鐘 偉， 馬達夫， 何 翔

(1. 國家電投集團重慶合川發(fā)電有限公司，重慶 401520；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

2016年以來，風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電的發(fā)展日益加快，其裝機規(guī)模也迅速增長[1-4]。為了保障電網(wǎng)的穩(wěn)定及安全，火電參與深度調(diào)峰成為發(fā)展趨勢。提高火電機組深度調(diào)峰靈活性對保障電網(wǎng)穩(wěn)定性、保障民生供熱和支撐新能源發(fā)展具有積極作用。

針對重慶某電廠600 MW等級超超臨界機組中的4號機組鍋爐開展不投油最低穩(wěn)燃負荷試驗，并對磨煤機運行及燃燒方式進行優(yōu)化，利用試驗探索鍋爐在低負荷下的運行能力，并找到制約鍋爐穩(wěn)燃的主要因素。

1 設(shè)備簡介

1.1 機組概況

該電廠4號機組鍋爐為DG2045/26.15-Ⅱ2型、超超臨界參數(shù)、變壓運行、直流鍋爐，采用一次中間再熱、平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒方式，鍋爐本體為單爐膛尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π形布置。以彬長煤、華亭煤和附近華鎣山煙煤的混合煤作為實際燃用煤質(zhì)。

1.2 制粉系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)

鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機正壓一次風(fēng)直吹式送粉系統(tǒng)，配6臺HP1003型中速磨煤機，5臺運行、1臺備用。鍋爐燃燒系統(tǒng)采用前后墻對沖布置，燃燒器采用外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器。每臺磨煤機對應(yīng)1層的6個煤粉燃燒器，即A～F磨煤機分別對應(yīng)A～F層煤粉燃燒器，共有36個煤粉燃燒器，前后墻各3層對沖布置，前墻從上到下依次為E、B、A，后墻從上到下依次為C、D、F。在前后墻煤粉燃燒器的上方分別布置6個分離燃盡風(fēng)(SOFA)燃燒器和2個側(cè)燃盡風(fēng)燃燒器。

1.3 試驗燃料分析

試驗期間入爐煤元素分析見表1。

表1 入爐煤元素分析

試驗煤樣為運行的4臺磨煤機(A、B、D、F磨煤機)所取原煤混合后的綜合煤樣。該混合煤樣硫質(zhì)量分數(shù)為3.52%，屬于高硫煤[5]，運行時注意測控貼壁H2S及CO的含量，避免發(fā)生高溫腐蝕。該混合煤的水分質(zhì)量分數(shù)較低，并且鍋爐具有較高的一次風(fēng)溫度，對煤粉的著火及燃盡較為有利。

2 低負荷燃燒調(diào)整措施

試驗開始前，鍋爐負荷穩(wěn)定在280 MW，對穩(wěn)態(tài)過程選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)出口、空氣預(yù)熱器入口及出口的煙氣成分進行測試，并對爐膛兩側(cè)看火孔處溫度進行測試。

試驗1 h后，鍋爐負荷降至230 MW，穩(wěn)定后進行相關(guān)測試。但是，由于電網(wǎng)調(diào)度要求機組5 h后解列，所以在230 MW的穩(wěn)定時間較短。230 MW負荷試驗完成后，鍋爐向200 MW降負荷。

試驗2 h后，鍋爐負荷降至197 MW。負荷到197 MW的10 min后，B3火焰檢測信號波動劇烈，信號從100%降低至20%，并且影響到B2火焰檢測信號。因此，立即采取投運3個B層大油槍和5個A層微油槍的措施。此時，主蒸汽壓力降低至8.4 MPa左右，爐膛負壓正常，主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別在585 ℃和570 ℃左右。隨后采取以下措施來穩(wěn)定燃燒：

(1) 將制粉系統(tǒng)投運的3臺磨煤機(A、B、F磨煤機)的冷風(fēng)門關(guān)小，將磨煤機分離器出口溫度設(shè)定值提高至85 ℃。

(2) 將一次風(fēng)母管壓力設(shè)定值降低0.2 kPa(設(shè)置負偏置)。

(3) 將B3燃燒器的外二次風(fēng)門開度從50%關(guān)至40%，B2燃燒器的外二次風(fēng)門開度從60%關(guān)至50%；同時，增加旋流強度，提高火焰穩(wěn)定性。

采取上述措施后，主蒸汽壓力逐漸恢復(fù)至10 MPa以上，然后停運大油槍，再將微油槍撤去。20 min后，大油槍全部停運；30 min后，開始陸續(xù)停運A層微油槍；45 min后，微油槍全部停運。之后，在負荷為197 MW的情況下進行不投油穩(wěn)燃試驗，試驗持續(xù)約2 h。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 主要運行參數(shù)分析

低負荷運行期間，鍋爐主要參數(shù)見表2。當負荷低于200 MW且繼續(xù)下降時，負荷下降速率應(yīng)穩(wěn)定在0.5 MW/min，防止燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致熄火。

由表2可得：

表2 低負荷運行工況時鍋爐主要參數(shù)

(1) 負荷由280 MW下降至197 MW，主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、給水質(zhì)量流量、給水溫度、總風(fēng)量、SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度等參數(shù)均在合理范圍發(fā)生變化，沒有達到各參數(shù)的下限值，并且SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度高于脫硝催化劑要求最低溫度(300 ℃)。

(2) 負荷由280 MW下降至197 MW時，空氣預(yù)熱器出口O2體積分數(shù)由8.71%上升至9.77%。煙氣中CO含量隨著負荷降低而降低，說明低負荷下燃燒效率升高，燃燒較為充分。

(3) 飛灰及大渣的含碳量在合理范圍內(nèi)，197 MW下飛灰含碳量略有上升。這是由于低負荷下爐膛溫度較低，一次風(fēng)率增加，燃燒組織情況較差[6]。

同時，低負荷運行期間，過熱器減溫水量很少，再熱器減溫水質(zhì)量流量為0 t/h，說明低負荷下水冷壁輻射傳熱比例較高，對流傳熱比例較低，減溫水量偏離30%額定負荷的設(shè)計值。應(yīng)及時進行燃燒調(diào)整，尤其需要關(guān)注運行的磨煤機，降低爐膛吸熱比例，提高過熱器及再熱器吸熱比例。

3.2 燃燒穩(wěn)定性分析

通過爐膛看火孔觀察燃燒狀況，并且與高溫光學(xué)溫度儀測煙氣溫度相結(jié)合的方式判斷燃燒是否穩(wěn)定。圖1為低負荷下噴口煙氣溫度。

圖1 低負荷下噴口煙氣溫度

由圖1可得：3個工況下，底層(A層、F層)燃燒器噴口煙氣溫度無明顯變化且穩(wěn)定，而中層(B層、D層)燃燒器噴口煙氣溫度相差30 K左右；對于上層(C層、E層)燃燒器，噴口煙氣溫度在42%額定負荷時比在35%額定負荷時高90 K左右，噴口煙氣溫度在35%額定負荷時比在30%額定負荷時高60 K左右。主要原因為：底層燃燒器對應(yīng)磨煤機的給煤量、一次風(fēng)量及出口溫度沒有明顯變化；隨著負荷的降低，中層、上層燃燒器對應(yīng)磨煤機的給煤量降低，導(dǎo)致中層及上層燃燒器的煤粉濃度降低，影響低負荷下的煤粉著火。

燃盡風(fēng)區(qū)域的煙氣溫度可以表征爐膛煙氣溫度的水平，3個工況下的爐膛煙氣溫度相差50 K左右。低負荷下爐膛溫度較低，會導(dǎo)致煤粉著火燃盡情況較差，進而引起飛灰含碳量隨著負荷的降低而升高，可針對以上情況在低負荷下進行精細化燃燒調(diào)整[7-8]。

3.3 經(jīng)濟性分析

鍋爐熱損失率及鍋爐效率見表3。

表3 各工況下鍋爐熱損失率及鍋爐效率

由表3可得：3個工況下鍋爐效率的區(qū)別較小，鍋爐效率平均值為92.3%。隨著鍋爐負荷的降低，未燃碳熱損失率略有上升，是因為低負荷下爐膛煙氣充滿度降低，燃燒強度被弱化[9]。隨著鍋爐負荷的降低，干煙氣熱損失率先下降后上升，是因為鍋爐負荷由230 MW下降到197 MW，排煙溫度下降了7 K；而工況3的干煙氣熱損失率達到5.83%，是因為空氣預(yù)熱器出口O2體積分數(shù)達到9.77%，空氣量過大導(dǎo)致煙氣量大，此時過量空氣系數(shù)高達1.87。因此，低負荷下合理組織燃燒并適當降低氧量有助于明顯提升鍋爐效率。

試驗期間，汽輪機熱耗、供電煤耗與鍋爐負荷的關(guān)系見圖2。

圖2 汽輪機熱耗、供電煤耗與鍋爐負荷的關(guān)系

由圖2可得：隨著鍋爐負荷的降低，汽輪機熱耗明顯升高，在197 MW下，汽輪機熱耗高達10 407 kJ/(kW·h)。低負荷下，機組運行情況偏離設(shè)計值，隨著鍋爐負荷的降低，發(fā)電效率明顯降低，進而影響機組運行經(jīng)濟性[10-12]。

3.4 安全性分析

低負荷穩(wěn)燃試驗前，為保證給水泵汽輪機進汽參數(shù)滿足要求，將給水泵汽輪機的汽源切為輔汽聯(lián)箱中的汽源。

199 MW下，各墻垂直水冷壁壁溫見圖3，主要受熱面壁溫及蒸汽溫度見圖4。

圖3 各墻垂直水冷壁壁溫

圖4 主要受熱面壁溫及蒸汽溫度

負荷剛降至199 MW時，由于蒸汽溫度偏低，對蒸汽溫度進行了適當調(diào)整。提高過熱度后，蒸汽溫度開始升高并至穩(wěn)定后，各墻垂直水冷壁壁溫均在安全合理范圍內(nèi)。

負荷下降至199 MW時，蒸汽溫度下降幅度較大。垂直管水冷壁出口壁溫降低至320 ℃左右。提高過熱度后，給水量適當減少，蒸汽溫度和相關(guān)壁溫開始上升。垂直水冷壁壁溫最高達到460 ℃，但是仍在安全裕度內(nèi)(報警值為531 ℃)，并且各受熱面壁溫均在安全合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異常超溫點。

4 結(jié)語

通過對該電廠鍋爐開展低負荷不投油穩(wěn)燃試驗，得出的結(jié)論為：

(1) 對于燃燒高硫煤的超超臨界對沖燃燒鍋爐，在30%額定負荷下，爐膛燃燒穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向室煙氣溫度沒有明顯下降的趨勢，并且SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度在300 ℃以上，能滿足脫硝要求。

(2) 低負荷下，關(guān)鍵輔機及環(huán)保系統(tǒng)可以滿足運行要求。對于試驗機組，低負荷下鍋爐效率變化不大，但汽輪機熱耗及供電煤耗明顯上升，嚴重影響機組的運行經(jīng)濟性。

(3) 42%、35%、30%額定負荷下，能保證鍋爐不投油穩(wěn)燃，鍋爐水冷壁壁溫處于安全合理范圍內(nèi)。汽輪機能夠滿足低負荷連續(xù)運行，給水泵汽輪機和給水泵組能夠滿足低負荷連續(xù)運行要求。

低負荷試驗期間，沒有發(fā)現(xiàn)鍋爐大范圍超溫及其他安全隱患，但超超臨界機組參與深度調(diào)峰還存在一些不確定性，如水冷壁壁溫波動、負荷繼續(xù)降低后存在干濕態(tài)轉(zhuǎn)換風(fēng)險等。因此，建議大容量高參數(shù)超超臨界機組參與深度調(diào)峰時，需要從低負荷燃燒穩(wěn)定性、運行經(jīng)濟性及安全性等多方面進行考慮。