王剛

（浙江國(guó)華浙能發(fā)電有限公司）

1000MW超超臨界火力機(jī)組深度調(diào)峰研究

王剛

（浙江國(guó)華浙能發(fā)電有限公司）

隨著電力行業(yè)形勢(shì)的不斷變化，大型火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰壓力越來(lái)越大，調(diào)峰深度逐年加深。本文從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)百萬(wàn)超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的深度調(diào)峰問(wèn)題，進(jìn)行了深入的分析研究，并給出了簡(jiǎn)要的解決方案，為同類型機(jī)組的深度調(diào)峰工作提供了一定的借鑒意義。

穩(wěn)燃；深度調(diào)峰；百萬(wàn)機(jī)組 ；脫硝；協(xié)調(diào)

0 引言

伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力行業(yè)也經(jīng)歷了十多年的高速發(fā)展，全國(guó)裝機(jī)容量不斷增大，截至到2016年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到16.5億kW，其中，火電裝機(jī)105388萬(wàn)kW、水電33211萬(wàn)kW、風(fēng)電14864萬(wàn)kW、太陽(yáng)能發(fā)電7742萬(wàn)kW、核電3364萬(wàn)kW。但近幾年隨著清潔能源水電、風(fēng)電等的大力發(fā)展，以及特高壓長(zhǎng)距離、跨區(qū)域輸送電設(shè)備的相繼投產(chǎn)，火力發(fā)電機(jī)組等效利用小時(shí)數(shù)不斷下降，2016年火電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)為4165h，同比降低199h。

為進(jìn)一步提高火力發(fā)電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，避免在電網(wǎng)低負(fù)荷工況下機(jī)組調(diào)停，同時(shí)分擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰的壓力，需要進(jìn)一步研究機(jī)組低負(fù)荷工況的運(yùn)行方式，不斷提高火力發(fā)電機(jī)組的靈活性?；鹆Πl(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易出現(xiàn)鍋爐穩(wěn)燃、受熱面積灰、主再熱汽溫控制、引風(fēng)機(jī)失速、給水控制、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行、汽輪機(jī)振動(dòng)異常、發(fā)電機(jī)進(jìn)相、手動(dòng)操作量大等問(wèn)題。下面本文將從這幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 鍋爐的穩(wěn)然

1.1 著火穩(wěn)然性指標(biāo)[1]

著火穩(wěn)然性指標(biāo)用燃料著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw來(lái)表示，可按照下式來(lái)表示：

式中，Ti為著火溫度，單位為℃；T1max為最大失重速度時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，單位為℃；W1max為最大失重速度，單位為mg/min。Rw判別界限如下表所示。

表 著火穩(wěn)燃劃分界限

根據(jù)相關(guān)研究[2]，煤粉品質(zhì)不但對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有影響，而且對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行也有重要影響。

1）煤質(zhì)對(duì)著火的影響。煤的著火主要是揮發(fā)份析出引燃固定碳，所以在同樣煤炭粒徑的情況下，揮發(fā)份越高的煤越容易著火。

2）煤粉粒徑對(duì)著火的影響。隨著煤粉粒徑的減小，煤的平均表面活化能隨著顆粒平均粒徑的減小而增大，著火更加容易。

3）煤粉濃度對(duì)著火的影響。根據(jù)燃燒機(jī)理，當(dāng)煤粉濃度較低時(shí)，顆粒升溫速度很慢，煤粉可用于析出揮發(fā)份的時(shí)間較長(zhǎng)，但是熱解產(chǎn)生的揮發(fā)份少，不足以引起整個(gè)煤粉氣流均相著火，所以著火指數(shù)降低；當(dāng)煤粉濃度很高時(shí)，整個(gè)氣流中揮發(fā)份濃度增加較快，濃度的增加使得升溫速度明顯減慢，揮發(fā)份的濃度效應(yīng)不足以抵消升溫速度的降低，導(dǎo)致著火指數(shù)降低。因此，存在著一個(gè)對(duì)應(yīng)最小著火溫度的最佳煤粉濃度，當(dāng)煤粉濃度大于或者小于該濃度時(shí)，著火指數(shù)均降低，也就使得著火變得困難。

1.2 針對(duì)低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒采取的主要措施

1）保持煤質(zhì)穩(wěn)定，保證鍋爐的入爐煤種與設(shè)計(jì)煤種相匹配。

2）改變制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式，正常低負(fù)荷情況時(shí)維持中間層制粉系統(tǒng)運(yùn)行。

3）采用較低的一次風(fēng)率和一次風(fēng)速，可以使煤粉氣流的著火熱減少有利于著火。另外，為減少煤粉空氣流中局部的一次風(fēng)率，可以采用濃淡分離的高濃度煤粉燃燒器，從燃燒器出口噴射出來(lái)的煤粉氣流，有一部分的煤粉濃度較高，所需要的著火熱大為減少，從而加快局部著火，有助于整個(gè)煤粉氣流的穩(wěn)定著火。

4）維持合理爐膛風(fēng)量。風(fēng)量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，而且會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速；風(fēng)量過(guò)大會(huì)降低爐膛溫度使得燃燒不穩(wěn)定。

5）加強(qiáng)制粉系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)，保證合理的磨煤機(jī)出口溫度、煤粉細(xì)度等。

6）采用等離子、微油槍助燃或者采用較小的磨煤機(jī)。

需要指出的是，由于國(guó)產(chǎn)1000MW超超臨界鍋爐除哈爾濱鍋爐外均采用了螺旋管圈水冷壁，因此鍋爐有良好的負(fù)荷適應(yīng)性，即使在30%負(fù)荷時(shí)，水冷壁質(zhì)量流速仍然高于膜態(tài)沸騰的界限流速，能保持一定的壁溫裕度，因此水冷壁的安全不用擔(dān)心。

2 深度調(diào)峰的安全性

2.1 風(fēng)機(jī)失速

由風(fēng)機(jī)特性曲線可知，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，風(fēng)機(jī)流量和壓頭較低，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度也較低，風(fēng)機(jī)容易陷入失速區(qū)。同時(shí)，較低的風(fēng)量情況下，一旦風(fēng)機(jī)發(fā)生RB，則容易導(dǎo)致鍋爐總風(fēng)量低MFT。為了避免這種情況的出現(xiàn)，也為了滿足風(fēng)箱差壓及投入機(jī)組協(xié)調(diào)的需要，要對(duì)動(dòng)葉的開(kāi)度設(shè)定下限，同時(shí)對(duì)氧量自動(dòng)進(jìn)行閉鎖限制。當(dāng)然在改造資金充足的情況下，也可以采用電機(jī)變頻技術(shù)或者廠用電變頻技術(shù)。按照經(jīng)驗(yàn)而言，動(dòng)葉下限設(shè)定為34%～40%是一個(gè)比較理想的區(qū)域。另外也有個(gè)別廠，低負(fù)荷時(shí)采用單側(cè)風(fēng)組運(yùn)行，但這更多的是考慮節(jié)能因素而不是安全。

2.2 給水泵汽化、搶水

考慮到給水泵的流量特性，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于50%時(shí)，容易出現(xiàn)給水泵汽化和搶水的現(xiàn)象，因此汽泵再循環(huán)要及時(shí)投入，并做好自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整。同時(shí)，要對(duì)四抽到小汽輪機(jī)的抽氣量進(jìn)行核算，必要時(shí)可以切換小汽輪機(jī)汽源到輔助蒸汽，保證給水的出力。另外，還要監(jiān)視小汽輪機(jī)密封水壓力、軸封壓力和溫度等參數(shù)。

2.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡澀

由于機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，很多調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)都處于下限運(yùn)行。由于長(zhǎng)期不動(dòng)作，易出現(xiàn)卡澀。因此，在升負(fù)荷過(guò)程中務(wù)必要對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉、除氧器上水調(diào)門(mén)、帶保護(hù)的閉冷水系統(tǒng)等重要調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行檢查。

2.4 鍋爐部分受熱面積灰

由于機(jī)組持續(xù)低負(fù)荷，鍋爐總風(fēng)量較低，尾部煙道存在煙氣走廊，會(huì)造成部分受熱面積灰嚴(yán)重，甚至塌灰造成鍋爐全火焰喪失，MFT動(dòng)作。因此，要利用機(jī)組加負(fù)荷的機(jī)會(huì)，增加吹灰的頻次和壓力，如果負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間低于50%出力，應(yīng)該向調(diào)度申請(qǐng)加負(fù)荷對(duì)受熱面全面吹灰。

2.5 鍋爐排煙溫度低

機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，鍋爐排煙溫度較低，不能滿足SCR化學(xué)反應(yīng)溫度。因此，為了滿足環(huán)保排放的要求，同時(shí)減少低煙氣溫度下生成的硫酸氫銨堵塞催化劑孔隙的情況，要采取措施提高鍋爐排煙溫度，實(shí)現(xiàn)脫硝裝置在30%以上熱負(fù)荷投入的技術(shù)要求。

1）可以通過(guò)調(diào)整吹灰方式、改變制粉系統(tǒng)組合方式、增加尾部煙氣氧量，提高主再熱氣溫等方式。

2）進(jìn)行脫硝煙氣旁路改造[3]，從二過(guò)出口抽取部分高溫?zé)煔?，通過(guò)增設(shè)的煙氣旁路來(lái)混合加熱尾部低溫?zé)煔?。?dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)脫硝煙氣旁路擋板，來(lái)提高脫硝入口煙氣的溫度，從而保證氮氧化物排放達(dá)標(biāo)。

3）采用零號(hào)加熱器，提高給水溫度，從而提高排煙溫度。

2.6 影響電除塵裝置的運(yùn)行方式

鍋爐投油穩(wěn)燃后，要將各電場(chǎng)輸灰切換到粗灰?guī)爝\(yùn)行，同時(shí)停運(yùn)電除塵三、四電場(chǎng)；油槍投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，還要考慮停運(yùn)電除塵一電場(chǎng)，陰陽(yáng)極振打改為連續(xù)振打方式運(yùn)行，密切注意電除塵器進(jìn)出口煙溫的變化情況，防止?fàn)t后及電除塵器內(nèi)部二次燃燒的發(fā)生。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

隨著火力發(fā)電機(jī)組地位的轉(zhuǎn)變，經(jīng)常性深度調(diào)峰成為了常態(tài)，為了減少運(yùn)行人員的操作量和防止發(fā)生人為誤操作，要降低協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入的下限至30%負(fù)荷。

3.1 給水控制

鍋爐在低負(fù)荷時(shí)會(huì)發(fā)生干濕態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)的時(shí)候，給水流量會(huì)大幅度波動(dòng)，對(duì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)造成擾動(dòng)。如某廠鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器改造，火焰中心上移，在低負(fù)荷情況下，汽水蒸發(fā)段后移，分疏箱見(jiàn)水，同時(shí)由于該廠干濕態(tài)轉(zhuǎn)換判據(jù)不合理，觸發(fā)干濕態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，給水流量大幅度下降，機(jī)組負(fù)荷隨之下降，四抽壓力低于除氧器壓力，造成除氧器汽水返到四抽管道，進(jìn)而小汽輪機(jī)進(jìn)水軸向位移大保護(hù)跳閘，最終鍋爐MFT。

要防止這種情況的發(fā)生，一方面要優(yōu)化鍋爐干濕態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯判據(jù)；另一方面，要適當(dāng)降低鍋爐最小質(zhì)量流量，保證鍋爐在30%以上負(fù)荷處于干態(tài)；第三，要增加低負(fù)荷時(shí)變前饋邏輯，在實(shí)際負(fù)荷指令低于 500MW 時(shí)，自動(dòng)減小鍋爐主控前饋系數(shù)，降低給水、煤量、風(fēng)量等調(diào)節(jié)強(qiáng)度；第四，確定最低煤量和最低水量，保證爐膛燃燒，防止煤水比失調(diào)。

3.2 負(fù)荷速率

在機(jī)組低負(fù)荷階段，建議降低機(jī)組負(fù)荷升降速率，原因如下：

1）由于低負(fù)荷時(shí)機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)較低，對(duì)金屬受熱面、汽輪機(jī)厚壁部件冷卻作用比較強(qiáng)烈，為防止應(yīng)力過(guò)大而影響金屬壽命或造成汽輪機(jī)振動(dòng)偏大，在低負(fù)荷階段應(yīng)該降低機(jī)組負(fù)荷變化速率。

2）低負(fù)荷時(shí)，機(jī)組質(zhì)量流量較小，在同樣調(diào)整策略下，主、再熱汽溫、汽壓波動(dòng)較大，這就要求一方面提高協(xié)調(diào)控制的精度，另一方面也要適當(dāng)降低負(fù)荷升降的速率。

同時(shí)，為了防止煙溫變化過(guò)快，導(dǎo)致空預(yù)器扇形板變形卡澀，應(yīng)該對(duì)空預(yù)器扇形板的下探頻次引入負(fù)荷修正，保證低負(fù)荷工況下及時(shí)調(diào)整扇形板位置。

3.3 滑壓曲線

為了保證汽輪機(jī)、加熱器等的出力，同時(shí)也為了減少機(jī)組負(fù)荷變化及一次調(diào)頻時(shí)的大幅度擾動(dòng)，在低負(fù)荷情況下，需要對(duì)機(jī)組的壓力曲線進(jìn)行修正，保證滑壓曲線的平滑，同時(shí)保持汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的合理開(kāi)度[4]，防止汽輪機(jī)調(diào)門(mén)頻繁波動(dòng)造成閥桿磨損或抗燃油管路的破裂。

4 對(duì)電氣設(shè)備的影響

一般而言，當(dāng)機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷較輕，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視GIS母線電壓不超過(guò)規(guī)定值，同時(shí)注意觀察AGC、AVC裝置運(yùn)行正常。當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的進(jìn)相深度要滿足發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)需要，機(jī)端電壓和廠用電母線電壓壓降不大于5%，廠用電機(jī)運(yùn)行正常，發(fā)電機(jī)定子線圈和鐵心溫度正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)參考同類型電廠相關(guān)技術(shù)措施，從鍋爐穩(wěn)燃、深度調(diào)峰的安全性、協(xié)調(diào)控制優(yōu)化、對(duì)電氣設(shè)備的影響等方面，對(duì)百萬(wàn)超超臨界機(jī)組深度調(diào)峰中遇到的困難進(jìn)行了深入的分析，并給出了簡(jiǎn)要的解決方案，為中國(guó)火電項(xiàng)目靈活性改造提供了一定的借鑒。

[1] 朱全利. 1000MW火力發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)教材 鍋爐設(shè)備系統(tǒng)及運(yùn)行[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2] 張磊，李光華.超超臨界火電機(jī)組叢書(shū):鍋爐設(shè)備與運(yùn)行[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]黃文靜，戴蘇峰，艾春美，等.電站燃煤鍋爐全負(fù)荷SCR脫硝控制技術(shù)探討[J].節(jié)能技術(shù)，2015,33(2):189-192.

[4]李勁柏,劉復(fù)平.汽輪機(jī)閥門(mén)流量特性函數(shù)優(yōu)化和對(duì)機(jī)組安全性經(jīng)濟(jì)性的影響[J].中國(guó)電力，2008,41（12）：50-53.

2017-09-05）