閆超，李德波，廖偉輝，陳兆立，闕正斌，陳智豪，闞偉民，余馮堅(jiān)，陳錦攀

(1.廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；3. 南方電網(wǎng)廣東肇慶供電局，廣東 肇慶 526060；4.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；5.廣東省節(jié)能中心，廣東 廣州 510030；6.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)進(jìn)一步推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程，以風(fēng)能和太陽(yáng)能等為代表的新能源行業(yè)正蓬勃發(fā)展。新能源發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加，對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)提出更高且更靈活的消納要求[1-2]。目前，燃煤發(fā)電仍是我國(guó)的主要發(fā)電方式，在解決新能源發(fā)電并網(wǎng)的消納難題中，可以調(diào)節(jié)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的重要作用[3]。

然而，現(xiàn)役燃煤鍋爐在設(shè)計(jì)階段均未考慮長(zhǎng)期進(jìn)行深度調(diào)峰，因此鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃成為當(dāng)下的熱門研究課題，眾多學(xué)者已采用不同方法開(kāi)展研究分析[1，3-5]。燃煤鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行方案較多，都需要進(jìn)一步優(yōu)化完善[6-9]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)超超臨界循環(huán)流化鍋爐機(jī)組，開(kāi)展技術(shù)可行性研究并明確方案，預(yù)測(cè)其深度調(diào)峰能力；文獻(xiàn)[9]則設(shè)計(jì)了一種鍋爐低負(fù)荷安全運(yùn)行控制系統(tǒng)，為燃燒安全問(wèn)題提供完整的解決方案。采用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件等工具，可以對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行燃燒等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬[10-13]，進(jìn)而研究相關(guān)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]采用Ansys Fluent軟件，研究超低負(fù)荷、不同運(yùn)行氧量工況下某300 MW機(jī)組切圓燃燒鍋爐爐膛溫度、氧量、CO和NOx的分布規(guī)律，分析其對(duì)燃燒穩(wěn)定性和NOx排放特性的影響。而與數(shù)值模擬研究相比，試驗(yàn)研究手段與實(shí)際運(yùn)行情況更加接近，能得到更準(zhǔn)確的結(jié)論[14-18]。文獻(xiàn)[14]針對(duì)某電廠630 MW機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰研究并試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了30%額定負(fù)荷下機(jī)組干態(tài)運(yùn)行，且自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)加減負(fù)荷速率可達(dá)到10 MW/min；文獻(xiàn)[15]分析了1 000 MW機(jī)組鍋爐負(fù)荷變化對(duì)飛灰特性的影響，研究不同影響因素下飛灰特性變化的規(guī)律；文獻(xiàn)[16-17]主要進(jìn)行了循環(huán)流化床鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵技術(shù)研究，提出流化床鍋爐深度調(diào)峰改造關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[19-20]主要進(jìn)行了汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行下的經(jīng)濟(jì)性影響分析，為深度調(diào)峰下開(kāi)展汽輪機(jī)優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)。

煤粉鍋爐調(diào)峰的主要制約因素包括鍋爐低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性，水動(dòng)力安全性，受熱面安全性，主蒸汽、再熱蒸汽溫度失調(diào)，全負(fù)荷脫硝，以及大型厚壁部件安全可靠性。煤質(zhì)條件對(duì)煤粉鍋爐深度調(diào)峰可行性影響較大。通過(guò)改造，鍋爐輔機(jī)(如磨煤機(jī)，三大風(fēng)機(jī)，脫硝、脫硫等輔助系統(tǒng))基本可以適應(yīng)低負(fù)荷運(yùn)行要求，空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱“空預(yù)器”)低溫腐蝕，鍋爐尾部受熱面腐蝕、積灰，鍋爐水平煙道積灰等問(wèn)題也得以解決。對(duì)于磨煤系統(tǒng)，應(yīng)合理選擇磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)、出力，優(yōu)化其配置，使低負(fù)荷運(yùn)行的磨煤機(jī)最小出力滿足機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的要求，提升低負(fù)荷運(yùn)行情況下制粉系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性；風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要問(wèn)題是避免風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行落入喘振區(qū)；對(duì)于脫硝系統(tǒng)，需要采用設(shè)置省煤器分級(jí)、省煤器給水旁路、煙氣旁路、爐水循環(huán)泵，增加零號(hào)高壓加熱器，優(yōu)化噴氨等措施，保證低負(fù)荷脫硝入口的溫度，從而保證脫硝系統(tǒng)運(yùn)行和排放滿足環(huán)保要求。

綜上所述，調(diào)控燃煤鍋爐在低負(fù)荷條件下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰功能，是火電機(jī)組未來(lái)的重要發(fā)展方向之一。為此，在課題組相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[18-20]，基于廣東省內(nèi)某600 MW機(jī)組燃煤鍋爐，開(kāi)展低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)研究，通過(guò)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析低負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律，可為機(jī)組深度調(diào)峰提供依據(jù)，為燃煤鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行控制提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)低負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)置

在對(duì)機(jī)組現(xiàn)有分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)進(jìn)行校驗(yàn)后，根據(jù)此系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)開(kāi)展試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)的前期開(kāi)展工作如下：

a)煤粉細(xì)度優(yōu)化調(diào)整。通過(guò)對(duì)深度調(diào)峰模式下鍋爐側(cè)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)及性能計(jì)算，給出合理的煤粉細(xì)度，用以指導(dǎo)制粉系統(tǒng)的運(yùn)行及控制調(diào)整，在確保設(shè)備運(yùn)行可靠性的前提下進(jìn)一步提升鍋爐效率。

b)一次風(fēng)煤比曲線以及風(fēng)速優(yōu)化。低負(fù)荷時(shí)，因燃料量減少，一次風(fēng)量及風(fēng)速必然減少，通過(guò)試驗(yàn)得出此時(shí)合理的風(fēng)量及風(fēng)速，一方面可以保證燃燒系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，另一方面，合理降低一次風(fēng)機(jī)的出力，可進(jìn)一步提升此時(shí)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

c)磨煤機(jī)出口溫度設(shè)定值優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值分析，給出更加適合低負(fù)荷運(yùn)行下的磨煤機(jī)出口溫度設(shè)定值。

總而言之，作為一個(gè)理學(xué)家，董玘雖未能開(kāi)辟新境，但也無(wú)凌虛蹈空之論，而力求平實(shí)妥帖，不為異說(shuō)以惑世。因此，綜上所述，筆者認(rèn)為董玘是一個(gè)雖然有點(diǎn)固執(zhí)木訥但卻是堅(jiān)持原則的純粹而不駁雜的儒者。

試驗(yàn)開(kāi)始后，燃煤機(jī)組采用滑參數(shù)方式降負(fù)荷，從80%額定負(fù)荷(480 MW)降至30%額定負(fù)荷(180 MW)，穩(wěn)定運(yùn)行2 h完成試驗(yàn)后停機(jī)。該機(jī)組深度調(diào)峰過(guò)程的參數(shù)調(diào)整方式滿足降低系統(tǒng)熱沖擊的需要。在30%額定負(fù)荷時(shí)，磨煤機(jī)總處理煤量減少，因此僅需運(yùn)行3臺(tái)磨煤機(jī)(原設(shè)置有6臺(tái))，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中保留A、C、F 3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，保持負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行2 h，全程無(wú)投油助燃。試驗(yàn)期間煤質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)期間煤質(zhì)Tab.1 Coal quality in the test

試驗(yàn)期間機(jī)組狀況為：機(jī)組負(fù)荷均值為180.5 MW；鍋爐汽水系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常，主蒸汽流量均值為570.2 t/h(為鍋爐最大連續(xù)出力的29.2%)，主蒸汽壓力均值為8.62 MPa；鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓波動(dòng)在正常范圍，總煤量均值為94.3t/h，相應(yīng)的所需總風(fēng)量降至原本的52.296%；煙溫偏差較小，六大風(fēng)機(jī)及輔機(jī)運(yùn)行正常；機(jī)組環(huán)保參數(shù)無(wú)超標(biāo)，各污染物排放指標(biāo)符合環(huán)保要求，其中SO2排放質(zhì)量濃度均值為12.90 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)，NOx排放質(zhì)量濃度均值為19.59 mg/m3，粉塵排放質(zhì)量濃度均值為2.07 mg/m3；鍋爐各受熱面無(wú)超溫現(xiàn)象，主要參數(shù)未發(fā)生異常報(bào)警。

2 現(xiàn)有DCS測(cè)量裝置校驗(yàn)

與滿負(fù)荷狀態(tài)相比，鍋爐在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，溫度、壓力和煙氣流量等運(yùn)行參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化?，F(xiàn)有DCS測(cè)量裝置是基于滿負(fù)荷狀態(tài)設(shè)置的，因此在低負(fù)荷狀態(tài)下有必要對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。本研究重點(diǎn)針對(duì)空預(yù)器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)控。

2.1 空預(yù)器排煙溫度

試驗(yàn)期間，將實(shí)測(cè)空預(yù)器排煙溫度與DCS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 180 MW工況下空預(yù)器排煙溫度校驗(yàn)Tab.2 Verification of exhaust gas temperature air preheater in 180 MW condition ℃

由表2可知，相較于現(xiàn)場(chǎng)采用網(wǎng)格法測(cè)量的結(jié)果，空預(yù)器排煙溫度的DCS顯示值，在A側(cè)平均偏高3.47℃，在B側(cè)平均偏低5.16℃，兩者存在一定的偏差。分析認(rèn)為主要原因是DCS測(cè)點(diǎn)代表性不足，建議電廠熱工人員校核排煙溫度測(cè)量?jī)x表，保證DCS測(cè)量代表性。

進(jìn)一步研究空預(yù)器排煙溫度的分布規(guī)律，分別得到A側(cè)和B側(cè)的測(cè)點(diǎn)溫度沿寬度方向等距分布情況，如圖1所示。分析可知，目前空預(yù)器出口溫度場(chǎng)沿著空預(yù)器寬度方向分布不均勻，有必要根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，調(diào)整溫度測(cè)點(diǎn)的位置和布置深度，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 180 MW工況下空預(yù)器排煙溫度分布規(guī)律Fig.1 Distribution law of exhaust gas temperature of air preheater in 180 MW condition

2.2 空預(yù)器煙氣側(cè)阻力

空預(yù)器煙氣側(cè)的阻力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組的A側(cè)空預(yù)器煙氣側(cè)阻力誤差為0.03 kPa，B側(cè)空預(yù)器煙氣側(cè)阻力誤差為0.01 kPa。誤差值均較小，表明A、B側(cè)空預(yù)器DCS顯示的阻力值與實(shí)測(cè)值比較接近。

表3 180 MW工況下空預(yù)器煙氣側(cè)阻力校驗(yàn)Tab.3 Verification of flue gas side resistance air preheater in 180 MW condition kPa

2.3 空預(yù)器進(jìn)口煙氣氧量

試驗(yàn)期間，將實(shí)測(cè)空預(yù)器進(jìn)口煙氣氧量(體積分?jǐn)?shù))與DCS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 180 MW工況下空預(yù)器進(jìn)口煙氣氧量校驗(yàn)Tab.4 Verification of inlet flue gas oxygen air preheater in 180 MW condition %

由表4可知，兩側(cè)空預(yù)器進(jìn)口煙氣氧量值存在一定偏差，認(rèn)為需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，調(diào)整氧量測(cè)點(diǎn)的位置和布置深度，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 低負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)機(jī)組的DCS裝置顯示值，研究鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各參數(shù)的變化情況，以研究低負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出優(yōu)化方案。

3.1 鍋爐熱效率

依據(jù)GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行鍋爐效率計(jì)算。具體過(guò)程中進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將鍋爐散熱直接取設(shè)計(jì)值且不考慮其他損失，對(duì)外來(lái)輸入熱量只考慮進(jìn)入系統(tǒng)的空氣帶入熱量，得到的主要結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 180 MW工況下鍋爐效率測(cè)試主要結(jié)果Tab.5 Main results of boiler efficiency testing in 180 MW condition

由表5可知，試驗(yàn)過(guò)程中鍋爐熱效率為90.10%，平均排煙熱損失為9.228%(修正后)，化學(xué)不完全燃燒損失為0.003%，固體不完全燃燒損失為0.429%，灰渣物理熱損失為0.080%(修正后)。

3.2 鍋爐汽水系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程中，鍋爐的主給水流量和主蒸汽流量隨負(fù)荷的變化情況如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)期間鍋爐汽水系統(tǒng)變化情況Fig.2 Changes in boiler steam water system in the test

由圖2可知，鍋爐低負(fù)荷試驗(yàn)是從80%額定負(fù)荷開(kāi)始，約1 h后降至50%額定負(fù)荷(約300 MW)并穩(wěn)定運(yùn)行約1 h，然后再經(jīng)1 h降至30%額定負(fù)荷，最后保持該負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行2 h。試驗(yàn)總耗時(shí)5 h，主給水流量和主蒸汽流量的變化趨勢(shì)基本控制與負(fù)荷的變化趨勢(shì)一致，整個(gè)過(guò)程中各參數(shù)正常，鍋爐燃燒穩(wěn)定。

進(jìn)一步整理機(jī)組負(fù)荷、汽水系統(tǒng)中各蒸汽的壓力和溫度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況，如圖3、圖4所示。分析圖3、圖4可知：主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力基本保持相同趨勢(shì)，且基本保持穩(wěn)定；主蒸汽溫度能夠保持相對(duì)穩(wěn)定；再熱蒸汽溫度在變負(fù)荷過(guò)程中波動(dòng)較大，但在30%額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，溫度也能保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 汽水系統(tǒng)中蒸汽壓力的變化情況Fig.3 Changes in steam pressure in steam water system

圖4 汽水系統(tǒng)中蒸汽溫度的變化情況Fig.4 Changes in steam temperature in steam water system

3.3 污染物排放情況

在鍋爐降負(fù)荷過(guò)程中及低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，煙氣污染物的生成情況會(huì)發(fā)生變化，因此有必要檢測(cè)其排放情況。在機(jī)組煙囪處，檢測(cè)粉塵、NOx、SO2的排放情況，分別如圖5—圖7所示。分析可知，3種污染物的排放值與機(jī)組負(fù)荷無(wú)明顯相關(guān)性，這主要是由于試驗(yàn)過(guò)程中煙氣已經(jīng)過(guò)現(xiàn)有凈化工藝脫除污染物。盡管鍋爐負(fù)荷變化會(huì)影響污染物的生成量，但煙氣凈化過(guò)程中會(huì)不斷調(diào)控污染物含量，后者才是影響污染物排放量的主要因素。整體上，試驗(yàn)期間機(jī)組環(huán)保參數(shù)無(wú)超標(biāo)，各污染物排放指標(biāo)符合環(huán)保要求。

圖5 煙囪處粉塵排放情況Fig.5 Dust emission at the chimney

圖6 煙囪處NOx排放情況Fig.6 NOx emission at the chimney

圖7 煙囪處SO2排放情況Fig.7 SO2 emission at the chimney

3.4 風(fēng)機(jī)電耗

整理鍋爐在30%額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行中各風(fēng)機(jī)的電流和耗功情況，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 180 MW工況下各風(fēng)機(jī)耗電情況Tab.6 Power consumption of each fan in 180 MW condition

4 結(jié)論

在廣東某600 MW機(jī)組燃煤鍋爐上開(kāi)展低負(fù)荷穩(wěn)燃試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：

a)鍋爐采用滑參數(shù)方式，從80%額定負(fù)荷(480 MW)降至30%額定負(fù)荷(180 MW)然后穩(wěn)定運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，機(jī)組現(xiàn)有的各系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)控后基本能正常運(yùn)行。

b)該600 MW機(jī)組燃煤鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)低負(fù)荷(30%額定負(fù)荷)穩(wěn)定燃燒，此工況下：鍋爐熱效率為90.10%；鍋爐汽水系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常，主蒸汽流量均值為570.2 t/h，主蒸汽壓力均值為8.62 MPa；鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓波動(dòng)在正常范圍，總風(fēng)量均值為52.296%，總煤量均值為94.3 t/h；煙溫偏差較小，各風(fēng)機(jī)及輔機(jī)運(yùn)行正常。

c)在降負(fù)荷過(guò)程和低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組環(huán)保參數(shù)無(wú)超標(biāo)，各污染物排放指標(biāo)符合環(huán)保要求。