超臨界350 MW循環(huán)流化床鍋爐變負荷特性

蔡 晉，單 露，王志寧，張 縵，金 燕，蔡新春，王鵬程，楊海瑞

（1.清華大學山西清潔能源研究院，山西 太原 030032；2.清華大學能源與動力工程系，北京 100084；3.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；4.山西國際能源集團（格盟國際）有限公司，山西 太原 030001；5.山西河坡發(fā)電有限責任公司，山西 陽泉 045000）

循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術具有燃料適應性廣，操作彈性大以及污染物控制成本低等優(yōu)點[1-2]，是當前商業(yè)化程度最好的清潔煤燃燒技術之一[3]。超臨界機組發(fā)電效率比亞臨界機組有大幅提高，同等發(fā)電量下，發(fā)電煤耗低，污染物排放低[4]，因此發(fā)展超臨界參數(shù)的CFB燃燒技術是CFB鍋爐發(fā)展的必由之路。自白馬超臨界600 MW機組CFB鍋爐2013年4月14日投運以來，超臨界CFB鍋爐技術在我國快速發(fā)展。2015年9月18日，中國第一臺超臨界350 MW機組CFB鍋爐在山西晉能國金電廠投產(chǎn)。截至2019年底，我國已有超過40臺超臨界350 MW機組CFB鍋爐投運。

近年來，一方面火電機組的增長與電力需求的持續(xù)放緩，煤電投資規(guī)模大幅下降，為近十年來最低水平，國內(nèi)電力市場正處于供大于求的狀態(tài)；另一方面在能源電力低碳發(fā)展的戰(zhàn)略目標下，我國新能源裝機容量和發(fā)電量都保持著較高的增速。截至2018年底，新能源裝機容量占比18.9%，相較2017年風電裝機容量增加12.4%，太陽能發(fā)電裝機容量增加33.7%，而火電裝機容量僅增加3.1%，火電發(fā)電量比重已從2011年的82.5%持續(xù)下降到2018年的70.4%[5]。新能源天然具有隨機間歇的特點。為充分優(yōu)先消耗新能源發(fā)電量，越來越多的火電機組頻繁參與調(diào)峰任務，這就要求機組在大幅度變負荷過程中，不僅負荷響應速率要快，還要控制各運行參數(shù)在合理范圍內(nèi)，確保機組安全運行，最大程度降低對機組的損害。

目前大部分關于火電機組變負荷的研究集中于煤粉鍋爐[6-9]，對CFB鍋爐變負荷的研究較少，僅有模型預測分析和小部分實際鍋爐運行數(shù)據(jù)[10-12]，而超臨界CFB鍋爐的變負荷特性報道更是鮮見。我國現(xiàn)役超臨界CFB鍋爐以350 MW機組為主。本文以河坡電廠超臨界350 MW機組CFB鍋爐為研究對象，變負荷范圍為50%THA~100%THA，分析升降負荷的運行數(shù)據(jù)，獲得變負荷過程中床溫、汽溫和排煙參數(shù)的變化曲線，并對比煤粉鍋爐來探究超臨界循環(huán)CFB在變負荷運行中的特點與優(yōu)勢。

1 鍋爐設計參數(shù)

河坡電廠超臨界350 MW機組CFB鍋爐燃料參數(shù)見表1，燃用煤種為高灰、低硫貧煤（設計煤種為當?shù)責嶂递^高的無煙煤）。最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）和額定蒸發(fā)量（BRL）的條件下，鍋爐主要設計參數(shù)見表2。

表1 鍋爐燃料參數(shù)Tab.1 The fuel quality of the boiler

表2 鍋爐主要設計參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the boiler

2 鍋爐主要設計特點

該超臨界350 MW機組CFB鍋爐為單爐膛、單布風板結構，采用高溫汽冷旋風分離器進行氣固分離，二次風分兩層送入爐膛以實現(xiàn)分級燃燒。鍋爐采用前墻給煤后墻排渣方式，前墻共布置10個給煤口，后墻水冷壁下部布置6個排渣口。一次風進風形式為風室左右兩側進風，有利于布風均勻。NOx采用分離器進口處布置的選擇性非催化還原（SNCR）脫硝裝置脫除，而SO2采用爐內(nèi)石灰石和爐外脫硫塔協(xié)同脫除。

爐膛內(nèi)前墻布置6片二級中溫過熱器管屏、6片高溫過熱器管屏、6片高溫再熱器管屏，在前墻還布置有5片隔墻水冷壁，有利于橫截面的物料均勻分布。爐膛與尾部豎井之間布置3臺旋風分離器，下部各布置1臺U閥回料器，回料器為一分為二結構，保證了回料的均勻性。尾部采用雙煙道結構，前煙道布置3組低溫再熱器，后煙道布置2組低溫過熱器和2組一級中溫過熱器，之后前后煙道合成一個。鍋爐示意如圖1所示。

圖1 超臨界350 MW機組CFB鍋爐示意Fig.1 Schematic diagram of the supercritical 350 MW CFB boiler

3 鍋爐變負荷運行特性

3.1 變負荷時的床溫分布

床溫是CFB鍋爐運行的關鍵參數(shù)。實際運行中，通常將床溫控制在850~950 ℃，在保證燃燒效率的同時提高脫硫脫硝效果。圖2—圖5分別為60%~90%負荷和40%~60%負荷的床溫分布，以及2種負荷范圍下的鍋爐風量、給煤量和排渣量變化情況。圖2、圖3中，虛線左右為2個時段的負荷曲線，左側為降負荷，右側為升負荷。

由圖2可以看出：床溫與負荷成正相關，當負荷提高時，床溫呈上升的趨勢；前后位置床溫的差值相對較大，升負荷時在5~30 ℃范圍波動，降負荷波動范圍為4~21 ℃，這與前墻集中給煤和后墻排渣的固有結構有關。在升負荷過程中，由于增大給煤量并減少排渣量，前床中新給入的煤顆粒吸收了前床的熱量，后床中排渣量減少保存了大量熱量，使得后床溫高于前床溫；而降負荷過程中，由于排渣量基本不變，因此降負荷過程中前后位置床溫的差值比升負荷過程中前后位置床溫的差值小。同時床溫也和不同負荷時具體的返料灰溫有關，因此對于較大爐膛截面的超臨界機組鍋爐而言，該溫度偏差范圍可以忽略不計，在變負荷過程中認為床溫分布是均勻的。此外，變負荷時，為防止床溫波動較大而脫離最佳溫度窗口，需要調(diào)整燃料量、風量和排渣量等控制床溫，這是運行中控制床溫的常用手段之一。

圖2 60%~90%負荷的床溫分布Fig.2 The bed temperature variation at 60%~90% load

圖3 60%~90%負荷，鍋爐風量、給煤量和排渣量Fig.3 The airflow rate, coal feeding rate and ash discharged rate at 60%~90% load

結合圖2和圖3可以看出，在實際運行過程中，升負荷時，50~60 min期間的床溫迅速升高，后墻床溫最大變化由893 ℃升至930 ℃，給煤量曲線從50 min起由快速上升立刻放緩，排渣量的控制也由25.9 t迅速降為0。由此可看出：床溫過高時，減緩給煤，適當增加一次風增長速率，同時減小排渣量，可使床溫增長放緩；降負荷時，床溫相對較低，尤其是負荷低于50%負荷時，某些測點床溫已低于850 ℃，此時主要通過適當增大排渣量使得床溫回升。27 min起，通過增加右側某臺冷渣器的開度，排渣量增加約1 t，相應的右側床溫明顯回升。

圖4 40%~60%負荷的床溫分布Fig.4 The bed temperature variation at 40%~60% load

圖5 40%~60%負荷，鍋爐風量、給煤量和排渣量Fig.5 The airflow rate, coal feeding rate and ash discharged rate at 40%~60% load

結合圖4和圖5可以看出，給煤量上升，風量基本不變，排渣量在2.3 h時由15.6 t增加為20.5 t，此時右側床溫明顯回升而左側變化很小，且右后床溫回升幅度最大。通過實時運行數(shù)據(jù)可以得知，左右側給煤量基本相同，而2.3 h起通過開啟右側的1臺冷渣器來增加排渣量。由此可確定，相同條件下通過控制排渣量可顯著調(diào)節(jié)床溫。

排渣對床溫的影響主要體現(xiàn)在3個方面：1）在相同給煤放熱量的條件下，當排渣量減小時，床料量相對增大，等效于床料的熱容相應增大，則床溫變化程度就會減小，同理排渣量增大時，床料量相對減小，床溫變化程度就會相應增大；2）通過冷渣器排走的物料本身會帶走部分熱量，增大排渣量就意味著帶走更多的熱量；3）排渣會使得床內(nèi)粗顆粒比例降低，細顆粒比例增高，由于細顆粒在流化風作用下離開密相區(qū)，使得熱量無法積聚在床層，從而床溫降低。3種作用的影響程度視排渣量不同而不同，排渣對床溫的影響由上述3種作用共同作用。此外，由于排渣口全部布置后墻，排渣量變化時，后墻位置的床溫測點變化更加明顯。同時后墻排渣有利于大渣在爐內(nèi)的停留時間，使得大渣含碳量較低。

3.2 變負荷時的主再熱蒸汽溫度特性

圖6和圖7分別為在60%~90%負荷和40%~60%負荷變負荷時的汽溫變化曲線。

圖6 60%~90%負荷的汽溫變化特性Fig.6 The change performance of steam temperature at 60%~90% load

圖7 40%~60%負荷的汽溫變化特性Fig.7 The change performance of steam temperature at 40%~60% load

由圖6可以看出：隨著負荷變化（負荷變化率大約為4~5 MW/min），高溫過熱器出口蒸汽與高溫再熱器出口蒸汽的溫度基本穩(wěn)定，略低于設計值；升負荷時，過熱汽溫和再熱汽溫先降低，這與其受熱面裕度不足有關。當負荷快速升高時，汽輪機的主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥會快速打開來響應負荷的增長，這會使鍋爐側主蒸汽管道內(nèi)的蒸汽量大大減少，主蒸汽壓力降低，需要更多的給水變成蒸汽以維持主蒸汽壓力；加入的煤加熱了給水，而燃料的響應速度較為遲緩，給水量增加較快，所以主蒸汽溫度會先降低；當升負荷新加入的煤徹底轉(zhuǎn)換為熱能后，燃料的放熱和給水及蒸汽的吸熱達到新的平衡。鍋爐受熱面一定，不考慮減溫水因素，負荷越高，過熱汽溫和再熱汽溫穩(wěn)定值相對越高。

由圖7可以看出：隨著負荷變化，汽溫瞬間變化率很小，整體平穩(wěn)，波動小，高溫過熱器出口蒸汽溫度曲線有一個明顯的波谷，這與煙氣擋板的調(diào)節(jié)有關。

3.3 NOx排放特性

圖8—圖10為鍋爐在升降負荷時NOx原始排放質(zhì)量濃度（SNCR設備之前）、排煙溫度及爐膛出口煙氣含氧量（體積分數(shù)）的變化趨勢。由圖8可以看出，升負荷過程中，排煙溫度從106 ℃升為119 ℃。這是因為燃料量、風量、蒸汽流量均相應增加，各級受熱面處的工質(zhì)和煙氣溫度升高，導致爐膛排煙溫度隨之升高。煙氣含氧量基本穩(wěn)定在2%~3%，說明變負荷過程中過量空氣系數(shù)的調(diào)整很及時。如前所述，當負荷增加時，床溫呈現(xiàn)升高的趨勢，而NOx的排放直接與床溫有關。此外研究表明，隨著升負荷過程中給煤量的增加，SO2的生成量也增大，爐內(nèi)投入的石灰石量增多，而CaO顆粒對NH3的氧化具有強烈的催化作用[13]，這也是導致NOx排放升高的原因。由于運行床溫和二次風配比比較合理，升負荷時NOx排放質(zhì)量濃度的變化范圍為30~70 mg/m3（標準狀態(tài)，下同），降負荷時的變化范圍為20~50 mg/m3，小于GB 13223—2011要求的100 mg/m3（均已折算到氧體積分數(shù)為6%）。運行床溫較低、合理二次風配比造成缺氧環(huán)境和入爐燃料所含有機氮化物較少等是該廠NOx原始排放偏低的重要原因。而對于中低負荷區(qū)間的變負荷工況，由于需維持最低流化風速，隨著負荷降低，一次風量逐漸降低至最低流化風量，不能發(fā)揮分級配風的優(yōu)勢，密相區(qū)的還原性氣氛相對中高負荷時差，致使NOx的原始排放質(zhì)量濃度顯著大于中高負荷時的量。

圖8 升負荷時（60%~90%負荷）NOx原始排放質(zhì)量濃度及排煙溫度、煙氣含氧量Fig.8 The NOx mass concentration emission in front of the SNCR, and the flue gas temperature and O2 content during load ascending (60%~90% load)

圖9 降負荷時（60%~90%負荷）NOx原始排放質(zhì)量濃度及排煙溫度、煙氣含氧量Fig.9 The NOx mass concentration emission in front of the SNCR, and the flue gas temperature and O2 content during load descending (60%~90% load)

圖10 變負荷（40%~60%）NOx原始排放質(zhì)量濃度及排煙溫度、煙氣含氧量Fig.10 The NOx mass concentration emission in front of the SNCR, and the flue gas temperature and O2 content at variable load (40%~60%)

3.4 變負荷速率

煤粉爐的煤粉主要靠與高溫煙氣強烈混合的對流換熱來達到著火溫度，進入的煤可以迅速燃燒，負荷能在短時間響應來達到目標負荷，自動發(fā)電控制（AGC）方式控制升降負荷速率能達到10 MW/min，甚至更高。對于CFB鍋爐而言，其鍋爐結構和燃燒方式與煤粉爐不同，存在著蓄熱慣性大、燃燒緩慢和負荷響應速率相對較慢等缺點[14-16]。但CFB鍋爐負荷調(diào)節(jié)范圍大，可在低負荷穩(wěn)定運行，且隨著對CFB鍋爐的認識和運行經(jīng)驗的積累，負荷響應速率也大大提升。

由上述負荷隨時間的變化曲線可知：該CFB鍋爐升負荷初期，負荷率緩慢上升，當加入的煤開始著火后，負荷會迅速上升，升負荷速率為6 MW/min（1.71%/min），但同時會受到床溫不能過高的限制；降負荷時，由于爐內(nèi)有大量的床料，因此負荷下降速率較慢，降負荷速率為4 MW/min（1.14%/min）。另外，CFB鍋爐快速變負荷時，污染物排放瞬時值容易超限，這也制約了鍋爐響應速率。

4 結 語

通過對超臨界350 MW機組CFB鍋爐變負荷時各參數(shù)的變化趨勢分析，可知CFB鍋爐具有負荷調(diào)節(jié)范圍廣，變負荷速率比較快的特點，在參與深度調(diào)峰上具有較大優(yōu)勢。負荷調(diào)節(jié)通過控制給煤量、風量等外部操作條件來實現(xiàn)。在變負荷過程中通過控制排渣量可以調(diào)節(jié)床溫，在床溫過高時需適當減小排渣量，從而保證鍋爐運行安全。汽溫在變負荷過程中，整體平穩(wěn)波動小。合理控制床溫和風煤比，可以使NOx原始排放質(zhì)量濃度較低，采用少量尿素脫硝即可達到超低排放。CFB鍋爐能快速響應AGC指令，并保證安全穩(wěn)定和低排放運行。