關(guān)朋遠(yuǎn)

（國(guó)能寶清煤電化有限公司）

0 引言

近年來，我國(guó)新能源領(lǐng)域發(fā)展迅速，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)逐漸增加對(duì)風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源的投資和支持，風(fēng)電和光伏發(fā)電在我國(guó)總發(fā)電量中的占比顯著增加。然而，考慮到我國(guó)擁有豐富的煤炭資源和火力發(fā)電對(duì)穩(wěn)定性和調(diào)峰能力的需求，火力發(fā)電仍然在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用，發(fā)展火電是必然趨勢(shì)[1]。為了優(yōu)化火電深度調(diào)峰期間的鍋爐燃燒效率，國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)整和技術(shù)改造，東北地區(qū)是重點(diǎn)區(qū)域。通過對(duì)多家電廠實(shí)施“低負(fù)荷”穩(wěn)定生產(chǎn)的制約因素的研究，發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷條件下，大部分鍋爐機(jī)組均有爐膛燃燒不穩(wěn)定以及催化還原（SCR）煙氣溫度不足的問題[2]。

本文分析了低負(fù)載運(yùn)行下鍋爐的一些技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決方案，可為實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰、快速變負(fù)荷等高彈性的火力發(fā)電技術(shù)提供參考。

1 超低負(fù)荷運(yùn)行問題

隨著風(fēng)電與光伏發(fā)電迅速發(fā)展，加強(qiáng)電源側(cè)調(diào)峰能力的建設(shè)以及深化調(diào)峰措施，能夠有效提高新能源的消納水平，并緩解當(dāng)前嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光問題。為了支持高比例的新能源發(fā)電建設(shè)，火電機(jī)組的深度調(diào)峰已經(jīng)成為常態(tài)。而過低的負(fù)荷會(huì)對(duì)鍋爐機(jī)組正常運(yùn)行造成不良影響。在低負(fù)荷工況下，入爐燃料量降低，爐溫下降，煤粉顆粒進(jìn)入爐內(nèi)不能迅速燃燒，易發(fā)生鍋爐滅火等嚴(yán)重事故，以無煙煤或貧煤為燃料的鍋爐燃燒不穩(wěn)定問題更加顯著。同時(shí)爐溫降低還會(huì)造成出口煙氣溫度降低，導(dǎo)致鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。為解決目前低負(fù)荷運(yùn)行的問題，通常采用鍋爐精細(xì)化調(diào)整、燃燒系統(tǒng)改造、助燃系統(tǒng)穩(wěn)定燃燒以及改造鍋爐結(jié)構(gòu)等方式來確保鍋爐在低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。

2 超低負(fù)荷運(yùn)行問題的應(yīng)對(duì)措施

2.1 鍋爐精細(xì)化調(diào)整

鍋爐低負(fù)荷狀態(tài)下的精細(xì)化調(diào)整主要針對(duì)風(fēng)煤系統(tǒng)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷狀態(tài)下的穩(wěn)定燃燒與低排放要求。相關(guān)研究表明，某600MW 四角切圓鍋爐通過墻式風(fēng)射流技術(shù)，爐內(nèi)高溫腐蝕和結(jié)渣問題得到減輕，爐膛出口NOx排放量降低，低負(fù)荷狀態(tài)下效果更佳[3]。調(diào)節(jié)煤粉顆粒粒徑與磨煤機(jī)出口溫度也能對(duì)改善爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性起到積極作用[4]。磨煤機(jī)出口溫度提升有助于提高煤粉細(xì)度，增大煤粉入爐后與空氣的接觸面積。

通常來說，燃料的著火熱越高，低負(fù)荷工況下燃燒越不穩(wěn)定。相對(duì)于對(duì)沖燃燒和四角切圓煤粉爐，W 火焰鍋爐通常使用燃點(diǎn)更高的無煙煤作為燃料，這使得W 火焰鍋爐負(fù)荷變化范圍較小。某機(jī)組的W 火焰鍋爐通過合理調(diào)整一次風(fēng)與三次風(fēng)、制粉系統(tǒng)、水泵等輔助設(shè)備，確保了鍋爐在低負(fù)荷工況下的燃燒效率[5]。但受制于燃料特性等問題，W 火焰鍋爐通常情況下僅能維持在50%額定負(fù)荷。山西國(guó)投晉城熱電有限公司通過對(duì)磨煤機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)控制和對(duì)鍋爐狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，成功實(shí)現(xiàn)了300MW 的W 火焰鍋爐在超低負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行，在不投油穩(wěn)燃狀態(tài)下，鍋爐最低負(fù)荷達(dá)到了30%[6]。

2.2 燃燒系統(tǒng)改造

鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，給煤機(jī)與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也隨之改變，同時(shí)爐內(nèi)溫度降低，使得煤粉顆粒進(jìn)入爐內(nèi)后著火更加困難。

為解決上述問題，中科院工程熱物理研究所提出了預(yù)熱燃燒技術(shù)，該技術(shù)可通過預(yù)熱燃燒器將燃料溫度預(yù)熱至800℃，該溫度下燃料被熱解為煤氣與半焦的混合物，進(jìn)入爐內(nèi)后可快速燃燒，在高著火熱燃料穩(wěn)定燃燒和低污染物排放方面有明顯優(yōu)勢(shì)[7-8]。

馬達(dá)夫等[2]為改善煤粉爐在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下制粉系統(tǒng)對(duì)燃燒狀態(tài)的影響，在磨煤機(jī)出口處接入小粉倉(cāng)，其改造后的流程圖如圖1 所示，改造后的煤粉著火特性提升，并有效地解決了低負(fù)荷狀況下煤粉系統(tǒng)易堵的問題。

圖1 制粉系統(tǒng)改造示意圖

林雪健[9]等從燃燒器入手，將最上層燃燒器改造為兩個(gè)小噴口的雙層燃燒器。在鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，入爐燃料量降低，爐溫下降，煤粉入爐后著火困難，燃燒器分層布置后單只噴口的煤粉量降低，同時(shí)增大了煤粉與空氣的接觸面積，更有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。

2.3 助燃系統(tǒng)

助燃是煤粉鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒的常用手段，常見的鍋爐機(jī)組助燃方式主要分為爐內(nèi)噴油助燃與等離子點(diǎn)火助燃。

爐內(nèi)噴油助燃是一種應(yīng)用廣泛且穩(wěn)定的助燃技術(shù)，燃料油火焰溫度高，足夠點(diǎn)燃無煙煤與貧煤，且著火穩(wěn)定。但該技術(shù)油耗較高，投油期間靜電除塵系統(tǒng)不能投入運(yùn)行，并且會(huì)帶來污染氣體排放量過高與爐內(nèi)結(jié)焦等問題。近年來，微油點(diǎn)火技術(shù)逐步發(fā)展成熟，該技術(shù)是利用壓縮空氣將燃油霧化成油滴的方式入爐燃燒，該技術(shù)與普通點(diǎn)火技術(shù)相比油耗量更低，并保留了噴油助燃可靠性高，燃燒溫度高等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究表明微油點(diǎn)火技術(shù)可實(shí)現(xiàn)300WM 鍋爐冷爐點(diǎn)火，在鍋爐30%額定負(fù)荷工況下仍可滿足需求，且油耗量降低95%以上[10]。

等離子體點(diǎn)火技術(shù)是利用直流電流將陰極陽(yáng)極之間的載體風(fēng)電離后獲得定向的高溫高密度等離子體，煤粉入爐接觸后揮發(fā)分析出加劇燃燒，從而實(shí)現(xiàn)無油點(diǎn)火的目的[11]。相較于投油點(diǎn)火，等離子體點(diǎn)火溫度更高，可達(dá)到5000℃左右，且不會(huì)造成污染和結(jié)焦等問題。

對(duì)比分析可知，兩種助燃技術(shù)各有優(yōu)劣。噴油助燃煤種適應(yīng)性更強(qiáng)，等離子體點(diǎn)火技術(shù)不適應(yīng)揮發(fā)分較低的無煙煤與貧煤。且等離子發(fā)生器壽命較低，維護(hù)成本高，初期建設(shè)費(fèi)用也遠(yuǎn)高于噴油點(diǎn)火技術(shù)。等離子體點(diǎn)火技術(shù)主要目的是降低高品位燃料的消耗，滿足建設(shè)條件的情況下可同時(shí)建設(shè)兩種點(diǎn)火助燃設(shè)備，根據(jù)實(shí)際需求搭配使用。

2.4 寬負(fù)荷脫硝改造

為滿足環(huán)保需求，我國(guó)投運(yùn)的燃煤機(jī)組大多加裝選擇性催化還原技術(shù)（SCR）設(shè)備進(jìn)行脫硝，然而在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐內(nèi)溫度降低，出口煙溫難以達(dá)到SCR 設(shè)備的工作溫度，正常脫硝催化劑工作溫度范圍大概在320～400℃[12]，煙溫降低會(huì)影響設(shè)備的脫硝效果。目前，寬負(fù)荷脫硝鍋爐側(cè)改造主要有以下幾種技術(shù)路線，分別為省煤器分級(jí)布置、省煤器煙氣旁路及省煤器給水旁路等。

2.4.1 省煤器分級(jí)布置

省煤器分級(jí)布置原理為將部分省煤器受熱面移至脫硝裝置后的煙道中，脫硝裝置前布置了比一般設(shè)計(jì)相對(duì)較少的省煤器面積，從高負(fù)荷到低負(fù)荷，進(jìn)入脫硝裝置的溫度都有一定幅度的提高。

移至脫硝裝置后的省煤器可以繼續(xù)降低從脫硝裝置排出的煙氣溫度，從而保證空預(yù)器出口煙溫不變，保證鍋爐效率。該技術(shù)兼顧了提溫效果和安全可靠性，并且不需額外控制調(diào)節(jié)，對(duì)鍋爐效率影響較小。故低負(fù)荷條件下經(jīng)濟(jì)性較好，但改造后無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)煤種、工況變化的適應(yīng)性不強(qiáng)，高負(fù)荷時(shí)容易超溫，且改造難度大，成本較高。

2.4.2 省煤器煙氣旁路技術(shù)

省煤器煙氣旁路原理為引一路高溫?zé)煔馔ㄈ隨CR進(jìn)口煙道混合，提高SCR 煙氣溫度，省煤器煙氣旁路示意圖如圖2 所示。煙氣引出點(diǎn)一般在省煤器前的煙道。該技術(shù)的特點(diǎn)是可以通過煙氣旁路擋板調(diào)節(jié)旁路煙氣量，從而可以根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)省煤器出口煙氣溫度，負(fù)荷適應(yīng)性好，提溫幅度較大?？梢詽M足并網(wǎng)投脫硝的煙溫需求。

圖2 省煤器煙氣旁路示意圖

但也存在若干問題，如存在煙氣擋板密封性較差（積灰、卡澀）的問題，可能在高負(fù)荷時(shí)有部分高溫?zé)煔鈴呐月窡煹佬孤苯舆M(jìn)入脫硝裝置，會(huì)對(duì)催化劑帶來致命的破壞。另外如果冷熱煙氣混合不均可能導(dǎo)致催化劑遭遇過高、過低兩種現(xiàn)象，對(duì)催化劑的活性、壽命極為不利。

2.4.3 省煤器水旁路技術(shù)

省煤器水旁路技術(shù)原理為通過降低省煤器換熱面管內(nèi)的水流量，從而降低省煤器的換熱量使省煤器出口煙氣溫度提高，技術(shù)示意圖如圖3 所示。該技術(shù)的特點(diǎn)是，可以通過調(diào)節(jié)給水旁路的流量，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整脫硝裝置入口煙氣溫度。機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可將旁路管道上的閘閥關(guān)閉，給水旁路系統(tǒng)完全切除，鍋爐效率不變，省煤器水旁路技術(shù)可以通過閥門調(diào)節(jié)給水旁路的流量，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整脫硝裝置入口煙氣溫度。

圖3 省煤器水旁路技術(shù)示意圖

針對(duì)某300MW 燃煤鍋爐機(jī)組的省煤器給水旁路改造研究顯示，該方案可有效提升進(jìn)口煙氣10℃以上，并且對(duì)空預(yù)器出口煙溫影響很小，對(duì)旁路中給水氣化問題也有一定改善作用[13]。

根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)比分析可知，省煤器分級(jí)技術(shù)和煙氣旁路技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較高范圍的煙氣溫度調(diào)節(jié)，但改造投資較高，且會(huì)對(duì)機(jī)組效率造成影響，在進(jìn)行改造時(shí)，可優(yōu)先考慮省煤器水旁路技術(shù)[14]。

3 結(jié)論與展望

近幾年來，在“雙碳”背景下，燃煤鍋爐的發(fā)電份額逐漸被風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源取代，其參與深度調(diào)峰帶來的超低負(fù)荷運(yùn)行問題有必要進(jìn)一步分析。本文通過對(duì)比分析煤粉鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行優(yōu)化的精細(xì)調(diào)整方案、助燃方案與寬負(fù)荷脫硝改造方案得出以下結(jié)論：

1）不同鍋爐的低負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍不同，精細(xì)化調(diào)整的方案也不同，應(yīng)在日常生產(chǎn)過程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)機(jī)組特性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以最大程度上挖掘鍋爐超低負(fù)荷調(diào)峰的能力。

2）燃燒器與煤粉系統(tǒng)對(duì)鍋爐機(jī)組超低負(fù)荷運(yùn)行有著重要作用。合理選擇燃燒器類型與煤粉粒徑可以最大程度上保證煤粉入爐后穩(wěn)定燃燒。

3）助燃系統(tǒng)是保障煤粉鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行的重要保障，噴油助燃與等離子體點(diǎn)火助燃各有優(yōu)劣，可根據(jù)燃料性質(zhì)與實(shí)際情況選擇。

4）為保證脫硝設(shè)備正常運(yùn)行提出三種不同的改造技術(shù)，省煤器水旁路技術(shù)可滿足鍋爐機(jī)組脫硝設(shè)備的正常運(yùn)行，且建設(shè)投資低，對(duì)鍋爐影響較小。

近年來關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究不斷深入，燃煤機(jī)組在解決超低負(fù)荷運(yùn)行問題的同時(shí)也可考慮鍋爐機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合的可行性。同時(shí)，生物質(zhì)耦合燃煤機(jī)組的方案正在受到關(guān)注，未來將在鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。