電力現(xiàn)貨模式下鍋爐低負荷燃燒問題及應(yīng)對策略

武 韜

（國能榆次熱電有限公司）

0 引言

山西是我國確定的首批電力現(xiàn)貨市場的八個之一。作為建設(shè)試點，目前已經(jīng)構(gòu)建了集中式的電力現(xiàn)貨交易市場，搭建起了中長期＋現(xiàn)貨交易＋輔助服務(wù)的電力交易市場模式，山西電力調(diào)度中心負責(zé)實施，采用“分別報價，分別出清”的模式參與［1］。

自2020年下半年開始，國際煤價持續(xù)上漲，極端天氣不停發(fā)力，恰逢國內(nèi)電網(wǎng)檢修密集，在這樣的條件下首次完成了季度結(jié)算試運，并在充分評估的基礎(chǔ)上制定保障措施，預(yù)控中長期運行風(fēng)險，率先啟動了雙邊現(xiàn)貨，并進行了不間斷運行。隨著國家十四五戰(zhàn)略及碳中和碳達峰目標(biāo)的提及，我國能源發(fā)展迫切需要上一個新的臺階，如何高效的利用能源，減少能源損耗，一直是擺在電力人面前的永久課題［2］。因供給受限、庫存低位、運行需求急劇攀升等多重因素疊加，全球能源危機警報驟然拉響［3］。

隨著2023年疫情的悄然結(jié)束，國民經(jīng)濟迅速回升，生產(chǎn)用電峰谷差會越來越大，經(jīng)濟需求迫切需要機組進行調(diào)峰運行，使得燃煤鍋爐在低負荷時不投油、穩(wěn)定燃燒的問題日益突出。就火電廠高、低峰的問題，根據(jù)實際經(jīng)驗得出，當(dāng)鍋爐處在低負荷運行時，對鍋爐內(nèi)燃燒狀況及鍋爐設(shè)備損耗、人員調(diào)整影響比較大，稍有疏忽就會導(dǎo)致機組非停事件發(fā)生，將對電網(wǎng)和電廠造成可觀損失［4］。

1 某公司鍋爐系統(tǒng)介紹

某公司1、2號鍋爐為國內(nèi)某公司所產(chǎn)DG1164／17.5－Ⅱ12亞臨界自然循環(huán)爐，一次中間再熱機組、正壓直吹一次風(fēng)制粉、四角切圓燃燒系統(tǒng)的固態(tài)排渣煤粉爐，鍋爐設(shè)計煤種見表1。

表1 設(shè)計煤種的基本成分

該型鍋爐配330MW 汽輪發(fā)電機組，設(shè)計為既可帶基本負荷，也可用于變負荷調(diào)峰。燃用設(shè)計煤種時，其不投油最低穩(wěn)燃負荷設(shè)計不大于50%B-MCR。鍋爐實際參數(shù)見表2。

表2 鍋爐設(shè)計基本參數(shù)

為了適應(yīng)我國火電廠氮氧化物排放限值新的標(biāo)準(zhǔn)，1、2號爐分別于2012年9月和2013年5月進行了低氮燃燒器改造，采用國內(nèi)某公司的垂直濃淡燃燒器。為了適應(yīng)入爐煤種的變化需要，兩臺爐燃燒器分別于2018年6月、2020年9月再次進行改造。

燃燒設(shè)備A、B、C三臺磨煤機，燃燒器為四角布置，切向燃燒。燃燒器上一次風(fēng)噴口中心到屏底距離為21.154m，下一次風(fēng)噴口中心到冷灰斗拐點距離為4.017m。每角燃燒器共布置17層噴口，包括有6層一次風(fēng)噴口 （最下面一層為少油點火煤粉燃燒器），7層二次風(fēng)噴口（其中BC、DE層布置有燃油裝置），4層單獨布置的頂二次風(fēng)（SOFA）噴口。A層一次風(fēng)噴口采用中心濃淡燃燒器，B、C、D、E、F層一次風(fēng)噴口采用水平濃淡分離、中間帶穩(wěn)燃鈍體的燃燒器。全部燃燒器采用整體上下擺動機構(gòu)，一次風(fēng)噴口在水平位置±20°范圍擺動，二次風(fēng)噴口在水平位置±30°范圍擺動。一次風(fēng)噴口四周布置有偏置周界風(fēng)。燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為42.5°和47.5°，在爐膛中心形成逆時針旋向的假想切圓，切圓直徑790mm。

2 現(xiàn)鍋爐存在問題及分析

（1）低負荷（115MW）期間，主、再熱汽溫可達520℃以上，但不容易維持；

（2）大屏過熱器壁溫偏高，壁溫最高491℃，很可能已經(jīng)發(fā)生局部超溫；

（3）部分火檢探頭可能因積灰、負荷較低、爐膛燃燒較差等原因，存在閃爍不穩(wěn)情況；

（4）低負荷期間，鍋爐渣量較大，干排機、碎渣機，使用負荷較重。

由于正常運行中入爐煤不能保證設(shè)計煤種，入爐煤煤質(zhì)偏離設(shè)計煤種很多，含灰量較大，給鍋爐的正常安全運行，尤其是低負荷的穩(wěn)定運行構(gòu)成很大威脅。通過我們對強化燃燒問題的探討，從運行角度系統(tǒng)分析了影響穩(wěn)定燃燒的各種不利因素，并對涉及燃燒系統(tǒng)的有關(guān)運行方式進行了優(yōu)化，使鍋爐的穩(wěn)燃能力和抗干擾能力大大提高。

3 經(jīng)試驗調(diào)整采用的各種穩(wěn)燃及提高機組參數(shù)的措施

3.1 現(xiàn)貨模式下總風(fēng)量控制

鍋爐的總風(fēng)量是根據(jù)機組主汽流量并經(jīng)氧量修正產(chǎn)生，因此在負荷降低的情況下，鍋爐燃燒需要的總風(fēng)量也隨之降低，但排煙熱損失會相對增大，供電煤耗率上升，總風(fēng)量的變化也造成爐內(nèi)平均溫度的變化，燃燒反應(yīng)速度相應(yīng)也會產(chǎn)生變化，有可能不利于鍋爐進行低負荷的燃燒穩(wěn)定。為此運行人員應(yīng)及時加強對總風(fēng)量的控制手段，比如在總風(fēng)量處設(shè)置風(fēng)量偏置，根據(jù)爐內(nèi)實際燃燒情況進行風(fēng)量偏置設(shè)定，穩(wěn)定著火和強化燃燒。

3.2 在低負荷階段，盡量減少制粉系統(tǒng)的運行層數(shù)

鍋爐燃用低揮發(fā)份的煤種，為了保證煤粉的燃盡率，設(shè)計的制粉系統(tǒng)煤粉細度均偏小，不可避免的造成了一次風(fēng)粉濃度偏大，實踐證明鍋爐低負荷時對制粉系統(tǒng)運行層數(shù)減少，減少了進入爐膛的一次風(fēng)量，由于需要加熱的風(fēng)量減少，可以使整個爐膛的截面熱負荷增加，爐膛溫度提高，有利于一次風(fēng)燃燒器著火，強化了鍋爐的穩(wěn)燃性能，200MW 負荷以下保持兩臺磨煤機運行，運行磨煤機臺數(shù)的減少可有效增加磨煤機的進煤量，進而提高主燃燒區(qū)域的溫度水平，從而使火焰集中，溫度提高。燃燒溫度的提高，又促進燃燒反應(yīng)的正向偏移，增加火焰的穩(wěn)定性和火焰的強度。

3.3 優(yōu)化燃燒器運行方式，進一步提高鍋爐的斷面熱負荷

由圖所示。原先燃燒器共6層分為兩組，即下三層（A、B、C層燃燒器為一組），上三層（D、E、F層燃燒器為一組）。A、B、C層燃燒器之間僅有一層二次風(fēng)間隔，而兩組燃燒器之間即ABC、DEF層之間則間隔CC層、DD層二次風(fēng)，相距較遠，因此在低負荷運行時，應(yīng)以下3層運行為最佳運行方式。經(jīng)過改造后6層燃燒器連續(xù)起來，燃燒器區(qū)域的斷面熱負荷及火焰燃燒溫度均得到大幅提高，有利于底火的著火和火焰的傳播，增強著火的穩(wěn)定性。同時，底層火焰良好的燃燒狀態(tài)又促進了上層煤粉的著火和穩(wěn)燃。

圖 燃燒器布置示意圖

3.4 降低一次風(fēng)率減少著火熱量

由于鍋爐內(nèi)煤粉氣流著火需要一定的著火熱和預(yù)熱熱，而煤粉的著火熱正比與一次風(fēng)量。因此通過適當(dāng)降低一次風(fēng)壓，降低一次風(fēng)量，從而降低爐膛內(nèi)著火需要的熱量，促使煤粉氣流提前著火，同時由于一次風(fēng)率的降低，一次風(fēng)機的電耗也將下降，但是不同煤質(zhì)和不同的燃燒器都存在一個最佳的著火濃度，而且揮發(fā)份含量較低的煤種，最佳著火濃度往往偏高。因此，煤粉濃度在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高，對煤粉氣流的著火燃燒也是有利的。但一次風(fēng)率的降低不能以一次風(fēng)管有堵管風(fēng)險為代價。一次風(fēng)壓應(yīng)根據(jù)不同煤質(zhì)和不同一次風(fēng)燃燒器著火距離及火焰穩(wěn)定性的強度變化來確定，可以通過實驗的方法進行爐膛四角切圓風(fēng)壓測試，保證燃燒的穩(wěn)定。

3.5 優(yōu)化配風(fēng)方式

3.5.1 優(yōu)化二次風(fēng)的調(diào)整

鍋爐壁溫超溫時限是鍋爐的一項重要指標(biāo)，當(dāng)實際壁溫超過鋼材最高使用溫度時，金屬的機械性能、金相組織就要發(fā)生變化，蠕變速度加快，最后導(dǎo)致管道破裂，機組被迫停運。自2020年3月份電力現(xiàn)貨開始申報以來，長期的低峰運行使得該公司1號爐大屏過熱器第4點金屬壁溫高，該點壁溫較其他測點高30℃左右，并且大屏過熱器出口左、右側(cè)汽溫偏差較大，一般在25～50℃。大屏過熱器極易發(fā)生超溫，威脅機組安全穩(wěn)定運行。為了控制壁溫超溫，大量使用一級減溫水，甚至采用節(jié)流給水主閥的非常規(guī)手段控制壁溫，導(dǎo)致主汽溫度偏低，給水泵耗電率升高，對機組運行經(jīng)濟性造成較大影響。另一方面，為控制大屏過熱器壁溫超限，致使1號機組負荷調(diào)節(jié)性能下降，甚至被迫退出電力現(xiàn)貨模式運行。電科院針對此問題進行過多次調(diào)整，始終未能達到預(yù)期效果。

該公司創(chuàng)新鍋爐燃燒調(diào)整方法，采用頂部二次風(fēng)擺角調(diào)整及優(yōu)化底部二次風(fēng)風(fēng)門大小的方式優(yōu)化了爐膛空氣動力場，使受熱面熱偏差恢復(fù)至合理水平，壁溫超溫的問題得到基本解決。爐大屏出口汽溫偏差成功控制在20℃以內(nèi)，解決了爐壁溫超溫的問題，提高了主汽溫度，保證了一號機組在投入電力現(xiàn)貨模式時的調(diào)節(jié)性能。

3.5.2 保持合理的爐膛壓差

保持合理的爐膛差壓，二次風(fēng)壓與爐膛負壓處在一個合理的水平，也就保證進入爐膛內(nèi)燃燒的二次風(fēng)量與風(fēng)速，能夠有效和一次風(fēng)進行卷吸，增加煤粉、空氣、煙氣活躍的強度，大大增強火焰的旋轉(zhuǎn)，一方面提高了爐膛燃燒的穩(wěn)定性，使?fàn)t膛火焰充滿度達到極佳，同時也為爐膛內(nèi)的受熱面營造一個良好的空間，使得鍋爐大屏過熱器左、右汽溫偏差減小，降低了減溫水量，提高了鍋爐的效率。

4 結(jié)束語

由于對鍋爐運行方式進行了大幅度優(yōu)化，采取了強化和穩(wěn)燃的措施，技術(shù)上得到保障，使鍋爐在低負荷階段的穩(wěn)定性和火焰剛性能力大大增加。在進入廠內(nèi)的煤種和煤質(zhì)多變的情況下，空氣干燥基灰份超過40%的情況下，仍能達到60%MCR的深度調(diào)峰能力，為進一步提高機組調(diào)節(jié)性能，迎接電力現(xiàn)貨模式下深度調(diào)峰的加、減負荷打下了良好的基礎(chǔ)。