中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 曾銀佳

1 火電機(jī)組的寬負(fù)荷靈活高效及深度調(diào)峰問(wèn)題的提出

在實(shí)施電力現(xiàn)貨交易的大環(huán)境下，計(jì)劃電量小時(shí)數(shù)少，在負(fù)荷低谷時(shí)段國(guó)內(nèi)的超（超）臨界機(jī)組都需要參與調(diào)峰[1-2]。各地電網(wǎng)調(diào)度需求不同，機(jī)組的負(fù)荷率差異也比較大，大多數(shù)超超臨界機(jī)組也是負(fù)荷率偏低。深度調(diào)峰受電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大影響，在電網(wǎng)負(fù)荷的低谷區(qū)，電廠為滿(mǎn)足調(diào)度要求而在很低出力下持續(xù)運(yùn)行并保持穩(wěn)定，該工況下主機(jī)與輔機(jī)的負(fù)荷率低于常規(guī)運(yùn)行負(fù)荷率下限的一種運(yùn)行方式。

2 汽輪機(jī)適應(yīng)寬負(fù)荷高效技術(shù)

由于國(guó)內(nèi)電廠采取汽機(jī)工況定義原則，往往導(dǎo)致額定流量比最大流量小約12%，如采用純滑壓運(yùn)行方式，額定工況滑壓運(yùn)行時(shí)的進(jìn)汽壓力將遠(yuǎn)低于額定壓力，也將影響機(jī)組的熱耗。此時(shí)如采用補(bǔ)汽閥技術(shù)不僅成功解決全周進(jìn)汽機(jī)組快速調(diào)頻的壓力損失問(wèn)題，還可以解決滑壓運(yùn)行額定工況進(jìn)汽壓力偏低的問(wèn)題。

目前，高效、減少燃料排放成為電廠運(yùn)行關(guān)鍵性指標(biāo)，補(bǔ)汽閥技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性的優(yōu)點(diǎn)，在大功率機(jī)組超超臨界汽輪機(jī)中得到推廣應(yīng)用。

3 鍋爐適應(yīng)寬負(fù)荷高效技術(shù)

直流鍋爐采用煤水比來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度，煤水比是否恰當(dāng)主要通過(guò)中間點(diǎn)溫度來(lái)反饋，但是溫度不能直觀反映蒸發(fā)受熱面與過(guò)熱受熱面之間的焓增分配，因此主流觀點(diǎn)認(rèn)為中間點(diǎn)采用焓值進(jìn)行反饋更合適。

為解決煤質(zhì)變化引起的控制誤差，因此可以引入其他反饋量來(lái)間接反映燃煤側(cè)的變化，作為一定的權(quán)重修正煤水比。目前這種技術(shù)理論上是可行的，但是要設(shè)計(jì)爐內(nèi)換熱、燃燒方面的參數(shù)計(jì)算，否則難以設(shè)定準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)，因此需要在機(jī)組調(diào)試期間或投產(chǎn)后進(jìn)行精細(xì)調(diào)試。

4 深度調(diào)峰的基本要求及原則

一是確保鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。隨著負(fù)荷降低，爐膛容積熱負(fù)荷、截面熱負(fù)荷、爐膛中心溫度隨之降低，一般低于某個(gè)負(fù)荷時(shí)，熱煙氣的卷吸已經(jīng)難以滿(mǎn)足煤粉穩(wěn)燃的要求，因此鍋爐深度調(diào)峰的最核心問(wèn)題就是如何確保在更低的負(fù)荷下保持燃燒穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)機(jī)組燃用優(yōu)質(zhì)煙煤的鍋爐設(shè)計(jì)最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷一般為30%，工程亦然，要實(shí)現(xiàn)鍋爐在20%負(fù)荷下煤粉穩(wěn)定燃燒，需要從設(shè)備上和運(yùn)行策略上進(jìn)行研究。

二是確保鍋爐水動(dòng)力安全性，并避免鍋爐受熱面超溫。鍋爐在超低負(fù)荷的工況下，雖然爐膛煙氣溫度和蒸汽溫度都會(huì)低于額定值，但是介質(zhì)流量的降低，滑壓運(yùn)行導(dǎo)致工質(zhì)的比熱容變化，在某些負(fù)荷下會(huì)出現(xiàn)受熱面局部過(guò)熱的問(wèn)題。

三是確保環(huán)保設(shè)施正常投運(yùn)，調(diào)峰期間污染物達(dá)標(biāo)排放。鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，SCR 入口煙氣溫度達(dá)不到SCR安全投運(yùn)的要求，一般機(jī)組在50%負(fù)荷時(shí)SCR 入口煙氣溫度310℃左右，40%負(fù)荷時(shí)SCR 入口煙氣溫度290℃左右，入口煙溫隨負(fù)荷降低而同步下降。需要研究合適的方式控制SCR入口煙氣溫度和如何提高水冷壁入口溫度來(lái)提高爐膛整體溫度。此外，低負(fù)荷下過(guò)?？諝庀禂?shù)會(huì)高于額定值，燃燒生成的NOx濃度可能會(huì)提高，同時(shí)催化劑的化學(xué)活性隨煙溫降低而下降，突破某一活性溫度后，因催化劑活性偏低，而導(dǎo)致氨逃逸率上升，由此會(huì)帶來(lái)一系列的運(yùn)行問(wèn)題，最突出的是硫酸氫銨導(dǎo)致空預(yù)器和下游設(shè)備積灰、堵塞。

四是保證汽輪機(jī)運(yùn)行安全性。深度調(diào)峰過(guò)程中隨著負(fù)荷的降低，燃料量的減少，汽溫會(huì)隨之出現(xiàn)降低，尤其是在鍋爐“干態(tài)”向“濕態(tài)”轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，可能出現(xiàn)蒸汽溫度過(guò)熱度不足，易造成汽輪機(jī)末級(jí)葉片濕度過(guò)大引起水蝕，必要時(shí)應(yīng)該采取措施增強(qiáng)末級(jí)和次末級(jí)葉片的除濕性能。

五是確保配套輔機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。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)備均偏離了原來(lái)的設(shè)計(jì)工況，可能導(dǎo)致輔機(jī)及其系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。要針對(duì)不同的輔機(jī)特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足輔機(jī)設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)行的適應(yīng)性。

5 鍋爐及其配套系統(tǒng)深度調(diào)峰技術(shù)措施

5.1 鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)措施

5.1.1 低負(fù)荷穩(wěn)燃的影響因素分析

根據(jù)燃燒學(xué)理論，對(duì)于煤粉爐，煤粉氣流的著火熱和著火速度決定了著火的穩(wěn)定性。下列因素與燃燒的穩(wěn)定性有關(guān)：著火溫度、煤粉濃度、一次風(fēng)煤粉氣流的初溫、煤粉細(xì)度、燃燒器特性、一次風(fēng)速、燃燒器區(qū)域的爐膛溫度水平。

5.1.2 鍋爐本體燃燒系統(tǒng)的低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)措施

常規(guī)工程鍋爐的不投助燃措施最低穩(wěn)燃負(fù)荷為30%B-MCR，為配合深度調(diào)峰需求，期望最終達(dá)到20%最低穩(wěn)燃運(yùn)行負(fù)荷的目標(biāo)。經(jīng)與鍋爐廠初步溝通，并結(jié)合現(xiàn)有多個(gè)改造工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為工程采取措施可以進(jìn)一步降低最低穩(wěn)燃負(fù)荷，主要措施詳見(jiàn)下述。由于機(jī)組配合深度調(diào)峰過(guò)程的鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃可靠性更多取決于運(yùn)行調(diào)整方式，故建議在機(jī)組調(diào)試過(guò)程中進(jìn)一步就具體措施及運(yùn)行調(diào)節(jié)方式進(jìn)行落實(shí)確認(rèn)。

5.1.3 制粉系統(tǒng)低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)措施

一是磨煤機(jī)選用動(dòng)態(tài)分離器，綜合考慮工程深度調(diào)峰的低負(fù)荷穩(wěn)燃、降低NOx生成量等要求，推薦工程的磨煤機(jī)配置動(dòng)態(tài)分離器。

二是低負(fù)荷下降低煤粉細(xì)度，額定負(fù)荷下煤粉細(xì)度的確定主要和鍋爐的燃燒要求與制粉經(jīng)濟(jì)電耗兩個(gè)因素的平衡有關(guān)，揮發(fā)分高、易燃盡的煤種，可以選取較粗的煤粉，以節(jié)省碾磨電耗，反之應(yīng)選取較細(xì)的煤粉。

三是提高制粉系統(tǒng)末端溫度，磨煤機(jī)的出口溫度受煤粉的防爆要求與干燥劑終端露點(diǎn)溫度等因素制約。從燃燒角度考慮，磨煤機(jī)出口溫度越高，對(duì)煤粉著火越有利。

5.2 鍋爐水動(dòng)力及受熱面安全性保證措施

5.2.1 水動(dòng)力安全性

需要由鍋爐廠進(jìn)行深度調(diào)峰目標(biāo)負(fù)荷（20%）的水動(dòng)力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到的回路壓降、質(zhì)量流速、出口溫度、水動(dòng)力特性等熱力參數(shù)，為低負(fù)荷工況鍋爐水循環(huán)的安全穩(wěn)定提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

5.2.2 受熱面安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

一是受熱面超溫，為滿(mǎn)足深度調(diào)峰受熱面安全性要求，需要核算受熱面的壁溫安全性，評(píng)估拉裂危險(xiǎn)性，并需要在運(yùn)行過(guò)程中控制好負(fù)荷變化速率。

二是煙道清積灰系統(tǒng)，鍋爐深度調(diào)峰至35%額定負(fù)荷以下時(shí)，水平煙道流速將低至5m/s以下，煙道積灰將趨于嚴(yán)重，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行需要考慮煙道積灰后煙道載荷增加，開(kāi)展煙道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和基礎(chǔ)校核，必要時(shí)增加除灰清灰裝置。

三是空預(yù)器設(shè)計(jì)，在超低負(fù)荷下，鍋爐排煙溫度低，易出現(xiàn)結(jié)露、堵灰等問(wèn)題，須降低氨逃逸率和提高空預(yù)器的冷端綜合溫度。在排煙溫度極低時(shí)，提高空預(yù)器入口風(fēng)溫，避免空預(yù)器堵塞，減輕空預(yù)器低溫腐蝕。

5.3 寬負(fù)荷脫硝技術(shù)措施

低負(fù)荷脫硝的技術(shù)方向有兩個(gè)，一個(gè)方向是提高低負(fù)荷下煙氣溫度，另一個(gè)方向是采用低煙溫下仍可以使用的新式催化劑。目前低溫催化劑技術(shù)尚未成熟，沒(méi)有適合燃煤機(jī)組使用的配方，所以只能采取措施，在低負(fù)荷下提高煙溫，滿(mǎn)足脫硝條件。

6 汽機(jī)及其配套系統(tǒng)適應(yīng)寬負(fù)荷及深度調(diào)峰運(yùn)行技術(shù)措施

6.1 汽機(jī)本體

汽機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需要嚴(yán)格控制主汽機(jī)再熱的壓力及溫度，保證機(jī)組的安全。同時(shí)需要特別控制低壓缸排汽室溫度，保證低壓缸噴水減溫裝置正常投入，避免因流入低壓缸的蒸汽量減少，鼓風(fēng)效應(yīng)明顯，導(dǎo)致排汽溫度升高，引起低壓缸的變形和軸承位置的變化，可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)異常增大。

6.2 給水系統(tǒng)寬負(fù)荷及深度調(diào)峰運(yùn)行技術(shù)措施

隨著負(fù)荷的降低，抽汽壓力以及給水流量也在不斷的降低，而機(jī)組為了保護(hù)鍋爐一般都設(shè)置了給水流量低保護(hù)。

6.3 凝結(jié)水系統(tǒng)寬負(fù)荷及深度調(diào)峰運(yùn)行技術(shù)措施

燃煤發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水泵均偏離了原來(lái)的設(shè)計(jì)工況，這將直接影響設(shè)備的效率，容易引發(fā)跳閘等一系列安全問(wèn)題，應(yīng)注意凝結(jié)水泵再循環(huán)系統(tǒng)的及時(shí)開(kāi)啟。

6.4 疏水系統(tǒng)寬負(fù)荷及深度調(diào)峰運(yùn)行技術(shù)措施

在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，容易出現(xiàn)低加疏水的正常疏水壓力過(guò)低，正常疏水補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，應(yīng)結(jié)合汽機(jī)廠的熱平衡圖紙以及管道系統(tǒng)的壓降計(jì)算，確認(rèn)正常疏水切換為危急疏水的負(fù)荷點(diǎn)，避免加熱器水位異常，造成機(jī)組停機(jī)。需要考慮設(shè)置低加疏水泵，解決深度調(diào)峰工況下，疏水壓力過(guò)低需要開(kāi)啟危急疏水與機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。

7 控制系統(tǒng)

電力現(xiàn)貨市場(chǎng)模式下，對(duì)機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力（啟停機(jī)響應(yīng)、變負(fù)荷響應(yīng)）提出了更高的要求，即要保證電壓、頻率穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)將從測(cè)量技術(shù)和控制技術(shù)兩大方向入手，建議采取以下措施。

7.1 全面可靠的測(cè)量技術(shù)

當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低負(fù)荷工況時(shí)，部分參數(shù)已經(jīng)大大偏離了正常運(yùn)行值。常規(guī)設(shè)計(jì)的儀表主要考慮機(jī)組高負(fù)荷工況的性能，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在低負(fù)荷時(shí)，這類(lèi)儀表將出現(xiàn)較大測(cè)量偏差（如：氧量測(cè)量），甚至無(wú)法投入使用（如：風(fēng)量測(cè)量）。另一方面，為保證機(jī)組低負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行，需要增加一些特殊檢測(cè)儀表保證控制系統(tǒng)和運(yùn)行人員準(zhǔn)確監(jiān)視機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)一套滿(mǎn)足機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行的測(cè)量?jī)x表是提高火電機(jī)組靈活性的基礎(chǔ)。

7.2 靈活高效的控制策略

適當(dāng)引入大數(shù)據(jù)、智能控制和智能優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化控制采用控制策略有助于機(jī)組提高機(jī)組運(yùn)行的靈活性，主要有以下措施。

一是廠級(jí)AGC技術(shù)，根據(jù)最近電網(wǎng)公司最新規(guī)劃，部分機(jī)組開(kāi)始試點(diǎn)采用廠級(jí)AGC技術(shù)。采用廠級(jí)AGC技術(shù)后，發(fā)電公司可自行分配廠內(nèi)各機(jī)組負(fù)荷，由多臺(tái)機(jī)組共同響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求，以提高機(jī)組靈活性。

二是鍋爐燃燒優(yōu)化控制，通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)確定低負(fù)荷工況下最佳運(yùn)行方式和參數(shù)（如煤粉細(xì)度、配風(fēng)方式）保證鍋爐低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒。

三是根據(jù)汽輪機(jī)配汽方式和機(jī)組可預(yù)見(jiàn)的負(fù)荷情況，通過(guò)DEH實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)切換多種配汽方式，設(shè)置最佳的調(diào)頻控制回路和定值參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組有效的、快速響應(yīng)的調(diào)頻能力。如采用DEH來(lái)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻快速動(dòng)作，采用CCS實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻最終穩(wěn)定負(fù)荷。

四是寬負(fù)荷自動(dòng)控制技術(shù)，采用以機(jī)組自啟?？刂啤⑷探o水控制、全程協(xié)調(diào)控制為代表寬負(fù)荷自動(dòng)控制技術(shù)，提高機(jī)組控制水平，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

五是快速變負(fù)荷控制技術(shù)，采用預(yù)測(cè)控制技術(shù)、超前控制技術(shù)優(yōu)化溫度控制系統(tǒng)、鍋爐燃燒控制、脫硝控制、機(jī)組協(xié)調(diào)控制提高機(jī)組的響應(yīng)速度。

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的波峰、低谷，提出了工程的主機(jī)、輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)選型、運(yùn)行方案，以維持電廠為滿(mǎn)足調(diào)度要求而在較低出力下持續(xù)運(yùn)行并保持穩(wěn)定，并應(yīng)采取合理的運(yùn)行手段盡量減少機(jī)組效率的下降，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰靈活性運(yùn)行。

機(jī)組具備深度調(diào)峰靈活性運(yùn)行的能力，在負(fù)荷低谷時(shí)段保持主機(jī)和輔機(jī)熱待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)切換到負(fù)荷高峰時(shí)段時(shí)，依靠機(jī)組快速爬坡能力，可以為現(xiàn)貨競(jìng)爭(zhēng)提供有利條件。