1000?MW超超臨界機(jī)組深度調(diào)峰安全性分析及運(yùn)行控制策略

吳海粼 丁湧

[摘? ? 要]隨著新能源比重不斷上升，大型火電機(jī)組深度調(diào)峰將成為運(yùn)行常態(tài)。文章以某電廠1000 MW機(jī)組為例，分析深度調(diào)峰運(yùn)行中機(jī)組存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)運(yùn)行控制策略，為1000 MW火力發(fā)電機(jī)組參與深度調(diào)峰提供了一定的借鑒。

[關(guān)鍵詞]1000 MW超超臨界機(jī)組;深度調(diào)峰;控制策略;低負(fù)荷運(yùn)行;安全性分析

[中圖分類號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–0–03

Safety Analysis and Operation Control Strategy of Deep Peak

Shaving of 1000 MW Ultra Supercritical Unit

Wu Hai-ling， Ding Yong

[Abstract]With the increasing proportion of new energy， deep peak shaving of large thermal power units will become the normal operation. Taking a 1000 MW unit of a power plant as an example， this paper analyzes the safety risks of the unit in deep peak shaving operation， and puts forward the corresponding operation control strategy combined with the actual operation experience， which provides a certain reference for 1000 MW thermal power unit to participate in deep peak shaving.

[Keywords]1000 MW ultra supercritical unit; deep peak shaving; control strategy; low load operation;safety analysis

近年國(guó)家綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，大力推動(dòng)新能源發(fā)展，風(fēng)、光能源占比逐年提升。根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全國(guó)全口徑火電裝機(jī)容量12.5億kW、非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量合計(jì)9.8億kW，占總發(fā)電裝機(jī)容量的比重為44.8 %，比上年提高2.8 %。煤電裝機(jī)容量10.8億kW，占比為49.1 %，首次降至50 %以下。

隨著電力容量的逐步增大和清潔能源比重的逐漸提高，電網(wǎng)的峰谷差將日益增大，電力市場(chǎng)對(duì)火電調(diào)峰能力提出了更高要求，大機(jī)組長(zhǎng)期深度調(diào)峰運(yùn)行將成為常態(tài)。開展大機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性研究和分析具有重要意義。現(xiàn)以某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組為例研究，分析深度調(diào)峰過(guò)程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，制定低負(fù)荷運(yùn)行的控制策略，提高調(diào)峰機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 概述

某電廠兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，一次再熱，單爐膛，前后墻對(duì)沖燃燒方式，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，平衡通風(fēng)Ⅱ型爐，其型號(hào)為DG3035/29.3-Π1。鍋爐點(diǎn)火方式為等離子點(diǎn)火方式，配置于兩臺(tái)底層燃燒器上，每層燃燒器有8只等離子，對(duì)應(yīng)8個(gè)燃燒器。制粉系統(tǒng)為6臺(tái)正壓直吹中速磨煤機(jī)，脫硝系統(tǒng)采用尿素作為為還原劑。汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、十級(jí)回?zé)岢槠?、凝汽式汽輪機(jī)，其型號(hào)為N1052-28/600/620。給水系統(tǒng)配置100 %容量汽動(dòng)給水泵及100 %容量高加。發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的三相交流隱級(jí)式同步發(fā)電機(jī)，其型號(hào)為QFSN2-1169-2。勵(lì)磁方式為靜止自并勵(lì)，冷卻方式為：水氫氫，廠用電為10 kV及380 V兩個(gè)電壓等級(jí)。

2 低負(fù)荷運(yùn)行的安全性分析

2.1 鍋爐側(cè)設(shè)備深度調(diào)峰存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1 鍋爐燃燒惡化

機(jī)組負(fù)荷降至500 MW以下，進(jìn)入爐內(nèi)燃燒的煤量相應(yīng)減少，爐內(nèi)熱負(fù)荷降低，爐膛溫度下降，煤粉著火條件及燃燒穩(wěn)定性變差。若發(fā)生制粉系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等設(shè)備故障或者爐膛掉大焦都將對(duì)爐內(nèi)燃燒造成較大影響，甚至滅火停機(jī)。

2.1.2 鍋爐水平煙道及尾部煙道積灰

低負(fù)荷工況，爐內(nèi)風(fēng)量減少，煙速下降，煙塵沉積在爐內(nèi)水平煙道及后煙道中。然而，為確保爐膛安全，低負(fù)荷工況禁止進(jìn)行爐膛吹灰。鍋爐長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行將導(dǎo)致爐膛結(jié)焦、水平煙道、后煙道煙塵堆積，影響爐內(nèi)換熱，提高了排煙溫度，降低了鍋爐效率，也易造成鍋爐壁溫超溫。

2.1.3 空預(yù)器積灰及低溫腐蝕

過(guò)量的NH3與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫氨。硫酸氫氨在147-350 ℃溫度區(qū)間呈熔融狀態(tài)，是一種黏度極高的物質(zhì)。當(dāng)它在空預(yù)器內(nèi)遇冷后，黏附于空預(yù)器的換熱元件表面，黏住煙氣中飛灰顆粒，導(dǎo)致空預(yù)器換熱元件通道堵塞，空預(yù)器前后差壓增大。低負(fù)荷運(yùn)行鍋爐排煙溫度低，易在空預(yù)器冷端形成低溫腐蝕。

2.1.4 一次風(fēng)機(jī)搶風(fēng)或喘振

低負(fù)荷工況下，空預(yù)器積灰堵塞，減少了一次風(fēng)機(jī)通道面積或者低負(fù)荷工況僅投運(yùn)三套制粉系統(tǒng)，一次風(fēng)通道面積減少，從而引起一次風(fēng)機(jī)搶風(fēng)或者發(fā)生喘振。

2.2 汽機(jī)側(cè)設(shè)備深度調(diào)峰存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

2.2.1 軸系振動(dòng)變大

隨著機(jī)組負(fù)荷下降，尤其是冬季，凝汽器真空提高顯著。當(dāng)真空值過(guò)高時(shí)，可能導(dǎo)致汽輪機(jī)動(dòng)靜摩擦，汽輪機(jī)軸系振動(dòng)增大，影響機(jī)組安全。

2.2.2 給水流量波動(dòng)

深度調(diào)峰中，小機(jī)正常汽源四抽無(wú)法滿足小機(jī)供汽要求，需切換至啟動(dòng)汽源輔汽或者備用汽源冷再。由于輔汽或冷再與四抽存在較大的壓力差和溫度差，操作不當(dāng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致小機(jī)流量異常。

2.3 電氣側(cè)設(shè)備深度調(diào)峰存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

2.3.1 發(fā)電機(jī)進(jìn)相，靜態(tài)穩(wěn)定性下降

發(fā)電機(jī)進(jìn)相深度超過(guò)穩(wěn)定值，靜態(tài)穩(wěn)定性下降，可能造成發(fā)電機(jī)運(yùn)行失穩(wěn)，定子端部溫度上升。

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行還將導(dǎo)致廠用電壓下降，各電氣設(shè)備電流增加，設(shè)備發(fā)熱，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致設(shè)備損壞。電壓下降較大時(shí)，可能引起低電壓電氣設(shè)備保護(hù)動(dòng)作，事故擴(kuò)大。

2.4 深度調(diào)峰導(dǎo)致環(huán)保超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)

低負(fù)荷工況，爐內(nèi)溫度下降，脫硝催化劑反應(yīng)活性下降，脫硝效率下降。制粉系統(tǒng)配風(fēng)不良，爐膛火焰中心上移，NOX生成相對(duì)增加。監(jiān)視不到位、調(diào)整操作不及時(shí)，可能導(dǎo)致環(huán)保參數(shù)上升。

3 深度調(diào)峰的運(yùn)行控制策略

3.1 深度調(diào)峰前的工作準(zhǔn)備

3.1.1 提前吹灰并投運(yùn)等離子系統(tǒng)

深度調(diào)峰運(yùn)行中進(jìn)行鍋爐吹灰極有可能造成鍋爐燃燒不穩(wěn)，甚至鍋爐滅火。因此，深度調(diào)峰時(shí)鍋爐不進(jìn)行吹灰操作。為防止鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重，保證機(jī)組正常運(yùn)行，在負(fù)荷降至500 MW之前，要根據(jù)鍋爐結(jié)焦燃燒情況進(jìn)行鍋爐吹灰。中負(fù)荷吹灰，可視燃燒穩(wěn)定情況，投入兩層等離子運(yùn)行，穩(wěn)定鍋爐燃燒。

3.1.2 入爐煤煤質(zhì)管控

運(yùn)行人員掌握上煤及煤質(zhì)情況，根據(jù)燃煤耗用及原煤倉(cāng)存煤情況，合理安排上煤，確保深度調(diào)峰期間燃用合格燃煤。要求輸煤系統(tǒng)上干煤，避免發(fā)生原煤倉(cāng)、給煤機(jī)堵煤，制粉系統(tǒng)斷煤情況。

為了保證深度調(diào)峰期間燃燒穩(wěn)定，應(yīng)用揮發(fā)相對(duì)較高、易于著火的低硫燃煤。合理安排配煤摻燒工作，防止鍋爐結(jié)焦。

3.2 深度調(diào)峰升、降負(fù)荷的操作及注意事項(xiàng)

機(jī)組負(fù)荷降至500 MW以下，應(yīng)投入空預(yù)器連續(xù)吹灰，避免空預(yù)器積灰。機(jī)組負(fù)荷在400～500 MW工況，機(jī)組AGC正常投運(yùn)，機(jī)組負(fù)荷率按照正常升降負(fù)荷率控制。此時(shí)，機(jī)組保持四套制粉系統(tǒng)運(yùn)行，爐內(nèi)火焰充滿度相對(duì)較高，鍋爐燃燒穩(wěn)定，較大的變負(fù)荷率不影響機(jī)組安全性。當(dāng)負(fù)荷降至300～400 MW，僅投入三套制粉系統(tǒng)運(yùn)行，根據(jù)爐內(nèi)燃燒工況適當(dāng)降低機(jī)組變負(fù)荷率，避免負(fù)荷變動(dòng)塊，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)，影響機(jī)組安全性。

低負(fù)荷工況下制粉系統(tǒng)啟停的控制要點(diǎn)在于煤量、水量、風(fēng)量變化的穩(wěn)定，逐步平穩(wěn)增、減給煤量、水量、風(fēng)量，避免出現(xiàn)的突增突減情況，造成水冷器、過(guò)、再熱器壁溫超限或者爐內(nèi)燃燒工況突然惡化情況。在機(jī)組升降負(fù)荷、啟停制粉系統(tǒng)時(shí)應(yīng)密切關(guān)注鍋爐掉焦情況，做好防止鍋爐掉焦造成水冷壁壁溫超限及分配集箱進(jìn)口溫度高的調(diào)整措施。

3.3 深度調(diào)峰安全穩(wěn)定運(yùn)行及管理的控制策略

3.3.1 提前完成機(jī)組定期工作

深度調(diào)峰期間，禁止安排對(duì)鍋爐燃燒有影響的定期試驗(yàn)工作，并減少一切不必要操作，各項(xiàng)操作必須升級(jí)管控，必要的定期工作應(yīng)提前安排。

3.3.2 提高鍋爐深度調(diào)峰穩(wěn)燃能力

深度調(diào)峰期間，根據(jù)給煤量控制磨煤機(jī)風(fēng)量，嚴(yán)格控制磨煤機(jī)風(fēng)煤比，防止一次風(fēng)量過(guò)大造成燃燒器脫火以及防止一次風(fēng)壓過(guò)低造成一次風(fēng)管積粉。調(diào)整磨煤機(jī)煤粉細(xì)度、提高磨煤機(jī)出口溫度，強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒。開展氧量調(diào)整，合理配風(fēng)，確保煤粉燃盡;加強(qiáng)燃燒監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)燃燒不穩(wěn)、火檢強(qiáng)度低、爐膛負(fù)壓波動(dòng)大等情況，及時(shí)增投等離子穩(wěn)燃。

3.3.3 控制環(huán)保參數(shù)不超標(biāo)

SO2、煙塵排放總量和濃度是隨著機(jī)組負(fù)荷、入爐煤量變化而變化的。通過(guò)燃用熱值高、低硫煤以及指標(biāo)精細(xì)化調(diào)整來(lái)降低SO2、煙塵的產(chǎn)生，能夠達(dá)到SO2、煙塵達(dá)標(biāo)排放。

脫硝系統(tǒng)中總計(jì)3個(gè)NOX測(cè)點(diǎn)，其中脫硝反應(yīng)器前后各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，第三個(gè)測(cè)點(diǎn)布置于煙囪前。3個(gè)測(cè)點(diǎn)依煙氣流程分別經(jīng)過(guò)脫硝反應(yīng)器后剩余的NOX，以及對(duì)外排放的NOX。第一個(gè)NOX數(shù)值反映鍋爐燃燒產(chǎn)生NOX的量，其控制要點(diǎn)在于通過(guò)優(yōu)化制粉系統(tǒng)配風(fēng)、降低火焰中心等措施抑制NOX的產(chǎn)生，減少尿素用量。第二個(gè)NOX數(shù)值反映了脫硝反應(yīng)器的效率，其控制要點(diǎn)在于控制好尿素?zé)峤鉅t內(nèi)的溫度和脫硝反應(yīng)器處的煙溫。由于機(jī)組負(fù)荷低，尿素?zé)峤鉅t入、出口溫度隨負(fù)荷降低而降低，及時(shí)關(guān)小氣氣換熱器旁路調(diào)節(jié)門并啟動(dòng)熱解爐入口電加熱，控制熱解爐入口溫度大于450 ℃，出口溫度350～400 ℃，確保脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，通過(guò)投運(yùn)0號(hào)高加等措施提高排煙溫度，控制脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣溫度在300～430 ℃，避免生成硫酸氫銨堵塞脫硝催化劑、空預(yù)器等。第三個(gè)NOX數(shù)值反映了對(duì)外排放量，是環(huán)保外排的依據(jù)。由于其與第二個(gè)測(cè)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，第三個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)際顯示NOX數(shù)值滯后第二個(gè)測(cè)點(diǎn)約3 min左右，因此對(duì)啟停制粉系統(tǒng)快速產(chǎn)生大量NOX的要超前控制，避免NOX排放瞬時(shí)超標(biāo)。

3.3.4 預(yù)防發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行

機(jī)組低負(fù)荷發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)發(fā)電機(jī)極端電壓、定子電流、發(fā)電機(jī)線圈溫度、無(wú)功等參數(shù)監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)達(dá)到限值，應(yīng)及時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，增加勵(lì)磁，防止發(fā)電機(jī)超過(guò)其允許進(jìn)相運(yùn)行范圍。

機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，維持10 kV段母線電壓、380 V低壓母線電壓正常，及時(shí)增加勵(lì)磁，避免同時(shí)啟動(dòng)10 kV等大容量設(shè)備，導(dǎo)致母線電壓瞬時(shí)下降，10 kV、380 V電器設(shè)備跳閘，事故擴(kuò)大。

3.4 調(diào)峰的深度及運(yùn)行方式選擇

3.4.1 制粉系統(tǒng)的運(yùn)行方式

三套制粉系統(tǒng)運(yùn)行能夠確保機(jī)組負(fù)荷在400～500 MW工況穩(wěn)定運(yùn)行，但制粉系統(tǒng)出力裕度已不足。若此時(shí)發(fā)生制粉系統(tǒng)斷煤、堵煤等事件，將影響機(jī)組出力，甚至機(jī)組安全。因此，機(jī)組負(fù)荷在400～500 MW宜保持四套制粉系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至400 MW以下時(shí)，宜保持三套制粉系統(tǒng)運(yùn)行且制粉系統(tǒng)不允許隔層運(yùn)行，否則爐內(nèi)熱負(fù)荷分散，導(dǎo)致燃燒惡化。

為了避免低負(fù)荷一次風(fēng)用量少，導(dǎo)致一次風(fēng)壓高，出現(xiàn)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)或喘振等不穩(wěn)定工況，宜打通一臺(tái)備用磨煤機(jī)進(jìn)、出口風(fēng)門通風(fēng)，降低一次風(fēng)壓。

3.4.2 循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式

隨著機(jī)組負(fù)荷降低，機(jī)組真空逐漸提高。考慮到機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性，可采取雙背壓切為單背壓、停運(yùn)一臺(tái)循環(huán)水泵或者調(diào)整冷卻塔配水等措施，適當(dāng)降低真空，避免真空原因?qū)е聶C(jī)組振動(dòng)增大。

3.4.3 機(jī)組干濕態(tài)的轉(zhuǎn)換

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至300～330 MW時(shí)，機(jī)組處于“干態(tài)”“濕態(tài)”邊緣，若需要長(zhǎng)時(shí)間維持此負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，宜維持機(jī)組在“濕態(tài)”運(yùn)行，盡量避免在“干”“濕態(tài)”間頻繁轉(zhuǎn)換，造成不穩(wěn)定工況。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開展1 000 MW機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行研究，分析了鍋爐、汽機(jī)、電氣、環(huán)保等方面存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，提出了相應(yīng)運(yùn)行控制策略，在實(shí)際應(yīng)用中取得較好成效。然而，隨著新能源占比持續(xù)提升，1 000 MW機(jī)組仍需開展靈活性改造，才能更好地適應(yīng)未來(lái)的電力發(fā)展和形式。

參考文獻(xiàn)

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