深度調(diào)峰中鍋爐超低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)的研究

李 劍，熊建國，童家麟，呂洪坤

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市化水平的提高，在電網(wǎng)裝機容量不斷擴大的同時，用電結(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，連續(xù)生產(chǎn)的工業(yè)用電比重逐年下降，而城鄉(xiāng)居民用電、市政商業(yè)等用電比重逐步上升，同時特高壓的投運和新能源技術(shù)的應(yīng)用，使得電網(wǎng)峰谷差加大，調(diào)峰壓力增大[1-3]。2016年國家能源局發(fā)布《關(guān)于下達(dá)火電靈活性改造試點項目的通知》，要求加快能源技術(shù)創(chuàng)新，挖掘燃煤機組調(diào)峰能力，提升火電機組靈活性，全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力，這無疑對火電機組的調(diào)峰能力提出了更高的要求。

近年來，國內(nèi)600 MW及以上燃煤機組已經(jīng)成為電網(wǎng)中的主力機組，大容量機組也不得不參與調(diào)峰，因此，研究大容量火電機組如何在低或者超低負(fù)荷下安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行日益受到重視。

1 國內(nèi)低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)的發(fā)展

國內(nèi)早期的低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)為強化燃燒燃燒器和大油槍穩(wěn)燃技術(shù)。圖1（a）和圖1（b）分別為國內(nèi)早期有自主知識產(chǎn)權(quán)的2種強化燃燒、低NOX直流燃燒器[2]，在實際運行中，均實現(xiàn)了50%左右的無伴油調(diào)峰，但存在燃燒器噴嘴、穩(wěn)燃鈍體磨損、變形和降低NOX效果不佳等諸多問題[4]。隨著國家對降低NOX排放要求的不斷提高，一批新型的強化燃燒燃燒器得到了應(yīng)用。圖1（c）和圖1（d）分別為較為新型的強化燃燒、低NOX直流燃燒器和旋流燃燒器[5-6]，最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)40%～45%ECR（額定工況），但在低負(fù)荷調(diào)峰日益頻繁的現(xiàn)狀下，45%ECR的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能顯然已不能要求：沿海某發(fā)電廠亞臨界600 MW機組受特高壓投運的影響，2016年曾長期在30%ECR負(fù)荷下運行；東北某發(fā)電廠350 MW機組在非供熱期需要維持在50%ECR負(fù)荷下才能獲得有償調(diào)峰補貼，這就需要其他設(shè)備和運行方式以強化超低負(fù)荷穩(wěn)燃能力[7]。

圖1 4種典型強化燃燒燃燒器

早期電站鍋爐一般使用大油槍配合強化燃燒燃燒器以實現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，近年來，等離子點火和微油點火技術(shù)已逐步成熟，取代大油槍成為點火和低負(fù)荷穩(wěn)燃的主要手段，并取得了良好的效果：某超臨界600 MW機組在調(diào)試階段等離子點火器一次投入成功率99%，整個階段實現(xiàn)零油耗[8]；某超超臨界1 000 MW塔式鍋爐使用微油點火系統(tǒng)后耗油減少90%以上[9]。但以往國內(nèi)電站鍋爐只設(shè)置了一層等離子或者微油點火器，對需要深度調(diào)峰的鍋爐特別是前后墻對沖燃燒的鍋爐而言，仍需要投入大油槍以確保在低負(fù)荷下穩(wěn)燃[10]。因此，研究如何在超低負(fù)荷下無油或者少油穩(wěn)定燃燒是電站鍋爐深度調(diào)峰的重點研究方向。表1為微油點火技術(shù)與等離子點火技術(shù)的比較，由表可知，兩者都能起到點火和穩(wěn)燃的作用，但微油點火技術(shù)因點火能量大、運行更可靠性、投資費用低和易維護性等方面更具優(yōu)勢，因而得到了更為廣泛的應(yīng)用。以某發(fā)電廠三期工程330 MW機組為研究對象，該對沖燃燒鍋爐前/后墻底層燃燒系統(tǒng)均改造成微油點火器，超低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗結(jié)果表明，設(shè)置兩層微油點火器后可實現(xiàn)不投大油槍超低負(fù)荷穩(wěn)燃，以期為電廠無油或者少油低負(fù)荷穩(wěn)燃提供參考。

表1 微油點火技術(shù)和等離子點火技術(shù)的比較

2 研究對象概況

某發(fā)電廠三期擴建工程2×330 MW鍋爐是按引進的美國B&W公司RB鍋爐技術(shù)設(shè)計制造的亞臨界參數(shù)、中間再熱、自然循環(huán)單鍋筒鍋爐。設(shè)計燃料為內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤礦的劣質(zhì)煤和洗中煤，采用正壓直吹MPS中速磨系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，并配置有B&W標(biāo)準(zhǔn)的雙調(diào)風(fēng)DRB型旋流煤粉燃燒器。

針對該鍋爐的具體情況，將前墻下層D燃燒器和后墻下層E燃燒器對應(yīng)的8只噴口改成微油點火燃燒器，在實現(xiàn)鍋爐氣化微油冷爐啟動和低負(fù)荷穩(wěn)燃的前提下，確保原主燃燒器的基本性能不變。微油點火燃燒器不僅可以作為點火以及低負(fù)荷穩(wěn)然燃燒器，而且在高負(fù)荷時微油油槍退出運行后，可以作為主燃燒器使用。這種改造方式完全可以利用原有一次風(fēng)燃燒器的輸粉系統(tǒng)，改造方案簡單，改造工作量較小。

3 不投大油槍超低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗

3.1 概述

前后墻對沖鍋爐是單只燃燒器組織燃燒火焰而非全爐膛一起組織燃燒，一般情況下在50%ECR工況下，未設(shè)置微油點火器的早期旋流煤粉燃燒器需投運大油槍進行助燃支持，造成整體用油量偏高。因此，改造2層微油點火燃燒器后，在超低負(fù)荷下能否真正實現(xiàn)不投大油槍助燃以達(dá)到穩(wěn)燃和節(jié)油效果，是本次試驗研究的目的。本鍋爐日常運行時常摻燒洗中煤，為了使超低穩(wěn)燃的試驗結(jié)果可以對鍋爐運行有實際參考意義，因此在本次超低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗中D層燃燒器煤種為洗中煤。洗中煤較設(shè)計煤種存在水分、灰分較高，低位發(fā)熱量較低的問題，為避免燃燒惡化甚至滅火，試驗過程中需保持D層燃燒器溫度較最低穩(wěn)燃溫度有一定裕量。若低負(fù)荷下2臺磨煤機運行，受投入新的制粉系統(tǒng)耗時影響，可能會限制鍋爐快速升負(fù)荷能力，因此本次試驗重點研究3臺磨煤機低負(fù)荷運行情況。

3.2 試驗過程

本次試驗在機組滑參數(shù)停爐條件下進行，開始停爐前隔離各層燃燒器的大油槍，只用微油槍進行穩(wěn)燃，并隔離機組對外供熱，以保證煤量與負(fù)荷的對應(yīng)，圖2為整個試驗過程中機組負(fù)荷與總煤量的對應(yīng)關(guān)系。試驗從330 MW開始降負(fù)荷，起初火焰明亮，燃燒情況較好，降負(fù)荷至140 MW時，保持3套制粉系統(tǒng)運行，此時A層（前墻中間層）給煤量16 t/h，D/E層給煤量31 t/h，運行人員就地觀察爐膛火焰變暗，燃燒器噴口火焰強度不足。若進一步降低煤量，特別是底層燃燒器的煤量，則爐內(nèi)溫度就會更低，煙氣更難引燃中層燃燒器的煤粉，顯然該負(fù)荷已是無油助燃的最低負(fù)荷，而投入微油槍后能否實現(xiàn)進一步降負(fù)荷穩(wěn)燃是本次試驗的關(guān)鍵。

圖2 機組負(fù)荷隨煤量的變化

表2為機組降負(fù)荷至140 MW并穩(wěn)定運行5 h（目的是盡量減少鍋爐蓄熱），投入D層燃燒器4支微油槍后，實測各燃燒器噴口區(qū)域的爐膛溫度。由表2可知，投入D層燃燒器微油槍后，D層燃燒器噴口溫度較E層燃燒器有所提高，原因是D層燃燒器煤種為洗中煤，水分較高，盡管投入了微油槍，但效果有限；而前墻中層A層燃燒器溫度仍然偏低，若進一步降低A層燃燒器煤量，該層燃燒器仍有滅火風(fēng)險。試驗中嘗試降低前墻中層A層燃燒器煤量至13 t/h，此時D/E層燃燒器煤量分別為30 t/h，30 t/h，機組負(fù)荷約為120 MW，實測A層與E層燃燒器已接近穩(wěn)燃最低溫度800℃[11-12]，繼續(xù)降低這兩層燃燒器煤量，盡管可能可以使負(fù)荷進一步降低，但為了鍋爐有一定安全運行裕量，試驗時并未進行嘗試；A層燃燒器在D層燃燒器上方，受到D層燃燒器高溫?zé)煔獾挠绊戄^大，因此該磨組組合方式已是單層微油的最佳低負(fù)荷穩(wěn)燃磨組組合方式，若投入的是B層燃燒器（后墻中層）或者C層燃燒器（前墻上層），B與C層燃燒器的溫度會比試驗時A層燃燒器的溫度更低，故單層微油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力有限（約為額定負(fù)荷的35%）。

表2 各燃燒器噴口區(qū)域爐膛溫度（投入D層微油槍）

隨后投入E層燃燒器4支微油槍，以試驗進一步降低煤量的可行性。表3為投入E層微油槍后，實測各燃燒器噴口區(qū)域爐膛溫度。由表3可知，E層燃燒器溫度明顯上升，升溫后的煙氣使得A與D層燃燒器溫度也有所上升，燃燒情況改善。逐漸降低A層燃燒器煤量至最低煤量10 t/h，圖3為A層燃燒器噴口區(qū)域平均爐膛溫度隨煤量的變化。由圖可知，隨著層燃燒器煤量的下降，層溫度總體上呈下降趨勢，至最低煤量10 t/h，A層燃燒器溫度仍高于穩(wěn)燃最低溫度800℃，此時機組負(fù)荷為105 MW，就地觀察各層燃燒器火焰噴口明亮，燃燒穩(wěn)定，此時A/D/E層燃燒器給煤量分別為10 t/h，30t/h，30 t/h，測試中發(fā)現(xiàn)E層燃燒器煤量增加至34 t/h后，噴口區(qū)域溫度提高至1 190℃，火焰更為明亮，穩(wěn)燃效果提升。由此可見，105 MW以下負(fù)荷時，可以停運A層燃燒器，用微油槍穩(wěn)燃D/E層燃燒器，穩(wěn)燃效果反而有所改善。試驗中也嘗試停運A層燃燒器，將負(fù)荷降至70 MW，實測D/E層燃燒器溫度均高于1 050℃。綜上，增設(shè)2層微油槍較單層微油槍超低負(fù)荷穩(wěn)燃能力得到很大提升，利用微油點火技術(shù)完全可滿足機組30%以下超低負(fù)荷運行時鍋爐穩(wěn)燃要求，若能進一步提高煤粉細(xì)度、保持SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)入口煙溫，燃燒方面仍有更低負(fù)荷空間[13-14]。

表3 各燃燒器噴口區(qū)域爐膛溫度（投入D/E層微油槍）

圖3 A層燃燒器噴口區(qū)域平均爐膛溫度隨煤量的變化

3.3 煤粉燃盡率和節(jié)油率分析

投入D與E層燃燒器8支微油槍后，對飛灰和大渣進行取樣分析，以計算煤粉燃盡率，圖4為燃盡率隨A層總煤量的變化。由圖4可知，煤粉燃盡率均可達(dá)到85%以上，微油槍引燃煤粉效果比較理想。而單支微油槍的用油量為50 kg/h，僅為大油槍的5%，整個試驗微油系統(tǒng)共運行3 h，用燃油0.9 t，節(jié)油率達(dá)95%，與其他同類使用大油槍穩(wěn)燃的前后墻對沖燃燒鍋爐相比，節(jié)油率有了明顯提高。

圖4 煤粉燃盡率隨A層煤量的變化

4 多層微油點火的優(yōu)勢和風(fēng)險

采用多層微油槍穩(wěn)燃較傳統(tǒng)大油槍穩(wěn)燃的優(yōu)勢非常明顯，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）在保證煤粉燃盡率的前提下，節(jié)油率非常明顯，耗油量可減少95%以上。

（2）投入大油槍穩(wěn)燃后，往往需要退出電除塵系統(tǒng)，以防止未燃盡的油煙附著在陰陽極板表面；使用多層微油點火技術(shù)穩(wěn)燃后，通過提高振打頻率，電除塵可一直投入，降低了粉塵排放和引風(fēng)機的磨損[15]。

盡管多層微油槍穩(wěn)燃技術(shù)有諸多優(yōu)勢，但在運行中也出現(xiàn)了一些問題，表現(xiàn)如下：

（1）微油點火系統(tǒng)由于采用內(nèi)燃式燃燒器，與傳統(tǒng)大油槍相比，燃燒室溫度高、燃燒器壁溫容易超限，使燃燒器噴口過熱而損壞，也極易使噴口內(nèi)部結(jié)渣，運行時應(yīng)通過調(diào)整一次風(fēng)量等手段控制燃燒器噴口溫度。

（2）微油系統(tǒng)對油壓和燃油清潔度要求較高，用多層微油點火技術(shù)穩(wěn)燃后，因需要全部微油槍都投入以保證超低負(fù)荷穩(wěn)燃，微油系統(tǒng)沒有備用，運行中要避免發(fā)生噴嘴被雜質(zhì)堵塞造成的個別微油槍出力不足，穩(wěn)燃效果減弱，影響鍋爐超低負(fù)荷運行的穩(wěn)定性。

根據(jù)運行和改造經(jīng)驗，只要發(fā)電廠按照微油點火技術(shù)運行和維護的要求，合理配風(fēng)，注意監(jiān)測微油點火器壁溫變化，加強日常保養(yǎng)維護和定期試點，上述風(fēng)險完全可控。

5 結(jié)語

為了滿足火力燃煤機組深度調(diào)峰的要求，低峰時鍋爐已進入超低負(fù)荷運行，僅靠傳統(tǒng)強化燃燒燃燒器已不能滿足低負(fù)荷穩(wěn)燃的要求，而使用大油槍穩(wěn)燃又會大幅抬升發(fā)電廠的運行成本和帶來粉塵排放超標(biāo)的問題。在某330 MW前后墻對沖燃燒鍋爐（燃用洗中煤）上，改造了2層微油點火燃燒器，進行了不投大油槍超低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗。結(jié)果表明，盡管燃用了部分洗中煤，鍋爐穩(wěn)燃性能較僅燃用煙煤有所下降，但利用微油點火技術(shù)也完全可以滿足超低負(fù)荷穩(wěn)燃的要求，且煤粉燃盡情況良好，耗油量可減少達(dá)95%以上，經(jīng)濟效益顯著。此次某330 MW機組前后墻對沖燃燒鍋爐上無大油槍超低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗的成功，可為今后燃煤鍋爐超低負(fù)荷穩(wěn)燃改造提供參考。

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