湯培英，楊艷龍

（陜西商洛發(fā)電有限公司，陜西 商洛 711400）

0 引言

為了實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程進(jìn)一步加快。2022 年末，全國的發(fā)電裝機容量為256 405萬kW，比上年末增長7.8%。其中，火電裝機的容量為133 239 萬kW，增長2.7%；水電裝機容量為41 350萬kW，增長4.3%；核電裝機容量為5 553萬kW，增長4.3%；并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量為36 544 萬kW，增長11.2%；并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容為量為39 261萬kW，增長28.1%［1］。我國新能源發(fā)電設(shè)備井噴式建設(shè)與并網(wǎng)的同時，風(fēng)、光等新能源發(fā)電存在不確定性、間歇性和反調(diào)峰特性，加之城鄉(xiāng)居民用電量的增加，電網(wǎng)日負(fù)荷峰谷明顯并逐年增大，風(fēng)光電力將面臨前所未有的消納壓力，因此，電網(wǎng)調(diào)峰需求日益增加和靈活性調(diào)峰電源嚴(yán)重不足等問題已顯現(xiàn)［2-4］?，F(xiàn)階段，抽水蓄能發(fā)展相對滯后，其它形式儲能受容量限制，為了保障供電安全，燃煤機組靈活性運行將對緩解電網(wǎng)峰谷差和保證供電可靠性起決定性作用［5-6］，燃煤火電機組的壓艙石作用凸顯，其靈活性運行是實現(xiàn)能源保供的重要舉措，也是實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的可靠保障。

目前，660 MW 等級燃煤火電機組的年利用小時數(shù)逐年下降，受新能源發(fā)電特性的影響，要求火電機組深調(diào)能力能夠達(dá)到30%額定容量甚至更低，電網(wǎng)也針對燃煤機組的靈活性運行出臺了相應(yīng)的激勵措施，運行廠家也可以通過深調(diào)運行獲取輔助服務(wù)收益，同時，煤炭價格的不斷上漲，拓展燃煤的適應(yīng)范圍，燃煤摻燒對降低火電廠燃料成本、提高市場競爭力、拓展盈利空間具有十分重要的意義［7-11］。童家麟等［12］對600 MW機組高硫煤配煤運行優(yōu)化研究表明在下層燃燒器配煤高硫煤，其抑制H2S 效果較佳，在高金屬壁溫區(qū)域高H2S 面積占比較小，較中、上層燃燒器配煤高硫煤，下層燃燒器配煤高硫煤時爐膛出口的CO體積分?jǐn)?shù)、固體可燃物質(zhì)量濃度和爐膛出口NO體積分?jǐn)?shù)略低。楊建國等［13］對配煤燃燒過程的疊加特性及其動力學(xué)特性參數(shù)的表觀性研究說明在熱天平的恒定氧量和控制溫度條件下，配煤燃燒過程表現(xiàn)為原煤摻燒過程的物理量疊加。朱伊囡等［14］從混煤煤質(zhì)分析角度出發(fā)，采用熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)權(quán)重，并利用灰色關(guān)聯(lián)度對TOPSIS法進(jìn)行改進(jìn)，提出了用于優(yōu)選混煤配比方案的評價方法。劉彥鵬等［15］對600 MW機組前后墻對沖燃燒鍋爐，摻燒劣質(zhì)煤時屏式受熱面底部結(jié)焦進(jìn)行了分析，調(diào)整入爐煤的灰熔點始終比屏底煙溫低50 ℃～100 ℃，在保證爐內(nèi)燃燒安全基礎(chǔ)上獲得最大的摻燒效益。

1 機組概況

某燃煤電廠超超臨界直流鍋爐為DG1950/29.3-Ⅱ2 型、前后墻對沖燃燒、濕式排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、全懸吊結(jié)構(gòu)π型布置。配套6臺ZGM113N-Ⅱ型中速磨煤機， BMCR 工況燃用設(shè)計煤種時5 臺磨煤機運行，1 臺磨煤機備用，設(shè)計煤種的燃煤量為238.8 t/h。燃燒器從下至上，前墻燃燒器依次為B、D、C層，后墻依次為F、A、E層，每臺磨煤機為同層6根粉管提供一次風(fēng)粉混合物，燃燒器布置示意圖如圖1 所示，其中，B 、F磨煤機采用一拖二變頻設(shè)計。燃燒器為雙旋流燃燒器，同層燃燒器的左右兩側(cè)各布置一個貼壁風(fēng)，在燃燒器上方5 980.7 mm處設(shè)置上、下兩層燃盡風(fēng)，每個燃盡風(fēng)分旋流和直流兩部分通過調(diào)節(jié)器送入爐膛，B、F層燃燒器設(shè)置等離子點火助燃系統(tǒng)。

圖1 燃燒器布置示意圖Fig.1 Diagram of burner layout

電廠地處秦嶺腹地，距離煤源較遠(yuǎn)，發(fā)電燃料成本比陜北高0.02 元/kW·h～0.03 元/kW·h，機組利用小時數(shù)偏低。按照陜西電力輔助服務(wù)市場運營規(guī)則，深調(diào)至40%～50%額定負(fù)荷之間，最高可補償0.32 元/kWh，在40%額定負(fù)荷以下，最高可補償0.75 元/kWh，按照目前電網(wǎng)對調(diào)峰的需求，僅此一項年可增加營業(yè)收入約6 000萬元。

1 號和2 號機組于2019 年3 月全部完成168 試運行，同時完成30%負(fù)荷深度調(diào)峰試驗。2020 年1 月利用機組停運完成了20%負(fù)荷深調(diào)試探性試驗，在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，聯(lián)合設(shè)備生產(chǎn)廠家、科研院校對機組靈活性運行進(jìn)行探索研究。2021年6月完成機組25%負(fù)荷深度調(diào)峰驗證試驗，各項指標(biāo)滿足電網(wǎng)要求，并優(yōu)化機組深調(diào)邏輯及運行參數(shù)下限。現(xiàn)機組在178 MW（27%Pe）～660 MW 負(fù)荷靈活性運行，保證電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷上配合深度調(diào)峰。2021年1號和2號機組在AGC方式下，50%負(fù)荷以上負(fù)荷變化速率為11 MW/min、40%～50%負(fù)荷范圍內(nèi)負(fù)荷變化速率為8 MW/min、30%～40%負(fù)荷范圍內(nèi)負(fù)荷變化速率為5 MW/min、30%負(fù)荷以下負(fù)荷變化速率為3 MW/min工況下，機組可以長周期靈活性運行，其中2 臺機組全年一檔深調(diào)時長2 382.4 h、二擋深調(diào)時長1 431 h。

2 入場煤質(zhì)及入爐煤質(zhì)控制指標(biāo)

入廠煤主要采用火車長途運輸，以陜北原煤礦煤為主，固定長協(xié)煤源為陜北紅柳林高熱煤、涼水井煤原煤礦、安子溝原礦煤、小紀(jì)汗高硫煤、寧夏魚河原礦煤和眉縣園子溝低熱煤，其中涼水井煤源協(xié)議量最大，入廠煤質(zhì)主要指標(biāo)如表1所示。

表1 入廠煤質(zhì)主要指標(biāo)Table 1 Main indicators of incoming coal quality

表2 入爐煤縮分混合樣軟化溫度Table 2 Softening temperature of mixed sample of pulverized coal

機組設(shè)計燃煤低位發(fā)熱量為22.74 MJ/kg、收到基全硫為0.5%、灰軟化溫度為1 240 ℃，校核煤低位發(fā)熱量為20.72 MJ/kg、收到基全硫為1.0%、軟化溫度為1 330 ℃。脫硫系統(tǒng)采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫，采用一爐一塔設(shè)計。脫硫原煙氣SO2設(shè)計濃度3 055 mg/Nm3（準(zhǔn)狀態(tài)，干基，6% O2），燃煤含硫量在1.3%時，脫硫的效率≥99.38%，凈煙氣中的SO2含量不超過19 mg/Nm3；單臺機組設(shè)計石灰石耗量11 t/h，耗電率0.68%。

大多數(shù)火電廠實際入廠煤質(zhì)偏離設(shè)計值，煤質(zhì)來源較為復(fù)雜，為了保證鍋爐燃燒穩(wěn)定，避免出現(xiàn)鍋爐結(jié)焦和受熱面管壁腐蝕等故障，在保證爐內(nèi)燃燒安全的基礎(chǔ)上獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，燃煤摻燒意義重大［16-19］。依據(jù)機組設(shè)計煤種及入廠原礦煤質(zhì)，為了避免鍋爐結(jié)焦、高溫硫腐蝕并提高機組燃煤經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行入爐煤在儲煤場的預(yù)混處理，質(zhì)量加權(quán)值控制指標(biāo)為：入爐煤加權(quán)熱值為20.10 MJ～22.60 MJ；按照脫硫設(shè)計裕量20%計算，控制入爐煤加權(quán)收到基全硫小于1.3%；為防止單臺原煤倉煤質(zhì)硫分過高，降低鍋爐局部高溫硫腐蝕程度，要求高硫煤倉質(zhì)量加權(quán)收到基硫分小于1.6%；新煤源入廠時，禁止通過翻車機直上至原煤倉，需在煤場單獨堆放，待煤質(zhì)化驗結(jié)果出具后，確定配煤方案。

3 煤場煤質(zhì)初混方案

煤場為條形封閉式煤場，設(shè)計存煤量15.3 萬t，煤場共分A、B、C和D四個區(qū)，布置兩臺懸臂式斗輪堆取料機，煤場至煤倉層的帶式輸送機的出力按照鍋爐小時耗煤量135%選取，其規(guī)格均為帶寬B=1 400 mm，帶速V=2.5 m/s，出力Q=1 600 t/h。

按照入廠煤質(zhì)熱值、硫分、原礦煤質(zhì)變化特點和入爐煤質(zhì)要求等因素，在不進(jìn)行煤場改造和增加配煤設(shè)備情況下，分析入廠煤質(zhì)特質(zhì)，經(jīng)過長時間的探索采取“分區(qū)分層堆放”原則，實現(xiàn)在煤場對入爐煤的初混。分區(qū)分層初混方案如下：

A 區(qū)和D 區(qū)為低硫普通煤：部分涼水井原煤與園子溝原煤按照1：1層高堆放在A區(qū)，A區(qū)北端也可作為汽車補充煤或新進(jìn)煤種的臨時儲存區(qū)域。由于廠區(qū)主要煤源為涼水井原礦煤，涼水井原礦煤主要存儲在較大的D區(qū)。

B 區(qū)為高熱低硫煤：紅柳林的高熱原礦煤的煤質(zhì)穩(wěn)定，熱值在23.44 MJ～25.12 MJ 范圍，收到基硫分為0.3%左右，與安子溝原煤或涼水井原煤按照1∶1 的高度分層堆放，降低高熱煤熱值至22.60 MJ左右。

C 區(qū)為高硫高熱煤：小紀(jì)汗的高硫原礦煤的煤質(zhì)較為穩(wěn)定，煤質(zhì)收到基硫分在1.8%～2.3%范圍內(nèi)波動，煤質(zhì)分為低位發(fā)熱量為21.35 MJ的沫煤和低位發(fā)熱量為24.28 MJ的精煤兩種，將收到基硫分大于1.6%的煤定義為高硫煤，此煤種為配煤煤種，放置在區(qū)域面積較小的C區(qū)。小紀(jì)汗原礦煤與涼水井原煤或安子溝原煤按照2∶5 的高度進(jìn)行分層堆放，降低加權(quán)熱值與加權(quán)硫分。魚河煤質(zhì)收到基硫分預(yù)報為1.0%左右，實際收到基硫分為0.6%左右，由于入廠量較少，按照高硫煤在C區(qū)堆放。魚河原煤與涼水井原煤或安子溝原煤按照1∶1高度堆放，降低入爐熱值即可使用。

4 入爐煤分磨配煤方式

對比分析間斷配煤、爐外預(yù)混配煤和分磨配煤等方式，分磨配煤方式［20］不需專用混燒設(shè)備易實現(xiàn)，配煤比例控制靈活，可以隨時調(diào)整運行磨煤機出力以達(dá)到改變配煤比例的目的，煤種性能差異較大時，燃燒穩(wěn)定性易掌握［21］。分磨配煤是通過改變磨煤機組合方式，滿足機組靈活性運行，在不同負(fù)荷階段實現(xiàn)燃煤熱值不同的需求［22-25］。

4.1 高硫高熱煤的配煤

將中、上層燃燒器配高硫煤的方式調(diào)整為下層B或F層燃燒配高硫煤的方式，而且每月對下層B或F層的高硫煤燃燒器切換一次。

4.2 機組深度調(diào)峰的配煤

1號機組在夏季運行時，由于汽輪機背壓限制，機組最大負(fù)荷為625 MW、煤量為286.9 t/h、給水流量為1 930 t/h、一次風(fēng)機電流105 A（額定電流165.4 A），一次風(fēng)機選型偏大。在機組深度調(diào)峰至165 MW時，3臺制粉系統(tǒng)運行，熱一次風(fēng)母管壓力為6.5 kPa、一次風(fēng)機動葉18%左右，磨煤機一次風(fēng)量為78 t/h，制粉系統(tǒng)風(fēng)煤比達(dá)到2.6%。為了防止機組深調(diào)過程中極端升降負(fù)荷時一次風(fēng)機搶風(fēng)退出運行，將風(fēng)機動葉限制在17%左右，以提升機組深調(diào)負(fù)荷段一次風(fēng)機運行可靠性。機組深調(diào)時入爐煤質(zhì)較好時，在一次風(fēng)量降低受限的情況下，將出現(xiàn)一次風(fēng)粉混合濃度降低導(dǎo)致燃燒器脫火的可能。

在機組深度調(diào)峰時，如入爐煤熱值較高則容易出現(xiàn)磨煤機間歇性振動，燃燒器風(fēng)粉濃度低，爐膛出口溫度快速下降，甚至出現(xiàn)火檢閃爍現(xiàn)象。經(jīng)過多次深調(diào)試驗及深調(diào)長時間運行經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)機組負(fù)荷40%以下深調(diào)階段保持3 臺制粉系統(tǒng)運行，燃用較低熱值煤可穩(wěn)定鍋爐燃燒，避免磨煤機間歇性振動，入爐煤熱值在18.84 MJ～20.10 MJ左右，煤量大于70 t/h煤量，較為適合機組深度調(diào)峰時對燃煤熱值的需求。

1 號和2 號機組長時間、頻繁參與電網(wǎng)深度調(diào)峰，采取BFA、BFD、ADF 和ADB 等磨煤機組合方式，在中層1臺制粉系統(tǒng)與下層1臺制粉系統(tǒng)（非高硫煤制粉系統(tǒng)）配煤A區(qū)煤種，涼水井原煤與園子溝原煤混配煤較為適合，滿足機組深度調(diào)峰燃煤熱值需求。

4.3 機組滿負(fù)荷頂峰時段的配煤

電網(wǎng)在早高峰、晚高峰、夏季高溫時段處于用電高峰期，需機組滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運行，實現(xiàn)機組頂峰運行。為了實現(xiàn)機組滿負(fù)荷運行及負(fù)荷快速響應(yīng)，提高入爐煤熱值至關(guān)重要。

鍋爐中層1 臺制粉系統(tǒng)與上層1 臺制粉系統(tǒng)配煤D 區(qū)煤種，安子溝原煤與涼水原煤將混配煤。鍋爐上層另外一臺制粉系統(tǒng)配煤C 區(qū)低硫高熱煤種，在中高負(fù)荷段逐漸提升入爐煤熱值，確保機組高負(fù)荷段的頂峰能力。

5 結(jié)語

采用“爐前預(yù)混+分磨配煤”的燃煤摻混方式，可以滿足火電機組靈活性運行需要，為其它煤電落實“三改聯(lián)動”升級改造提供技術(shù)支撐。

高硫煤在下層燃燒器配煤，較中、上層燃燒器配高硫煤，經(jīng)鍋爐停爐檢修發(fā)現(xiàn)，主要受熱面的高溫硫腐蝕略有降低，因此，推薦下層燃燒器優(yōu)先摻混高硫煤。

機組配煤大量采用高硫煤的經(jīng)濟(jì)性比較顯著，在確保機組環(huán)保和安全的基礎(chǔ)上，降低燃料成本，增加企業(yè)營收。

為了實現(xiàn)機組滿負(fù)荷運行及負(fù)荷快速響應(yīng)，提高入爐煤熱值至關(guān)重要，在機組中高負(fù)荷段逐漸提升入爐煤熱值，確保機組高負(fù)荷段的頂峰能力。