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隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，清潔能源加快發(fā)展，局部地區(qū)電網(wǎng)特別是北方地區(qū)電網(wǎng)在冬季采暖期調(diào)峰能力不足，造成新能源消納困難，部分地區(qū)棄風(fēng)、棄光、棄水問題突出。進(jìn)一步挖掘占發(fā)電量主體地位的傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的深度調(diào)峰能力，是當(dāng)前緩解新能源消納困境最便捷、快速和有效的手段。

大型火電機(jī)組，特別是超（超）臨界火電機(jī)組，參與寬負(fù)荷深度調(diào)峰，使得機(jī)組鍋爐及相關(guān)主輔設(shè)備經(jīng)常處于較低負(fù)荷和較大的負(fù)荷變化率條件，同時要求機(jī)組有更低的負(fù)荷限值。這種極低負(fù)荷運(yùn)行需求、大的負(fù)荷變化率，直接影響機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性，可能造成如下問題：1）鍋爐燃燒穩(wěn)定性差，系統(tǒng)運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性降低；2）水冷壁和受熱面煙溫壁溫偏差增大，水動力安全性降低，主、再熱蒸汽溫度不足。

電網(wǎng)調(diào)峰問題已經(jīng)是一個不可忽視的問題，國內(nèi)研究學(xué)者提出通過技術(shù)手段來增強(qiáng)火電機(jī)組的調(diào)峰能力。針對深度調(diào)峰機(jī)組進(jìn)行低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗，摸清機(jī)組的調(diào)峰能力。同時結(jié)合國內(nèi)先進(jìn)的低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)，確定機(jī)組的改造方案，并提出可行的配套方案。對于超臨界機(jī)組而言，一般30%負(fù)荷是干濕態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界點，低于30%額定負(fù)荷鍋爐需進(jìn)入濕態(tài)運(yùn)行，使得過、再熱蒸汽溫度大幅降低，汽輪機(jī)的運(yùn)行安全性受到嚴(yán)重影響。降低鍋爐轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行的負(fù)荷，對于提高機(jī)組深度調(diào)峰能力和超低負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性意義重大。目前降低轉(zhuǎn)濕態(tài)負(fù)荷尚無很有效的技術(shù)。

1 鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)條件

火電廠鍋爐機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行，關(guān)鍵在于鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性和機(jī)爐的蒸汽流量不匹配的問題。維持鍋爐水動力穩(wěn)定的鍋爐最低流量，保持燃燒穩(wěn)定性的最低燃料量等均有一個最小值不可逾越，而汽輪機(jī)的通流量只要保證額定轉(zhuǎn)速、確保葉片冷卻即可，與維持鍋爐水動力穩(wěn)定的最小工質(zhì)流量相差很大。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，受熱面工質(zhì)流量降低，冷卻效果變差，因此受熱面極易超溫。

1.1 靈活性改造技術(shù)

目前已改靈活性調(diào)峰的鍋爐主要技術(shù)包括低負(fù)荷精細(xì)化燃燒調(diào)整，燃燒器、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造（預(yù)燃室燃燒器、動態(tài)分離器、煤粉分配器等），低負(fù)荷燃用優(yōu)質(zhì)高熱值煙煤的雙燃料倉改造，燃燒監(jiān)控裝置改造等。在這些改造方式下，鍋爐機(jī)組可以滿足30%額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，特殊情況下某些機(jī)組可以達(dá)到20%或25%BMCR負(fù)荷下短暫運(yùn)行。可見，上述改造還不足以滿足鍋爐機(jī)組更低負(fù)荷的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。在電力負(fù)荷大幅調(diào)峰運(yùn)行要求下，某些電廠已開啟頻繁啟停機(jī)操作，或降負(fù)荷過程對空排汽，或開高壓、低壓旁路系統(tǒng)等以滿足超低負(fù)荷運(yùn)行需要；具備儲能條件的或沿海有海水淡化裝置的電廠，在超低負(fù)荷調(diào)峰狀態(tài)下進(jìn)行儲能運(yùn)行或啟動海水淡化裝置運(yùn)行，提高廠用電量，降低上網(wǎng)電量，以維持鍋爐盡量高負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行。在大力發(fā)展新能源和降低火電份額的背景下，儲能將是一個重要的支撐技術(shù)。而其他的運(yùn)行方式，均是極大浪費(fèi)。

1.2 低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)

探求低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)，需要以燃燒基礎(chǔ)理論為依據(jù)。理論上鍋爐穩(wěn)燃需要的狀態(tài)是燃燒反應(yīng)的放熱量大于向環(huán)境的散熱量，使燃燒化學(xué)反應(yīng)得以發(fā)生、發(fā)展，最終與受熱面的吸熱量達(dá)到平衡并有富裕熱量（灰渣損失、排煙損失等）。圖1為燃燒放熱曲線和散熱曲線。圖中，Tzh為著火溫度，Txh為熄火溫度，Q2'、Q2''和Q2'''為散熱量Q2的3種狀態(tài)。其中，Q2''是正常狀態(tài)散熱曲線（近似一根直線），此狀態(tài)煤粉可穩(wěn)定燃燒；Q2'''是散熱過大的狀態(tài)，溫度到Txh時即發(fā)生熄火；Q2'處于緩慢氧化狀態(tài)，不會著火。

圖1 放熱曲線和散熱曲線

爐膛內(nèi)燃料與氧化劑反應(yīng)放熱量為：

燃燒產(chǎn)物向周圍介質(zhì)的散熱量為：

式(1)、式(2)中：R、E分別為通用氣體常數(shù)、反應(yīng)的活化能；K0為反應(yīng)頻率因子；為可燃混合物中煤粉反應(yīng)表面的氧濃度；n為燃燒反應(yīng)方程式中氧的化學(xué)計量數(shù)；V為可燃混合物的體積；Qbr為燃燒反應(yīng)熱；T為反應(yīng)系統(tǒng)溫度；Tw為爐膛壁面的溫度；α為混合物向燃燒壁面的綜合放熱系數(shù)，是對流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)的和；S為爐膛壁面的面積。

根據(jù)圖1，強(qiáng)化著火的措施包括：1）在散熱條件不變的情況下，增加可燃混合物的初溫、濃度和壓力，加強(qiáng)放熱；2）在放熱條件不變時，增加燃燒室的保溫，減少散熱。煤粉氣流的著火熱為將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量，對于熱風(fēng)送粉，煤粉氣流的著火熱為：

式中：第1項為加熱煤粉和一次風(fēng)所需熱量，第2項為煤粉中水分蒸發(fā)、過熱所需熱量；Br為一次風(fēng)中煤粉質(zhì)量；V0為流量空氣量；αr為過量空氣系數(shù)；r1為一次風(fēng)率；c1K為一次風(fēng)比熱容；q4為機(jī)械未燃盡損失；cd為干煤粉比熱容；Mar為收到基原煤水分；T0為煤粉氣流初溫；cq為蒸汽比熱容；Mmf為磨煤機(jī)出口煤粉水分。

1.3 鍋爐穩(wěn)燃影響因素

著火熱越大，著火所需時間越長，著火點離開燃燒器噴口的距離越大，著火越困難。煤粉燃燒的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在點火及低負(fù)荷穩(wěn)燃階段，具體表現(xiàn)與燃料的性質(zhì)、爐內(nèi)散熱條件、煤粉氣流初溫T0、一次風(fēng)量與風(fēng)速、鍋爐負(fù)荷等均有關(guān)聯(lián)。燃煤揮發(fā)分小、水分和灰分含量高、煤粉細(xì)度粗，則煤粉氣流著火溫度提高，著火熱增大；減少爐內(nèi)散熱，有利于著火。敷設(shè)衛(wèi)燃帶是穩(wěn)定低揮發(fā)分煤著火的有效措施；煤粉氣流的初溫T0提高，可減少著火熱。燃用低揮發(fā)分煤時應(yīng)采用熱風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)，提高預(yù)熱空氣溫度；一次風(fēng)量越大，一次風(fēng)速越高，則著火熱增加，著火延遲；反之如果一次風(fēng)量過低，煤粉燃燒初期由于缺氧，化學(xué)反應(yīng)速度減慢，則阻礙著火繼續(xù)擴(kuò)展，也容易造成噴口燒損、粉管堵塞。因此一次風(fēng)速對于不同煤種均有一個最佳范圍。鍋爐運(yùn)行負(fù)荷主要指蒸汽流量D。D降低，煤耗量B相應(yīng)減少，水冷壁總的吸熱量Q也減少，但減少的幅度較小，Q/B反而增加，爐膛平均煙溫及燃燒器區(qū)域煙溫降低，對煤粉氣流著火不利。鍋爐負(fù)荷降到一定程度時，會危及著火穩(wěn)定性，甚至可能引起熄火。這正是鍋爐超低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行難點所在。

綜上可知，鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的條件，在爐膛確定后可選擇的因素只有降低燃燒反應(yīng)活化能E、提高Qbr、降低散熱系數(shù)α、提高壁溫Tw、提高煤粉初溫T0、降低煤粉的著火溫度Tzh。其中改變E、Qbr、Tzh等措施即是改變煤種，采用高熱值、高揮發(fā)分煙煤用于低負(fù)荷穩(wěn)燃，這就是雙燃料倉穩(wěn)燃技術(shù)的理論基礎(chǔ)。在煤種確定無法選擇的情況下，這幾個參數(shù)很難改變；其他如降低散熱系數(shù)、提高壁溫和提高煤粉氣流初溫則是鍋爐穩(wěn)燃的技術(shù)方向。其中提高T0是預(yù)燃室等改造技術(shù)的理論基礎(chǔ)，其他如微油穩(wěn)燃、等離子穩(wěn)燃等，均是基于此。富氧點火的穩(wěn)燃技術(shù)，則是降低反應(yīng)活化能E和煤粉的著火溫度Tzh、提高反應(yīng)放熱量Qbr的手段。

2抽汽加熱實現(xiàn)深度低負(fù)荷運(yùn)行方案

基于上述分析，要提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，須從降低爐膛散熱系數(shù)α、提高壁溫Tw和提高煤粉氣流初溫T0著手。目前的技術(shù)手段對于常規(guī)低負(fù)荷穩(wěn)燃已基本滿足。對于煙煤鍋爐，負(fù)荷降至30%BMCR或30%ECR已可穩(wěn)燃，所欠缺的是長期低負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時，新能源的發(fā)展以及碳達(dá)峰排放要求火電機(jī)組鍋爐繼續(xù)深度降低負(fù)荷運(yùn)行，30%以下負(fù)荷長期低負(fù)荷運(yùn)行將可能是常態(tài)。

2.1 轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行

鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時，爐內(nèi)熱負(fù)荷降低，熱負(fù)荷分布偏差也加大；鍋爐給水量降低后，分布均勻性亦大大降低，因此分布偏差的增加必定造成局部超溫、鍋爐運(yùn)行的風(fēng)險提高。超臨界鍋爐30%負(fù)荷以下一般要轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行是提高水冷壁水循環(huán)量、降低壁溫偏差的有效辦法。但轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行因為負(fù)荷低，爐內(nèi)煙氣量和煙溫下降，主蒸汽溫度降低，再熱蒸汽溫度將大幅下降，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變差，汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性也降低。超臨界鍋爐一般在負(fù)荷降至30%左右時就需要轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行，在負(fù)荷升到30%以上時進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行方式。因此超臨界鍋爐在靈活性調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)下，最低負(fù)荷需要控制在30%以上，以避免鍋爐在干濕態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)換造成對金屬壁溫大幅波動和對鍋爐壽命的不利影響?？梢?，要使超臨界鍋爐在更低負(fù)荷下調(diào)峰運(yùn)行，必須降低轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行的負(fù)荷。

2.2 提高煤粉氣流初溫

基于上述理論與實際需要，提出抽蒸汽加熱爐水、加熱一次風(fēng)煤粉氣流方案。圖2為再（過）熱抽汽串聯(lián)加熱爐水與一次風(fēng)煤粉方案。在鍋爐降低負(fù)荷進(jìn)入濕態(tài)運(yùn)行或低負(fù)荷穩(wěn)燃在常規(guī)手段無法滿足之前，啟動抽蒸汽的關(guān)斷閥和調(diào)節(jié)閥，蒸汽先加熱省煤器出口爐水，提高爐水溫度至290~300 ℃，蒸汽溫度降至310~320 ℃；然后引至煤粉管道，采用表面式加熱器對煤粉氣流進(jìn)行加熱，提高煤粉氣流溫度20~30 ℃，改善著火燃燒條件。對于直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐（一次風(fēng)粉平均溫度70~80 ℃）而言，提高煤粉溫度30 ℃已相當(dāng)可觀。

圖2 再（過）熱抽汽串聯(lián)加熱爐水與一次風(fēng)煤粉方案

圖3為再（過）熱抽汽并聯(lián)加熱爐水與一次風(fēng)煤粉方案。

圖3 再（過）熱抽汽并聯(lián)加熱爐水與一次風(fēng)煤粉方案

考慮到鍋爐工業(yè)供汽需要，低負(fù)荷再熱蒸汽壓力低，無法滿足工業(yè)供汽，因此抽過熱蒸汽對爐水進(jìn)行加熱；加熱之后的蒸汽尚有足夠的溫度和壓力，可以繼續(xù)用作工業(yè)供汽；而一次風(fēng)煤粉的加熱通過抽再熱蒸汽完成，此時因溫差加大，一次風(fēng)溫可提高30~50 ℃，著火穩(wěn)燃性能更好。在此方案中，蒸汽加熱一次風(fēng)煤粉提高了煤粉氣流初溫T0，降低了煤粉著火熱Qzh；爐水溫度提高，相當(dāng)于提高了壁溫Tw，同時使散熱系數(shù)α有所降低，在放熱量不變的情況下使散熱量降低，符合理論上強(qiáng)化著火與穩(wěn)燃的技術(shù)條件。

2.3 鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)

表1分別是三大鍋爐廠3臺600 MW等級鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)。低負(fù)荷下省煤器出口水溫度略低于270 ℃，對應(yīng)壓力（約10~11 MPa）下飽和水溫約318 ℃，加熱的爐水溫度保留15 ℃的欠溫，最高只能到約300 ℃。因此從水冷壁運(yùn)行安全和降低轉(zhuǎn)濕態(tài)負(fù)荷角度，控制進(jìn)水冷壁爐水溫度在300 ℃，即調(diào)節(jié)抽汽量使?fàn)t水升溫約30 ℃。再熱蒸汽抽取位置為再熱熱段蒸汽母管，抽汽壓力、溫度隨鍋爐容量參數(shù)不同而略有差別，30%負(fù)荷下一般2 MPa左右，500~570 ℃。過熱蒸汽抽取位置為過熱蒸汽母管，30%負(fù)荷下汽壓約10 MPa左右，汽溫520 ℃以上。抽取蒸汽通過管殼式換熱器對省煤器出口爐水進(jìn)行加熱，提高溫度約30 ℃。爐水提高溫度水平需要通過試驗或計算確定，運(yùn)行中僅可微量調(diào)整，不宜大幅改變。爐水升溫太低對降低轉(zhuǎn)濕態(tài)負(fù)荷不利，升溫太高對工質(zhì)分配和壁溫安全不利。蒸汽加熱爐水后，溫度約320 ℃，可以引至爐前煤粉管道對煤粉進(jìn)行預(yù)熱，提高煤粉溫度，降低煤粉氣流的著火熱，提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。對于煙煤，直吹式一次風(fēng)粉混合溫度一般在70~80 ℃。通過蒸汽加熱提高約30 ℃，蒸汽溫度降至約100 ℃左右，成為疏水。蒸汽加熱煤粉通過表面式加熱器進(jìn)行，設(shè)置在入爐前一次風(fēng)直管段上。從目前的穩(wěn)燃要求來說，加熱單臺磨煤機(jī)對應(yīng)的煤粉管道基本夠用。

表1 3臺600 MW級鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)表1的低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)，C廠在30%負(fù)荷即進(jìn)入濕態(tài)運(yùn)行，A、B兩廠在30%以下負(fù)荷進(jìn)入濕態(tài)，因此20%ECR的參數(shù)均是濕態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)。濕態(tài)參數(shù)是鍋爐在啟停過程中的瞬態(tài)值，僅供參考。30%ECR的參數(shù)也是負(fù)荷變化過程中的數(shù)據(jù)，一般鍋爐很少在此負(fù)荷下長期連續(xù)運(yùn)行。粗略計算某超臨界600 MW機(jī)組鍋爐在30%負(fù)荷的抽汽量與實際發(fā)電負(fù)荷的關(guān)系，結(jié)果見表2。

表2 某超臨界600 MW機(jī)組鍋爐30%負(fù)荷下抽汽量與實際發(fā)電負(fù)荷計算數(shù)據(jù)

計算中爐水采用過、再熱蒸汽先后加熱，過熱蒸汽轉(zhuǎn)換為疏水以利用潛熱，保持再熱蒸汽換熱后狀態(tài)仍為蒸汽態(tài)不變。計算表明，再熱蒸汽抽汽量對機(jī)組負(fù)荷影響相對較小。隨著過熱蒸汽抽汽量的增加，機(jī)組實際發(fā)電負(fù)荷迅速降低，因主蒸汽量未變，鍋爐在降至20%或以下額定電負(fù)荷保持干態(tài)運(yùn)行是可行的。在實際應(yīng)用中，過熱蒸汽抽汽量須根據(jù)后續(xù)工業(yè)供汽等可利用的量級確定，用再熱蒸汽予以補(bǔ)充。而除供汽外，再熱蒸汽的后續(xù)利用場景很多，低壓設(shè)備和蒸汽的利用也相對簡單得多。

3 方案分析與比較

對本文提出的方案與第1節(jié)提到的低負(fù)荷穩(wěn)燃方案進(jìn)行了比較分析，結(jié)果見表3。對鍋爐進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整和制粉系統(tǒng)相關(guān)改造是必要的，可以改善設(shè)備性能和狀態(tài)，提高動態(tài)響應(yīng)特性，成本較低且具有一定的降低負(fù)荷作用。預(yù)燃室通過外加燃油點燃入爐煤粉，技術(shù)直觀有效，可顯著提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃性能，在中儲式系統(tǒng)上已有成功業(yè)績；但預(yù)燃室有結(jié)焦風(fēng)險，且在直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐上暫無業(yè)績，斷油后的效果難以保證。分隔煤倉改造需要有優(yōu)質(zhì)高熱值煙煤作保障，但燃料切換過程仍存在問題，制、送粉過程慣性較大，負(fù)荷響應(yīng)性一般。微油和等離子穩(wěn)燃技術(shù)系統(tǒng)比較復(fù)雜，初投資和運(yùn)行成本都較高，且微油對煤粉燃盡以及脫硝、脫硫和電袋除塵器的運(yùn)行都有影響；等離子壽命短，需要水冷，熱損失大，能量利用效率低。富氧技術(shù)在劣質(zhì)煤鍋爐上的點火已有成功應(yīng)用，低負(fù)荷穩(wěn)燃道理相同，穩(wěn)燃效果可以保證，但投資和運(yùn)行成本相對較高。上述方案均有成功應(yīng)用業(yè)績，已達(dá)到20%~25%低負(fù)荷穩(wěn)燃效果。

表3 本方案與其他低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)比較

相較上述方案，本文提出的方案在推遲轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行負(fù)荷方面具有獨到效果。方案利用鍋爐系統(tǒng)自身熱量提高穩(wěn)燃性能，理論基礎(chǔ)扎實，可使超臨界鍋爐在20%負(fù)荷時仍保持干態(tài)運(yùn)行，抽蒸汽的工質(zhì)熱量和質(zhì)量均可回收，除散熱損失外，無其他熱損失。其他技術(shù)路線依靠外加的燃油熱量或電能提高鍋爐穩(wěn)燃能力，而本文提出的技術(shù)方案維持穩(wěn)燃的能量來自于燃燒的燃料本身，宏觀能量總體上守恒，但利用效率要略高一些。

4 結(jié) 語

本文分析了鍋爐著火與穩(wěn)燃基礎(chǔ)理論，在此基礎(chǔ)上比較了現(xiàn)有鍋爐機(jī)組調(diào)峰穩(wěn)燃技術(shù)，提出了抽汽加熱實現(xiàn)鍋爐深度低負(fù)荷運(yùn)行的方案。該方案對于亞臨界和超臨界機(jī)組均可適用，但在超臨界鍋爐上應(yīng)用時具有顯著的推遲轉(zhuǎn)濕態(tài)運(yùn)行負(fù)荷的作用。與傳統(tǒng)調(diào)峰穩(wěn)燃技術(shù)相比，本文所提出的技術(shù)路線優(yōu)勢明顯，值得推廣應(yīng)用。

引用本文格式

魯鵬飛, 薛寧. 超臨界鍋爐超低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行穩(wěn)燃改造方案研究[J]. 熱力發(fā)電, 2022, 51(1): 87-92.

LU Pengfei, XUE Ning. Flame stability upgrading scheme of supercritical boilers for ultra low load peak regulation operation[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51(1): 87-92.