600 MW機組燃煤鍋爐30%深度調(diào)峰下現(xiàn)場試驗研究

閆超，李德波，廖偉輝，陳兆立，闕正斌，陳智豪，闞偉民，余馮堅，陳錦攀

(1.廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；3. 南方電網(wǎng)廣東肇慶供電局，廣東 肇慶 526060；4.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；5.廣東省節(jié)能中心，廣東 廣州 510030；6.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

為實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國進一步推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進程，以風(fēng)能和太陽能等為代表的新能源行業(yè)正蓬勃發(fā)展。新能源發(fā)電機組裝機容量的不斷增加，對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)提出更高且更靈活的消納要求[1-2]。目前，燃煤發(fā)電仍是我國的主要發(fā)電方式，在解決新能源發(fā)電并網(wǎng)的消納難題中，可以調(diào)節(jié)鍋爐運行負荷，實現(xiàn)深度調(diào)峰的重要作用[3]。

然而，現(xiàn)役燃煤鍋爐在設(shè)計階段均未考慮長期進行深度調(diào)峰，因此鍋爐低負荷穩(wěn)燃成為當(dāng)下的熱門研究課題，眾多學(xué)者已采用不同方法開展研究分析[1，3-5]。燃煤鍋爐低負荷運行方案較多，都需要進一步優(yōu)化完善[6-9]。文獻[6]針對超超臨界循環(huán)流化鍋爐機組，開展技術(shù)可行性研究并明確方案，預(yù)測其深度調(diào)峰能力；文獻[9]則設(shè)計了一種鍋爐低負荷安全運行控制系統(tǒng)，為燃燒安全問題提供完整的解決方案。采用計算流體力學(xué)模擬軟件等工具，可以對低負荷運行燃燒等過程進行數(shù)值模擬[10-13]，進而研究相關(guān)變化規(guī)律。文獻[10]采用Ansys Fluent軟件，研究超低負荷、不同運行氧量工況下某300 MW機組切圓燃燒鍋爐爐膛溫度、氧量、CO和NOx的分布規(guī)律，分析其對燃燒穩(wěn)定性和NOx排放特性的影響。而與數(shù)值模擬研究相比，試驗研究手段與實際運行情況更加接近，能得到更準(zhǔn)確的結(jié)論[14-18]。文獻[14]針對某電廠630 MW機組進行深度調(diào)峰研究并試驗，實現(xiàn)了30%額定負荷下機組干態(tài)運行，且自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)加減負荷速率可達到10 MW/min；文獻[15]分析了1 000 MW機組鍋爐負荷變化對飛灰特性的影響，研究不同影響因素下飛灰特性變化的規(guī)律；文獻[16-17]主要進行了循環(huán)流化床鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵技術(shù)研究，提出流化床鍋爐深度調(diào)峰改造關(guān)鍵技術(shù)。文獻[19-20]主要進行了汽輪機滑壓運行下的經(jīng)濟性影響分析，為深度調(diào)峰下開展汽輪機優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)。

煤粉鍋爐調(diào)峰的主要制約因素包括鍋爐低負荷燃燒穩(wěn)定性，水動力安全性，受熱面安全性，主蒸汽、再熱蒸汽溫度失調(diào)，全負荷脫硝，以及大型厚壁部件安全可靠性。煤質(zhì)條件對煤粉鍋爐深度調(diào)峰可行性影響較大。通過改造，鍋爐輔機(如磨煤機，三大風(fēng)機，脫硝、脫硫等輔助系統(tǒng))基本可以適應(yīng)低負荷運行要求，空氣預(yù)熱器(以下簡稱“空預(yù)器”)低溫腐蝕，鍋爐尾部受熱面腐蝕、積灰，鍋爐水平煙道積灰等問題也得以解決。對于磨煤系統(tǒng)，應(yīng)合理選擇磨煤機臺數(shù)、出力，優(yōu)化其配置，使低負荷運行的磨煤機最小出力滿足機組低負荷運行的要求，提升低負荷運行情況下制粉系統(tǒng)的運行可靠性；風(fēng)機系統(tǒng)主要問題是避免風(fēng)機低負荷運行落入喘振區(qū)；對于脫硝系統(tǒng)，需要采用設(shè)置省煤器分級、省煤器給水旁路、煙氣旁路、爐水循環(huán)泵，增加零號高壓加熱器，優(yōu)化噴氨等措施，保證低負荷脫硝入口的溫度，從而保證脫硝系統(tǒng)運行和排放滿足環(huán)保要求。

綜上所述，調(diào)控燃煤鍋爐在低負荷條件下運行，實現(xiàn)深度調(diào)峰功能，是火電機組未來的重要發(fā)展方向之一。為此，在課題組相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[18-20]，基于廣東省內(nèi)某600 MW機組燃煤鍋爐，開展低負荷穩(wěn)燃試驗研究，通過整理試驗數(shù)據(jù)分析低負荷運行規(guī)律，可為機組深度調(diào)峰提供依據(jù)，為燃煤鍋爐低負荷運行控制提供參考。

1 現(xiàn)場低負荷試驗設(shè)置

在對機組現(xiàn)有分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)進行校驗后，根據(jù)此系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)開展試驗研究。

試驗的前期開展工作如下：

a)煤粉細度優(yōu)化調(diào)整。通過對深度調(diào)峰模式下鍋爐側(cè)開展相關(guān)試驗及性能計算，給出合理的煤粉細度，用以指導(dǎo)制粉系統(tǒng)的運行及控制調(diào)整，在確保設(shè)備運行可靠性的前提下進一步提升鍋爐效率。

b)一次風(fēng)煤比曲線以及風(fēng)速優(yōu)化。低負荷時，因燃料量減少，一次風(fēng)量及風(fēng)速必然減少，通過試驗得出此時合理的風(fēng)量及風(fēng)速，一方面可以保證燃燒系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，另一方面，合理降低一次風(fēng)機的出力，可進一步提升此時機組運行經(jīng)濟性。

c)磨煤機出口溫度設(shè)定值優(yōu)化。通過試驗及數(shù)值分析，給出更加適合低負荷運行下的磨煤機出口溫度設(shè)定值。

總而言之，作為一個理學(xué)家，董玘雖未能開辟新境，但也無凌虛蹈空之論，而力求平實妥帖，不為異說以惑世。因此，綜上所述，筆者認為董玘是一個雖然有點固執(zhí)木訥但卻是堅持原則的純粹而不駁雜的儒者。

試驗開始后，燃煤機組采用滑參數(shù)方式降負荷，從80%額定負荷(480 MW)降至30%額定負荷(180 MW)，穩(wěn)定運行2 h完成試驗后停機。該機組深度調(diào)峰過程的參數(shù)調(diào)整方式滿足降低系統(tǒng)熱沖擊的需要。在30%額定負荷時，磨煤機總處理煤量減少，因此僅需運行3臺磨煤機(原設(shè)置有6臺)，現(xiàn)場試驗中保留A、C、F 3臺磨煤機運行，保持負荷穩(wěn)定運行2 h，全程無投油助燃。試驗期間煤質(zhì)見表1。

表1 試驗期間煤質(zhì)Tab.1 Coal quality in the test

試驗期間機組狀況為：機組負荷均值為180.5 MW；鍋爐汽水系統(tǒng)各項參數(shù)正常，主蒸汽流量均值為570.2 t/h(為鍋爐最大連續(xù)出力的29.2%)，主蒸汽壓力均值為8.62 MPa；鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)各項參數(shù)正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負壓波動在正常范圍，總煤量均值為94.3t/h，相應(yīng)的所需總風(fēng)量降至原本的52.296%；煙溫偏差較小，六大風(fēng)機及輔機運行正常；機組環(huán)保參數(shù)無超標(biāo)，各污染物排放指標(biāo)符合環(huán)保要求，其中SO2排放質(zhì)量濃度均值為12.90 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)，NOx排放質(zhì)量濃度均值為19.59 mg/m3，粉塵排放質(zhì)量濃度均值為2.07 mg/m3；鍋爐各受熱面無超溫現(xiàn)象，主要參數(shù)未發(fā)生異常報警。

2 現(xiàn)有DCS測量裝置校驗

與滿負荷狀態(tài)相比，鍋爐在低負荷狀態(tài)下運行時，溫度、壓力和煙氣流量等運行參數(shù)會發(fā)生明顯變化?，F(xiàn)有DCS測量裝置是基于滿負荷狀態(tài)設(shè)置的，因此在低負荷狀態(tài)下有必要對其進行校驗。本研究重點針對空預(yù)器相關(guān)參數(shù)進行測量和調(diào)控。

2.1 空預(yù)器排煙溫度

試驗期間，將實測空預(yù)器排煙溫度與DCS數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表2。

表2 180 MW工況下空預(yù)器排煙溫度校驗Tab.2 Verification of exhaust gas temperature air preheater in 180 MW condition ℃

由表2可知，相較于現(xiàn)場采用網(wǎng)格法測量的結(jié)果，空預(yù)器排煙溫度的DCS顯示值，在A側(cè)平均偏高3.47℃，在B側(cè)平均偏低5.16℃，兩者存在一定的偏差。分析認為主要原因是DCS測點代表性不足，建議電廠熱工人員校核排煙溫度測量儀表，保證DCS測量代表性。

進一步研究空預(yù)器排煙溫度的分布規(guī)律，分別得到A側(cè)和B側(cè)的測點溫度沿寬度方向等距分布情況，如圖1所示。分析可知，目前空預(yù)器出口溫度場沿著空預(yù)器寬度方向分布不均勻，有必要根據(jù)實際測量結(jié)果，調(diào)整溫度測點的位置和布置深度，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 180 MW工況下空預(yù)器排煙溫度分布規(guī)律Fig.1 Distribution law of exhaust gas temperature of air preheater in 180 MW condition

2.2 空預(yù)器煙氣側(cè)阻力

空預(yù)器煙氣側(cè)的阻力測試結(jié)果見表3。試驗過程中，機組的A側(cè)空預(yù)器煙氣側(cè)阻力誤差為0.03 kPa，B側(cè)空預(yù)器煙氣側(cè)阻力誤差為0.01 kPa。誤差值均較小，表明A、B側(cè)空預(yù)器DCS顯示的阻力值與實測值比較接近。

表3 180 MW工況下空預(yù)器煙氣側(cè)阻力校驗Tab.3 Verification of flue gas side resistance air preheater in 180 MW condition kPa

2.3 空預(yù)器進口煙氣氧量

試驗期間，將實測空預(yù)器進口煙氣氧量(體積分數(shù))與DCS數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表4。

表4 180 MW工況下空預(yù)器進口煙氣氧量校驗Tab.4 Verification of inlet flue gas oxygen air preheater in 180 MW condition %

由表4可知，兩側(cè)空預(yù)器進口煙氣氧量值存在一定偏差，認為需要根據(jù)現(xiàn)場實際測量結(jié)果，調(diào)整氧量測點的位置和布置深度，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 低負荷運行試驗結(jié)果與分析

根據(jù)機組的DCS裝置顯示值，研究鍋爐低負荷運行時各參數(shù)的變化情況，以研究低負荷運行規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)問題并提出優(yōu)化方案。

3.1 鍋爐熱效率

依據(jù)GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》，進行鍋爐效率計算。具體過程中進行了簡化，將鍋爐散熱直接取設(shè)計值且不考慮其他損失，對外來輸入熱量只考慮進入系統(tǒng)的空氣帶入熱量，得到的主要結(jié)果見表5。

表5 180 MW工況下鍋爐效率測試主要結(jié)果Tab.5 Main results of boiler efficiency testing in 180 MW condition

由表5可知，試驗過程中鍋爐熱效率為90.10%，平均排煙熱損失為9.228%(修正后)，化學(xué)不完全燃燒損失為0.003%，固體不完全燃燒損失為0.429%，灰渣物理熱損失為0.080%(修正后)。

3.2 鍋爐汽水系統(tǒng)

試驗過程中，鍋爐的主給水流量和主蒸汽流量隨負荷的變化情況如圖2所示。

圖2 試驗期間鍋爐汽水系統(tǒng)變化情況Fig.2 Changes in boiler steam water system in the test

由圖2可知，鍋爐低負荷試驗是從80%額定負荷開始，約1 h后降至50%額定負荷(約300 MW)并穩(wěn)定運行約1 h，然后再經(jīng)1 h降至30%額定負荷，最后保持該負荷穩(wěn)定運行2 h。試驗總耗時5 h，主給水流量和主蒸汽流量的變化趨勢基本控制與負荷的變化趨勢一致，整個過程中各參數(shù)正常，鍋爐燃燒穩(wěn)定。

進一步整理機組負荷、汽水系統(tǒng)中各蒸汽的壓力和溫度隨試驗時間的變化情況，如圖3、圖4所示。分析圖3、圖4可知：主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力基本保持相同趨勢，且基本保持穩(wěn)定；主蒸汽溫度能夠保持相對穩(wěn)定；再熱蒸汽溫度在變負荷過程中波動較大，但在30%額定負荷穩(wěn)定運行時，溫度也能保持相對穩(wěn)定。

圖3 汽水系統(tǒng)中蒸汽壓力的變化情況Fig.3 Changes in steam pressure in steam water system

圖4 汽水系統(tǒng)中蒸汽溫度的變化情況Fig.4 Changes in steam temperature in steam water system

3.3 污染物排放情況

在鍋爐降負荷過程中及低負荷穩(wěn)定運行時，煙氣污染物的生成情況會發(fā)生變化，因此有必要檢測其排放情況。在機組煙囪處，檢測粉塵、NOx、SO2的排放情況，分別如圖5—圖7所示。分析可知，3種污染物的排放值與機組負荷無明顯相關(guān)性，這主要是由于試驗過程中煙氣已經(jīng)過現(xiàn)有凈化工藝脫除污染物。盡管鍋爐負荷變化會影響污染物的生成量，但煙氣凈化過程中會不斷調(diào)控污染物含量，后者才是影響污染物排放量的主要因素。整體上，試驗期間機組環(huán)保參數(shù)無超標(biāo)，各污染物排放指標(biāo)符合環(huán)保要求。

圖5 煙囪處粉塵排放情況Fig.5 Dust emission at the chimney

圖6 煙囪處NOx排放情況Fig.6 NOx emission at the chimney

圖7 煙囪處SO2排放情況Fig.7 SO2 emission at the chimney

3.4 風(fēng)機電耗

整理鍋爐在30%額定負荷穩(wěn)定運行中各風(fēng)機的電流和耗功情況，結(jié)果見表6。

表6 180 MW工況下各風(fēng)機耗電情況Tab.6 Power consumption of each fan in 180 MW condition

4 結(jié)論

在廣東某600 MW機組燃煤鍋爐上開展低負荷穩(wěn)燃試驗研究，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：

a)鍋爐采用滑參數(shù)方式，從80%額定負荷(480 MW)降至30%額定負荷(180 MW)然后穩(wěn)定運行的整個過程中，機組現(xiàn)有的各系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)控后基本能正常運行。

b)該600 MW機組燃煤鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)低負荷(30%額定負荷)穩(wěn)定燃燒，此工況下：鍋爐熱效率為90.10%；鍋爐汽水系統(tǒng)各項參數(shù)正常，主蒸汽流量均值為570.2 t/h，主蒸汽壓力均值為8.62 MPa；鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)各項參數(shù)正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負壓波動在正常范圍，總風(fēng)量均值為52.296%，總煤量均值為94.3 t/h；煙溫偏差較小，各風(fēng)機及輔機運行正常。

c)在降負荷過程和低負荷穩(wěn)定運行過程中，機組環(huán)保參數(shù)無超標(biāo)，各污染物排放指標(biāo)符合環(huán)保要求。