張 良

(國電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司)

面對發(fā)電能源緊缺問題，國家下發(fā)能源安全新戰(zhàn)略，降低發(fā)電煤炭消耗，推動使用清潔、綠色能源供電[1]。目前，我國供電采用的超臨界機組鍋爐側(cè)深度調(diào)峰負(fù)荷為30%，使得超臨界機組具有良好的啟停性能，因此，30%負(fù)荷已經(jīng)滿足基本調(diào)峰需求[2]。但是，在使用新能源發(fā)電時，30%負(fù)荷深度調(diào)峰仍然存在較大的峰谷差值，且在節(jié)假日尤為突出。超臨界機組通過頻繁啟停維持機組供電靈活和安全[3]，解決了峰谷差值的問題，卻降低了機組的使用壽命，未從根本上解決新能源接入帶來的問題[4]。因此，多地出臺超臨界機組負(fù)荷深度調(diào)峰新政策：要求機組具有20%負(fù)荷的深度調(diào)峰能力[5-6]。但是，20%負(fù)荷深度調(diào)峰會降低機組的運行水平、動力工況安全和燃燒穩(wěn)定性等。

目前，國內(nèi)外主要研究了不同負(fù)荷深度調(diào)峰條件下，超臨界機組燃燒穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]分析了600 MW發(fā)電機組深度調(diào)峰時存在的風(fēng)險，通過約束深度調(diào)峰關(guān)鍵參數(shù)，在無助燃方式下將負(fù)荷調(diào)峰至220 MW。文獻(xiàn)[8]通過動態(tài)試驗，驗證了改造后的600MW亞臨界鍋爐深度調(diào)峰不會影響燃燒穩(wěn)定性。

1 鍋爐側(cè)超臨界機組20%負(fù)荷深度調(diào)峰改造技術(shù)

1.1 20%負(fù)荷深度調(diào)峰時爐內(nèi)運行變化

為了確定20%負(fù)荷深度調(diào)峰對鍋爐側(cè)運行性能的影響，按照DG2150/25.4-II6型鍋爐技術(shù)參數(shù)，采用數(shù)值模擬的方式，模擬30%負(fù)荷深度調(diào)峰(即滿足當(dāng)前超臨界機組基本調(diào)峰需求的)和20%負(fù)荷深度調(diào)峰條件下，超臨界機組鍋爐側(cè)爐內(nèi)氣流速度和溫度分布情況，分析鍋爐側(cè)運行性能變化。

設(shè)計鍋爐運行數(shù)值模擬工況參數(shù)見表1。

1.1.1 鍋爐側(cè)爐內(nèi)速度分布

從鍋爐側(cè)內(nèi)氣流速度分布(圖1)可以看出，30%負(fù)荷深度調(diào)峰時，鍋爐側(cè)爐內(nèi)氣流速度較大，具有較強的剛性，氣流均在爐內(nèi)中心運行，不易貼近爐壁，氣流中心低速區(qū)面積較小，形成完整的切圓；相較30%負(fù)荷深度調(diào)峰時，20%負(fù)荷深度調(diào)峰時的氣流流速減小，剛性變?nèi)?，氣流多貼近爐壁運動，氣流中心低速區(qū)面積增加，難以形成完整的切圓。

圖1 鍋爐側(cè)爐內(nèi)氣流速度分布

1.1.2 鍋爐側(cè)爐內(nèi)溫度分布

一次風(fēng)強化了煤粉與煙氣的對流換熱，實現(xiàn)爐內(nèi)煤粉燃燒。鍋爐側(cè)爐內(nèi)溫度隨著爐膛寬度方向變化，因此可以以鍋爐側(cè)爐膛燃燒器高度處溫度分布來代表鍋爐側(cè)爐內(nèi)溫度分布，見圖2。

圖2 鍋爐側(cè)爐膛燃燒器高度處溫度分布

爐內(nèi)溫度受到風(fēng)速影響，其分布呈環(huán)狀。此外，在前墻和后墻區(qū)域各設(shè)置一個多層煤粉燃燒器，各層之間有一定距離，位于燃燒器區(qū)域上方，于水平方向上，分別設(shè)置一組主燃盡風(fēng)噴口，與位于最上層煤粉燃燒器的間距大于各層煤粉燃燒器之間的間距，受卷吸氣流影響，鍋爐側(cè)爐膛燃燒器高度處溫度分布為中間高、兩邊低。

當(dāng)30%負(fù)荷深度調(diào)峰時，燃燒器高度處溫度分布基本對稱，呈理想的切圓形狀，以及環(huán)狀分布，且中心區(qū)域溫度高、兩側(cè)溫度低。

相較30%負(fù)荷深度調(diào)峰時，20%負(fù)荷深度調(diào)峰時溫度分布明顯出現(xiàn)低溫區(qū)，燃燒器高度處溫度分布不對稱，極易出現(xiàn)火焰貼壁問題，造成超臨界機組停機事故。

1.1.3 20%負(fù)荷深度調(diào)峰時存在的問題

當(dāng)20%負(fù)荷深度調(diào)峰時，氣流流速減小，氣流中心低速區(qū)面積增加，鍋爐側(cè)爐內(nèi)溫度分布不對稱。當(dāng)機組深度調(diào)峰負(fù)荷為20%時，爐內(nèi)熱負(fù)荷降低，爐膛燃燒穩(wěn)定性下降，甚至滅火。

超臨界機組鍋爐側(cè)性能取決于深度調(diào)峰后的穩(wěn)燃能力。改造鍋爐側(cè)低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)，可以實現(xiàn)鍋爐側(cè)超臨界機組20%負(fù)荷深度調(diào)峰。

1.2 改造鍋爐側(cè)超臨界機組

目前主燃燒器燃燒方式為正壓直吹前后墻對沖燃燒，共配有36只低NOx軸向旋流式煤粉燃燒器，分六層分別布置在鍋爐前后墻水冷壁上，每層各有6只低NOx燃燒器。爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁兩種不同的結(jié)構(gòu)組成。配備兩臺32.5VNT2130型三分倉回轉(zhuǎn)容克式空氣預(yù)熱器。制粉系統(tǒng)采用中速磨冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配六臺ZGM113G中速輥式磨煤機。機組目前能夠?qū)崿F(xiàn)30%負(fù)荷純凝工況穩(wěn)燃，為了進(jìn)一步提高燃燒器的穩(wěn)燃性能，滿足20%負(fù)荷深度調(diào)峰要求，對超臨界機組鍋爐側(cè)燃燒系統(tǒng)改造，總體布置如圖3所示。

圖3 鍋爐燃燒器改造總體布置

機組目前入爐煤種變化較大，且偏離燃燒器設(shè)計煤種。由于A層、B層、C層、D層的燃燒器配有等離子系統(tǒng)，具備穩(wěn)燃功能，燃燒器無需改動，因此只對E層、F層燃燒器進(jìn)行改造。

鍋爐側(cè)爐膛采用花瓣狀穩(wěn)燃低氮燃燒器，其最顯著的特點就是其穩(wěn)燃能力及低負(fù)荷穩(wěn)燃特性，具體的穩(wěn)燃措施：

(1)獨特的梅花形噴口專利技術(shù)以其固有的流場特性，形成強勁穩(wěn)定的火焰，強化了煤粉著火，整個風(fēng)粉氣流在水冷壁喉口內(nèi)就形成明亮穩(wěn)定的火焰，加熱新鮮煤粉氣流，煤粉氣流被高溫火焰包裹著閃速熱解；

(2)特殊的梅花瓣形狀使得煤粉可以吸收周圍更多的熱量而釋放更多揮發(fā)成分，氣體著火后加熱內(nèi)部煤粉，維持燃燒反應(yīng)；

(3)三個穩(wěn)焰裝置：噴口外端設(shè)置獨特的穩(wěn)焰環(huán)、穩(wěn)燃片；內(nèi)二次風(fēng)旋葉片式旋流器；外二次風(fēng)切向旋流器；

(4)高效的燃盡風(fēng)噴口及低燃盡風(fēng)率，提高了主燃燒器的配風(fēng)特性：三個穩(wěn)燃裝置與梅花形噴口結(jié)合，有效控制燃燒火焰的張角及火焰長度，不僅增加了對于不同煤種的適應(yīng)性，同時也使得在低負(fù)荷下火焰穩(wěn)定性大大加強，能適應(yīng)較高的磨煤機調(diào)節(jié)比。

采用上述方案可滿足機組20%負(fù)荷穩(wěn)燃要求，能夠靈活調(diào)整低負(fù)荷工況下投運磨組方式，保證三臺磨煤機運行的前提下，提高煤粉濃度。

2 改造技術(shù)應(yīng)用

選擇國電電力大同發(fā)電有限公司三期的9號機組作為此次試驗研究對象，驗證此次鍋爐側(cè)超臨界機組20%負(fù)荷深度調(diào)峰改造技術(shù)應(yīng)用效果。

2.1 鍋爐側(cè)超臨界機組概況

國電電力大同發(fā)電有限公司三期的9號機組運行功率660 MW，型號為DG2150/25.4-II6，汽輪機為CLNZK660-24.2/566/566型三缸四排汽、一次中間再熱、直接空冷凝汽式，具備智能控制系統(tǒng)(ICS)的國能智深EDPF-NT +系統(tǒng)最新版本，額定燃料量205.9 t/h。額定功率下主汽門前蒸汽壓力24.2 MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度566 ℃，設(shè)計平均背壓13 kPa，回?zé)峒訜峒墧?shù)7級，最大供熱抽汽量380 t/h，供熱取汽在低壓缸進(jìn)汽道管上打孔，孔內(nèi)徑900 mm，低壓缸進(jìn)汽道管各設(shè)置一個快開調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)整抽汽流量和中排壓力。

2.2 改造應(yīng)用效果

2.2.1 改造前后參數(shù)對比

采用鍋爐側(cè)超臨界機組20%負(fù)荷深度調(diào)峰改造技術(shù)，實現(xiàn)低壓缸微出力及高低旁供熱投運時同時調(diào)峰。改造前(僅低壓缸微出力投運時調(diào)峰或僅高低旁供熱投運時調(diào)峰)和改造后(低壓缸微出力及高低旁供熱投運時同時調(diào)峰)的鍋爐運行參數(shù)見表2。

表2 改造前后的鍋爐運行參數(shù)

由表2可知，改造完成后，機組能夠同時投入低壓缸微出力及高低旁供熱系統(tǒng)，發(fā)電功率顯著提高，9號機組的總熱負(fù)荷顯著降低，由此可降低旁路投入容量，中聯(lián)門不需要參調(diào)，運行調(diào)整較為簡單、安全可靠；9號機組旁路空冷島排汽(冷源損失)基本降低至最小，旁路影響煤耗也較小，經(jīng)濟性較好。

2.2.2 鍋爐側(cè)穩(wěn)燃性檢測

結(jié)合表2的改造后鍋爐運行參數(shù)和表3的鍋爐工況參數(shù)，模擬得到改造后鍋爐側(cè)爐內(nèi)氣流流速和溫度分布，如圖4所示。

表3 鍋爐工況參數(shù)

圖4 改造后氣流流速和溫度分布

從圖4中的(a)可以看出，鍋爐側(cè)爐內(nèi)氣流速度較大，具有較強的剛性，氣流均在爐內(nèi)中心運行，不易貼近爐壁，減小了氣流中心低速區(qū)面積，形成完整的切圓。與圖1中的(b)圖相差較大，與(a)圖形狀較為接近。

從圖4中的(b)圖可以看出，鍋爐側(cè)爐膛燃燒器溫度分布基本對稱，呈現(xiàn)理想的切圓形狀，以及環(huán)狀分布，且中心區(qū)域溫度高，兩側(cè)溫度低。與圖2中的(b)圖相差較大，與(a)圖形狀較為接近。

此次研究改造后的9號機組鍋爐，為煤粉提供了更有利的燃燒條件，讓鍋爐側(cè)爐內(nèi)氣流流速與溫度均呈環(huán)形分布，保障鍋爐側(cè)爐內(nèi)熱負(fù)荷，讓爐膛處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，滿足了20%負(fù)荷深度調(diào)峰條件下的穩(wěn)燃需求。

3 結(jié)語

通過模擬超臨界機組鍋爐側(cè)燃燒時，氣流流速和溫度分布情況，確定20%負(fù)荷深度調(diào)峰對鍋爐側(cè)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。根據(jù)這一模擬結(jié)果，改造鍋爐側(cè)爐膛主燃器，穩(wěn)定主燃器燃燒性能。但是，此次研究未曾考慮20%負(fù)荷深度調(diào)峰，對超臨界機組分離器、水動力等工況的影響。在今后的研究中，還需進(jìn)一步模擬超臨界機組20%負(fù)荷深度調(diào)峰時，分離器、水動力等工況變化，進(jìn)一步改造鍋爐側(cè)超臨界機組。