1000MW超超临界火力机组深度调峰研究

王刚

（浙江国华浙能发电有限公司）

1000MW超超临界火力机组深度调峰研究

王刚

（浙江国华浙能发电有限公司）

随着电力行业形势的不断变化，大型火力发电机组的调峰压力越来越大，调峰深度逐年加深。本文从实际出发，针对百万超超临界火力发电机组的深度调峰问题，进行了深入的分析研究，并给出了简要的解决方案，为同类型机组的深度调峰工作提供了一定的借鉴意义。

稳燃；深度调峰；百万机组 ；脱硝；协调

0 引言

伴随着我国社会经济的快速发展，电力行业也经历了十多年的高速发展，全国装机容量不断增大，截至到2016年底，全国发电装机容量达到16.5亿kW，其中，火电装机105388万kW、水电33211万kW、风电14864万kW、太阳能发电7742万kW、核电3364万kW。但近几年随着清洁能源水电、风电等的大力发展，以及特高压长距离、跨区域输送电设备的相继投产，火力发电机组等效利用小时数不断下降，2016年火电设备平均利用小时数为4165h，同比降低199h。

为进一步提高火力发电机组利用小时数，避免在电网低负荷工况下机组调停，同时分担电网调峰的压力，需要进一步研究机组低负荷工况的运行方式，不断提高火力发电机组的灵活性。火力发电机组长期低负荷运行时，容易出现锅炉稳燃、受热面积灰、主再热汽温控制、引风机失速、给水控制、环保设施运行、汽轮机振动异常、发电机进相、手动操作量大等问题。下面本文将从这几个方面进行论述。

1 锅炉的稳然

1.1 着火稳然性指标[1]

着火稳然性指标用燃料着火稳定性指数Rw来表示，可按照下式来表示：

式中，Ti为着火温度，单位为℃；T1max为最大失重速度时对应的温度，单位为℃；W1max为最大失重速度，单位为mg/min。Rw判别界限如下表所示。

表 着火稳燃划分界限

根据相关研究[2]，煤粉品质不但对锅炉经济运行有影响，而且对锅炉的安全运行也有重要影响。

1）煤质对着火的影响。煤的着火主要是挥发份析出引燃固定碳，所以在同样煤炭粒径的情况下，挥发份越高的煤越容易着火。

2）煤粉粒径对着火的影响。随着煤粉粒径的减小，煤的平均表面活化能随着颗粒平均粒径的减小而增大，着火更加容易。

3）煤粉浓度对着火的影响。根据燃烧机理，当煤粉浓度较低时，颗粒升温速度很慢，煤粉可用于析出挥发份的时间较长，但是热解产生的挥发份少，不足以引起整个煤粉气流均相着火，所以着火指数降低；当煤粉浓度很高时，整个气流中挥发份浓度增加较快，浓度的增加使得升温速度明显减慢，挥发份的浓度效应不足以抵消升温速度的降低，导致着火指数降低。因此，存在着一个对应最小着火温度的最佳煤粉浓度，当煤粉浓度大于或者小于该浓度时，着火指数均降低，也就使得着火变得困难。

1.2 针对低负荷稳定燃烧采取的主要措施

1）保持煤质稳定，保证锅炉的入炉煤种与设计煤种相匹配。

2）改变制粉系统运行方式，正常低负荷情况时维持中间层制粉系统运行。

3）采用较低的一次风率和一次风速，可以使煤粉气流的着火热减少有利于着火。另外，为减少煤粉空气流中局部的一次风率，可以采用浓淡分离的高浓度煤粉燃烧器，从燃烧器出口喷射出来的煤粉气流，有一部分的煤粉浓度较高，所需要的着火热大为减少，从而加快局部着火，有助于整个煤粉气流的稳定着火。

4）维持合理炉膛风量。风量过低会导致燃烧不充分，而且会导致风机失速；风量过大会降低炉膛温度使得燃烧不稳定。

5）加强制粉系统的运行和维护，保证合理的磨煤机出口温度、煤粉细度等。

6）采用等离子、微油枪助燃或者采用较小的磨煤机。

需要指出的是，由于国产1000MW超超临界锅炉除哈尔滨锅炉外均采用了螺旋管圈水冷壁，因此锅炉有良好的负荷适应性，即使在30%负荷时，水冷壁质量流速仍然高于膜态沸腾的界限流速，能保持一定的壁温裕度，因此水冷壁的安全不用担心。

2 深度调峰的安全性

2.1 风机失速

由风机特性曲线可知，当机组负荷较低时，风机流量和压头较低，风机动叶开度也较低，风机容易陷入失速区。同时，较低的风量情况下，一旦风机发生RB，则容易导致锅炉总风量低MFT。为了避免这种情况的出现，也为了满足风箱差压及投入机组协调的需要，要对动叶的开度设定下限，同时对氧量自动进行闭锁限制。当然在改造资金充足的情况下，也可以采用电机变频技术或者厂用电变频技术。按照经验而言，动叶下限设定为34%～40%是一个比较理想的区域。另外也有个别厂，低负荷时采用单侧风组运行，但这更多的是考虑节能因素而不是安全。

2.2 给水泵汽化、抢水

考虑到给水泵的流量特性，当机组负荷低于50%时，容易出现给水泵汽化和抢水的现象，因此汽泵再循环要及时投入，并做好自动调节参数调整。同时，要对四抽到小汽轮机的抽气量进行核算，必要时可以切换小汽轮机汽源到辅助蒸汽，保证给水的出力。另外，还要监视小汽轮机密封水压力、轴封压力和温度等参数。

2.3 调节机构卡涩

由于机组长时间低负荷运行，很多调节机构都处于下限运行。由于长期不动作，易出现卡涩。因此，在升负荷过程中务必要对风机动叶、除氧器上水调门、带保护的闭冷水系统等重要调节装置进行检查。

2.4 锅炉部分受热面积灰

由于机组持续低负荷，锅炉总风量较低，尾部烟道存在烟气走廊，会造成部分受热面积灰严重，甚至塌灰造成锅炉全火焰丧失，MFT动作。因此，要利用机组加负荷的机会，增加吹灰的频次和压力，如果负荷长时间低于50%出力，应该向调度申请加负荷对受热面全面吹灰。

2.5 锅炉排烟温度低

机组低负荷时，锅炉排烟温度较低，不能满足SCR化学反应温度。因此，为了满足环保排放的要求，同时减少低烟气温度下生成的硫酸氢铵堵塞催化剂孔隙的情况，要采取措施提高锅炉排烟温度，实现脱硝装置在30%以上热负荷投入的技术要求。

1）可以通过调整吹灰方式、改变制粉系统组合方式、增加尾部烟气氧量，提高主再热气温等方式。

2）进行脱硝烟气旁路改造[3]，从二过出口抽取部分高温烟气，通过增设的烟气旁路来混合加热尾部低温烟气。当锅炉低负荷运行时，通过调节脱硝烟气旁路挡板，来提高脱硝入口烟气的温度，从而保证氮氧化物排放达标。

3）采用零号加热器，提高给水温度，从而提高排烟温度。

2.6 影响电除尘装置的运行方式

锅炉投油稳燃后，要将各电场输灰切换到粗灰库运行，同时停运电除尘三、四电场；油枪投运时间较长时，还要考虑停运电除尘一电场，阴阳极振打改为连续振打方式运行，密切注意电除尘器进出口烟温的变化情况，防止炉后及电除尘器内部二次燃烧的发生。

3 协调控制系统

随着火力发电机组地位的转变，经常性深度调峰成为了常态，为了减少运行人员的操作量和防止发生人为误操作，要降低协调控制系统投入的下限至30%负荷。

3.1 给水控制

锅炉在低负荷时会发生干湿态转换，当由干态转为湿态的时候，给水流量会大幅度波动，对协调系统造成扰动。如某厂锅炉进行了低氮燃烧器改造，火焰中心上移，在低负荷情况下，汽水蒸发段后移，分疏箱见水，同时由于该厂干湿态转换判据不合理，触发干湿态转换逻辑，给水流量大幅度下降，机组负荷随之下降，四抽压力低于除氧器压力，造成除氧器汽水返到四抽管道，进而小汽轮机进水轴向位移大保护跳闸，最终锅炉MFT。

要防止这种情况的发生，一方面要优化锅炉干湿态转换逻辑判据；另一方面，要适当降低锅炉最小质量流量，保证锅炉在30%以上负荷处于干态；第三，要增加低负荷时变前馈逻辑，在实际负荷指令低于 500MW 时，自动减小锅炉主控前馈系数，降低给水、煤量、风量等调节强度；第四，确定最低煤量和最低水量，保证炉膛燃烧，防止煤水比失调。

3.2 负荷速率

在机组低负荷阶段，建议降低机组负荷升降速率，原因如下：

1）由于低负荷时机组各项参数较低，对金属受热面、汽轮机厚壁部件冷却作用比较强烈，为防止应力过大而影响金属寿命或造成汽轮机振动偏大，在低负荷阶段应该降低机组负荷变化速率。

2）低负荷时，机组质量流量较小，在同样调整策略下，主、再热汽温、汽压波动较大，这就要求一方面提高协调控制的精度，另一方面也要适当降低负荷升降的速率。

同时，为了防止烟温变化过快，导致空预器扇形板变形卡涩，应该对空预器扇形板的下探频次引入负荷修正，保证低负荷工况下及时调整扇形板位置。

3.3 滑压曲线

为了保证汽轮机、加热器等的出力，同时也为了减少机组负荷变化及一次调频时的大幅度扰动，在低负荷情况下，需要对机组的压力曲线进行修正，保证滑压曲线的平滑，同时保持汽轮机调门的合理开度[4]，防止汽轮机调门频繁波动造成阀杆磨损或抗燃油管路的破裂。

4 对电气设备的影响

一般而言，当机组深度调峰时，系统负荷较轻，应加强监视GIS母线电压不超过规定值，同时注意观察AGC、AVC装置运行正常。当发电机进相运行时，机组的进相深度要满足发电机稳态需要，机端电压和厂用电母线电压压降不大于5%，厂用电机运行正常，发电机定子线圈和铁心温度正常。

5 结束语

本文结合现场实际运行经验，同时参考同类型电厂相关技术措施，从锅炉稳燃、深度调峰的安全性、协调控制优化、对电气设备的影响等方面，对百万超超临界机组深度调峰中遇到的困难进行了深入的分析，并给出了简要的解决方案，为中国火电项目灵活性改造提供了一定的借鉴。

[1] 朱全利. 1000MW火力发电机组培训教材 锅炉设备系统及运行[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 张磊，李光华.超超临界火电机组丛书:锅炉设备与运行[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[3]黄文静，戴苏峰，艾春美，等.电站燃煤锅炉全负荷SCR脱硝控制技术探讨[J].节能技术，2015,33(2):189-192.

[4]李劲柏,刘复平.汽轮机阀门流量特性函数优化和对机组安全性经济性的影响[J].中国电力，2008,41（12）：50-53.

2017-09-05）