1 000 MW超超臨界機(jī)組深度調(diào)峰研究與實(shí)踐

孫海彥, 高 煒, 劉潤華, 王 渡, 陸劍鋒

(1.華電句容發(fā)電廠,江蘇 鎮(zhèn)江 212413; 2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

隨著可再生能源發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的增加,特別是千萬千瓦級(jí)風(fēng)電、太陽能發(fā)電基地的建設(shè),依據(jù)當(dāng)前火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力分析,大型火電機(jī)組調(diào)峰形勢將越來越嚴(yán)峻.根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)《2016年全國電力行業(yè)供需形勢報(bào)告》分析,2015年全口徑火電發(fā)電量同比下降2.3%,已連續(xù)兩年負(fù)增長,火電發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)創(chuàng)1969年以來的年度最低值,為4 329 h.這表明我國電力行業(yè)即將進(jìn)入供大于求的局面.針對(duì)這一情況,目前采取的對(duì)策是關(guān)停、減少小機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間,采用大型發(fā)電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰.這對(duì)我國電網(wǎng)調(diào)峰尤其是華東區(qū)域的大型火電機(jī)組調(diào)峰提出了更高的要求.

依據(jù)華東地區(qū)直調(diào)機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)分析,直調(diào)機(jī)組主要由600 MW等級(jí)及以上機(jī)組組成,其中江蘇電網(wǎng)在運(yùn)1 000 MW機(jī)組共21臺(tái).依據(jù)直調(diào)機(jī)組的組成特點(diǎn)可以看出,直調(diào)機(jī)組裝機(jī)容量大、單機(jī)占比重,但機(jī)組調(diào)峰能力差.一般直調(diào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generatiopn Control,AGC)最低相應(yīng)負(fù)荷為機(jī)組額定負(fù)荷的60%[1].在此背景下,對(duì)句容電廠兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組的深度調(diào)峰能力進(jìn)行研究、試驗(yàn)和分析勢在必行.

1 機(jī)組概況

鍋爐本體為東方電氣集團(tuán)生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界直流鍋爐,鍋爐型號(hào)為DG3024/28.35-Ⅱ1,鍋爐型式為直流爐,采用一次中間再熱、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、Π型結(jié)構(gòu)燃煤鍋爐.設(shè)計(jì)煤種為神華煤,校核煤種為大同優(yōu)混.鍋爐采用微油點(diǎn)火,燃油采用0#輕柴油.兩臺(tái)機(jī)組同步建設(shè)SCR脫硝裝置.

句容發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組主汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠與西門子公司聯(lián)合制造的超超臨界HMN型1 000 MW等級(jí)汽輪機(jī)設(shè)備.機(jī)組型式為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽,凝汽式機(jī)型,進(jìn)汽參數(shù)為27 MPa/600 ℃/600 ℃,最高進(jìn)汽參數(shù)可達(dá)27 MPa/600 ℃/610 ℃,最大出力可達(dá)1 030 MW.機(jī)組熱效率為47.4%,發(fā)電效率比超臨界同容量機(jī)組高3%～4%.

2 深度調(diào)峰影響因素

影響機(jī)組深度調(diào)峰的因素主要是燃料特性和鍋爐燃燒穩(wěn)定性[2].

燃煤機(jī)組深度調(diào)峰時(shí),機(jī)組最低負(fù)荷的決定性因素為鍋爐燃料特性.我國動(dòng)力煤種一般為劣質(zhì)、低發(fā)熱量煤種.出于對(duì)燃料成本的控制,一般燃煤發(fā)電企業(yè)經(jīng)常采用劣質(zhì)煤摻配摻燒的方法降低發(fā)電成本,這就增加了機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的不穩(wěn)定性,甚至造成鍋爐熄火、制粉系統(tǒng)故障、鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重等情況.根據(jù)對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行的基本情況分析可知,1 000 MW等級(jí)火電機(jī)組基本負(fù)荷率在75%以上,該類型機(jī)組的深度調(diào)峰都是可預(yù)見并需要提前介入的.因此,1 000 MW等級(jí)火電機(jī)組在深度調(diào)峰前,需要預(yù)先安排燃燒設(shè)計(jì)煤種,以利于大型鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全性、經(jīng)濟(jì)性.

隨著機(jī)組負(fù)荷的降低,鍋爐動(dòng)力場內(nèi)部一次風(fēng)、二次風(fēng)、燃料量均降低,燃燒溫度下降,導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性變差[3].根據(jù)國內(nèi)對(duì)沖燃燒方式直流鍋爐的燃燒穩(wěn)定性的研究分析及句容電廠1#和2#機(jī)組投產(chǎn)以來的運(yùn)行實(shí)踐可知,對(duì)沖燃燒鍋爐的燃燒穩(wěn)定性處于較好水平.1 000 MW對(duì)沖燃燒方式直流鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷為280 MW.

其他影響機(jī)組調(diào)峰深度的因素,如鍋爐水動(dòng)力特性、汽輪機(jī)性能、制粉系統(tǒng)安全性、輔機(jī)系統(tǒng)安全性等,均在設(shè)備的安全可控范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)機(jī)組深度調(diào)峰產(chǎn)生較大影響.出于對(duì)句容1#機(jī)組調(diào)峰能力及其安全性角度分析,有必要進(jìn)行深度調(diào)峰性能試驗(yàn).

3 深度調(diào)峰性能試驗(yàn)

機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)是在最低穩(wěn)燃負(fù)荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,在對(duì)鍋爐最低負(fù)荷工況下的燃燒穩(wěn)定性、汽輪機(jī)特性進(jìn)行考核試驗(yàn)的同時(shí),也對(duì)機(jī)組整體的變負(fù)荷速率和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提出了考核指標(biāo).這對(duì)我國華東、華北等區(qū)域采用大規(guī)模火電深度調(diào)峰技術(shù)具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義.

3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1) 《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》GB 10184—1988;

(2) 《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(鍋爐機(jī)組篇);

(3) 國家電力公司《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》;

(4) 《DL/T5437—2009 火力發(fā)電建設(shè)工程啟動(dòng)試運(yùn)及驗(yàn)收規(guī)程》;

(5) 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)按照ASME PTC 4—1998中的計(jì)算方法.

3.2 最低穩(wěn)燃負(fù)荷

機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷試驗(yàn)是機(jī)組深度調(diào)峰性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)[4].根據(jù)鍋爐設(shè)備制造廠提供的鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷,在具體考核試驗(yàn)期間受燃料特性、環(huán)境溫度等影響會(huì)有所偏差[5].試驗(yàn)期間機(jī)組維持滑壓方式運(yùn)行,3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行,不投油助燃,鍋爐燃燒穩(wěn)定,運(yùn)行層燃燒器火檢裝置、氧量、爐膛負(fù)壓等參數(shù)均穩(wěn)定,脫硝、脫硫、電除塵設(shè)備運(yùn)行正常,機(jī)組大氣污染物排放濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)值,試驗(yàn)結(jié)果證明句容電廠鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷為300 MW,鍋爐、汽機(jī)主要輔機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定.

3.3 試驗(yàn)方法

機(jī)組負(fù)荷分別調(diào)整至800 MW,600 MW,500 MW,400 MW,250 MW.當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為500 MW及以上時(shí),負(fù)荷變化速率≥15 MW/min;負(fù)荷小于500 MW時(shí),負(fù)荷變化速率≥8 MW/min.在負(fù)荷調(diào)整期間,調(diào)整各參數(shù)在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi).當(dāng)負(fù)荷小于400 MW時(shí),對(duì)沖燃燒鍋爐應(yīng)維持底部3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行,以保障熱負(fù)荷集中和燃燒穩(wěn)定性.當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至250 MW時(shí),維持該負(fù)荷1 h后試驗(yàn)結(jié)束.

3.4 試驗(yàn)過程

句容電廠1#機(jī)組于2015年12月31日進(jìn)行了深度調(diào)峰試驗(yàn).試驗(yàn)過程中主要操作包含:機(jī)組減負(fù)荷至520 MW時(shí),退出一臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵,退出一臺(tái)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行.機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)期間,嚴(yán)密監(jiān)視爐膛負(fù)壓、火焰監(jiān)測裝置信號(hào)、中間點(diǎn)過熱度、氧量、高壓缸12級(jí)后葉片溫度等重要信號(hào),以判斷機(jī)組在深度調(diào)峰試驗(yàn)期間的燃燒穩(wěn)定性.

3.5 試驗(yàn)優(yōu)化

(1) 燃燒優(yōu)化調(diào)整 為了提高機(jī)組在低負(fù)荷階段的燃燒穩(wěn)定性,在深度調(diào)峰試驗(yàn)期間進(jìn)行了變一次風(fēng)、提高燃盡風(fēng)率等優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),提高了低負(fù)荷期間鍋爐熱負(fù)荷中心的溫度,降低了爐膛出口NOX的含量.

(2) 褐煤摻燒試驗(yàn) 為了檢驗(yàn)對(duì)沖鍋爐對(duì)特殊煤種如褐煤、泥煤的燃燒適應(yīng)性,在深度調(diào)峰試驗(yàn)期間安排了總?cè)剂狭?0%的褐煤摻燒試驗(yàn),試驗(yàn)期間進(jìn)行了微油助燃.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得知,摻燒褐煤期間,應(yīng)注意調(diào)整爐膛氧量以提高爐膛溫度,適當(dāng)提高一次風(fēng)量推遲燃燒.機(jī)組負(fù)荷≤400 MW時(shí),摻燒褐煤每增加1%,機(jī)組廠用電率約增加0.053%.通過褐煤摻燒試驗(yàn)掌握了鍋爐運(yùn)行和調(diào)節(jié)特性,提高了機(jī)組調(diào)峰能力.

(3) 汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn) 汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化主要針對(duì)汽輪機(jī)在中低負(fù)荷期間的機(jī)組調(diào)門開度、主汽壓力進(jìn)行匹配性調(diào)整,以提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性.滑壓優(yōu)化試驗(yàn)主要在800 MW,700 MW,500 MW,400 MW,250 MW共5個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整.調(diào)整期間依據(jù)調(diào)門開度-流量曲線進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)為了滿足機(jī)組負(fù)荷變化的要求,主調(diào)門節(jié)流5%,即調(diào)門開度在不同負(fù)荷工況下應(yīng)維持45%～55%的開度,從而得出優(yōu)化后的機(jī)組滑壓曲線.該項(xiàng)技術(shù)在保證變負(fù)荷速率的同時(shí),可使機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1.2 g/kWh.

(4) 輔機(jī)節(jié)能措施 低負(fù)荷期間輔機(jī)節(jié)能是電廠降低廠用電率的重要手段,主要包括汽輪機(jī)單背壓運(yùn)行、單臺(tái)真空泵運(yùn)行、凝結(jié)水泵深度變頻、單循泵運(yùn)行等.

3.6 試驗(yàn)總結(jié)

深度調(diào)峰性能試驗(yàn)結(jié)果證明,句容1#鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷為250 MW,機(jī)組變負(fù)荷速率達(dá)到了8 MW/min.同時(shí),鍋爐NOX排放濃度為35 mg/m3,SO2排放濃度為25 mg/m3,粉塵排放濃度為3 mg/m3,均達(dá)到我國超凈排放標(biāo)準(zhǔn)要求.最低負(fù)荷期間進(jìn)行的4項(xiàng)優(yōu)化試驗(yàn)均順利完成.

4 深度調(diào)峰應(yīng)用

4.1 深度調(diào)峰操作過程

2016年2月,根據(jù)華東電網(wǎng)調(diào)峰及江蘇省調(diào)度中心的要求,句容電廠1#機(jī)組作為直調(diào)電廠機(jī)組將進(jìn)行深度調(diào)峰,以滿足華東電網(wǎng)的運(yùn)行要求.

在機(jī)組負(fù)荷>400 MW時(shí),機(jī)組變負(fù)荷速率為15 MW/min,機(jī)組運(yùn)行較為穩(wěn)定,除正常輔機(jī)切換、退出運(yùn)行等操作外,鍋爐燃燒較為穩(wěn)定.機(jī)組負(fù)荷降至300 MW及以下時(shí),機(jī)組進(jìn)入濕態(tài)運(yùn)行方式,機(jī)組變負(fù)荷速率降至8 MW/min.此時(shí),汽機(jī)側(cè)主要監(jiān)視機(jī)組中間點(diǎn)溫度、3#高壓加熱器疏水切換、再熱蒸汽壓力調(diào)整、汽輪機(jī)葉片溫度調(diào)整等,同時(shí)進(jìn)行凝泵深度變頻、主機(jī)滑壓偏置修訂;鍋爐側(cè)主要監(jiān)視鍋爐氧量、爐膛負(fù)壓等參數(shù),判斷鍋爐燃燒穩(wěn)定性,同時(shí)開大鍋爐燃盡風(fēng)擋板開度,降低燃燒器一次風(fēng)率,以提高鍋爐中心溫度.

本次深度調(diào)峰維持1周,共進(jìn)行了7次深度調(diào)峰操作,機(jī)組最低負(fù)荷為200 MW.在深度調(diào)峰試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本次調(diào)峰操作未出現(xiàn)威脅機(jī)組安全運(yùn)行的事故,效果良好.

同時(shí),在機(jī)組低負(fù)荷節(jié)能操作、人員技術(shù)水平方面均有較大提升.調(diào)峰期間,通過煙氣擋板分流維持選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脫硝裝置的入口煙氣溫度為285 ℃以上,脫硝裝置正常穩(wěn)定運(yùn)行.

4.2 深度調(diào)峰過程分析

圖1為句容1#機(jī)組于2016年2月8日11∶00至17∶00的深度調(diào)峰曲線.調(diào)峰期間,機(jī)組負(fù)荷達(dá)到250 MW并維持了1 h,期間負(fù)荷達(dá)到200 MW.后根據(jù)調(diào)度要求機(jī)組負(fù)荷升至330 MW并維持3.5 h.

根據(jù)江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)的要求,燃煤機(jī)組調(diào)峰期間不得投油并需維持環(huán)保設(shè)施運(yùn)行正常.根據(jù)句容1#機(jī)組深度調(diào)峰性能試驗(yàn)結(jié)果分析,機(jī)組大氣污染物排放指標(biāo)可以控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).由圖1可知,深度調(diào)峰期間1#機(jī)組煙囪出口凈煙氣粉塵排放平均濃度為1.6 mg/m3,二氧化硫排放平均濃度為25 mg/m3,氮氧化物排放平均濃度為40 mg/m3,達(dá)到超凈排放要求.同時(shí),機(jī)組給水流量隨機(jī)組負(fù)荷、過熱度變化等進(jìn)行跟蹤調(diào)整.深度調(diào)峰期間鍋爐SCR脫硝裝置煙氣溫度通過調(diào)整可維持285 ℃以上,達(dá)到脫硝裝置的運(yùn)行判據(jù).

圖1 句容1#機(jī)組深度調(diào)峰曲線

根據(jù)深度調(diào)峰性能試驗(yàn)結(jié)果分析可知,機(jī)組負(fù)荷≤400 MW時(shí)鍋爐摻燒褐煤需進(jìn)行微油助燃.因此,深度調(diào)峰期間無法進(jìn)行褐煤摻燒.

5 結(jié) 論

(1) 深度調(diào)峰前應(yīng)進(jìn)行充分的理論研究,主要就機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃特性、環(huán)保裝置尤其是脫硝裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究;

(2) 及時(shí)跟進(jìn)調(diào)度負(fù)荷大數(shù)據(jù)跟蹤分析,做好機(jī)組負(fù)荷預(yù)判,提前進(jìn)行深度調(diào)峰準(zhǔn)備工作,確保機(jī)組處于最佳調(diào)峰準(zhǔn)備狀態(tài);

(3) 對(duì)深度調(diào)峰操作進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)分析,制定針對(duì)性措施和應(yīng)急預(yù)案,提高機(jī)組安全運(yùn)行的保持力度.

(4) 深度調(diào)峰期間重點(diǎn)保證鍋爐燃燒及燃料供應(yīng)的穩(wěn)定性,同時(shí)就脫硝裝置運(yùn)行煙溫進(jìn)行調(diào)整,可采取如啟動(dòng)上層磨煤機(jī)、調(diào)整火焰擺角、煙氣分隔煙道法等提高低負(fù)荷工況下的脫硝煙氣溫度.

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