深度调峰时火电机组安全运行的相关问题分析

胡嘉立

国能浙江北仑第一发电有限公司，浙江宁波，315800

0 引言

近些年，由于特高压交流电、直流电的大规模使用及风电、光伏这些清洁能源大规模接入电网，电网结构已经发生了巨大改变，再加上我国目前用电结构变化，电网中峰谷差越来越大，火电机组所面临的调峰任务越来越严峻，新的电网结构对调度的方式提出了挑战，尤其是电网在低负荷运行期间，为消纳新能源以及特高压输电量，对于火电机组的调峰能力有了新的要求。在此背景下，在深度调峰过程中，保证火电机组的安全运行已经成了目前亟待解决的问题。下文对深度调峰状态下，火电机组运行过程中所面临的安全运行问题进行简要分析。

1 深度调峰时火电机组安全运行问题

1.1 炉内受热面安全问题

在深度调峰状态下，火电机组处于低负荷燃烧状态下，这便会出现煤量和返灰之间的投入不均衡，直接影响到换热管道的受热，进而使得换热管道局部升温，整体受热不均，最终导致炉内管壁过热，如果长时间处于这种状态下，便会增加爆管的概率。而且锅炉炉内在长时间的低负荷运行状态下，其排烟温度会逐渐下降，这便增加了换热管道尾部出现低温腐蚀的概率。对于锅炉内部工质来说，在低负荷运行状态下，其蒸汽流量不高，那么必然会使得其汽水流程中管壁内的流量存在较大偏差，进而出现换热不均匀，导致局部温度过高，进一步增加其出现爆管现象的概率。最后，在深度调峰状态下，为保证火电机组炉内燃烧的稳定，其中空气动力场通常不会处在最佳状态，然而上述中烟气流量低的问题，会使炉内火焰充满度下降，这便导致换气部分的烟气偏差加大，使其炉内壁温差加大。而烟气运输速度下降，更易在水平方向的烟道出现烟气积灰，当积灰数量达到一定程度，不但会影响到火电机组锅炉的产热效果，还会使得内部受热面壁温差进一步增大，甚至出现大幅度超温现象，另外，在炉膛负压的震动之下，很容易使得积灰出现垮塌现象，当积灰垮塌时，很可能会造成锅炉灭火[1]。

1.2 直流炉水动力方面安全运行问题

如果火电机组使用的是亚临界汽包炉，通常会不存在水动力方面的安全运行问题，只需要在深度调峰，其负荷变化的过程中着重注意其水循环的稳定程度就可以。在亚临界汽包炉水循环过程中只需要控制好汽包水位以及汽包内部周围的温度差就可以有效保证锅筒的安全运行。但其中值得注意的是如果在深度调峰过程中其负荷变化速度较快，很容易导致锅炉中的省煤器汽化。

对于超临界直流炉来说，在深度调峰状态下，尤其是火电机组整体负荷在30%左右时，在省煤器入口处的水流量已经无限接近于其保护定值，这便意味着锅炉内部的水动力情况急剧恶化，很可能会因为局部受热从而导致爆管。另一方面，由于在此状态下锅炉会受到磨煤机投运组合关系的影响，会使得锅炉内部热流密度明显增加，这便进一步增加了管壁的温差。

1.3 脱硝装置投入方面的安全运行问题

在火电机组锅炉启停或者在负荷较低的情况之下，由于锅炉中脱硝装置入口处烟气温度不高，其硫酸氢氨会沉积在催化剂或者在下游位置的其他设备表面上，这便导致催化剂活性迅速下降，最终使得相关设备出现堵塞情况，影响到其安全运行。总的来说，在深度调峰状态下，通常在火电机组锅炉中的脱硝装置会存在无法投入的情况，这便影响到了火电机组的环保以及安全运行。并且当负荷低于40%时，锅炉内风速会进一步加大，使得火焰刚度过大，这就意味着对墙方向的水冷壁结焦情况会加深，并且在当风速加大后再次降低时，很容易会引起中心风筒出现积灰的情况，导致冷却风量不够，难以控制氮氧化合物的生成[2]。

1.4 燃烧器以及制粉系统之间的配合问题

当火电机组在深度调峰状态下时，其目标是将负荷降低到保证火电机组能够安全运行的最小负荷，所以在此过程中制粉系统的安全问题极为重要。然而当前火电机组燃烧器和制粉系统在深度调峰状态下时存在很多会影响到系统安全运行的问题，比如运行环境较为恶劣、故障率持续不断升高、对其进行控制难度较大、自动化程度较低等，这些都是燃烧器和制粉系统之间配合度不高的原因。当两者配合度不高时，便会对火电机组整体的安全运行造成影响。

1.5 给水泵的安全运行问题

在深度调峰状态下，火电机组中给水泵会降低自身的给水流量，在此条件下，给水泵自身的运行很容易就会超出安全工作区，这便会导致水流量波动较大，给水泵的安全运行造成极大的影响。

2 提高深度调峰是火电机组安全运行的有效途径

2.1 炉内受热面安全运行策略

当火电机组处于深度调峰状态下的时候，其负荷较低，此时就需要工作人员对炉内受热面所能承受的壁温安全性进行重新核算，对其拉裂危险程度进行评估。而且随着火电机组整体负荷程度降低，其受热面附近的工质侧或者烟气侧会逐渐加大偏差，这便使得炉内部分受热面的温度升高，使其温差加大，对于此种情况，需要在保证受热面周围温度安全性的情况下，对壁温报警系统重新进行优化，而在此种负荷较低情况下的报警系统设置应当考虑炉内中整体压力以及温度的变化，对其报警系统的功能进行适当调整或增加，从而实现超前调节炉内温度的目的。针对水平方向烟气通道积灰的情况，工作人员可以定时增加烟气通道中的风速，并且在风速发生变化时，对烟气积灰情况进行检查，当积灰达到一定程度时，再根据相应规章制度采取对应措施，尽可能减少积灰在负压振动情况下出现垮塌的概率。

2.2 直流炉水动力安全运行策略

由于亚临界汽包炉在深度调峰状态下通常不会出现安全运行方面问题，下文就简要说明对于超临界直流炉在深度调峰状态下的安全运行策略。

为尽可能提高火电机组直流炉水动力安全运行性能，相关人员应当从三方面入手，一是以深度调峰状态下直流炉水动力的实际工况为主，对其水动力停滞以及循环水速进行重新核算，尽量使其达到动态稳定状态下，以此种方式来确保炉内受热面始终保持在一个可靠温度下。再根据整体汽水系统所受到的压力，核算出其压力损耗，从而选择合适的水泵压头。二是工作人员要着重关注直流炉中分离器工质的过热程度，当处在深度调峰状态下时，其负荷会出现快速变化，这就需要平衡给水和投入燃料的速度，从而始终保持在合适的燃水比之中。三是加强对省煤器的检查力度，从而避免省煤器装置的入口区域中的工质出现汽化的情况。为最大程度降低汽机的热损耗，通常会将给水温度调高，而在负荷快速变化过程中由于炉内压力的变化，就会大幅度增加省煤器装置入口区域中工质出现汽化的可能性，所以，从此角度来看，就需要对给水的温度以及炉内的压力进行严格控制[3]。

2.3 脱硝装置安全运行策略

在深度调峰状态下，火电机组锅炉中脱硝装置出现安全运行问题就会影响到整个火电机组的环保情况，所以，保证脱硝装置的安全运行是较为关键的。所以相关工作人员要加深对其的研究力度。在火电机组低负荷运行状态下，使脱硝装置安全运行需要从脱硝装置入口区域的烟气温度入手，再增强其宽温催化器自身的宽负荷脱硝技术，当前较为常用的办法有四种。一是将脱硫装置中的省煤器进行分级布置。二是增加脱硫装置尾部的烟气旁路。三是增加脱硫装置中省煤器所具备的工质旁路。四是将锅炉内的热水循环至脱硫装置中省煤器的入口处。上述这四种方法都会在一定程度上提高烟气温度，当烟气温度提高后就可以有效避免脱硫装置中催化剂活性下降出现的问题。

2.4 加强燃烧器和制粉系统的配合度

在深度调峰状态下，火电机组锅炉中的燃烧器和制粉系统两者的配合度直接影响着整个火电机组的安全运行。针对上文中提到两者中目前存在的问题，相关管理人员可以从六个方面入手提高其安全运行性能。

第一，由于在锅炉中投入煤质的实际情况和设计煤质的情况有所偏移，所以原本的原磨方式便不再适用深度调峰状态下的制粉系统，所以就会导致磨损震动，处理不足以及爆燃的情况。针对此问题，要对锅炉中经常使用的几种煤质结合火电机组中制粉系统的实际情况进行特性试验，从而尽可能掌握不同煤质对于磨运动的影响，再以此数据为依据指导燃烧器以及制粉系统的安全运行。

第二，对于煤质多变的情况，目前表盘暂时没有有效的监测手段，对于在线监测或者对风量进行监测则结果都存在很大误差，这便使得工作人员很难进行及时调整，针对此种情况，可以在其中安装风粉在线监测以及风量监测装置，将两种装置结合进行使用，工作人员再将两种系统所提供的数据进行结合后，对其做出调整。

第三，如果在锅炉中掺入煤泥的比例过高，很容易导致煤机出现断煤频繁的现象，这便很可能导致火电机组的负荷快速下降。所以，为最大限度使其稳燃，工作人员需要根据实际情况开展掺烧煤泥比例试验，确保投入燃烧的煤泥比例完全安全，从而保障制粉系统始终处于安全运行的状态之下[4]。

第四，为降低风粉偏差导致的燃烧不稳，工作人员要着重注意制粉系统和燃烧器中的堵管情况，并对炉内整体流场进行优化，如果有必要还要对煤粉分配器进行改造，以此种方式来提高燃烧器以及制粉系统的负荷分配稳定性以及均匀性，虽然上述办法可以有效减少堵管情况的出现，但是对于燃烧不稳的情况并没有改善，所以在此基础上，对燃烧部分的氧化氮类化合物排放大幅度波动的情况进行智能控制，只有氧化氮类化合物排放规律，才能最大限度保障燃烧器燃烧的稳定性。

第五，尽可能提高粗粉、细粉分离器的效率，对于粗粉来说，应当扩大煤粉细度的可调节范围，尽可能使得煤粉处于均匀状态下，这就需要工作人员根据实际情况对煤粉分配器进行改造。对于细分来说，应当从增效、稳定燃烧以及降低氧化氮化合物排放的角度出发，对细分分离器进行优化。

第六，工作人员应当以改善制粉系统中经常出现的堵灰、磨穿情况为目的，尽可能加长直管道，将锅炉内温度场和风速场始终保持在一个均匀状态下，从而达到提高磨入口风量准确度以及线性度的目的。

通过对上述六个方面的优化，可以有效提升燃烧器和制粉系统之间的配合度，从而为处于深度调峰状态下的火电机组的安全运行打下良好基础[5]。

2.5 风机方面的安全运行策略

在深度调峰状态下，火电机组中的风机很容易出现失速和喘振的问题，这对于火电机组的安全运行产生了一定影响。针对此种情况，工作人员可以对烽烟系统中的风机以及其辅助设备进行改造升级，从而增加风机运行的稳定性，减少失速和喘振情况的出现。对于风机方面的优化和改造可以从下列几方面入手。

第一，对于风机进出口那些不合理的管道布置形式进行更改，以火电机组的实际运行需求为基础对其进行优化，另外还要对烟风管道整体进行改造。

第二，严格控制风烟系统中风烟管道存在的阻力以及风机进口处进入的风量，在条件允许的情况下还可以使用变频控制或者小汽机驱动对其进行调整。

第三，在优化改造风机过程中尽可能保证风机本体位置不发生移动，只对其配套设备进行改造和位置的挪动，对于风机本身的改动仅限于降速和对风机叶轮和叶片的改造和优化。

2.6 给水泵的安全运行策略

对于给水泵在深度调节状态下所遇到的安全运行方面的问题，工作人员可以有针对性地对给水泵的控制方式进行优化，从而提高其在火电机组中的适应性。对于配置汽动给水泵的火电机组，为防止低负荷运行状态下出现的超出工作区运行的情况，要对汽动给水泵的流量监控系统进行优化，相关工作人员可以从下述几个方面入手。

第一，在汽动给水泵的入口区域进行流量闭环控制，在实际操作中，此方法需要工作人员在给水泵入口区域来对安全流量阈值进行设定。当火电机组在深度调峰状态下时，其给水量低于这个安全流量阈值时，其最小流量阀就会缓慢开启，另外，还要在此基础之上设置一个优先级为最高的超驰回路，这样一来，便保证在低负荷运行状态下，其给水量低于安全流量阈值时，可以快速开通阀门，从而以此种方式保证给水泵的安全运行，从而保障整个火电机组的安全运行。

第二，是在启动给水泵的入口区域进行流量开环控制，在实际操作中，此方法需要工作人员给水泵入口区域的最小流量阀插入开环线性的插值函数，以实现对给水流量的控制需要在其上升过程以及下降过程中分别插入两套函数，从而以此种方式避免控制过程出现死区。另一方面，在此办法中还是需要设置一个优先级为最高的超驰回路，确保其给水量低于安全流量阈值时，快速开通阀门，从而保障火电机组的安全运行。

总的来说，无论是使用流量闭环控制还是使用流量开环控制，都能够对给水泵的给水量进行有效控制，这便实现了给火电机组稳定供水的目的，有效提升了深度调峰状态下整个火电机组的安全运行性能。

2.7 凝结水泵方面的安全运行策略

在深度调峰状态下，火电机组中给水泵相关设备中凝结水泵也是较为重要的一环。针对凝结水泵，也要在入口区域采用流量的开环控制或者是闭环控制，但对于那些有变频功能的凝结水泵，还要注意其在低负荷运行状态下其变频装置所能控制的范围，对其变频线型度和火电机组的实际情况进行综合考量，再对其进行改造和优化，工作人员可以通过信息化系统对其除氧器水位以及水压力进行自动化控制，从而使其满足火电机组的安全运行要求。

3 结语

综上所述，由于我国目前经济发展极为快速，人们的用电需求和电网供电结构都发生了较大改变，为保障人们的用电需求，开展深度调峰工作是十分必要的，而保证火电机组的安全运行是开展深度调峰工作的首要前提，本文中简要说明了火电机组在深度调峰状态下所面临的问题，并根据实际情况提出了解决策略，详细说明了火电机组中炉内受热面、直流炉水动力、脱硝装置、燃烧器以及制粉系统、给水泵方面的安全运行策略，相关人员可以以此为参考提高深度调峰状态下火电机组的安全运行性能。