分类：电子论文 时间：2021-12-17 热度：668
[摘 要]为提高电网调峰和新能源消纳能力，燃煤火电机组开展深度调峰已成为必然趋势。本文以某台拟开展深度调峰的超临界 600 MW 机组直流锅炉为例，通过锅炉燃烧器结构稳燃分析，风、粉均衡调整，以及水动力特性分析，结合对深度调峰炉内燃烧过程关键参数的安全约束，在无设备改造的前提下，实现了锅炉在无助燃方式下调峰至 20%额定负荷的预期目标，为同类型深度调峰锅炉提供了借鉴。
[关 键 词]超临界锅炉;深度调峰;低负荷稳燃;燃烧器结构;风粉调整;水动力特性
为提升我国火电运行灵活性，提高电网调峰和新能源消纳能力，2016 年 6 月国家能源局综合司发布了《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》，确定了首批 16 个火电灵活性改造试点项目[1]。2016 年 11 月国家发展改革委、国家能源局正式发布《电力发展“十三五”规划》，提出全面推动煤电机组灵活性改造[2]。为鼓励燃煤机组参与深度调峰，东北、福建、宁夏、新疆、山东、甘肃、江苏、陕西等地相继出台电力辅助调峰服务市场运营规则，对参与深度调峰的机组实施补贴。因此，无论是政策的需求，还是燃煤电厂自身经营发展的需要，燃煤机组开展深度调峰已成为必然趋势。
除供热机组深度调峰需要考虑热电解耦的问题外，纯凝机组或供热机组纯凝工况深度调峰主要需要解决锅炉侧的技术难题。针对燃煤机组锅炉深度调峰技术的研究主要包括以下 2 方面内容：1)锅炉低负荷稳燃[3];2)锅炉低负荷下主辅机适应性，如低负荷下水动力问题[4]，选择性催化还原(SCR)脱硝系统入口烟温低影响脱硝系统投运[5]，受热面易超温[6]，水平烟道积灰[3]，磨煤机和风机振动[7]，再热蒸汽温度低[8]等。
本文以某超临界 600 MW 机组直流锅炉为例，从锅炉燃烧器结构、运行调整、水动力等方面开展研究，结合锅炉低负荷运行安全性、经济性分析，给出了适应于多数机组锅炉深度调峰的技术路线。
1 锅炉概况
某电厂锅炉为东方锅炉厂生产的超临界参数变压直流炉，一次再热、单炉膛、固态排渣、全悬吊结构 Π 型，锅炉型号为 DG1900/25.4-Ⅱ1。锅炉设计燃用烟煤，其干燥无灰基挥发分为 39%，收到基低位发热量为 21 300 kJ/kg。采用中速磨煤机直吹式制粉系统，配备 6 台 ZGM113G 型磨煤机。锅炉采用前后墙对冲燃烧方式，24 只 HT-NR3 旋流式燃烧器分 3 层分别布置在炉膛前后墙螺旋水冷壁上，前墙从下至上为 F、D、C 层，后墙从下至上为 A、 B、E 层。燃烧器内二次风为直流风，外二次风为旋流风，外二次风旋流叶片角度可远程调节。锅炉额定负荷设计热效率为 94.04%，最低不投油稳燃负荷性能保证值为 35%额定负荷。
锅炉深度调峰目标为 25%额定负荷(150 MW)以下，且保证机组的安全、环保、稳定运行。锅炉日常运行，最低负荷为 300 MW，离调峰目标还有 150 MW 的差距。
2 锅炉深度调峰技术
考虑到锅炉日常入炉煤质挥发分较高、热值也较高，且锅炉厂提供的最低不投油稳燃负荷性能保证值为 35%额定负荷，推测锅炉深度调峰能力可以进一步挖掘。本文从 HT-NR3 型旋流燃烧器结构特点入手，进行燃烧器结构稳燃分析;开展风、粉调整试验，从设备和运行参数调整 2 方面提高锅炉低负荷稳燃能力;再结合水动力分析，提高锅炉低负荷运行安全性。
2.1 燃烧器结构稳燃分析
煤粉在炉内的初期着火所需的热量，主要来源于旋流燃烧器对高温烟气的卷吸，通常情况下，旋流强度越大，煤粉着火越稳定[9]。HT-NR3 型旋流燃烧器外二次风旋流叶片角度的调整尤为关键，在一定范围内，外二次风旋流叶片角度越大，旋流越强，越有利于锅炉低负荷稳燃[10]。
为研究不同外二次风旋流强度对燃烧器低负荷稳燃性能的影响，本文应用二维粒子成像测速(particle image velocimetry，PIV)系统对不同外二次风旋流强度下的燃烧器出口流场进行测量，同时开展了不同外二次风旋流强度下的燃烧器喷口火花示踪试验[10]。图 1 分别给出了 HT-NR3 型旋流燃烧器外二次风旋流叶片开度为 40%、50%、60%下的燃烧器喷口流场分布。图 2 分别给出了 HT-NR3 型旋流燃烧器外二次风旋流叶片开度为 40%、50%、 60%下的燃烧器喷口火花示踪轨迹。
烧器外二次风旋流叶片开度为 40%，一次风两侧开始出现了明显的涡流，这有利于风粉混合物与回流高温烟气的混合，促进煤粉着火，从火花示踪轨迹来看，风粉包裹较好，喷口火焰扩展角在 100°左右;当外二次风旋流叶片开度增加至 50%后，旋流增强，涡流变大，风粉混合物与回流高温烟气的混合进一步增强，更有利于稳定燃烧，喷口火焰扩展角增大至 120°左右;而当外二次风旋流叶片开度增加至 60%后，涡流反而消失，喷口火焰扩展角接近 180°，外二次风与风粉混合物分离，出现了“飞边” 的现象，在燃烧器出口形成了开放气流，此时高温烟气卷吸反而削弱，二次风贴着壁面运动，不能有效参与燃烧，不利于煤粉的稳定燃烧。因此，从提高锅炉低负荷稳燃能力的角度出发，HT-NR3 型旋流燃烧器外二次风旋流叶片开度维持在 45%~50% 较为合适。
2.2 锅炉风、粉调整试验
锅炉风、粉调整试验主要针对一次风速、煤粉细度、运行氧量、配风方式、磨煤机投运方式、磨煤机出口风粉温度等进行调整[11-12]，使其更加适应于锅炉低负荷稳定燃烧。试验过程中，主要观测运行参数变化对锅炉炉膛负压、炉膛温度、燃烧器喷口温度、火检强度、着火距离等影响。锅炉稳燃调整试验在 40%额定负荷下进行，投运 A、B、D 3 台磨煤机，调整前后主要运行参数见表 1。
为提高锅炉低负荷稳燃能力，主要实施了热态一次风速调平降低风速偏差、适当降低一次风速、降低煤粉细度、适当降低运行氧量、适当提高磨煤机出口风粉温度、适当关小燃尽风挡板开度等技术措施。对比调整前后的炉膛负压、喷口燃烧温度、火检强度、着火距离等发现：风粉调整后，炉膛负压波动幅度未发生明显变化，这与该负荷下炉内燃烧总体稳定有关;但投运层燃烧器喷口温度由 1 295 ℃提高至 1 317 ℃，对应燃烧器火检信号闪烁频率明显降低，由 1 min 左右 1 次降低为 2 min 左右 1 次，通过观火孔肉眼观察着火点有所提前;屏式过热器底部(屏底)实测烟气温度由 878 ℃降低至 862 ℃，说明火焰中心有所降低，有利于锅炉低负荷稳燃。
2.3 锅炉水动力特性分析
超临界直流锅炉深度调峰工况下，水动力安全性尤为关键。如锅炉水动力特性较差，受低负荷下管内流量分配不均的影响，并联的各管流量出现非周期性的增大或减小，导致蒸发点波动，引发金属的疲劳破坏[13];此外，锅炉水动力特性不稳定，还将导致管子出口工质的状态参数不同，有些出口为单相水或汽水混合物，有的是过热蒸汽，易引发管子过热损坏[14]。
风、粉调整试验结果显示，锅炉可在 40%额定负荷下稳定运行，水冷壁受热面无超温现象，水冷壁各测点温度分布如图 3 所示。由图 3 可见，除后墙、右墙水冷壁壁温偏高外，其余各壁温测点温度分布相对均匀。后墙、右墙水冷壁壁温偏高，可能与磨煤机的投运方式有关。
根据锅炉结构和运行参数，进行水动力计算，将水冷壁划分为由流量回路、压力节点和连接管组成的流动网络系统，结合质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，建立了超临界锅炉水冷壁流量和壁温计算的数学模型，对非线性流量平衡和压降平衡方程组进行直接求解[15]。计算结果表明：25%额定负荷时，在施加热负荷扰动后水冷壁流动不稳定性能够恢复稳定;25%额定负荷下，投运 2 台磨煤机时，给水流量降至 410 t/h，锅炉运行安全，建议将最小给水流量自动限值由 580 t/h 降至约 450 t/h。
3 锅炉深度调峰运行试验结果
3.1 试验方法
根据上文风、粉调整试验结果，锅炉 40%额定负荷下锅炉负压波动正常，火检正常，燃烧器喷口温度约 1 300 ℃，结合 25%额定负荷下的水动力特性分析，认为锅炉完全具备进一步降低负荷的能力，可进一步挖掘锅炉深度调峰能力，寻找影响锅炉深度调峰的关键点。
锅炉深度调峰试验参照《电站锅炉性能试验规程》(GB/T 10184—2015)进行。根据锅炉深度调峰过程中实际运行情况，依次开展 35%、30%、25%、 20%额定负荷下不投油稳燃试验。深度调峰试验前，调整各层燃烧器外二次风旋流叶片开度，同层燃烧器外二次风旋流叶片开度沿炉膛宽度方向依次调整为 45%、50%、50%、45%，一次风速按 22~23 m/s 控制，煤粉细度 R90 降低至 18%以下，在确保风机安全运行的基础上尽量降低运行氧量，磨煤机出口风温设定为 85 ℃，燃尽风挡板开度控制在 30%左右，最小给水流量自动限值由 580 t/h 修改为 450 t/h。为确保机组运行的安全性，避免锅炉深度调峰过程中灭火导致非停现象发生，试验人员对锅炉炉膛负压波动、火检强度等进行了安全约束：深度调峰过程，当炉膛负压波动超过 300 Pa，或 2 只及以上燃烧器火检强度同时降至 50%以下，油枪自动快投。同时，试验期间，对各运行参数进行严密监控，对炉内燃烧情况、炉膛温度，以及尾部烟气成分进行观测。试验期间，入炉煤质化验结果见表 2。
完成前期燃烧器旋流叶片开度及运行参数调整后，进行深度调峰试验。锅炉 35%、30%额定负荷下，投运 A、B、D 磨煤机;锅炉 25%、20%额定负荷下，投运 A、F 磨煤机。
3.2 试验结果分析
3.2.1 火检信号、炉膛负压波动、炉膛温度
各负荷下火检信号波动情况如图 4 所示。各负荷深度调峰试验稳定运行 2 h 以上，试验过程中未触发油枪自投，说明锅炉燃烧相对稳定。
由图 4 可见：35%额定负荷下，A4、B4 燃烧器火检偶尔有闪烁的现象，就地观火，发现着火稳定; 30%额定负荷下，燃烧器火检闪烁频率有所提高，除 A4、B4 燃烧器外，B1、D3 燃烧器火检信号也有闪烁;25%额定负荷下，A3、A4 火检信号闪烁频率加快，燃烧稳定;20%额定负荷下，机组手动控制对炉内燃烧干扰较小，与自动控制投入时相比火检信号较稳定。
分析不同负荷下深度调峰炉膛负压波动情况： 35%和 30%额定负荷下，炉膛负压波动幅度相近，均约 150 Pa;调峰至 25%、20%额定负荷后，炉膛负压波动幅度增加至 200 Pa 左右。可见，负荷越低，火检信号闪烁越频繁，炉膛负压波动增大，锅炉运行安全性降低;与自动控制相比，手动控制模式下，低负荷燃烧更加稳定。
为提高锅炉低负荷运行安全性，给低负荷稳燃提供更多参考依据，在不同负荷深度调峰期间，于 AF 燃烧器层、BD 燃烧器层、CE 燃烧器层、燃尽风层、屏底相同标高的观火孔处，采用德国 IMPAC 公司生产的 IS-8-plus 高温仪对炉膛温度进行了测量，测量结果见表 3。——论文作者：张广才 1，周 科 1，柳宏刚 1，韩 磊 2，成汭珅 1，聂 鑫 1
