深度調峰中鍋爐超低負荷穩燃技術的研究

李 劍，熊建國，童家麟，呂洪坤

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著國民經濟的發展和城市化水平的提高，在電網裝機容量不斷擴大的同時，用電結構也不斷發生變化，連續生產的工業用電比重逐年下降，而城鄉居民用電、市政商業等用電比重逐步上升，同時特高壓的投運和新能源技術的應用，使得電網峰谷差加大，調峰壓力增大[1-3]。2016年國家能源局發布《關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》，要求加快能源技術創新，挖掘燃煤機組調峰能力，提升火電機組靈活性，全面提高系統調峰和新能源消納能力，這無疑對火電機組的調峰能力提出了更高的要求。

近年來，國內600 MW及以上燃煤機組已經成為電網中的主力機組，大容量機組也不得不參與調峰，因此，研究大容量火電機組如何在低或者超低負荷下安全、穩定、經濟運行日益受到重視。

1 國內低負荷穩燃技術的發展

國內早期的低負荷穩燃技術為強化燃燒燃燒器和大油槍穩燃技術。圖1（a）和圖1（b）分別為國內早期有自主知識產權的2種強化燃燒、低NOX直流燃燒器[2]，在實際運行中，均實現了50%左右的無伴油調峰，但存在燃燒器噴嘴、穩燃鈍體磨損、變形和降低NOX效果不佳等諸多問題[4]。隨著國家對降低NOX排放要求的不斷提高，一批新型的強化燃燒燃燒器得到了應用。圖1（c）和圖1（d）分別為較為新型的強化燃燒、低NOX直流燃燒器和旋流燃燒器[5-6]，最低不投油穩燃負荷可達40%～45%ECR（額定工況），但在低負荷調峰日益頻繁的現狀下，45%ECR的低負荷穩燃性能顯然已不能要求：沿海某發電廠亞臨界600 MW機組受特高壓投運的影響，2016年曾長期在30%ECR負荷下運行；東北某發電廠350 MW機組在非供熱期需要維持在50%ECR負荷下才能獲得有償調峰補貼，這就需要其他設備和運行方式以強化超低負荷穩燃能力[7]。

圖1 4種典型強化燃燒燃燒器

早期電站鍋爐一般使用大油槍配合強化燃燒燃燒器以實現低負荷穩燃，隨著電力工業的發展，近年來，等離子點火和微油點火技術已逐步成熟，取代大油槍成為點火和低負荷穩燃的主要手段，并取得了良好的效果：某超臨界600 MW機組在調試階段等離子點火器一次投入成功率99%，整個階段實現零油耗[8]；某超超臨界1 000 MW塔式鍋爐使用微油點火系統后耗油減少90%以上[9]。但以往國內電站鍋爐只設置了一層等離子或者微油點火器，對需要深度調峰的鍋爐特別是前后墻對沖燃燒的鍋爐而言，仍需要投入大油槍以確保在低負荷下穩燃[10]。因此，研究如何在超低負荷下無油或者少油穩定燃燒是電站鍋爐深度調峰的重點研究方向。表1為微油點火技術與等離子點火技術的比較，由表可知，兩者都能起到點火和穩燃的作用，但微油點火技術因點火能量大、運行更可靠性、投資費用低和易維護性等方面更具優勢，因而得到了更為廣泛的應用。以某發電廠三期工程330 MW機組為研究對象，該對沖燃燒鍋爐前/后墻底層燃燒系統均改造成微油點火器，超低負荷穩燃試驗結果表明，設置兩層微油點火器后可實現不投大油槍超低負荷穩燃，以期為電廠無油或者少油低負荷穩燃提供參考。

表1 微油點火技術和等離子點火技術的比較

2 研究對象概況

某發電廠三期擴建工程2×330 MW鍋爐是按引進的美國B&W公司RB鍋爐技術設計制造的亞臨界參數、中間再熱、自然循環單鍋筒鍋爐。設計燃料為內蒙古準格爾煤礦的劣質煤和洗中煤，采用正壓直吹MPS中速磨系統，前后墻對沖燃燒方式，并配置有B&W標準的雙調風DRB型旋流煤粉燃燒器。

針對該鍋爐的具體情況，將前墻下層D燃燒器和后墻下層E燃燒器對應的8只噴口改成微油點火燃燒器，在實現鍋爐氣化微油冷爐啟動和低負荷穩燃的前提下，確保原主燃燒器的基本性能不變。微油點火燃燒器不僅可以作為點火以及低負荷穩然燃燒器，而且在高負荷時微油油槍退出運行后，可以作為主燃燒器使用。這種改造方式完全可以利用原有一次風燃燒器的輸粉系統，改造方案簡單，改造工作量較小。

3 不投大油槍超低負荷穩燃試驗

3.1 概述

前后墻對沖鍋爐是單只燃燒器組織燃燒火焰而非全爐膛一起組織燃燒，一般情況下在50%ECR工況下，未設置微油點火器的早期旋流煤粉燃燒器需投運大油槍進行助燃支持，造成整體用油量偏高。因此，改造2層微油點火燃燒器后，在超低負荷下能否真正實現不投大油槍助燃以達到穩燃和節油效果，是本次試驗研究的目的。本鍋爐日常運行時常摻燒洗中煤，為了使超低穩燃的試驗結果可以對鍋爐運行有實際參考意義，因此在本次超低負荷穩燃試驗中D層燃燒器煤種為洗中煤。洗中煤較設計煤種存在水分、灰分較高，低位發熱量較低的問題，為避免燃燒惡化甚至滅火，試驗過程中需保持D層燃燒器溫度較最低穩燃溫度有一定裕量。若低負荷下2臺磨煤機運行，受投入新的制粉系統耗時影響，可能會限制鍋爐快速升負荷能力，因此本次試驗重點研究3臺磨煤機低負荷運行情況。

3.2 試驗過程

本次試驗在機組滑參數停爐條件下進行，開始停爐前隔離各層燃燒器的大油槍，只用微油槍進行穩燃，并隔離機組對外供熱，以保證煤量與負荷的對應，圖2為整個試驗過程中機組負荷與總煤量的對應關系。試驗從330 MW開始降負荷，起初火焰明亮，燃燒情況較好，降負荷至140 MW時，保持3套制粉系統運行，此時A層（前墻中間層）給煤量16 t/h，D/E層給煤量31 t/h，運行人員就地觀察爐膛火焰變暗，燃燒器噴口火焰強度不足。若進一步降低煤量，特別是底層燃燒器的煤量，則爐內溫度就會更低，煙氣更難引燃中層燃燒器的煤粉，顯然該負荷已是無油助燃的最低負荷，而投入微油槍后能否實現進一步降負荷穩燃是本次試驗的關鍵。

圖2 機組負荷隨煤量的變化

表2為機組降負荷至140 MW并穩定運行5 h（目的是盡量減少鍋爐蓄熱），投入D層燃燒器4支微油槍后，實測各燃燒器噴口區域的爐膛溫度。由表2可知，投入D層燃燒器微油槍后，D層燃燒器噴口溫度較E層燃燒器有所提高，原因是D層燃燒器煤種為洗中煤，水分較高，盡管投入了微油槍，但效果有限；而前墻中層A層燃燒器溫度仍然偏低，若進一步降低A層燃燒器煤量，該層燃燒器仍有滅火風險。試驗中嘗試降低前墻中層A層燃燒器煤量至13 t/h，此時D/E層燃燒器煤量分別為30 t/h，30 t/h，機組負荷約為120 MW，實測A層與E層燃燒器已接近穩燃最低溫度800℃[11-12]，繼續降低這兩層燃燒器煤量，盡管可能可以使負荷進一步降低，但為了鍋爐有一定安全運行裕量，試驗時并未進行嘗試；A層燃燒器在D層燃燒器上方，受到D層燃燒器高溫煙氣的影響較大，因此該磨組組合方式已是單層微油的最佳低負荷穩燃磨組組合方式，若投入的是B層燃燒器（后墻中層）或者C層燃燒器（前墻上層），B與C層燃燒器的溫度會比試驗時A層燃燒器的溫度更低，故單層微油低負荷穩燃能力有限（約為額定負荷的35%）。

表2 各燃燒器噴口區域爐膛溫度（投入D層微油槍）

隨后投入E層燃燒器4支微油槍，以試驗進一步降低煤量的可行性。表3為投入E層微油槍后，實測各燃燒器噴口區域爐膛溫度。由表3可知，E層燃燒器溫度明顯上升，升溫后的煙氣使得A與D層燃燒器溫度也有所上升，燃燒情況改善。逐漸降低A層燃燒器煤量至最低煤量10 t/h，圖3為A層燃燒器噴口區域平均爐膛溫度隨煤量的變化。由圖可知，隨著層燃燒器煤量的下降，層溫度總體上呈下降趨勢，至最低煤量10 t/h，A層燃燒器溫度仍高于穩燃最低溫度800℃，此時機組負荷為105 MW，就地觀察各層燃燒器火焰噴口明亮，燃燒穩定，此時A/D/E層燃燒器給煤量分別為10 t/h，30t/h，30 t/h，測試中發現E層燃燒器煤量增加至34 t/h后，噴口區域溫度提高至1 190℃，火焰更為明亮，穩燃效果提升。由此可見，105 MW以下負荷時，可以停運A層燃燒器，用微油槍穩燃D/E層燃燒器，穩燃效果反而有所改善。試驗中也嘗試停運A層燃燒器，將負荷降至70 MW，實測D/E層燃燒器溫度均高于1 050℃。綜上，增設2層微油槍較單層微油槍超低負荷穩燃能力得到很大提升，利用微油點火技術完全可滿足機組30%以下超低負荷運行時鍋爐穩燃要求，若能進一步提高煤粉細度、保持SCR（選擇性催化還原）系統入口煙溫，燃燒方面仍有更低負荷空間[13-14]。

表3 各燃燒器噴口區域爐膛溫度（投入D/E層微油槍）

圖3 A層燃燒器噴口區域平均爐膛溫度隨煤量的變化

3.3 煤粉燃盡率和節油率分析

投入D與E層燃燒器8支微油槍后，對飛灰和大渣進行取樣分析，以計算煤粉燃盡率，圖4為燃盡率隨A層總煤量的變化。由圖4可知，煤粉燃盡率均可達到85%以上，微油槍引燃煤粉效果比較理想。而單支微油槍的用油量為50 kg/h，僅為大油槍的5%，整個試驗微油系統共運行3 h，用燃油0.9 t，節油率達95%，與其他同類使用大油槍穩燃的前后墻對沖燃燒鍋爐相比，節油率有了明顯提高。

圖4 煤粉燃盡率隨A層煤量的變化

4 多層微油點火的優勢和風險

采用多層微油槍穩燃較傳統大油槍穩燃的優勢非常明顯，主要表現在以下方面：

（1）在保證煤粉燃盡率的前提下，節油率非常明顯，耗油量可減少95%以上。

（2）投入大油槍穩燃后，往往需要退出電除塵系統，以防止未燃盡的油煙附著在陰陽極板表面；使用多層微油點火技術穩燃后，通過提高振打頻率，電除塵可一直投入，降低了粉塵排放和引風機的磨損[15]。

盡管多層微油槍穩燃技術有諸多優勢，但在運行中也出現了一些問題，表現如下：

（1）微油點火系統由于采用內燃式燃燒器，與傳統大油槍相比，燃燒室溫度高、燃燒器壁溫容易超限，使燃燒器噴口過熱而損壞，也極易使噴口內部結渣，運行時應通過調整一次風量等手段控制燃燒器噴口溫度。

（2）微油系統對油壓和燃油清潔度要求較高，用多層微油點火技術穩燃后，因需要全部微油槍都投入以保證超低負荷穩燃，微油系統沒有備用，運行中要避免發生噴嘴被雜質堵塞造成的個別微油槍出力不足，穩燃效果減弱，影響鍋爐超低負荷運行的穩定性。

根據運行和改造經驗，只要發電廠按照微油點火技術運行和維護的要求，合理配風，注意監測微油點火器壁溫變化，加強日常保養維護和定期試點，上述風險完全可控。

5 結語

為了滿足火力燃煤機組深度調峰的要求，低峰時鍋爐已進入超低負荷運行，僅靠傳統強化燃燒燃燒器已不能滿足低負荷穩燃的要求，而使用大油槍穩燃又會大幅抬升發電廠的運行成本和帶來粉塵排放超標的問題。在某330 MW前后墻對沖燃燒鍋爐（燃用洗中煤）上，改造了2層微油點火燃燒器，進行了不投大油槍超低負荷穩燃試驗。結果表明，盡管燃用了部分洗中煤，鍋爐穩燃性能較僅燃用煙煤有所下降，但利用微油點火技術也完全可以滿足超低負荷穩燃的要求，且煤粉燃盡情況良好，耗油量可減少達95%以上，經濟效益顯著。此次某330 MW機組前后墻對沖燃燒鍋爐上無大油槍超低負荷穩燃試驗的成功，可為今后燃煤鍋爐超低負荷穩燃改造提供參考。

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