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昂永波內蒙古京寧熱電有限責任公司
［摘要］開展350MW超臨界機組低負荷運行優化調整。通過實施優化磨煤機運行方式、提高煤粉細度、調節磨煤機出口風粉混合溫度、控制一次風粉均勻性、調節燃燒器湍流強度、優化單個燃燒器內外二次風的風量比、控制減溫水量等調整措施,挖掘機組自身的深度調峰潛能,最終實現了機組在30%額定負荷下不投油的穩定運行,同時保證了SCR脫硝系統的正常投運。
0 引言
近年來，我國「三北」地區風能、太陽能等清潔能源裝機容量迅速增加，但是受用電負荷容量及輸電通道等因素的限制，出現大面積棄風、棄光現象[1]。為此，國家發改委、國家能源局出臺一系列政策，目的是保證清潔能源的大規模併網消納，降低「三北」地區的棄風、棄光率。然而由於風能、太陽能發電的間歇性、波動性、隨機性等特點，在抽水蓄能和燃氣機組等調峰機組尚未配備完善的情況下，新能源的大規模併網勢必加劇電網調峰能力與用電需求之間的供需矛盾，對電網調峰能力提出了更高的要求[2]。考慮到我國的能源裝機結構，國家發改委、國家能源局要求常規燃煤火電機組參與電網調峰，提升我國火電機組的運行靈活性。
在此形勢下，國內部分燃煤電廠根據機組特點進行相關的試驗和改造工作，主要是在50%額定負荷工況下對機組進行深度調峰試驗和相應的改造，但對30%額定負荷下機組實際運行狀況的研究較少。本文以內蒙古京寧熱電有限責任公司（以下簡稱京寧熱電）350MW超臨界機組為試驗對象，通過燃燒優化調整，實現機組在30%額定負荷下不投油的穩定運行，為其他燃煤機組提供技術參考。
1 設備概況
內蒙古京寧熱電1號350MW超臨界機組鍋爐為北京B&W公司按照美國B&W公司SWUP（Spiral Wound Universal Pressure）鍋爐技術標準設計的超臨界SWUP鍋爐，超臨界參數、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、緊身封閉、Π型布置。鍋爐設有無循環泵的內置式啟動系統，以錫林郭勒盟神華勝利煤田的褐煤（混煤）為設計煤種，當地煤為校核煤種。鍋爐制粉系統採用中速磨煤機正壓冷一次風直吹式方式，前後牆對衝燃燒，配置B&W公司生產的HALF-PAX燃燒器及低NO x燃燒器噴口。鍋爐尾部分煙道設置，通過煙氣調溫擋板對再熱器出口汽溫進行調節。鍋爐尾部豎井下設置2臺三分倉迴轉式空氣預熱器，尾部煙道配有SCR脫硝裝置。
2 深度調峰運行優化調整
基於1號機組自身的運行特性，在不增加外部系統和設備情況下進行深度調峰試驗，以實現機組低負荷下的穩定運行。主要通過優化磨煤機運行方式、提高煤粉細度、調節磨煤機出口溫度、控制一次風粉均勻性、調節燃燒器湍流強度、優化單個燃燒器內外二次風的風量比、控制減溫水量等手段挖掘機組的深度調峰潛能。
2.1 制粉系統及送粉系統優化調整
2.1.1 磨煤機組合方式優化
1號機組現配備6臺MPS200HP-Ⅱ型中速輥式磨煤機，每臺磨煤機對應鍋爐一層（4隻）旋流燃燒器，每臺鍋爐共24隻燃燒器，分3層布置在鍋爐前、後牆，每層前、後排各4隻燃燒器。根據設備的設計說明，在30%額定負荷下，建議投運2臺磨煤機、8臺燃燒器。在實際運行中，為了保證機組的安全穩定性，防止磨煤機突然跳閘而引發安全問題，根據105 MW（30%額定負荷）負荷工況下的燃煤量，保留3臺磨煤機運行。
機組在低負荷時，不同的磨煤機及燃燒器組合投運方式會對燃燒穩定性、主蒸汽參數及排煙溫度產生影響，投運下層燃燒器有利於提高煤粉氣流的穩燃特性，抑制金屬管壁超溫；投運上層燃燒器有利於抬高爐膛火焰中心，提高SCR反應器入口煙氣溫度[3]。因此，在優先保證燃燒器穩燃條件下，選擇投運前牆A層、前牆B層、後牆D層3層燃燒器。考慮到低負荷下給煤量降低，單臺磨煤機磨盤上煤層可能無法保持均勻、容易發生振動，在低負荷運行調峰期間，採用褐煤與煙煤摻燒方式，一方面可通過增加燃煤量保證磨煤機運行的安全性，另一方面可改善煤粉氣流的著火特性。
2.1.2 提高煤粉細度
根據文獻[4]，煤粉顆粒越小，相同給煤量下煤粉顆粒數量越多，煤粉氣流整體表面積越大，吸熱量也越多；隨著煤粉顆粒變小，煤粉顆粒自身的熱容量減少，使煤粉氣流的黑度增大、升溫速率及揮發分析出速率增大，有利於煤粉的快速著火和穩定燃燒。但是，隨著煤粉細度的提高，磨煤機耗電率也隨之增大。
6臺MPS200HP-Ⅱ型中速輥式磨煤機配有靜態分離器，在一次風量和煤質基本穩定的條件下，煤粉細度與靜態分離器葉片開度有直接關係。因此，在低負荷調峰試驗過程中，通過靜態分離器的葉片操縱裝置調整葉片開度，可實現對煤粉細度的優化調整。
2.1.3 提高磨煤機出口風粉混合溫度
根據文獻[5]，提高磨煤機出口風粉混合溫度、降低磨煤機入口一次風量，均有利於降低煤粉氣流著火所需的熱量（以下簡稱著火熱）。為了保證磨煤機的乾燥出力，同時降低煤粉氣流的著火熱，在試驗過程中對磨煤機入口一次風量及磨煤機出口溫度進行優化調整。其中，一次風量由熱風控制擋板調整，磨煤機出口溫度由冷風控制擋板調整。
2.1.4 調整一次風壓，控制一次風速
根據磨煤機的運行要求，進入每臺磨煤機的一次風量應根據給煤量進行調節。在低負荷運行過程中，隨著給煤量的降低，一次風量也隨之降低，導致煤粉在煤粉管道內及燃燒器噴口的一次風速降低。在煤粉管道內當一次風速低於18m/s時，煤粉會在管道中沉積，造成堵管。但一次風量過大會造成煤粉氣流燃燒不穩定，飛灰中含碳量增加。因此，在低負荷試驗過程中，在保證不發生堵管的前提下調整一次風壓，以降低磨煤機通風量。
一次風粉混合物從磨煤機通過煤粉管道輸送至對應的燃燒器。由於從磨煤機出口至燃燒器入口的煤粉管道長度及彎頭數量、角度都不同，所以每根管道的阻力也不相同，造成每隻燃燒器的一次風粉量不平衡。在試驗過程中，通過調節節流裝置對各管道的阻力進行調平，使各煤粉管道的一次風量和煤粉濃度基本保持均勻。
2.2 燃燒器穩燃優化調整
1號機組採用HALF-PAX型低NO x雙調風旋流燃燒器，該燃燒器在彎頭區域布置了偏心異徑管，使得煤粉氣流在進入燃燒器前即實現了一次濃縮分離。由於離心力的作用，一次風粉氣流中50%的一次風和10%～15%的煤粉被分離出來，通過乏氣送粉管道輸送至乏氣燃燒器噴口，進入爐膛燃燒；剩餘的一次風攜帶85%～90%的煤粉經煤粉燃燒器一次風噴口噴入爐內燃燒。隨著煤粉體積分數的提高，其單位體積內釋放的揮發分增多，輻射吸熱量增加，火焰傳播速度增大，有利於煤粉氣流的著火與穩定燃燒。
在低負荷試驗過程中，通過調整燃燒器內部的軸向倒流葉片角度來改變燃燒器內二次風及外二次風的旋轉強度，進而增加爐膛高溫煙氣的卷吸量，強化對流換熱；通過調整內二次風通道入口端小調風盤的開度來調節進入內二次風通道的風量，進而改變低負荷下單個燃燒器內二次風和外二次風的比例，優化爐內燃燒。
2.3 主蒸汽參數優化調整
機組在低負荷下運行時，很有可能造成汽壓降低、水動力不足，進而導致水冷壁及屏式過熱器等受熱面超溫、主蒸汽和再熱蒸汽溫度失調、汽水管路中的氧化皮加劇生成和剝落等問題[6]。同時，在低負荷運行工況下，由於水冷壁各循環迴路汽水比例分配偏差過大使循環速度偏差增大，造成水循環停滯或倒流的可能性增大。特別是超臨界機組，在溼態到幹態的轉化點附近運行時，極易造成機組的管壁超溫。
針對以上問題，本次試驗中主要通過調節給水量和減溫水量、控制煙氣擋板等手段進行優化調整，以控制主蒸汽溫度熱偏差。同時，在試驗過程中還對低負荷下的螺旋管水冷壁出口、引出管、連接管等壁溫進行監測，以保證設備的安全運行。
3 試驗結果分析
3.1 燃燒優化調整試驗結果
採取以上優化調整措施後，機組在低負荷下的穩燃性能得到明顯改善。試驗結果表明，在燃用褐煤和煙煤混煤的條件下，機組最低不投油穩燃負荷為105MW，比設計保證值低17MW。
（1）在降負荷運行過程中，根據前期靜態分離器擋板特性試驗結果（如圖1所示），當機組在30%額定負荷工況下運行時，可將葉片開度控制在48%左右，此時煤粉細度R90由原來的30%變為25%，相應的煤粉氣流的著火穩定性也有所提高。但是這種調節方式存在可調性差、煤粉細度不均勻等缺點，不利於調峰工況下的長期運行，因此可考慮將靜態分離器改為動態分離器，以提高煤粉細度及均勻性。
圖1 煤粉細度隨葉片開度的變化曲線
（2）當機組負荷在30%～35%額定負荷波動時，給煤量在76～92 t/h波動；相應的給水量也隨給煤量的變化而波動，基本控制在315～385 t/h（見圖2）。相比之下，總風量隨負荷及給煤量的波動變化較緩，在低負荷運行期間，總風量基本維持在626～656 t/h。考慮到磨煤機最小出力為18 t/h，因此在試驗過程中A、B、D 3臺磨煤機出力均維持在20 t/h以上，以保證磨煤機的運行安全。
（3）根據DL/T 5145—2012《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》，A磨煤機（褐煤）和D磨煤機（褐煤）出口風粉混合溫度不能超過65℃，B磨煤機（煙煤）出口風粉混合溫度不能超過90℃[7]。
在30%額定負荷工況下運行，由於A磨煤機和D磨煤機純燒褐煤，為了保證磨煤機的乾燥出力，將磨煤機入口冷風擋板開度調為0%，此時熱一次風風溫基本穩定在298℃左右。如圖3所示，經過優化調整，A磨煤機和D磨煤機入口熱風擋板開度基本控制在42.9%左右，此時一次風量基本維持在103 t/h左右，磨煤機出口風粉混合溫度也基本保持不變，約為51℃。
圖2 30%額定負荷下給煤量、總風量及給水量變化曲線
圖3 A磨煤機和D磨煤機出口溫度隨擋板開度變化曲線
圖4 B磨煤機出口風粉混合溫度隨擋板開度變化趨勢
（4）由於B磨煤機純燒煙煤，在30%額定負荷工況下運行，冷風擋板開度隨熱風擋板開度變化有一定的波動性，其入口混合風溫約172℃，一次風量約69 t/h，磨煤機出口風粉混合溫度在80.8～84.6℃波動（見圖4）。參考DL/T 5145—2012標準，磨煤機出口風粉混合溫度還有一定的提升空間，但是對於褐煤來說，低負荷下一次風熱風溫度已經不能滿足乾燥要求（冷風擋板開度為0%），因此可考慮採取其他措施提高熱風溫度，進一步提高低負荷下的一次風熱風溫度，降低煤粉氣流的著火熱。
除此之外，在30%額定負荷工況試驗過程中，將A磨煤機和D磨煤機入口一次風壓控制在4.6 kPa左右，磨煤機出口風壓控制在2 kPa左右。將A磨煤機和D磨煤機出口各煤粉管道的煤粉流速分別控制在19.88m/s和20.19m/s左右；B磨煤機入口一次風壓控制在3.2 kPa左右，出口風壓控制在1.1 kPa左右，B磨煤機出口各煤粉管道的煤粉流速控制在18.92 m/s左右，保證一次風量偏差在5%～10%，煤粉濃度偏差在10%以下。同時，通過調整小調風盤的開度來調節單個燃燒器內、外二次風的風量比。
3.2 主蒸汽參數優化調整試驗結果
低負荷調峰試驗過程中，通過調節給水量和減溫水量、控制煙氣擋板等手段對主蒸汽參數進行優化調整，當機組負荷在30%～35%額定負荷波動時，主蒸汽溫度、減溫水量的變化見圖5。從圖5中可以看出，隨著負荷的波動，通過對減溫水量的調節及布置在尾部豎井煙道底部的煙氣調溫擋板調節，過熱器出口左右兩側主蒸汽溫度偏差不大，整體保持平穩。與主蒸汽溫度的控制設定值相比，左側主汽溫度控制偏差為±20℃，右側主汽溫度控制偏差為±20℃。相應的，左側減溫水量及右側減溫水量變化趨勢相似，基本維持在5 t/h以下。主汽溫度整體偏差不大，這主要是通過建立減溫水—主汽溫度、負荷—主汽溫度數學模型，可有效預測主汽溫度下一時刻變化趨勢，對主汽溫度進行實時監控並及時調整，解決了主汽溫度調節存在的延時大、慣性大的問題。
試驗過程中還對30%額定負荷下的螺旋管水冷壁出口管、引出管的壁溫進行監測，結果見圖6。鍋爐前牆水冷壁引出管和右牆水冷壁引出管出口工質溫差較大，但在30%額定負荷下各管壁溫度均處於許用溫度範圍內，未發生超溫現象，鍋爐水循環運行安全可靠。
圖5 主蒸汽參數及減溫水量變化曲線
圖6 30%額定負荷下水冷壁壁溫測點溫度柱狀圖
圖7 SCR反應器入口煙氣溫度及脫硝效率變化曲線
3.3 SCR脫硝系統試驗結果
根據SCR催化劑的設計性能，1號機組SCR脫硝系統的最低運行溫度為310℃。根據文獻[8]，隨著機組負荷的降低，SCR反應器入口煙氣溫度隨之降低。為了保證SCR脫硝系統的正常投運，目前常用的提升煙氣溫度的措施主要有設置煙氣旁路、給水旁路、0號高壓加熱器，熱水再循環、省煤器分級、煙道補燃等[9-10]。
本次低負荷試驗過程中，當機組負荷降至30%～35%額定負荷時，在未採取任何寬負荷脫硝措施的情況下，SCR反應器入口煙氣溫度的變化如圖7所示。從圖7可以看出，機組在30%～35%額定負荷工況下運行時，SCR反應器入口煙氣溫度仍然維持在318.5～321.3℃，滿足脫硝系統的正常投運；SCR反應器入口NO x質量濃度（折算後）為318.3～366.6mg/m3，SCR脫硝系統的脫硝效率高達88%；SCR反應器出口NO x質量濃度（折算後）低於50mg/m3，滿足國家超低排放要求。
4 結束語
內蒙古京寧熱電350MW超臨界機組優化調整試驗後，實現了機組在30%額定負荷下不投油的穩定運行，且保證了SCR脫硝系統的正常投運。本次低負荷運行試驗可為國內各燃煤火電機組在靈活性改造及低負荷運行優化調整提供技術參考。
參考文獻：
[1]周強，汪寧渤，冉亮，等.中國新能源棄風棄光原因分析及前景探究[J].中國電力，2016，49（9）：7-12.
[2]張寧，周天睿，段長剛，等.大規模風電場接入對電力系統調峰的影響[J].電網技術，2010，34（1）：152-158.
[3]夏季，彭鵬，華志剛，等.燃煤電廠分磨摻燒方式下磨煤機組合優化模型及應用[J].中國電機工程學報，2011，31（29）：1-8.
[4]姜秀民，楊海平，劉輝，等.粉煤顆粒粒度對燃燒特性影響熱分析[J].中國電機工程學報，2002，22（12）：142-145.
[5]章良利，沈利，陶軍，等.中速磨煤機出口溫度提高的安全性評估及對鍋爐運行的影響[J].中國電力，2016，49（8）：181-184.
[6]沈利，徐書德，關鍵.超臨界大容量火電機組深度調峰對煤鍋爐的影響[J].發電設備，2016，30（1）：21-23.
[7]國家能源局.火力發電廠制粉系統設計計算技術規定：DL/T 5145—2012[S].北京：中國電力出版社，2012.
[8]甘露，王濟平.寬負荷脫硝技術探討[J].山東工業技術，2016（9）：63.
[9]石航，石踐，陳玉忠，等.電站鍋爐偏流事故的分析討[J].電力大數據，2017，20（11）：57-61，88.
[10]秦小陽.600MW超臨界火電機組不投油深度調峰技術分析應用[J].中國電業，2015（5）：36-39.
原文發表於：《內蒙古電力技術》2018年第1期，標題為：350MW超臨界機組深度調峰運行優化調整技術分析
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