(jié)的毫秒級(jí)響應(yīng)，保障全負(fù)荷范圍內(nèi)的穩(wěn)定燃燒控制[2]。2.2基于煤粉實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的智能燃料配適系統(tǒng)

煤粉燃料質(zhì)量在調(diào)峰運(yùn)行中呈現(xiàn)出不確定性強(qiáng)、波動(dòng)頻繁的特性，傳統(tǒng)靜態(tài)配煤策略難以保障低負(fù)荷條件下的燃燒連續(xù)性。解決此類問題，須構(gòu)建一個(gè)具備實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的煤粉質(zhì)量監(jiān)測(cè)與燃料配適系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)能捕捉煤粉粒徑分布、含水率、揮發(fā)分比例、灰分含量等關(guān)鍵燃燒參數(shù)，并以此為依據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整燃料供應(yīng)策略，進(jìn)而保證燃燒熱值與著火穩(wěn)定性相匹配。具體實(shí)施過程中，建議在煤粉制備與輸送鏈路中配置在線激光粒度分析儀、近紅外水分檢測(cè)儀及煤質(zhì)光譜識(shí)別裝置，通過多點(diǎn)取樣與連續(xù)監(jiān)測(cè)方式，形成實(shí)時(shí)煤粉品質(zhì)畫像。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的燃料適配算法模型，將煤粉特性與爐膛燃燒狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉建模，計(jì)算出最優(yōu)摻混比例、噴煤時(shí)序及對(duì)應(yīng)的風(fēng)粉比調(diào)控曲線。而在配煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，應(yīng)配備至少兩種物理性質(zhì)差異顯著的煤種，并設(shè)定獨(dú)立輸煤路徑[3。依據(jù)煤粉質(zhì)量動(dòng)態(tài)信息，系統(tǒng)將自動(dòng)控制摻混比與切換時(shí)序，使得在負(fù)荷劇烈波動(dòng)或燃料波動(dòng)劇烈時(shí)，仍可維持燃燒穩(wěn)定性不被破壞。該系統(tǒng)還應(yīng)與運(yùn)行人員交互界面進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，提供實(shí)時(shí)煤質(zhì)變化提示及操作建議，以實(shí)現(xiàn)人為判斷與算法邏輯的雙向強(qiáng)化。系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，其數(shù)據(jù)積累亦可用于建立基于地區(qū)煤種特性的燃料波動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，為不同類型鍋爐的燃料選擇與運(yùn)行策略提供前瞻性參考。

2.3分區(qū)式空氣分級(jí)耦合動(dòng)態(tài)配風(fēng)系統(tǒng)

在深度調(diào)峰運(yùn)行中，爐膛內(nèi)氧氣分布不均容易導(dǎo)致局部富氧燃燒、火焰離焦或不完全燃燒等問題。構(gòu)建一套分區(qū)式空氣分級(jí)耦合動(dòng)態(tài)配風(fēng)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃的關(guān)鍵路徑。設(shè)計(jì)方案中，須對(duì)鍋爐燃燒區(qū)域進(jìn)行功能性劃分，例如點(diǎn)火區(qū)、主燃區(qū)、尾焰穩(wěn)定區(qū)等，每一區(qū)域配備獨(dú)立風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，部署高速壓差傳感器與熱敏測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)爐膛不同高度及橫截面上的氧濃度、氣流速度與溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；跍y(cè)量數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)將匹配預(yù)設(shè)風(fēng)量分布模型，動(dòng)態(tài)優(yōu)化每一分區(qū)的空氣供應(yīng)結(jié)構(gòu)，使火焰在空間上呈現(xiàn)集中且穩(wěn)定的立體分布態(tài)勢(shì)。運(yùn)行中，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主燃區(qū)氧濃度偏高、火焰中心上移等不利征兆時(shí)，系統(tǒng)將迅速降低該區(qū)域二次風(fēng)供給，并同時(shí)增強(qiáng)點(diǎn)火區(qū)域一次風(fēng)壓力，以壓制火焰漂移趨勢(shì)。若尾焰區(qū)域出現(xiàn)CO上升或火焰脫落，控制系統(tǒng)將適度增加三次風(fēng)輸入，延長(zhǎng)火焰停留時(shí)間，提升燃盡率。另外，還建議在整體風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中引入變頻器與風(fēng)量分配執(zhí)行單元，輔以風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)參。

3.實(shí)踐案例分析

受益于中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持，某化學(xué)研究所研發(fā)的煤氣化耦合煤粉鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)在工程實(shí)踐中獲得關(guān)鍵性突破。

該技術(shù)核心在于采用煤粉氣化過程中的高熱值燃?xì)?，作為火焰核心區(qū)的能量補(bǔ)給源，以強(qiáng)化局部高溫區(qū)的形成，并增強(qiáng)燃料著火點(diǎn)的空間一致性?；鹧娼Y(jié)構(gòu)隨之趨于緊湊，穩(wěn)定裕度明顯提升，尤其適用于貧瘦煤等低揮發(fā)分燃料的超低負(fù)荷燃燒場(chǎng)景。在污染物控制方面，借助局部氣氛調(diào)節(jié)，可抑制高溫條件下的熱力型氮氧化物生成反應(yīng)，兼顧環(huán)保性能。在典型應(yīng)用中，某分公司基于1205t/h三菱MB-FRR型亞臨界鍋爐，構(gòu)建了面向深度調(diào)峰運(yùn)行需求的工業(yè)化穩(wěn)燃示范平臺(tái)。該平臺(tái)采用四角切圓燃燒方式配置，并嵌入四套獨(dú)立運(yùn)行的低負(fù)荷穩(wěn)燃模塊。單套系統(tǒng)煤處理量為1t/h，具備在線調(diào)控能力和高壓縮比反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)。在為期72小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行考核中，機(jī)組實(shí)現(xiàn) 20% 最大連續(xù)出力條件下的安全穩(wěn)定燃燒，充分驗(yàn)證該技術(shù)對(duì)深調(diào)負(fù)荷下爐膛溫場(chǎng)的控制力。在運(yùn)行策略方面，結(jié)合示范平臺(tái)的實(shí)際數(shù)據(jù)，該單位同步部署了部分空氣分級(jí)動(dòng)態(tài)配風(fēng)系統(tǒng)，并配備局部高濃度風(fēng)粉切換通道，確保燃燒核心區(qū)形成集中熱力島，有效避免火焰漂移與脫焰現(xiàn)象?？刂葡到y(tǒng)與DCS實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)優(yōu)化，燃燒器出口風(fēng)速與配風(fēng)比參數(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)微調(diào)，增強(qiáng)了低負(fù)荷工況下的操作容錯(cuò)能力。

4.結(jié)束語

鍋爐在深度調(diào)峰狀態(tài)下呈現(xiàn)出高度非穩(wěn)態(tài)燃燒特征，涉及火焰結(jié)構(gòu)擾動(dòng)、氧量分布失衡與燃料適應(yīng)性退化等多重復(fù)雜因素。本文結(jié)合實(shí)際，從燃燒機(jī)制層面剖析了低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)燃燒系統(tǒng)的影響路徑，指出傳統(tǒng)風(fēng)粉比控制與靜態(tài)配煤模式在當(dāng)前工況下已難以滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了多級(jí)濃淡調(diào)節(jié)系統(tǒng)、基于煤粉實(shí)時(shí)質(zhì)量的智能配適機(jī)制及分區(qū)式空氣耦合配風(fēng)策略三項(xiàng)核心技術(shù)及其運(yùn)行路徑。未來，需進(jìn)一步融合人工智能識(shí)別、邊緣數(shù)據(jù)決策與低階耦合建模技術(shù)，提升穩(wěn)燃策略的智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

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[3]葛憲福、張建生、辛勝偉等。超超臨界循環(huán)流化床鍋爐深度調(diào)峰技術(shù)可行性探討[J].鍋爐技術(shù)，2022，53（06）：34-40作者單位：北京國(guó)電電力有限公司大連開發(fā)區(qū)熱電廠