深度调峰时火电机组安全运行问题探讨

陈 涛

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

国家经济形势新常态下的电网调峰矛盾日益加剧，火电机组常规的50 %调峰能力无法满足电网的调峰需要。因此，深度挖掘火电机组调峰能力，在保证机组安全的基础上将调峰负荷降低至40 %以下，已成为发电企业和科研院所的关键课题。

常规火电机组汽轮机大都可在20 %—30 %额定负荷稳定运行，故火电机组深度调峰幅度往往取决于锅炉能否安全、稳定燃烧。通过查阅大量锅炉性能考核试验的结果可知，当负荷降到30 %—40 %额定负荷时，锅炉在运行过程中会出现燃烧不稳定、水动力不足、泵与风机运行失稳等问题。

1 深度调峰中的锅炉安全问题

1.1 火电机组厚壁元件寿命损耗问题

在燃煤机组深度调峰过程中，机组负荷的大范围、快速升降，会带来蒸汽压力和蒸汽温度的快速升降，在这样的工况下，往往会出现厚壁元件的壁温差增大，导致金属部件热应力增大、疲劳程度加大。所以燃煤机组深度调峰过程中要特别关注类似于汽包、集箱、汽水分离器等部件的状态，重点关注深度调峰过程中机组元件的寿命损耗。

1.2 超低负荷工况下炉内受热面壁温安全性问题

(1) 在超低负荷燃烧下，会出现给煤量和返灰量投入不均衡，造成换热管道受热不均，从而易导致管道局部超温，引起管壁过热，长时间运行后会增加爆管发生的几率。

(2) 锅炉在长期低负荷运行后，排烟温度会有所下降，使尾部布置的换热管道的低温腐蚀发生几率增加。

(3) 在超低负荷工况下，对于锅炉内工质来说，蒸汽流量较低，必然会造成汽水流程的管壁内部流量偏差加剧，换热不均，局部超温现象严重。

(4) 在超低负荷工况下，为了保证炉内燃烧的稳定性，风烟系统的空气动力场会偏离最佳状态。然而烟气流量低，炉膛火焰充满度差，对流换热处的烟气偏差加剧，壁温偏差大的现象会时有发生。运行时烟速下降，更容易在水平烟道位置产生积灰；水平烟道里积灰较多时，不但影响传热，还会造成受热面壁温偏差增大，甚至超温。当积灰达到一定厚度时，在炉膛负压扰动下会造成垮灰，甚至造成锅炉灭火。

据此，当深度调峰过程在超低负荷的工况下时，需要重新核算受热面的壁温安全性，评估拉裂危险性。随着机组负荷的降低，受热面工质侧、烟气侧偏差加大，部分对流受热面温度偏差升高，在确保受热面壁温安全性的基础上需要重新优化受热面壁温报警系统。低负荷下报警温度的设定则需考虑压力、温度的变化，增加受热面动态壁温报警功能以实现壁温的超前调节。

1.3 直流炉水动力安全性问题

对于亚临界汽包炉，一般不存在水动力安全性问题，只需在深度调峰的快速变负荷过程中注意水循环稳定性即可。主要控制好汽包水位和汽包的上下、内外壁温差，确保锅筒安全；采用相对较高的压力定压运行；控制变负荷速度，防止省煤器汽化。

对于超临界直流炉，在超低负荷工况下，特别是当机组发电负荷降至30 %及以下时，省煤器入口给水流量已接近保护定值，炉内水动力情况恶化，局部过热爆管可能性急剧增大。另外由于受磨煤机投运组合关系的影响，炉内热流密度偏差加大，管间壁温偏差加大。

为提高深度调峰过程中燃煤机组水动力的运行安全性，要从以下几个方面开展工作。

(1) 需定量核算低负荷工况下，燃煤机组水动力安全性。通过核算水动力的停滞、循环水速和动态不稳定性，保证水冷壁受热面可靠的温度工况和确定整个汽水系统的压力损耗，从而选择合适的给水泵工作压头。

(2) 重点关注分离器工质的过热度。在快速负荷变动过程中，给水与燃料之间需要密切协调，以维持合适的燃水比。

(3) 避免省煤器入口工质出现汽化现象。为降低汽机热耗，锅炉给水温度设置较高，因此在锅炉快速升降负荷过程中，由于压力的大幅变化，很可能出现省煤器工质汽化现象，所以要严格控制给水温度和压力的变化。

1.4 超低负荷脱硝装置投入问题

在锅炉启停及负荷较低时，因脱硝装置反应器入口烟气温度较低，硫酸氢氨沉积在催化剂和下游设备上，导致催化剂活性下降和设备堵塞，系统无法正常运行。因此，在深度调峰的超低负荷工况下，存在脱硝装置无法投入的问题，机组无法环保、安全运行。同时负荷低于40 %后，锅炉一次风率加大，火焰刚度过大，导致对墙水冷壁结焦加剧，同时二次风率降低可能引起中心风筒积灰、燃烧器冷却风量不足，氮氧化合物生成量的控制存在诸多困难。

据此，在深度调峰过程中，需要深入研究如何提高脱硝装置反应器入口烟气温度和宽温催化器的宽负荷脱硝技术。目前常用方式是提高反应器入口烟气温度，工程上可用的方法有：采用分级省煤器布置，增加尾部烟气旁路，增加省煤器工质旁路，热水再循环至省煤器入口等。

1.5 超低负荷燃烧器稳燃和制粉系统配合问题

燃煤机组深度调峰的首要目标是降低到能保证机组安全运行的最低负荷，所以超低负荷下制粉系统的安全运行至关重要。而目前燃煤机组制粉系统运行现状存在诸多问题，如运行环境恶劣，制粉系统故障率高；精细化监测、控制难度大，自动化程度低；直吹式制粉系统断煤或跳磨对机组安全运行影响很大；碾磨煤质复杂多变，对设备适应性要求高等。燃煤机组超低负荷工况下安全运行对制粉系统提出以下几点要求。

(1) 实际煤质偏离设计煤质的情况，原磨运行方式不再适用，磨振动、石子煤量大、爆燃、出力不足等问题频出。所以需要对几种常用煤质分别进行制粉系统特性试验，掌握不同煤质对磨运行特性的影响规律，以指导燃煤机组的安全运行。

(2) 针对煤质多变，表盘无有效监测手段，如无风粉在线监测或风量测量不准，运行人员无法及时调整的问题，需要安装风粉在线监测系统和稳定精确的风量测量装置，以供运行人员参考。

(3) 由于掺烧煤泥比例过高，给煤机断煤频繁，机组负荷容易快速下降，为了稳燃需要投油枪又有可能出现磨煤机爆燃等问题，需要进行掺烧煤泥试验，找寻制粉系统稳定安全运行的最佳掺配比例。

为保障超低负荷下制粉系统的安全运行，需要对相关设备进行优化改造。

(1) 为了改善风粉偏差，防堵管，优化炉内流场，提高热负荷分配的均匀性和稳定性，需要对煤粉分配器进行改造。

(2) 针对低负荷时锅炉燃烧不稳，易超温和NOx排放的大幅波动问题，需要进行燃烧优化智能控制。

(3) 为提高粗粉分离器效率，扩大煤粉细度调节范围和提高煤粉均匀性指数，需要对粗粉分离器进行改造。

(4) 从提高细粉分离器效率，降低三次风带粉率，实现稳燃、增效和降氮的目的出发，需要对细粉分离器进行改造。

(5) 优化改造制粉系统风量测量装置，改善制粉系统风量测量装置存在的堵灰、磨穿、直管道过短、温度场和速度场不均匀等问题，提高磨入口风量的准确度、线性度，确保深度调峰过程中的风煤比准确控制。

(6) 为降低燃煤成本，采用掺烧煤泥方式；但易出现断煤，影响低负荷稳燃和制粉系统的安全运行，需对原煤斗防堵性能进行优化改造。

1.6 超低负荷风机安全运行问题

在低负荷下，风机的流量、系统阻力与风机特性匹配差，造成风机失速和喘振。对此，可通过对风烟系统风机及辅助设备进行优化改造，增强风机在低负荷运行时的安全适应性。

(1) 改造不合理的风机进出口管道布置方式，对整个烟风管道进行优化改造。

(2) 降低风烟系统管道阻力及风机进口风量。

(3) 风机适当采用变频控制或小汽机驱动调节技术。

(4) 保持风机本体不动，仅对风机配套电机进行降速改造或双速电机改造。

(5) 根据深度调峰对风机叶轮或叶片的运行要求，优化改造风机局部叶轮和叶片。

2 给水泵和凝结水泵的安全运行问题

针对汽水系统给水泵和凝结水泵在深度调峰过程中遇到的问题，可通过对给水泵和凝结水泵的全程控制方式进行优化，以提高给水泵和凝结水泵在低负荷工况下安全运行的适应性。

2.1 给水泵的最小流量控制

对于配置汽动给水泵的燃煤机组，在给水流量较低的情况下，给水泵运行容易超出泵的安全工作区，造成给水流量波动，影响给水泵的安全运行。因此，要在深入研究机组汽动给水泵的安全工作区域基础上，实现汽动给水泵最小流量的全程自动控制。一般最小流量的全程自动控制方式有2种。

(1) 汽动给水泵入口流量闭环控制。此种控制方式需要对给水泵入口流量设定安全流量值。在低负荷工况下给水流量低于这个安全值时，为保证最小流量阀慢慢开启，需另外设置优先级更高的超驰回路，使得低负荷工况下给水流量低于保护值时回路能快速开通，以保护给水泵的运行安全。

(2) 汽动给水泵最小流量阀开环控制。此种控制方式，需要设置给水泵入口流量与最小流量阀调节开度的开环线性插值函数。一般需设计给水流量上升过程和下降过程的2套函数，以避免控制过程存在一定死区。另外，需设置优先级更高的超驰回路，使得低负荷工况下给水流量低于保护阈值时回路能快速开通，以保护给水泵的运行安全。

2.2 给水泵汽轮机汽源的安全控制

深度调峰低负荷工况下，汽轮机四段抽汽压力必然大幅降低，此时给水泵汽轮机低压调门进汽压力得不到保障，必然造成给水系统出力降低，从而危及机组安全运行。现有的小汽轮机汽源切换和调节，仅凭运行人员的经验手动进行。当机组突发事故时，例如跳机后四段抽汽突然失去时必须及时切换到另一路汽源，以保障锅炉的正常上水。通常是将汽源切换至辅助蒸汽系统或冷再热蒸汽。但是手动切换时间长，小汽轮机转速超调量大。若没能及时切换至另一路汽源或投用时扰动过大，则给水泵出力不足，将直接威胁到机组安全稳定运行。据此，应研制对给水泵汽轮机汽源进行自动切换的控制装置，实现深度调峰过程中给水泵汽轮机汽源稳定控制的目的。可通过在汽源管路中配置相应的调节门，并设计汽源压力自动闭环控制的控制策略，实现汽源压力的在线闭环调整。

2.3 凝结水泵的安全运行问题

除采用与给水泵相同的入口流量闭环控制和最小流量阀开环控制策略外，对于采用凝结水泵变频控制的机组，还要特别注意低负荷工况下变频器的控制范围。要在考虑变频控制线性度的情况下，设计全程除氧器水位和凝结水压力的自动控制方式，确保除氧器水位稳定和满足凝结水用户的需求。

3 结论

鉴于现阶段国内主力电网构成的特点使电网在低谷阶段的安全性和稳定性受到严重威胁，接纳新能源能力严重受限，弃风、弃光、限核电现象比较严重，因而迫切需要研究燃煤机组的深度调峰问题，为区域电网消纳新能源提供更大的空间。

燃煤机组运行的安全性是开展深度调峰的首要条件，以上从超(超)临界燃煤机组深度调峰过程中的厚壁元件寿命、受热面璧温、水动力安全、脱硝环保装置、制粉系统低负荷安全以及给水泵的安全运行几个问题出发，研究深度调峰过程中运行设备及参数的技术瓶颈和危险点，并针对性地提出解决方案，以保障机组在深度调峰过程中的安全性。

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