350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷階躍特性研究

邢秀峰

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著我國(guó)大型循環(huán)流化床技術(shù)的發(fā)展，繼四川白馬電廠(chǎng)超臨界循環(huán)流化床機(jī)組示范成功后，我國(guó)相繼審批了一批350 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組。山西作為煤炭資源大省，在利用低熱值煤的項(xiàng)目中，正在建設(shè)和投運(yùn)的350 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的數(shù)量及裝機(jī)位居我國(guó)前列。山西河坡發(fā)電有限公司所基建的該類(lèi)型機(jī)組為我國(guó)第一批由東方鍋爐集團(tuán)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的350 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組。該機(jī)組于2015進(jìn)入基建試運(yùn)階段，并與2016年7月2臺(tái)機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行。

流化床鍋爐在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展，但其固有的熱慣性大的特性使得其負(fù)荷響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)速率差[1-2]。另外，風(fēng)電和水電等新能源發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例也不斷升高；由于受氣候條件的制約，新能源發(fā)電輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)[3-4]，從而引發(fā)了電網(wǎng)的一對(duì)突出矛盾。即一方面，新能源發(fā)電具有的間歇性和負(fù)荷不確定性造成了電網(wǎng)負(fù)荷的頻繁波動(dòng)[5-6]，給電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力提出了靈活性和快速性要求；另一方面，電網(wǎng)中的循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組固有的負(fù)荷響應(yīng)慢又制約了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)速率，使得電網(wǎng)的調(diào)度問(wèn)題越來(lái)越突出，發(fā)電機(jī)組調(diào)度難度越來(lái)越大。

目前，電力調(diào)度對(duì)循環(huán)流化床機(jī)組的調(diào)峰速度為1%～1.5%。由于負(fù)荷信號(hào)在傳輸過(guò)程中有一定的滯后性，為滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)度調(diào)峰要求，該類(lèi)型機(jī)組火力發(fā)電廠(chǎng)在日常自動(dòng)發(fā)電控制AGC（auto generationcontrol）模式下的負(fù)荷調(diào)整速率通常設(shè)為4～4.5 MW/min，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于循環(huán)流化床鍋爐燃燒滯后性大，且不同煤質(zhì)及入爐煤粒徑對(duì)機(jī)組的響應(yīng)速度影響較大[7-8]，采用上述速率下，機(jī)組的熱力系統(tǒng)對(duì)電負(fù)荷的響應(yīng)存在不同程度的滯后性?；谏鲜鲈?，循環(huán)流化床機(jī)組在A(yíng)GC模式運(yùn)行方式下，響應(yīng)負(fù)荷在進(jìn)行鍋爐沖量燃燒的前提下，主要依靠汽輪機(jī)的閥位實(shí)時(shí)響應(yīng)來(lái)滿(mǎn)足機(jī)組AGC要求[9-10]。機(jī)組運(yùn)行壓力與設(shè)定壓力偏差隨負(fù)荷的升降變大；同時(shí)由于汽輪機(jī)的閥門(mén)存在流量拐點(diǎn)，當(dāng)閥位大于臨界拐點(diǎn)時(shí)，靠汽輪機(jī)的閥位開(kāi)度無(wú)法響應(yīng)機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷；尤其在高負(fù)荷升負(fù)荷過(guò)程中，進(jìn)氣壓力下降，閥位加大，汽輪機(jī)的閥位超越拐點(diǎn)后，機(jī)組負(fù)荷速率的響應(yīng)將無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度要求。

依據(jù)《火力發(fā)電廠(chǎng)自動(dòng)發(fā)電控制性能測(cè)試驗(yàn)收規(guī)程》DL/T1210—2013，在協(xié)調(diào)模式下，機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程中，實(shí)際運(yùn)行壓力與設(shè)定壓力的偏差應(yīng)不大于0.4 MPa[11]?；谘h(huán)流化床機(jī)組熱慣性大，燃燒滯后性的特點(diǎn)[12-14]，壓力偏差最大控制在1 MPa以?xún)?nèi)較為理想，超過(guò)1.5 MPa以后，機(jī)組受控制壓力偏差容忍的限制[15]，AGC負(fù)荷響應(yīng)將受到制約。本文以山西河坡電廠(chǎng)新投產(chǎn)的350 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組為研究對(duì)象，通過(guò)階躍試驗(yàn)，分析超臨界循環(huán)流化床鍋爐CFB（circulating fluidized bed boiler） 機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)過(guò)程，為超臨界CFB機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)速率的研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

該350 MW超臨界流化床鍋爐是東方鍋爐廠(chǎng)生產(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一代350 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，單爐膛、半露天M型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、循環(huán)流化床燃燒方式，采用高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離的流化床鍋爐。試驗(yàn)期間煤種發(fā)熱量為23421 kJ/kg，收到基全水分為6.4%，灰分為24.5%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為13.55%，入爐煤粒徑：0～1 mm占比42.82%、1～3 mm占比28.19%，3～6 mm占比10.4%、6～8 mm占比6.69%、大于8 mm占比11.90%。

1 2 MW/min的負(fù)荷變化速率試驗(yàn)

在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，選取2 MW/min的負(fù)荷變化速率，在230～290 MW負(fù)荷段內(nèi)進(jìn)行升負(fù)荷變化試驗(yàn)。圖1為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化，其中縱坐標(biāo)所顯示的壓力偏差為機(jī)組實(shí)際進(jìn)氣壓力與設(shè)定滑壓曲線(xiàn)中壓力的差值。

負(fù)荷從230 MW以2 MW/min的速度升至290 MW，負(fù)荷階躍量60 MW。整個(gè)升負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組的進(jìn)氣壓力較設(shè)定壓力呈逐漸下降趨勢(shì)，鍋爐的燃燒負(fù)荷速度低于實(shí)時(shí)要求的電負(fù)荷速度。瞬時(shí)電負(fù)荷的上升主要依靠機(jī)組的熱慣性進(jìn)行彌補(bǔ)。機(jī)組在階躍60 MW期間，壓力偏差值由0.049 MPa下降至-1.341 MPa，壓力偏差變化1.39 MPa。

圖1 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（230～290 MW）

機(jī)組以2 MW/min速度，在階躍量20 MW負(fù)荷下，機(jī)組熱力系統(tǒng)對(duì)AGC模式下電負(fù)荷的響應(yīng)良好；在階躍量30 MW負(fù)荷下，機(jī)組熱力系統(tǒng)對(duì)AGC模式下電負(fù)荷的響應(yīng)較好；在階躍量60 MW負(fù)荷下，機(jī)組熱力系統(tǒng)可滿(mǎn)足AGC模式下電負(fù)荷的響應(yīng)要求。若大于60 MW的負(fù)荷階躍量，機(jī)組自身的熱力系統(tǒng)將無(wú)法連續(xù)響應(yīng)電負(fù)荷的速率要求，此時(shí)AGC指令應(yīng)停止給予機(jī)組繼續(xù)升負(fù)荷的指令，可執(zhí)行降負(fù)荷指令。待機(jī)組壓力較設(shè)定壓力偏差小于0.5 MPa時(shí)，方可執(zhí)行繼續(xù)升負(fù)荷的指令。

2 3 MW/min的負(fù)荷變化速率試驗(yàn)

在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，選取3 MW/min的負(fù)荷變化速率，在250～280 MW、負(fù)荷段內(nèi)分別進(jìn)行了階躍量為30 MW工況下的升負(fù)荷變化試驗(yàn)。圖2為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化。

圖2 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（250～280 MW）

負(fù)荷從250 MW以3 MW/min的速度升至280 MW，負(fù)荷階躍量30 MW。整個(gè)升負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組的進(jìn)氣壓力較設(shè)定壓力逐漸下降，鍋爐的燃燒負(fù)荷速度低于實(shí)時(shí)要求的電負(fù)荷速度。機(jī)組在階躍30 MW期間，壓力偏差值由0.237 MPa下降至－1.191 MPa，壓力偏差變化1.428 MPa。機(jī)組以3 MW/min速度，在階躍量30 MW負(fù)荷下，機(jī)組熱力系統(tǒng)可滿(mǎn)足AGC模式下電負(fù)荷的響應(yīng)要求。若大于30 MW的負(fù)荷階躍量，機(jī)組自身的熱力系統(tǒng)連續(xù)響應(yīng)電負(fù)荷的速率要求較差，此時(shí)AGC指令應(yīng)停止給予機(jī)組繼續(xù)升負(fù)荷的指令，可執(zhí)行降負(fù)荷指令。待機(jī)組壓力較設(shè)定壓力偏差小于0.4 MPa時(shí)，方可執(zhí)行繼續(xù)升負(fù)荷的指令。

3 4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率試驗(yàn)

在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，選取4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率，在180～200 MW、280～300 MW負(fù)荷段內(nèi)進(jìn)行階躍量20 MW的升負(fù)荷變化試驗(yàn)。圖3、4為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化。

圖3 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（180～200 MW）

圖4 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（280～300 MW）

從圖3、4中可以看出，機(jī)組在以4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率階躍20 MW的工況下，隨著負(fù)荷的升高，進(jìn)氣壓力與設(shè)定壓力偏差在0.5～0.7 MW之間。機(jī)組熱力系統(tǒng)熱負(fù)荷的響應(yīng)狀況良好。

在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，選取4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率，在180～210 MW、210～240 MW、280～310 MW負(fù)荷段內(nèi)進(jìn)行階躍量30 MW的升負(fù)荷變化試驗(yàn)。圖5、6、7為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化。

圖5 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（180～210 MW）

圖6 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（210～240 MW）

圖7 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（280～310 MW）

從圖5、6、7中可以看出，機(jī)組在以4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率階躍30 MW的工況下，隨著負(fù)荷的升高，進(jìn)氣壓力與設(shè)定壓力偏差為1.5 MPa。

在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，選取4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率，在180～220 MW負(fù)荷段內(nèi)進(jìn)行階躍量40 MW的升負(fù)荷變化試驗(yàn)。圖8為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化。

圖8 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（180～220 MW）

從圖8中可以看出，機(jī)組在以4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率階躍40 MW的工況下，隨著負(fù)荷的升高，進(jìn)氣壓力與設(shè)定壓力偏差為2 MPa。

在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，選取4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率，在180～230 MW、負(fù)荷段內(nèi)進(jìn)行階躍量50 MW的升負(fù)荷變化試驗(yàn)。圖9為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化。

圖9 機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（180～230 MW）

從圖9中可以看出，機(jī)組在以4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率階躍50 MW的工況下，隨著負(fù)荷的升高，壓力與設(shè)定壓力偏差為2.637 MPa。

綜合上述，3個(gè)工況下的試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)組在以4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率下，機(jī)組熱力系統(tǒng)的熱負(fù)荷能較好滿(mǎn)足階躍量30 MW的負(fù)荷變化，大于該階躍量，機(jī)組實(shí)際對(duì)電負(fù)荷的實(shí)時(shí)響應(yīng)變差。

4 降負(fù)荷速率試驗(yàn)

針對(duì)30 MW階躍量，在負(fù)荷285～315 MW進(jìn)行了3 MW/min速率的降負(fù)荷試驗(yàn)和190～220 MW負(fù)荷區(qū)間內(nèi)進(jìn)行了4.5 MW/min速率的降負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（285～315 MW）

圖11 機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中的壓力變化（190～220 MW））

從圖10、圖11中可以看出，機(jī)組在以3 MW/min的負(fù)荷變化速率階躍30 MW的降負(fù)荷工況下，隨著負(fù)荷的下降，壓力升高，進(jìn)氣壓力與設(shè)定壓力偏差為1.357 MPa；機(jī)組在以4.5 MW/min的負(fù)荷變化速率階躍30 MW的降負(fù)荷工況下，隨著負(fù)荷的下降，壓力升高，壓力與設(shè)定壓力偏差為1.75 MPa；基本能滿(mǎn)足電負(fù)荷的響應(yīng)要求。

5 結(jié)論

綜合試驗(yàn)結(jié)果，超臨界循環(huán)流化床鍋爐滿(mǎn)足機(jī)組AGC響應(yīng)速率受階躍量的限制。機(jī)組以2 MW/min的負(fù)荷變化速率時(shí)，該機(jī)組的熱力系統(tǒng)熱負(fù)荷的響應(yīng)能滿(mǎn)足電負(fù)荷相應(yīng)速度的變化要求，最大階躍量為60 MW；機(jī)組以3～4.5 MW的負(fù)荷變化速率，該機(jī)組的熱力系統(tǒng)熱負(fù)荷的響應(yīng)能滿(mǎn)足電負(fù)荷相應(yīng)速度的變化要求，最大階躍量為30 MW。超過(guò)該階躍量進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度時(shí)，應(yīng)在連續(xù)升負(fù)荷指令中給予一定的時(shí)間間隔，便于彌補(bǔ)熱力系統(tǒng)熱負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)滯后性的熱負(fù)荷量，從而更好地滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷變化的要求。