1 030 MW超超臨界機(jī)組深度調(diào)峰特性試驗(yàn)研究

張緒輝，趙中華，崔福興，高 嵩，段傳俊

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等大規(guī)模接入電網(wǎng)尤其是分布式光伏發(fā)電激增，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差不斷增大，電網(wǎng)調(diào)峰難題日益凸顯，并網(wǎng)火電機(jī)組調(diào)峰愈加頻繁［1-2］。由于火電機(jī)組參與調(diào)峰偏離機(jī)組最佳運(yùn)行方式，且工況變化頻繁，機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性顯著下降。王凱［3］詳細(xì)分析了鍋爐方面的主要因素如燃燒穩(wěn)定性、水循環(huán)的安全性和鍋爐輔機(jī)對(duì)調(diào)峰裕度的影響。謝俊等［4］分析影響火電機(jī)組調(diào)峰能力的重要因素，通過仿真分析驗(yàn)證機(jī)組調(diào)峰價(jià)值量化方法和調(diào)峰費(fèi)用補(bǔ)償方法的有效性。王朝陽等［5］通過水燃比控制策略優(yōu)化提升超臨界燃煤電廠調(diào)峰運(yùn)行能力。

為提升調(diào)峰能力，更好地適應(yīng)調(diào)峰輔助服務(wù)的需求，不同容量、不同類型的火電機(jī)組采用靈活性改造和優(yōu)化運(yùn)行等方式改善調(diào)峰性能［6］。同時(shí)，已有相關(guān)研究開展調(diào)峰能力試驗(yàn)或歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行提升調(diào)峰能力［7-8］。雷霖等［9］通過對(duì)某超臨界600 MW 機(jī)組鍋爐不同煤種下的機(jī)組調(diào)峰特性開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究入爐煤質(zhì)的變化對(duì)機(jī)組調(diào)峰的深度、幅度、速度等的影響。劉輝等［10］對(duì)爐膛火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，研究主要運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)燃燒器噴口溫度場(chǎng)分布的影響，指導(dǎo)開展深度調(diào)峰下的精細(xì)化燃燒調(diào)整試驗(yàn)。

針對(duì)某1 030 MW 超超臨界機(jī)組開展高效低氮燃燒器改造、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造、一二次風(fēng)系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化等鍋爐燃燒設(shè)備及風(fēng)煙流場(chǎng)優(yōu)化改造。為研究機(jī)組的調(diào)峰性能及調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性，對(duì)機(jī)組的調(diào)峰速率、鍋爐穩(wěn)燃、水冷壁等受熱面壁面溫度以及調(diào)峰煤耗進(jìn)行了分析和研究。

1 機(jī)組概況及試驗(yàn)過程

1.1 設(shè)備概況

鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，設(shè)有兩臺(tái)50%容量的動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)提供一次熱、冷風(fēng)輸送煤粉。噴燃器采用油槍與煤粉燃燒器一體的旋流筒體式結(jié)構(gòu)，分三層前后墻對(duì)沖布置。每臺(tái)鍋爐配有6 臺(tái)雙進(jìn)雙出、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼球磨。鍋爐蒸汽溫度調(diào)節(jié)方式為：過熱蒸汽采用燃料∕給水比和兩級(jí)噴水減溫；再熱蒸汽利用鍋爐尾部煙道出口煙氣擋板來調(diào)整汽溫。鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，煤質(zhì)特性分析見表2。表1 中BMCR 為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating）。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 煤質(zhì)特性分析

為提升鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行條件下的穩(wěn)燃能力，對(duì)一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)、中心風(fēng)、冷卻進(jìn)行優(yōu)化，保證煤粉氣流在離開燃燒器噴口后能夠迅速及時(shí)著火、穩(wěn)定燃燒，獲得最佳燃燒工況。在流場(chǎng)優(yōu)化方面，對(duì)一次風(fēng)風(fēng)速測(cè)量裝置相關(guān)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)二次風(fēng)通過在風(fēng)箱內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)流板等優(yōu)化措施，優(yōu)化管網(wǎng)阻力特性，保證前后墻風(fēng)箱風(fēng)量、上中下層風(fēng)道風(fēng)量、單只燃燒器分配風(fēng)量趨向均勻，優(yōu)化措施可實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷工況下二次風(fēng)箱內(nèi)部流場(chǎng)均勻性有效提升。

1.2 試驗(yàn)過程

在515 MW 和350 MW 負(fù)荷下，研究爐膛負(fù)壓、脫硝溫度、過熱器再熱器管壁溫度以及煤耗等指標(biāo)的影響，從而分析機(jī)組的調(diào)峰特性以及調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性。在試驗(yàn)過程中，負(fù)荷變化過程如圖1所示。

圖1 機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 負(fù)荷變化速率

機(jī)組在調(diào)峰運(yùn)行期間的升降負(fù)荷變化速率如圖2所示。

由圖2可以看到，機(jī)組在由636 MW降至515 MW時(shí)的負(fù)荷變化率較大，為3.12 MW∕min，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷在額定容量的50%以上，按照自動(dòng)發(fā)電控制運(yùn)行，根據(jù)機(jī)組集控運(yùn)行規(guī)程，此時(shí)機(jī)組設(shè)定負(fù)荷變化率不高于12 MW∕min。機(jī)組由503 MW 降至401 MW 的負(fù)荷變化率為2.54 MW∕min，此時(shí)磨煤機(jī)停運(yùn)一臺(tái)，由于運(yùn)行到50%以下，機(jī)組負(fù)荷變化速率明顯降低。機(jī)組由401 MW 降至350 MW 時(shí)，負(fù)荷變化率明顯降低，為0.67 MW∕min，此時(shí)機(jī)組處于深度調(diào)峰狀態(tài)，為了保證鍋爐穩(wěn)燃以及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行人員以較低的負(fù)荷變化率運(yùn)行。

圖2 機(jī)組負(fù)荷變化速率

火電機(jī)組調(diào)峰經(jīng)常出現(xiàn)在用電負(fù)荷快速下降且新能源出力快速增長的階段，此時(shí)要求機(jī)組具有較大的調(diào)峰速率滿足電網(wǎng)的電力平衡需求，雖然1 030 MW機(jī)組能夠在深度調(diào)峰狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，但考慮到電網(wǎng)調(diào)節(jié)速率方面的需求，仍然在調(diào)峰特性方面較差。對(duì)比機(jī)組集控運(yùn)行規(guī)程，機(jī)組在停機(jī)過程中，能夠在50%額定容量降至30%額定容量時(shí)維持15 MW∕min的變化速率，但機(jī)組在此次深度調(diào)峰（503 MW 降至350 MW）試驗(yàn)中的負(fù)荷變化速率明顯低于15 MW∕min，這主要是為了滿足機(jī)組安全穩(wěn)定的需要，且運(yùn)行人員缺乏深度調(diào)峰的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于調(diào)峰速率的要求。

2.2 鍋爐穩(wěn)燃性能

鍋爐穩(wěn)燃是火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行中的重要問題，由于低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)爐膛溫度降低，微小的擾動(dòng)有可能引發(fā)鍋爐滅火，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患［11］。機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓能夠及時(shí)反映穩(wěn)燃性能，之后火檢信號(hào)和火焰監(jiān)視圖像發(fā)生變化，在實(shí)際運(yùn)行過程中，爐膛負(fù)壓是監(jiān)測(cè)爐內(nèi)燃燒狀況的重要參數(shù)。當(dāng)鍋爐穩(wěn)燃性能受到影響時(shí)，根據(jù)爐膛負(fù)壓的波動(dòng)范圍與波動(dòng)率能夠進(jìn)行判斷，因此在本試驗(yàn)中利用爐膛負(fù)壓來表征鍋爐燃燒穩(wěn)定性。

不同機(jī)組負(fù)荷下的鍋爐爐膛負(fù)壓如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著負(fù)荷降低，爐膛負(fù)壓的波動(dòng)范圍明顯增大。

圖3 機(jī)組調(diào)峰對(duì)爐膛負(fù)壓的影響

在1 030 MW、515 MW、350 MW 三個(gè)負(fù)荷下，鍋爐爐膛負(fù)壓的平均值分別為-102.18 Pa、-103.01 Pa、-105.15 Pa。鍋爐正常運(yùn)行過程中應(yīng)將爐膛負(fù)壓維持在-100 Pa，三個(gè)負(fù)荷下爐膛負(fù)壓不斷減小，但基本維持在正常的爐膛負(fù)壓。

爐膛負(fù)壓的波動(dòng)率計(jì)算采用以下公式：

式中：Pi為第i個(gè)爐膛負(fù)壓取值；Pˉ為爐膛負(fù)壓平均值；n為爐膛負(fù)壓取數(shù)個(gè)數(shù)；σ反映爐膛壓力的波動(dòng)幅度。

按照式（1）對(duì)三個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下1 h內(nèi)的爐膛負(fù)壓波動(dòng)率進(jìn)行計(jì)算，分別為13.31 Pa、14.39 Pa、21.70 Pa，隨著負(fù)荷降低，爐膛負(fù)壓波動(dòng)率增大，特別是機(jī)組降至350 MW 運(yùn)行時(shí)，波動(dòng)率明顯增大，表明鍋爐穩(wěn)燃能力呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在低負(fù)荷時(shí)，爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性會(huì)受到影響，此時(shí)爐膛平均煙溫顯著下降，煤粉氣流著火變差，對(duì)于燃用煤質(zhì)、風(fēng)粉協(xié)調(diào)以及運(yùn)行人員操作提出更高要求。

2.3 受熱面壁溫

火電機(jī)組長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行以及頻繁變負(fù)荷運(yùn)行，水冷壁、過熱器、再熱器等受熱面由于燃燒狀況不穩(wěn)定及工質(zhì)流動(dòng)變化等原因容易引發(fā)受熱面壁溫大幅度波動(dòng)，甚至超溫爆管。

鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器不同管段的壁面溫度與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系如圖4所示。

從圖4（a）中可以看出，右側(cè)上部、右側(cè)螺旋等水冷壁管段隨著負(fù)荷的降低而降低，但前墻上部水冷壁等部分水冷壁管段溫度隨著負(fù)荷降低而增大，尤其是在變負(fù)荷階段，水冷壁壁溫呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)。由于機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水動(dòng)力特性與爐內(nèi)燃燒狀況不穩(wěn)定，水冷壁部分管段容易出現(xiàn)超溫，在變負(fù)荷階段，風(fēng)量、煤量、水量都要進(jìn)行調(diào)節(jié)，若調(diào)整配合不佳會(huì)加劇部分水冷壁運(yùn)行工況的惡化，引起壁溫大幅度波動(dòng)。

圖4 鍋爐受熱面壁溫

從圖4（b）中可以看出，高溫過熱器左側(cè)壁溫與右側(cè)壁溫隨機(jī)組負(fù)荷的降低而減小，但低溫過熱器壁溫在低負(fù)荷時(shí)略有增大。從圖4（c）中可以看出，高溫再熱器左側(cè)壁溫與右側(cè)壁溫隨著負(fù)荷的降低而降低，但低溫再熱器壁溫測(cè)點(diǎn)隨負(fù)荷降低呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易因?yàn)槲鼰岵痪葐栴}發(fā)生超溫，而且在低負(fù)荷下水動(dòng)力穩(wěn)定性較差，熱偏差也較大，特別是在變負(fù)荷階段風(fēng)量等要協(xié)調(diào)調(diào)整。

2.4 脫硝溫度

火電機(jī)組參與調(diào)峰必須滿足環(huán)保排放指標(biāo)，因此，機(jī)組環(huán)保特性也是機(jī)組參與調(diào)峰輔助服務(wù)的重要影響因素，而機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行中NOx控制是較為常見的問題。SCR 反應(yīng)器的反應(yīng)效率一般存在最佳的溫度點(diǎn)，當(dāng)溫度低于最佳煙溫時(shí)，效率降低。而且當(dāng)脫硝系統(tǒng)溫度低于硫酸氫銨析出溫度時(shí)，會(huì)有大量的硫酸氫銨形成，SCR 反應(yīng)器處在煙塵濃度較高的環(huán)境，大量的灰裹挾進(jìn)來，黏附在催化劑表面。SCR 反應(yīng)器的脫硝效率降低，導(dǎo)致催化劑活性降低，還可能會(huì)黏附在空氣預(yù)熱器等換熱元件上，加劇設(shè)備的腐蝕和堵灰。

圖5 為機(jī)組在24 h 內(nèi)不同負(fù)荷下的脫硝溫度平均值比較情況，從圖5 中可以看出，隨著負(fù)荷的降低，脫硝裝置煙氣溫度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐內(nèi)的溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，煙氣溫度變化主要由燃料消耗量來決定，燃料消耗量減少，煙氣溫度降低。因此，當(dāng)火電機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，脫硝系統(tǒng)的煙氣溫度一般會(huì)降低，出現(xiàn)了全負(fù)荷脫硝等技術(shù)來優(yōu)化機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行。

圖5 不同負(fù)荷下的脫硝煙氣溫度

圖6 為試驗(yàn)期間脫硝裝置煙氣溫度與負(fù)荷的關(guān)系。從圖中可以看出，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在350 MW 時(shí)，脫硝溫度較低。根據(jù)該機(jī)組運(yùn)行規(guī)程，脫硝入口煙溫低于315 ℃時(shí)脫硝退出。機(jī)組在350 MW 下已接近315 ℃。但也可以看出，煙氣溫度在變負(fù)荷階段波動(dòng)劇烈，可能與燃燒工況與運(yùn)行調(diào)整不穩(wěn)定有關(guān)，應(yīng)在運(yùn)行過程中嚴(yán)密監(jiān)視煙氣溫度等狀況，及時(shí)做出有效調(diào)整，防止煙氣溫度過低或兩側(cè)煙氣偏差較大，導(dǎo)致脫硝自動(dòng)退出。

圖6 脫硝煙氣溫度與負(fù)荷的關(guān)系

2.5 調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性

煤耗是衡量燃煤電廠經(jīng)濟(jì)性中最具代表的指標(biāo)，火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行以及變負(fù)荷運(yùn)行都會(huì)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性造成影響，也是機(jī)組參與輔助服務(wù)報(bào)價(jià)的重要參考要素。機(jī)組不同負(fù)荷下的煤耗如圖7 所示。由于機(jī)組發(fā)電煤耗計(jì)算較為復(fù)雜，本文中應(yīng)用機(jī)組總給煤量∕發(fā)電量的方法進(jìn)行估算。

圖7 不同負(fù)荷下的機(jī)組煤耗

得出1 030 MW、515M W、350 MW 三個(gè)負(fù)荷下的標(biāo)煤煤耗分別為292.148 7 g∕kWh、304.291 8 g∕kWh、333.578 1 g∕kWh。隨著機(jī)組負(fù)荷降低，可以看出機(jī)組標(biāo)煤煤耗呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，特別是當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在350 MW深度調(diào)峰期間，機(jī)組煤耗增大幅度更加顯著。機(jī)組在1 030 MW 下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組廠用電率、汽機(jī)熱耗等指標(biāo)較好，機(jī)組煤耗較好，但當(dāng)機(jī)組在深度調(diào)峰下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值，機(jī)組煤耗較大。

3 結(jié)語

火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷變化速率明顯降低，尤其是在深度調(diào)峰期間，調(diào)峰速率很難滿足電網(wǎng)快速調(diào)峰需求。

鍋爐在低負(fù)荷下爐膛負(fù)壓波動(dòng)較大，燃燒穩(wěn)定性變差，水冷壁、過熱器、再熱器等受熱面均存在部分管段在低負(fù)荷下壁溫更高的情況，存在超溫爆管的運(yùn)行危險(xiǎn)。脫硝裝置在機(jī)組350 MW 負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)已接近脫硝自動(dòng)退出溫度。

機(jī)組煤耗隨著負(fù)荷降低增大，尤其是在深度調(diào)峰期間，增大幅度更加顯著，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低，頻繁調(diào)峰的機(jī)組應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，優(yōu)化廠用電率等指標(biāo)，提升調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性。