陳 濤

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

國家經(jīng)濟形勢新常態(tài)下的電網(wǎng)調(diào)峰矛盾日益加劇，火電機組常規(guī)的50 %調(diào)峰能力無法滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需要。因此，深度挖掘火電機組調(diào)峰能力，在保證機組安全的基礎上將調(diào)峰負荷降低至40 %以下，已成為發(fā)電企業(yè)和科研院所的關鍵課題。

常規(guī)火電機組汽輪機大都可在20 %—30 %額定負荷穩(wěn)定運行，故火電機組深度調(diào)峰幅度往往取決于鍋爐能否安全、穩(wěn)定燃燒。通過查閱大量鍋爐性能考核試驗的結(jié)果可知，當負荷降到30 %—40 %額定負荷時，鍋爐在運行過程中會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定、水動力不足、泵與風機運行失穩(wěn)等問題。

1 深度調(diào)峰中的鍋爐安全問題

1.1 火電機組厚壁元件壽命損耗問題

在燃煤機組深度調(diào)峰過程中，機組負荷的大范圍、快速升降，會帶來蒸汽壓力和蒸汽溫度的快速升降，在這樣的工況下，往往會出現(xiàn)厚壁元件的壁溫差增大，導致金屬部件熱應力增大、疲勞程度加大。所以燃煤機組深度調(diào)峰過程中要特別關注類似于汽包、集箱、汽水分離器等部件的狀態(tài)，重點關注深度調(diào)峰過程中機組元件的壽命損耗。

1.2 超低負荷工況下爐內(nèi)受熱面壁溫安全性問題

(1) 在超低負荷燃燒下，會出現(xiàn)給煤量和返灰量投入不均衡，造成換熱管道受熱不均，從而易導致管道局部超溫，引起管壁過熱，長時間運行后會增加爆管發(fā)生的幾率。

(2) 鍋爐在長期低負荷運行后，排煙溫度會有所下降，使尾部布置的換熱管道的低溫腐蝕發(fā)生幾率增加。

(3) 在超低負荷工況下，對于鍋爐內(nèi)工質(zhì)來說，蒸汽流量較低，必然會造成汽水流程的管壁內(nèi)部流量偏差加劇，換熱不均，局部超溫現(xiàn)象嚴重。

(4) 在超低負荷工況下，為了保證爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性，風煙系統(tǒng)的空氣動力場會偏離最佳狀態(tài)。然而煙氣流量低，爐膛火焰充滿度差，對流換熱處的煙氣偏差加劇，壁溫偏差大的現(xiàn)象會時有發(fā)生。運行時煙速下降，更容易在水平煙道位置產(chǎn)生積灰；水平煙道里積灰較多時，不但影響傳熱，還會造成受熱面壁溫偏差增大，甚至超溫。當積灰達到一定厚度時，在爐膛負壓擾動下會造成垮灰，甚至造成鍋爐滅火。

據(jù)此，當深度調(diào)峰過程在超低負荷的工況下時，需要重新核算受熱面的壁溫安全性，評估拉裂危險性。隨著機組負荷的降低，受熱面工質(zhì)側(cè)、煙氣側(cè)偏差加大，部分對流受熱面溫度偏差升高，在確保受熱面壁溫安全性的基礎上需要重新優(yōu)化受熱面壁溫報警系統(tǒng)。低負荷下報警溫度的設定則需考慮壓力、溫度的變化，增加受熱面動態(tài)壁溫報警功能以實現(xiàn)壁溫的超前調(diào)節(jié)。

1.3 直流爐水動力安全性問題

對于亞臨界汽包爐，一般不存在水動力安全性問題，只需在深度調(diào)峰的快速變負荷過程中注意水循環(huán)穩(wěn)定性即可。主要控制好汽包水位和汽包的上下、內(nèi)外壁溫差，確保鍋筒安全；采用相對較高的壓力定壓運行；控制變負荷速度，防止省煤器汽化。

對于超臨界直流爐，在超低負荷工況下，特別是當機組發(fā)電負荷降至30 %及以下時，省煤器入口給水流量已接近保護定值，爐內(nèi)水動力情況惡化，局部過熱爆管可能性急劇增大。另外由于受磨煤機投運組合關系的影響，爐內(nèi)熱流密度偏差加大，管間壁溫偏差加大。

為提高深度調(diào)峰過程中燃煤機組水動力的運行安全性，要從以下幾個方面開展工作。

(1) 需定量核算低負荷工況下，燃煤機組水動力安全性。通過核算水動力的停滯、循環(huán)水速和動態(tài)不穩(wěn)定性，保證水冷壁受熱面可靠的溫度工況和確定整個汽水系統(tǒng)的壓力損耗，從而選擇合適的給水泵工作壓頭。

(2) 重點關注分離器工質(zhì)的過熱度。在快速負荷變動過程中，給水與燃料之間需要密切協(xié)調(diào)，以維持合適的燃水比。

(3) 避免省煤器入口工質(zhì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。為降低汽機熱耗，鍋爐給水溫度設置較高，因此在鍋爐快速升降負荷過程中，由于壓力的大幅變化，很可能出現(xiàn)省煤器工質(zhì)汽化現(xiàn)象，所以要嚴格控制給水溫度和壓力的變化。

1.4 超低負荷脫硝裝置投入問題

在鍋爐啟停及負荷較低時，因脫硝裝置反應器入口煙氣溫度較低，硫酸氫氨沉積在催化劑和下游設備上，導致催化劑活性下降和設備堵塞，系統(tǒng)無法正常運行。因此，在深度調(diào)峰的超低負荷工況下，存在脫硝裝置無法投入的問題，機組無法環(huán)保、安全運行。同時負荷低于40 %后，鍋爐一次風率加大，火焰剛度過大，導致對墻水冷壁結(jié)焦加劇，同時二次風率降低可能引起中心風筒積灰、燃燒器冷卻風量不足，氮氧化合物生成量的控制存在諸多困難。

據(jù)此，在深度調(diào)峰過程中，需要深入研究如何提高脫硝裝置反應器入口煙氣溫度和寬溫催化器的寬負荷脫硝技術。目前常用方式是提高反應器入口煙氣溫度，工程上可用的方法有：采用分級省煤器布置，增加尾部煙氣旁路，增加省煤器工質(zhì)旁路，熱水再循環(huán)至省煤器入口等。

1.5 超低負荷燃燒器穩(wěn)燃和制粉系統(tǒng)配合問題

燃煤機組深度調(diào)峰的首要目標是降低到能保證機組安全運行的最低負荷，所以超低負荷下制粉系統(tǒng)的安全運行至關重要。而目前燃煤機組制粉系統(tǒng)運行現(xiàn)狀存在諸多問題，如運行環(huán)境惡劣，制粉系統(tǒng)故障率高；精細化監(jiān)測、控制難度大，自動化程度低；直吹式制粉系統(tǒng)斷煤或跳磨對機組安全運行影響很大；碾磨煤質(zhì)復雜多變，對設備適應性要求高等。燃煤機組超低負荷工況下安全運行對制粉系統(tǒng)提出以下幾點要求。

(1) 實際煤質(zhì)偏離設計煤質(zhì)的情況，原磨運行方式不再適用，磨振動、石子煤量大、爆燃、出力不足等問題頻出。所以需要對幾種常用煤質(zhì)分別進行制粉系統(tǒng)特性試驗，掌握不同煤質(zhì)對磨運行特性的影響規(guī)律，以指導燃煤機組的安全運行。

(2) 針對煤質(zhì)多變，表盤無有效監(jiān)測手段，如無風粉在線監(jiān)測或風量測量不準，運行人員無法及時調(diào)整的問題，需要安裝風粉在線監(jiān)測系統(tǒng)和穩(wěn)定精確的風量測量裝置，以供運行人員參考。

(3) 由于摻燒煤泥比例過高，給煤機斷煤頻繁，機組負荷容易快速下降，為了穩(wěn)燃需要投油槍又有可能出現(xiàn)磨煤機爆燃等問題，需要進行摻燒煤泥試驗，找尋制粉系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的最佳摻配比例。

為保障超低負荷下制粉系統(tǒng)的安全運行，需要對相關設備進行優(yōu)化改造。

(1) 為了改善風粉偏差，防堵管，優(yōu)化爐內(nèi)流場，提高熱負荷分配的均勻性和穩(wěn)定性，需要對煤粉分配器進行改造。

(2) 針對低負荷時鍋爐燃燒不穩(wěn)，易超溫和NOx排放的大幅波動問題，需要進行燃燒優(yōu)化智能控制。

(3) 為提高粗粉分離器效率，擴大煤粉細度調(diào)節(jié)范圍和提高煤粉均勻性指數(shù)，需要對粗粉分離器進行改造。

(4) 從提高細粉分離器效率，降低三次風帶粉率，實現(xiàn)穩(wěn)燃、增效和降氮的目的出發(fā)，需要對細粉分離器進行改造。

(5) 優(yōu)化改造制粉系統(tǒng)風量測量裝置，改善制粉系統(tǒng)風量測量裝置存在的堵灰、磨穿、直管道過短、溫度場和速度場不均勻等問題，提高磨入口風量的準確度、線性度，確保深度調(diào)峰過程中的風煤比準確控制。

(6) 為降低燃煤成本，采用摻燒煤泥方式；但易出現(xiàn)斷煤，影響低負荷穩(wěn)燃和制粉系統(tǒng)的安全運行，需對原煤斗防堵性能進行優(yōu)化改造。

1.6 超低負荷風機安全運行問題

在低負荷下，風機的流量、系統(tǒng)阻力與風機特性匹配差，造成風機失速和喘振。對此，可通過對風煙系統(tǒng)風機及輔助設備進行優(yōu)化改造，增強風機在低負荷運行時的安全適應性。

(1) 改造不合理的風機進出口管道布置方式，對整個煙風管道進行優(yōu)化改造。

(2) 降低風煙系統(tǒng)管道阻力及風機進口風量。

(3) 風機適當采用變頻控制或小汽機驅(qū)動調(diào)節(jié)技術。

(4) 保持風機本體不動，僅對風機配套電機進行降速改造或雙速電機改造。

(5) 根據(jù)深度調(diào)峰對風機葉輪或葉片的運行要求，優(yōu)化改造風機局部葉輪和葉片。

2 給水泵和凝結(jié)水泵的安全運行問題

針對汽水系統(tǒng)給水泵和凝結(jié)水泵在深度調(diào)峰過程中遇到的問題，可通過對給水泵和凝結(jié)水泵的全程控制方式進行優(yōu)化，以提高給水泵和凝結(jié)水泵在低負荷工況下安全運行的適應性。

2.1 給水泵的最小流量控制

對于配置汽動給水泵的燃煤機組，在給水流量較低的情況下，給水泵運行容易超出泵的安全工作區(qū)，造成給水流量波動，影響給水泵的安全運行。因此，要在深入研究機組汽動給水泵的安全工作區(qū)域基礎上，實現(xiàn)汽動給水泵最小流量的全程自動控制。一般最小流量的全程自動控制方式有2種。

(1) 汽動給水泵入口流量閉環(huán)控制。此種控制方式需要對給水泵入口流量設定安全流量值。在低負荷工況下給水流量低于這個安全值時，為保證最小流量閥慢慢開啟，需另外設置優(yōu)先級更高的超馳回路，使得低負荷工況下給水流量低于保護值時回路能快速開通，以保護給水泵的運行安全。

(2) 汽動給水泵最小流量閥開環(huán)控制。此種控制方式，需要設置給水泵入口流量與最小流量閥調(diào)節(jié)開度的開環(huán)線性插值函數(shù)。一般需設計給水流量上升過程和下降過程的2套函數(shù)，以避免控制過程存在一定死區(qū)。另外，需設置優(yōu)先級更高的超馳回路，使得低負荷工況下給水流量低于保護閾值時回路能快速開通，以保護給水泵的運行安全。

2.2 給水泵汽輪機汽源的安全控制

深度調(diào)峰低負荷工況下，汽輪機四段抽汽壓力必然大幅降低，此時給水泵汽輪機低壓調(diào)門進汽壓力得不到保障，必然造成給水系統(tǒng)出力降低，從而危及機組安全運行?，F(xiàn)有的小汽輪機汽源切換和調(diào)節(jié)，僅憑運行人員的經(jīng)驗手動進行。當機組突發(fā)事故時，例如跳機后四段抽汽突然失去時必須及時切換到另一路汽源，以保障鍋爐的正常上水。通常是將汽源切換至輔助蒸汽系統(tǒng)或冷再熱蒸汽。但是手動切換時間長，小汽輪機轉(zhuǎn)速超調(diào)量大。若沒能及時切換至另一路汽源或投用時擾動過大，則給水泵出力不足，將直接威脅到機組安全穩(wěn)定運行。據(jù)此，應研制對給水泵汽輪機汽源進行自動切換的控制裝置，實現(xiàn)深度調(diào)峰過程中給水泵汽輪機汽源穩(wěn)定控制的目的?？赏ㄟ^在汽源管路中配置相應的調(diào)節(jié)門，并設計汽源壓力自動閉環(huán)控制的控制策略，實現(xiàn)汽源壓力的在線閉環(huán)調(diào)整。

2.3 凝結(jié)水泵的安全運行問題

除采用與給水泵相同的入口流量閉環(huán)控制和最小流量閥開環(huán)控制策略外，對于采用凝結(jié)水泵變頻控制的機組，還要特別注意低負荷工況下變頻器的控制范圍。要在考慮變頻控制線性度的情況下，設計全程除氧器水位和凝結(jié)水壓力的自動控制方式，確保除氧器水位穩(wěn)定和滿足凝結(jié)水用戶的需求。

3 結(jié)論

鑒于現(xiàn)階段國內(nèi)主力電網(wǎng)構(gòu)成的特點使電網(wǎng)在低谷階段的安全性和穩(wěn)定性受到嚴重威脅，接納新能源能力嚴重受限，棄風、棄光、限核電現(xiàn)象比較嚴重，因而迫切需要研究燃煤機組的深度調(diào)峰問題，為區(qū)域電網(wǎng)消納新能源提供更大的空間。

燃煤機組運行的安全性是開展深度調(diào)峰的首要條件，以上從超(超)臨界燃煤機組深度調(diào)峰過程中的厚壁元件壽命、受熱面璧溫、水動力安全、脫硝環(huán)保裝置、制粉系統(tǒng)低負荷安全以及給水泵的安全運行幾個問題出發(fā)，研究深度調(diào)峰過程中運行設備及參數(shù)的技術瓶頸和危險點，并針對性地提出解決方案，以保障機組在深度調(diào)峰過程中的安全性。

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