張少?gòu)?qiáng) ，陳露 ，劉子易 ，張鵬 ，王智博 ，宋民航 ,?

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司, 新疆 昌吉 831100；2.河北師范大學(xué) 中燃工學(xué)院, 河北 石家莊 050024；3.中國(guó)科學(xué)院 過(guò)程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190）

0 引言

由于石油、煤炭等化石能源的日趨枯竭以及環(huán)境問(wèn)題的日益突出，國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要明確指出構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展使得包括風(fēng)電、光伏、水電等在內(nèi)的可再生能源發(fā)電比例逐年提高?！笆奈濉逼陂g，將持續(xù)推動(dòng)可再生能源作為能源消費(fèi)增量主體，為實(shí)現(xiàn)2030年非化石能源消費(fèi)占比20%的戰(zhàn)略目標(biāo)奠定基礎(chǔ)[1]?？稍偕茉窗l(fā)電量預(yù)測(cè)如圖1所示。如按照當(dāng)前水電、風(fēng)電、光伏和生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量的發(fā)展規(guī)模增長(zhǎng)預(yù)測(cè)，到2025年可再生能源理論發(fā)電量可達(dá)到4億kWh左右[2]。在該形勢(shì)下，火電正面臨著前所未有的困境。

圖1 可再生能源發(fā)電量預(yù)測(cè)Fig.1 Renewable energy generation forecast

可再生能源的大規(guī)模接入使電網(wǎng)中各類(lèi)電力的數(shù)量、比例和時(shí)空分布等發(fā)生了較大變化，對(duì)調(diào)峰電源的需求也逐漸升高，但各類(lèi)水電機(jī)組、太陽(yáng)能發(fā)電、抽水蓄能機(jī)組等受環(huán)境及自然條件影響，調(diào)峰能力有限，顯現(xiàn)出快速高效調(diào)峰資源不足的問(wèn)題[3]。因此，調(diào)峰困難已成為目前限制風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的主要原因之一，造成了棄風(fēng)、棄光等能源浪費(fèi)現(xiàn)象[4]。

在燃煤機(jī)組產(chǎn)能過(guò)剩和電網(wǎng)對(duì)可再生能源大量吸納的雙重壓力下，煤電機(jī)組自身特點(diǎn)及良好的調(diào)峰性能，使其成為了電網(wǎng)靈活調(diào)峰的基礎(chǔ)調(diào)節(jié)能源，承擔(dān)著電網(wǎng)調(diào)峰的艱巨任務(wù)。目前，受電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大的影響，各燃煤機(jī)組降出力和超基本調(diào)峰范圍運(yùn)行已成為常態(tài)，形成了深度調(diào)峰的運(yùn)行方式。深度調(diào)峰能力取決于機(jī)組的最小負(fù)荷及最大負(fù)荷之比，以及變負(fù)荷運(yùn)行下的快速適應(yīng)能力，并直接決定著電網(wǎng)調(diào)峰容量的大小[5]。

由于中國(guó)電力供需仍呈現(xiàn)出總體富余、部分地區(qū)明顯過(guò)剩的格局，在電力消費(fèi)增速減速換擋及煤電機(jī)組投產(chǎn)過(guò)多的情況下，煤電機(jī)組正承擔(dān)著高速增長(zhǎng)的清潔能源發(fā)電深度調(diào)峰和備用電源的功能，火電機(jī)組尤其是煤電機(jī)組在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行。因此，積極推動(dòng)燃煤機(jī)組靈活性改造，充分挖掘火電機(jī)組深度調(diào)峰潛力，對(duì)緩解我國(guó)當(dāng)前調(diào)峰壓力，接納更多可再生能源，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有不可替代的作用[4]?！蛾P(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確提出“開(kāi)展火電機(jī)組靈活性改造，提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力”以及“優(yōu)先提升30萬(wàn)千瓦級(jí)煤電機(jī)組的深度調(diào)峰能力。改造后的純凝機(jī)組最小技術(shù)出力達(dá)到30%～40%額定容量，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最小技術(shù)出力達(dá)到40%～50%額定容量；部分電廠達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到20%～30%”。

挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰性能是提升電網(wǎng)調(diào)峰能力的必由之路[6-7]。針對(duì)大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問(wèn)題，需要在提升鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃、快速啟停和快速升降負(fù)荷的同時(shí)[8]，兼顧低負(fù)荷運(yùn)行中可能出現(xiàn)的NOx生成量偏高、爐溫不均、主再熱汽溫偏低、壁溫超溫、煤粉燃盡差等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)峰過(guò)程中的穩(wěn)定、清潔及高效燃燒。

本文在總結(jié)已有的針對(duì)煤電機(jī)組燃燒側(cè)的深度調(diào)峰技術(shù)及研究成果基礎(chǔ)上，從燃煤鍋爐低（變）負(fù)荷過(guò)程中的燃燒穩(wěn)定性、運(yùn)行可靠性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性需求出發(fā)，首先總結(jié)了大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，并分別從低（變）負(fù)荷運(yùn)行下燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性、主要輔機(jī)適應(yīng)性和安全性及熱電機(jī)組的熱電解耦四個(gè)方面，對(duì)目前主要技術(shù)內(nèi)容及進(jìn)展進(jìn)行分析總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)燃煤鍋爐深度調(diào)峰技術(shù)進(jìn)行研究及發(fā)展展望，為促進(jìn)大型燃煤鍋爐深度調(diào)峰提供一定理論支撐。

1 燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 燃燒穩(wěn)定性

燃煤鍋爐的運(yùn)行安全性是火電廠所關(guān)心的首要問(wèn)題，而燃燒穩(wěn)定性是運(yùn)行安全性的重要體現(xiàn)。其中，煤粉燃燒器是決定著鍋爐穩(wěn)燃能力的關(guān)鍵核心設(shè)備。常用的煤粉燃燒方式包括直流燃燒及旋流燃燒兩種[9-11]，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)升級(jí)，在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行工況下能夠維持良好的煤粉著火和穩(wěn)定燃燒，但在低負(fù)荷和變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于整體燃燒特性的改變，低（變）負(fù)荷運(yùn)行特性大幅偏離滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，從而引起著火推遲、燃燒不穩(wěn)定、火焰檢測(cè)信號(hào)弱、尾部煙道二次燃燒等一系列影響鍋爐運(yùn)行安全性的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)將造成鍋爐熄火等重大事故。為了應(yīng)對(duì)燃煤鍋爐調(diào)峰過(guò)程中的燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題，常采用投油助燃的輔助穩(wěn)燃措施[12-13]，但從相關(guān)政策來(lái)看，投油助燃僅能作為特殊情況下避免鍋爐熄火等非停事故的一項(xiàng)緊急手段，開(kāi)展火電機(jī)組深度調(diào)峰仍然需要從燃燒設(shè)備方面著手[14]。以上問(wèn)題嚴(yán)重影響著燃煤鍋爐靈活調(diào)峰過(guò)程中的運(yùn)行安全性及可靠性[15]。

1.2 環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性

在低（變）負(fù)荷運(yùn)行下，燃煤機(jī)組為了滿(mǎn)足燃燒穩(wěn)定性等需求，通常在較大煤粉燃燒化學(xué)當(dāng)量比下運(yùn)行，使NOx排放濃度不降反升。同時(shí)，為了維持穩(wěn)燃進(jìn)行投油的方式也將產(chǎn)生煤油混燒條件下的NOx和SOx生成量增多等問(wèn)題[16]。以上問(wèn)題使機(jī)組靈活調(diào)峰過(guò)程中面臨著更加嚴(yán)峻的污染物減排需求，需要開(kāi)展全負(fù)荷脫硫脫硝相關(guān)研究工作。同時(shí)，這部分與鍋爐負(fù)荷不匹配的污染物排放也將增加調(diào)峰過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)成本。

此外，由于深度調(diào)峰下鍋爐運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況較大，鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)效率。并且，隨著機(jī)組負(fù)荷率的下降，風(fēng)機(jī)、水泵等輔機(jī)由于自身容量較大，低負(fù)荷下功率又不易調(diào)節(jié)，機(jī)組供電煤耗率大幅度上升。測(cè)試表明，深度調(diào)峰將提高綜合廠用電率及發(fā)電煤耗，直接影響著機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。因此，在調(diào)峰機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，還需要注重經(jīng)濟(jì)性分析及提升。

1.3 主要輔機(jī)間的適應(yīng)性

燃煤鍋爐調(diào)峰過(guò)程中帶來(lái)的主要輔機(jī)運(yùn)行特性的改變，也是需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。燃煤發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，各輔機(jī)設(shè)備（包括送引風(fēng)機(jī)、給水泵、磨煤機(jī)等）均偏離于設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，將直接影響到輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和做功效率。如對(duì)風(fēng)機(jī)而言，可能引發(fā)風(fēng)機(jī)的搶風(fēng)和失速，進(jìn)而導(dǎo)致喘振、跳閘等一系列安全問(wèn)題。因此，應(yīng)基于各負(fù)荷段下的主要輔機(jī)運(yùn)行特性，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、分析和管理，提高輔機(jī)設(shè)備的可靠性，開(kāi)展自身運(yùn)行特性及輔機(jī)間運(yùn)行協(xié)同性的系統(tǒng)研究，從而保證深度調(diào)峰運(yùn)行下，包括磨煤機(jī)、三大風(fēng)機(jī)、脫硝、脫硫、除塵設(shè)備、鍋爐本體受熱面、汽水系統(tǒng)等在內(nèi)的鍋爐本體及主要輔機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，提高燃煤鍋爐主要輔機(jī)間的適應(yīng)性及安全性。

1.4 熱電機(jī)組的熱電解耦問(wèn)題

在燃煤機(jī)組整體調(diào)峰能力不足情況下，處于供暖季的熱電機(jī)組無(wú)疑又限制了燃煤機(jī)組的調(diào)峰能力。因此，需解耦其“以熱定電”的約束，開(kāi)展針對(duì)熱電機(jī)組的熱電解耦技術(shù)研究開(kāi)發(fā)及示范應(yīng)用，從而緩解熱電機(jī)組深度調(diào)峰與供暖季供熱之間的矛盾。在熱電解耦技術(shù)中，核心是就近吸收供熱產(chǎn)生的電負(fù)荷，或通過(guò)電加熱及電能替代等方式將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能或化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，待需要時(shí)送出。目前代表性的技術(shù)有儲(chǔ)熱罐及熱泵供熱、儲(chǔ)熱電鍋爐、汽輪機(jī)旁路補(bǔ)償供熱、切除低壓缸供熱等。然而，盡管以上熱電解耦技術(shù)已不同程度上應(yīng)用于供熱調(diào)節(jié)及靈活調(diào)峰上，但仍存在部分問(wèn)題需要完善，主要體現(xiàn)在，已有研究多集中于對(duì)熱電解耦前后促進(jìn)新能源消納效果的對(duì)比分析，對(duì)改造前后機(jī)組運(yùn)行所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益變化還有待進(jìn)一步深入分析[17]。同時(shí)，采用不同類(lèi)型技術(shù)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行熱電解耦所帶來(lái)的電源側(cè)靈活性提升規(guī)模，仍有待系統(tǒng)評(píng)估。

基于以上問(wèn)題，圖2給出了燃煤鍋爐深度調(diào)峰下的關(guān)鍵問(wèn)題及對(duì)應(yīng)的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。下文將結(jié)合圖中所述內(nèi)容開(kāi)展詳細(xì)分析。

圖2 燃煤鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵問(wèn)題Fig.2 Key issues of depth peak adjustment of coal-fired boiler

2 燃煤鍋爐深度調(diào)峰研究現(xiàn)狀

2.1 燃煤鍋爐的燃燒穩(wěn)定性

1）穩(wěn)燃燃燒器

在挖掘煤粉燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能方面，目前形成了幾類(lèi)主流的技術(shù)措施，包括強(qiáng)化煤粉高效濃縮及高溫?zé)煔饣亓鱗18-19]、優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)[20]、構(gòu)建各負(fù)荷段下接近的燃燒特性[21]，以及研究低（變）負(fù)荷下的煤粉燃燒機(jī)理[21]等。圖3給出了幾種典型電站鍋爐旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖。針對(duì)采用外層淡煤粉氣流包裹中心濃煤粉氣流的中心給粉旋流燃燒器（如圖3(a)所示），在燃用難燃低揮發(fā)分煤種時(shí)，降低負(fù)荷將推遲煤粉氣流的著火，但仍能在40%負(fù)荷附近維持穩(wěn)定燃燒，并伴隨著較小的爐內(nèi)負(fù)壓波動(dòng)[22]。在強(qiáng)化高溫回流區(qū)促進(jìn)穩(wěn)燃方面，通過(guò)設(shè)置鈍體及利用高速旋轉(zhuǎn)氣流可構(gòu)建低壓區(qū)卷吸高溫?zé)煔庑纬苫亓鳌＞唧w可根據(jù)實(shí)際需求，構(gòu)建單一高溫回流區(qū)，或以上幾種方式的多級(jí)組合回流區(qū)，用以強(qiáng)化高溫?zé)煔饣亓鞯姆€(wěn)燃效果。此外，針對(duì)煤粉燃燒器的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化也是一種常見(jiàn)的促進(jìn)穩(wěn)燃措施[21]。

圖3 典型電站鍋爐旋流煤粉燃燒器類(lèi)型Fig.3 Typical swirl pulverized-coal burner for utility boiler

以上研究工作從燃煤鍋爐的源頭開(kāi)展燃燒器穩(wěn)燃能力的提升，對(duì)提高燃煤鍋爐靈活調(diào)峰能力具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

2）制粉系統(tǒng)

鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)于制粉系統(tǒng)，尤其是煤粉細(xì)度及均勻性指數(shù)的要求更高，構(gòu)建適應(yīng)于不同負(fù)荷需求的煤粉細(xì)度及均勻性，有利于促進(jìn)煤粉及時(shí)著火穩(wěn)燃、降低飛灰可燃物含量、增強(qiáng)煤種適應(yīng)性，從而增強(qiáng)機(jī)組的調(diào)峰能力。因此，需要根據(jù)鍋爐不同負(fù)荷需求，通過(guò)對(duì)磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)的特性研究及優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、均勻、有調(diào)節(jié)地供應(yīng)質(zhì)量合格的煤粉。

在提高煤粉濃度促進(jìn)穩(wěn)燃方面，通過(guò)對(duì)各根一次風(fēng)管風(fēng)速的調(diào)平及適當(dāng)降低一次風(fēng)速提高煤粉濃度，可以有效提高鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力[14]。但實(shí)際過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉的氣力輸送，決定了一次風(fēng)速不能低于煤粉的臨界輸送速度，因此通過(guò)該種方式對(duì)煤粉濃度的提升幅度有限。通過(guò)調(diào)整動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速，可以對(duì)煤粉細(xì)度及均勻性進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，是促進(jìn)低負(fù)荷下不同煤種及時(shí)著火穩(wěn)燃的一項(xiàng)重要措施[23]。結(jié)合燃用煙煤的低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)表明，通過(guò)增大動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速降低煤粉細(xì)度（R90由23%降至10%），能夠降低鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷至30%[24]。通過(guò)增加350 MW機(jī)組的磨煤機(jī)運(yùn)行數(shù)量（2臺(tái)增加至3臺(tái)），可以促進(jìn)鍋爐30%負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行，有效避免了由于燃燒不穩(wěn)定造成的非停事故[25]。但無(wú)論是增加動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速還是增加磨煤機(jī)運(yùn)行數(shù)量，都將使設(shè)備用電量增加，提高了機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行能耗。

3）點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)

為了緩解常規(guī)投油穩(wěn)燃所產(chǎn)生的高額費(fèi)用問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了等離子體點(diǎn)火穩(wěn)燃[26-27]、小油槍微油助燃[28-29]及電加熱穩(wěn)燃等方式[30-31]。等離子體穩(wěn)燃的主要特點(diǎn)是采用等離子體槍?zhuān)ㄈ鐖D4(a)所示），通過(guò)高溫電弧的瞬間放熱，促進(jìn)煤粉快速著火及穩(wěn)燃，相對(duì)來(lái)說(shuō)，安全、環(huán)保，運(yùn)行費(fèi)用較低，缺點(diǎn)是初期投資費(fèi)用較高、電極壽命較短且煤質(zhì)適應(yīng)性較差，常用于燃燒高揮發(fā)分煙煤的鍋爐。微油穩(wěn)燃是使用少量油率先點(diǎn)燃濃煤粉氣流，而后通過(guò)自身的燃燒放熱加熱并點(diǎn)燃與其相鄰的煤粉氣流，如將小油槍穿過(guò)旋風(fēng)筒煤粉濃縮器并伸入濃煤粉氣流的中心，用以強(qiáng)化煤粉著火并引燃周?chē)悍蹥饬鳎ㄈ鐖D4(b)所示）。該方法具有節(jié)油及煤種適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但長(zhǎng)期運(yùn)行中仍然會(huì)對(duì)尾部電除塵及脫硫設(shè)備產(chǎn)生一定的負(fù)面效果。中頻電加熱穩(wěn)燃是利用中頻電加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤粉氣流的快速升溫著火[30-31]。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的直流煤粉燃燒器（如圖4(c)所示），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以在燃燒神華煤條件下實(shí)現(xiàn)13.6%～100%寬負(fù)荷下的穩(wěn)定燃燒，該技術(shù)有待進(jìn)一步在實(shí)際鍋爐進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證[32]。

圖4 典型點(diǎn)火穩(wěn)燃器類(lèi)型Fig.4 Typical ignition stabilizers

2.2 燃煤鍋爐運(yùn)行環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性

1）降低污染物排放

當(dāng)前，針對(duì)調(diào)峰過(guò)程中的污染物排放問(wèn)題，主要聚焦于NOx和SOx減排方面。在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行下，由于風(fēng)煤比增大，使鍋爐運(yùn)行氧量偏高，容易造成NOx生成量偏高的問(wèn)題[33]。通過(guò)對(duì)比前后墻對(duì)沖鍋爐和四角切圓鍋爐的運(yùn)行結(jié)果得到，隨著鍋爐負(fù)荷的降低，過(guò)量空氣系數(shù)增加，燃料型NOx的增加量要遠(yuǎn)高于熱力型NOx的減少量，使NOx生成量總體上與鍋爐負(fù)荷變化趨勢(shì)相反[34]。目前，聚焦于深度調(diào)峰對(duì)脫硫影響的研究報(bào)道較少。在常規(guī)低負(fù)荷運(yùn)行情況下一般不采用投油穩(wěn)燃措施，對(duì)脫硫的影響主要體現(xiàn)在由于過(guò)量空氣系數(shù)增大，使SO3生成量有所增加，將一定程度上加劇對(duì)尾部煙道的腐蝕效果。但在極低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，深度調(diào)峰機(jī)組還需采取投油穩(wěn)燃措施。研究表明未完全燃盡的燃油及其產(chǎn)物將與脫硫漿液產(chǎn)生一系列物化反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致脫硫漿液“中毒”，影響脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行并降低脫硫效率[35]。

污染物的減排路徑可分為兩方面，一方面為抑制爐內(nèi)的生成，另一方面為生成后的尾部脫除。針對(duì)爐內(nèi)抑制NOx生成方面，常采用具有強(qiáng)穩(wěn)燃能力的低氮燃燒器、優(yōu)化爐內(nèi)分級(jí)配風(fēng)、煙氣再循環(huán)等技術(shù)手段控制爐內(nèi)的NOx生成。在尾部脫硝方面，面臨的主要問(wèn)題是低負(fù)荷下SCR入口煙溫常低于催化劑的正常工作溫度窗口（通常為300～400 ℃），容易造成SCR反應(yīng)器無(wú)法正常投入，影響NOx的達(dá)標(biāo)排放。為緩解這一問(wèn)題，可結(jié)合對(duì)分級(jí)省煤器、省煤器煙氣旁路、省煤器水旁路、熱水再循環(huán)等的改造以提高SCR入口煙溫[36]。研究表明，通過(guò)采用鍋爐啟動(dòng)技術(shù)和省煤器分級(jí)技術(shù)組合方案，可實(shí)現(xiàn)600 MW亞臨界機(jī)組的超低負(fù)荷脫硝[37]。此外，對(duì)噴氨管路進(jìn)行優(yōu)化布置也是降低NOx排放的一項(xiàng)重要措施。在降低SOx排放及緩解尾部脫硫設(shè)備負(fù)擔(dān)方面，需要在低負(fù)荷運(yùn)行下避免投油穩(wěn)燃的運(yùn)行方式，采用新型穩(wěn)燃技術(shù)及優(yōu)化尾部脫硫工藝來(lái)降低SOx排放。除了NOx和SOx污染物外，顆粒物及重金屬減排也是需要關(guān)注的重要方面，需要在未來(lái)進(jìn)行持續(xù)深入的研究。

2）提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

一般情況下，采用中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的機(jī)組，80%～90%額定負(fù)荷以上為經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)，此時(shí)鍋爐效率最高，而配直吹式制粉系統(tǒng)的機(jī)組，經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)可能略高于滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)[38]。而隨著負(fù)荷的降低，鍋爐效率降低，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性逐漸變差。以某330 MW機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行為例，由于偏離額定工況，會(huì)引起經(jīng)濟(jì)性的下降，當(dāng)負(fù)荷降到60%時(shí)，裝置效率相對(duì)降低1.3%，煤耗增加約10 g/kWh，并隨著負(fù)荷的降低，運(yùn)行煤耗將進(jìn)一步增加[38]。因此，需要從包括提高煤粉燃盡率、降低主要輔機(jī)廠用電率等在內(nèi)的多方面整體考慮。

爐內(nèi)氧量是影響煤粉燃盡程度的重要因素：一方面，若燃燒氧量低，雖有利于著火穩(wěn)燃，但燃燒后期風(fēng)粉混合性差，將增加燃燒不完全損失；另一方面，若提高氧量，將使?fàn)t溫降低影響燃燒穩(wěn)定性，并增加排煙損失。為緩解以上矛盾，在保證揮發(fā)分完全燃燒及煤粉氣力輸送的前提下，可適當(dāng)減小一次風(fēng)量（風(fēng)壓）及降低煤粉細(xì)度、深化爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒、提高燃燒器入口風(fēng)粉溫度等，從而提高煤粉燃盡率。針對(duì)某機(jī)組65%MCR運(yùn)行下，減小一次風(fēng)壓由100 Mbar至75 Mbar，能夠降低飛灰可燃物含量至2.7%，鍋爐效率達(dá)到87.71%[39]。在發(fā)電廠廠用電量方面，廠用電量約占機(jī)組容量的5%，其中主要輔機(jī)設(shè)備消耗的電能約占廠用電的70%～80%，因此，優(yōu)化組合主要輔機(jī)運(yùn)行方式，充分挖掘低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程時(shí)輔機(jī)的節(jié)能潛力，是非常必要的[40]。具體可通過(guò)減少磨煤機(jī)投運(yùn)臺(tái)數(shù)、風(fēng)機(jī)單側(cè)運(yùn)行、降低風(fēng)機(jī)能耗、受熱面定期吹灰等方面降低廠用電率[38]。其中，采用合理的輪換方式對(duì)受熱面定期吹灰，不僅可以提高受熱面吸熱能力，還可以減少煙道阻力及風(fēng)機(jī)電耗、降低尾部空預(yù)器堵灰可能性[39]。此外，采用汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行[41]，降低機(jī)組調(diào)峰過(guò)程中污染物生成及相應(yīng)處理費(fèi)用，以及進(jìn)行熱電解耦[42]，也是提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要措施。

2.3 燃煤鍋爐主要輔機(jī)協(xié)同配合

1）鍋爐受熱面

在燃煤鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷的變化將加劇壁溫波動(dòng)，加上給水流量偏低，使鍋爐單根水冷壁管進(jìn)水均勻性下降及分配不均，容易造成局部過(guò)熱現(xiàn)象，增加了水冷壁爆管的可能性。同時(shí)，由于產(chǎn)汽量小，也將出現(xiàn)工質(zhì)偏差增大的問(wèn)題，易產(chǎn)生氧化皮并加速材料老化。為緩解該問(wèn)題，可通過(guò)壁溫核算、增加壁溫測(cè)點(diǎn)、優(yōu)化報(bào)警值、升級(jí)受熱面等措施，更加有效的監(jiān)控水冷壁超溫點(diǎn)，并有針對(duì)性地進(jìn)行燃燒區(qū)域調(diào)整和受熱面吹灰，從而增強(qiáng)受熱面運(yùn)行安全。

2）汽水系統(tǒng)

在快速升降負(fù)荷過(guò)程中，由于壓力的大幅變化，將使汽包工質(zhì)汽化現(xiàn)象加劇，水位波動(dòng)幅度增加，難以控制。通過(guò)對(duì)汽包內(nèi)汽水工質(zhì)循環(huán)過(guò)程的簡(jiǎn)化分析，建立了汽包水位動(dòng)態(tài)模型，采用該模型計(jì)算得到燃料量與汽包壓力變化是引起汽包“虛假水位”、波動(dòng)劇烈的主要原因，且在超低負(fù)荷下該問(wèn)題更為嚴(yán)重[43]。可以通過(guò)給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)給水量，使其適應(yīng)不同負(fù)荷下的蒸發(fā)量變化，維持汽包水位在合理的范圍內(nèi)，保證安全運(yùn)行。針對(duì)水循環(huán)安全，基于350 MW機(jī)組亞臨界自然循環(huán)鍋爐建立的水冷壁流量和壁溫計(jì)算模型，計(jì)算得到深度調(diào)峰工況的水動(dòng)力結(jié)果，表明深度調(diào)峰25% THA負(fù)荷下的循環(huán)倍率均大于界限循環(huán)倍率，可以滿(mǎn)足鍋爐安全運(yùn)行，且流量和循環(huán)流速較為合理，四面墻各墻回路流量分配均勻，金屬溫度能夠滿(mǎn)足材料強(qiáng)度和抗氧化要求，但應(yīng)確保爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定、火焰充滿(mǎn)度好且熱負(fù)荷分布均勻，以避免個(gè)別受熱較弱的上升管發(fā)生停滯爆管[44]。

3）吹灰器及尾部除塵

基于低（變）負(fù)荷下的受熱面及主要輔機(jī)積灰形成機(jī)制，并結(jié)合實(shí)際燃煤鍋爐運(yùn)行情況，評(píng)估制定鍋爐各負(fù)荷段下的吹灰策略，包括吹灰頻率、壓力、吹灰器布置位置等工作運(yùn)行參數(shù)。通過(guò)監(jiān)控?zé)煖亍⒈跍?、汽溫、?fù)壓等鍋爐運(yùn)行參數(shù)，以及優(yōu)化吹灰器布置及數(shù)量，確保吹灰可靠性及有效性，最大限度上降低吹灰擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)，避免塌灰等問(wèn)題。

燃煤機(jī)組尾部除塵技術(shù)主要有低低溫靜電除塵技術(shù)、濕式電除塵技術(shù)、電袋負(fù)荷除塵技術(shù)等，其中，低低溫靜電除塵技術(shù)將受深度調(diào)峰過(guò)程的影響較大，這是由于深度調(diào)峰時(shí)的煙氣溫度降低，使煙氣中飛灰比電阻降低，有利于捕捉飛灰顆粒及提高除塵效率，但負(fù)荷的降低使得低溫省煤器出口溫度更低，酸性腐蝕性氣體物質(zhì)易粘結(jié)于除塵設(shè)備上，影響設(shè)備正常運(yùn)行[35]。因此，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求，開(kāi)展除塵設(shè)備選型及優(yōu)化改造。

2.4 燃煤鍋爐運(yùn)行性能優(yōu)化調(diào)整

1）基于運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化調(diào)整

針對(duì)燃煤鍋爐調(diào)峰性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整是電廠運(yùn)行人員采用的常規(guī)措施[45]。具體是通過(guò)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方式，結(jié)合設(shè)備改造等技術(shù)升級(jí)，對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行優(yōu)化提升，挖掘機(jī)組的調(diào)峰能力[14]。表1給出了幾類(lèi)常用的燃煤鍋爐優(yōu)化調(diào)整措施。

表1 燃煤鍋爐優(yōu)化調(diào)整常用措施Tab.1 Commonly used optimization and adjustment measures of coal-fired boilers

對(duì)于采用燃燒器對(duì)沖布置的鍋爐而言，低負(fù)荷運(yùn)行下容易出現(xiàn)爐內(nèi)火焰不對(duì)稱(chēng)分布現(xiàn)象，造成爐膛出口煙溫偏差及熱負(fù)荷分布不均等問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化燃燒器運(yùn)行位置及數(shù)量，可有效緩解該問(wèn)題[46]。針對(duì)應(yīng)用某種旋流煤粉燃燒器鍋爐的研究表明，增大旋流葉片角度能夠強(qiáng)化回流區(qū)卷吸高溫?zé)煔獾男Ч?，使燃燒器出口區(qū)域溫度達(dá)到1 200 ℃以上，火檢信號(hào)穩(wěn)定，爐內(nèi)負(fù)壓波動(dòng)降低（±100 Pa內(nèi)），有利于提升機(jī)組的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能[47]。在挖掘機(jī)組調(diào)峰性能方面，結(jié)合減小一次風(fēng)速、增大旋流強(qiáng)度、提高二次風(fēng)速及降低煤粉細(xì)度，能夠?qū)崿F(xiàn)30%負(fù)荷下的穩(wěn)定燃燒[48]。此外，燃煤摻燒比例優(yōu)化、制粉系統(tǒng)優(yōu)化、爐內(nèi)氧量調(diào)整、磨煤機(jī)運(yùn)行方式調(diào)整、尾部煙氣擋板開(kāi)度調(diào)整、輔機(jī)啟停優(yōu)化、煤水比調(diào)節(jié)也是優(yōu)化機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行的常見(jiàn)措施[49]。以上調(diào)整中的一個(gè)重要核心內(nèi)容是對(duì)風(fēng)煤比的調(diào)節(jié)，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)煤比，不僅可以促進(jìn)煤粉燃盡提高鍋爐效率，還可以降低NOx生成，以及根據(jù)負(fù)荷情況，調(diào)整爐內(nèi)火焰中心位置、著火點(diǎn)遠(yuǎn)近等。

以上所述的優(yōu)化調(diào)整，其弊端主要體現(xiàn)在兩方面，一方面因受限于實(shí)際鍋爐的巨大空間尺寸，只能進(jìn)行宏觀調(diào)節(jié)，另一方面該類(lèi)優(yōu)化嚴(yán)重依賴(lài)于運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，為了避免非停事故發(fā)生，常采用較保守的優(yōu)化調(diào)整策略，產(chǎn)生運(yùn)行能耗增加等問(wèn)題。

2）基于算法模型的智能優(yōu)化調(diào)整

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，燃煤鍋爐逐漸走向數(shù)字化和智能化，成為火電機(jī)組靈活調(diào)峰發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。張振宇等[50]針對(duì)一臺(tái)330 MW機(jī)組，綜合開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備治理、優(yōu)化負(fù)荷指令前饋函數(shù)和最小流量再循環(huán)閥控制邏輯，對(duì)機(jī)組AGC及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化，在不投油助燃情況下，實(shí)現(xiàn)了30%額定負(fù)荷的深度調(diào)峰，并能夠適應(yīng)負(fù)荷的頻繁、快速、深度調(diào)整需求。鮑鐵軍等[51]在機(jī)組燃燒優(yōu)化與機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方面，采用先進(jìn)控制技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)440 t/h的CFB鍋爐進(jìn)行燃燒參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了深度調(diào)峰時(shí)的CCS控制，使鍋爐煤耗降低1%，同時(shí)減輕了運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度。王立等[52]通過(guò)在控制器中加入入口煙溫低于300 ℃時(shí)閉鎖減鍋爐負(fù)荷的邏輯，并結(jié)合脫硝系統(tǒng)入口NOx排放濃度調(diào)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)負(fù)荷運(yùn)行。

圖5給出了一種根據(jù)核函數(shù)及尋優(yōu)得到的模型參數(shù)結(jié)果建立的NOx排放量預(yù)測(cè)模型，能夠?qū)Φ停ㄗ儯┴?fù)荷運(yùn)行下的NOx排放濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控[53]。目前基于算法模型的智能優(yōu)化，往往多基于數(shù)據(jù)和算法模型，能夠一定程度上預(yù)測(cè)并指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行，但由于缺乏爐內(nèi)多相流動(dòng)、燃燒及傳熱機(jī)理的理論模型支撐，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在預(yù)測(cè)精度不足的問(wèn)題，而基于機(jī)理模型的智能優(yōu)化將有助于提高優(yōu)化調(diào)控精度及可靠性。因此，應(yīng)以相關(guān)機(jī)理模型為基礎(chǔ)，耦合人工智能優(yōu)化方法來(lái)指導(dǎo)機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行，從而提高智能優(yōu)化的準(zhǔn)確度。目前，基于機(jī)理模型的智能優(yōu)化已成為能源及控制交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但相關(guān)研究及報(bào)道較少[54]，有待后續(xù)的持續(xù)深入研究。

圖5 參數(shù)優(yōu)化和模型建立流程圖Fig.5 Flow chart of parameter optimization and model establishment

2.5 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦

1）儲(chǔ)熱罐技術(shù)

儲(chǔ)熱罐技術(shù)是利用水或者熔鹽的顯熱將熱量存儲(chǔ)到儲(chǔ)熱罐內(nèi)。對(duì)于供熱量大的熱電機(jī)組，可考慮安裝大型儲(chǔ)熱裝置，當(dāng)熱電機(jī)組降低出力時(shí)，輸出熱量補(bǔ)齊熱力缺額，當(dāng)熱電機(jī)組增加出力時(shí)，儲(chǔ)存富裕熱量，實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”運(yùn)行。圖6給出了一種典型儲(chǔ)熱罐進(jìn)行調(diào)峰的布置工藝圖。在該技術(shù)中，儲(chǔ)熱的供熱功率、儲(chǔ)熱的熱容量、機(jī)組供熱能力與熱負(fù)荷的比值是影響其調(diào)峰幅度的重要因素[42]。目前，儲(chǔ)熱罐技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)得到了成功應(yīng)用，如丹麥的Fyn電站，配置的熱水箱可存儲(chǔ)13 500 GJ的熱能，占電站滿(mǎn)負(fù)荷供熱功率的70%以上。

圖6 采用儲(chǔ)熱罐進(jìn)行調(diào)峰的布置工藝圖Fig.6 Process drawing of heat storage tank system

此外，也可以將儲(chǔ)熱罐技術(shù)與電鍋爐技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，形成儲(chǔ)熱電鍋爐，使設(shè)備更加集成化，拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)某熱電廠熱網(wǎng)的研究表明，通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析和儲(chǔ)熱電鍋爐裝機(jī)容量?jī)?yōu)化，可以滿(mǎn)足采暖期供熱需求，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益最大化[55]。目前，儲(chǔ)熱罐及儲(chǔ)熱電鍋爐技術(shù)的熱經(jīng)濟(jì)性較好，但投資改造成本相對(duì)較高，占地面積也較大，是限制其大范圍推廣的主要因素。

2）汽輪機(jī)旁路補(bǔ)償供熱技術(shù)

旁路供熱技術(shù)是在機(jī)組調(diào)峰時(shí)，將鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽經(jīng)由旁路系統(tǒng)減溫減壓后直接向用戶(hù)供熱，也就是減少輸入到汽輪機(jī)中的供汽量以降低發(fā)電功率接納新能源。針對(duì)熱電機(jī)組通過(guò)旁路運(yùn)行進(jìn)行靈活調(diào)峰的理論研究表明，對(duì)于大型機(jī)組而言，采用旁路供暖運(yùn)行方式接納風(fēng)電具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性[56]。

就投資成本而言，熱電機(jī)組一般都安裝有旁路系統(tǒng)，因此，該方案可就地利用現(xiàn)有旁路系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造，整體成本低。不足之處在于使用旁路供熱必然造成一定的熱效率損失，包括減溫減壓熱損失等，同時(shí)，頻繁使用旁路補(bǔ)償供熱，也可能會(huì)對(duì)管路壽命造成影響。此外，同類(lèi)型的切除低壓缸供熱技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的熱經(jīng)濟(jì)性，但目前的應(yīng)用業(yè)績(jī)較少，安全性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 燃煤鍋爐深度調(diào)峰技術(shù)展望

3.1 持續(xù)挖掘燃煤鍋爐深度調(diào)峰潛能

目前，針對(duì)燃煤鍋爐的深度調(diào)峰需求，在低負(fù)荷穩(wěn)燃、機(jī)組運(yùn)行效率提升、污染物減排及安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面，均取得了較為豐富的研究成果及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但尚存在較大提升空間，仍需進(jìn)一步挖掘燃煤機(jī)組在最低穩(wěn)燃負(fù)荷、快速啟停、提高變負(fù)荷速率及降低NOx排放等方面的潛力。

對(duì)于今后的研究重點(diǎn)，燃燒系統(tǒng)、輔機(jī)設(shè)備[23]、運(yùn)行系統(tǒng)[57]、耐高溫腐蝕的優(yōu)質(zhì)材料仍然是需要持續(xù)關(guān)注的核心內(nèi)容，并同時(shí)結(jié)合精細(xì)化優(yōu)化控制技術(shù)，提升機(jī)組的調(diào)峰能力。此外，除了聚焦于燃煤鍋爐自身外，可積極探索燃煤鍋爐與其他類(lèi)型技術(shù)間的耦合效果，如結(jié)合固體燃料氣化技術(shù)與燃煤鍋爐提升低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、熱電解耦技術(shù)促進(jìn)電力調(diào)峰、儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行能源消納等。

3.2 深化機(jī)組智能調(diào)峰及電力調(diào)度

在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，基于算法預(yù)測(cè)模型，對(duì)燃煤機(jī)組的調(diào)峰過(guò)程進(jìn)行演算和預(yù)測(cè)，是深化燃煤機(jī)組智能調(diào)峰的一項(xiàng)重要研發(fā)形式[58]。同時(shí)，需要以節(jié)能環(huán)保低碳為目標(biāo)，制定科學(xué)可行的電力系統(tǒng)調(diào)度原則和具體措施，確定各類(lèi)機(jī)組的發(fā)電優(yōu)先序位、機(jī)組調(diào)峰及輪停序位等。在推進(jìn)節(jié)能低碳電力調(diào)度的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)新能源發(fā)電功率的預(yù)測(cè)，發(fā)揮電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線調(diào)劑作用，在提高可再生能源消納的同時(shí)，減少能源、資源消耗及污染物排放。

3.3 建立健全國(guó)家及地方政策激勵(lì)

由于燃煤鍋爐深度調(diào)峰的整體經(jīng)濟(jì)效益并不恒定，呈波動(dòng)性變化，因此，合理的燃煤機(jī)組調(diào)峰價(jià)格和價(jià)格補(bǔ)償是推動(dòng)燃煤鍋爐靈活調(diào)峰的重要基礎(chǔ)[59]。為了激勵(lì)燃煤機(jī)組積極參與調(diào)峰，提升系統(tǒng)調(diào)峰能力，需要在燃煤機(jī)組分段調(diào)峰成本模型和市場(chǎng)參考定價(jià)模型的基礎(chǔ)上，國(guó)家及各地區(qū)不斷建立健全靈活調(diào)峰下的污染物排放政策、調(diào)峰輔助補(bǔ)償機(jī)制，優(yōu)化推廣發(fā)電側(cè)和用戶(hù)側(cè)峰谷電價(jià)方案，整合系統(tǒng)運(yùn)行、市場(chǎng)交易和用戶(hù)數(shù)據(jù)，提高負(fù)荷側(cè)大數(shù)據(jù)分析及響應(yīng)能力，引導(dǎo)用戶(hù)錯(cuò)峰用電。

4 結(jié)論

本文分別從低（變）負(fù)荷運(yùn)行下的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性、主要輔機(jī)適應(yīng)性和安全性及熱電機(jī)組的熱電解耦四個(gè)方面出發(fā)，對(duì)目前的主要研究?jī)?nèi)容及進(jìn)展進(jìn)行分析總結(jié)。得出結(jié)論如下：

1）煤粉鍋爐低（變）負(fù)荷下所關(guān)心的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性及主要輔機(jī)適應(yīng)性，都必須建立在機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上。因此，燃燒不穩(wěn)定性及受熱面安全是機(jī)組調(diào)峰過(guò)程中的首要問(wèn)題；

2）靈活調(diào)峰需要從燃煤鍋爐的全系統(tǒng)流程出發(fā)，進(jìn)行主要輔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)化、系統(tǒng)智慧運(yùn)行及優(yōu)化控制能力提升，從而提高燃煤鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行、快速啟停及升降負(fù)荷過(guò)程中運(yùn)行的穩(wěn)定性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性；

3）燃煤鍋爐調(diào)峰過(guò)程中的諸多因素對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性的影響并非各自獨(dú)立的，而是存在各因素間的相互關(guān)聯(lián)及耦合。因此，需要從全局考慮，進(jìn)行綜合評(píng)估，首先抓住主要影響因素開(kāi)展研究，如煤粉燃燒器、水動(dòng)力系統(tǒng)、尾部出口煙溫等，并同時(shí)輔助其他方面的優(yōu)化改進(jìn)。