300 MW機組深度調峰技術研究與應用

陶 麗， 楊 宇， 陳國巍， 程應冠， 宋文雷， 郭福才， 何 翔

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司, 上海 200240； 2. 大連發電有限責任公司, 遼寧大連 116033)

2016年6月14日，國家能源局正式啟動靈活性改造示范試點項目，隨后印發了《可再生能源調峰機組優先發電試行辦法》等文件，明確要求燃煤電廠進行相應的靈活性改造、提高機組深度調峰能力、保障經濟性和安全性，故火電機組的靈活性深度調峰研究工作顯得意義重大且迫在眉睫。

當前大多電廠在停機過程中也嘗試過在30%鍋爐額定出力(BRL)工況甚至更低的負荷運行，但是對于機組可以在30%BRL工況下安全穩定運行的報道極少，對深度調峰機組熱工控制方面的研究也較少。朱群益等[1]對水平濃淡風煤粉燃燒器低負荷穩燃性能進行了試驗研究，并在320 MW雙爐膛鍋爐上應用，最低負荷降低至37.5%BRL工況時，鍋爐經濟性指標得到了保證；鐘禮今等[2]對低負荷下燃燒器投運方式進行了研究，在某700 MW機組鍋爐負荷降低至300 MW時，開展了4臺磨煤機或3臺磨煤機不同組合運行的研究，認為采用上3層磨煤機帶來的效果最好且能滿足脫硝溫度要求；楊磊等[3]對某1 000 MW機組鍋爐在300 MW負荷運行進行了研究，鍋爐不投油運行了約35 min，考慮到安全性和經濟性，認為最低安全負荷為40%BRL；高茂等[4]對100 MW機組旋流燃燒的鍋爐進行了低負荷穩燃性能研究，對內二次風和外二次風進行了優化調整，使得鍋爐能在低負荷下不投油安全穩定運行；余岳峰等[5]對煤粉氣流燃燒火焰著火的判據進行了試驗研究，根據試驗結果計算了煤粉著火和未著火狀況下火焰圖像三個色彩分量RGB的變化，并對著火判別準則公式做了修正；沈利等[6]對超臨界大容量機組深度調峰時對鍋爐的影響進行了研究，在干濕態轉換時，即通常在25%～27%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況，從安全性、經濟性和環保性論證了對穩燃、脫硝、脫硫和除塵的影響；陳志剛等[7]對某350 MW機組的輔機進行了低負荷運行熱工優化研究，對給水泵、三大風機在48%BMCR負荷及以下進行了控制策略改進，并對鍋爐主控制器和低負荷前饋回路進行了改造，達到了預期的目的；焦慶豐等[8]對某600 MW機組的滑壓曲線和協調控制進行了優化，最低穩燃負荷在43%BRL，機組自動發電量控制(AGC)性能較好，達到了預期目的。

當前大型火電機組集控化程度較高，在低負荷下控制側的熱工保護、控制組態優化顯得更為重要。將低負荷下的運行和控制進行優化對實現機組深度調峰時安全經濟運行日益重要。因此，筆者對某300 MW亞臨界機組在夏季純凝30%BRL工況下進行了試驗，通過鍋爐運行和控制優化來實現深度調峰，提出了2臺磨煤機運行并進行了燃燒側部分控制組態優化。

1 機組概況

1.1 主要設備

該300 MW亞臨界機組的鍋爐采用擺動式燃燒器、四角切圓燃燒方式，煤粉燃燒器共5層，燃燒器采用垂直濃淡煤粉燃燒器。制粉系統采用冷一次風機正壓直吹式制粉系統，每臺鍋爐配5臺中速磨煤機，燃燒設計煤種時，4臺運行、1臺備用。磨煤機型號為MPS200HP-II型中速磨煤機，A、E磨煤機采用SLK355型靜態分離器，帶有手動調節擋板，B、C、D磨煤機采用動態分離器。

1.2 設計參數和運行煤質

表1是鍋爐主要參數的設計值，表2是試驗期間入爐煤的化驗數據。從表1可以看出：鍋爐最低不投輔助燃料穩燃負荷是40%BMCR，此時設計的主蒸汽溫度為528 ℃、再熱蒸汽溫度為501 ℃。

表1 鍋爐設計參數

表2 試驗期間入爐煤質分析

2 存在問題及分析

2.1 鍋爐系統

該機組在之前的停機過程經歷過30%BRL工況，期間3臺磨煤機運行，由于單臺磨煤機帶的煤量過少，造成磨煤機出口溫度超過75 ℃并向80 ℃增加，存在安全隱患，故停機過程的30%BRL工況是短暫的，隨后負荷便繼續降低并停機，在此期間，汽輪機及給水泵系統運行正常，鍋爐穩燃正常。該鍋爐在低負荷運行時存在主蒸汽溫度低于520 ℃，再熱蒸汽溫度低于500 ℃，熱偏差大、經濟性欠佳，2017年4月25日運行數據見圖1。

圖1 低負荷運行時汽溫偏低數據

要解決上述問題，可以通過2臺磨煤機運行提高單臺磨煤機給煤量、降低磨煤機分離器出口溫度，由于中速磨煤機有最低通風量的要求，最小通風量通常在70%BRL工況的通風量[9]，故2臺磨煤機運行還可以降低一次風率、提高煤粉濃度、降低煤粉氣流著火熱[2]；在總風量設定不變的前提下，降低了一次風率，提高了二次風率，使得單臺送風機的動葉開度不至于過小；需要完善的是1臺磨煤機運行跳閘或者斷煤后的補救措施。

鍋爐設置了墻式輻射再熱器，布置于上爐膛前墻和兩側墻，以輻射式吸熱為主導，增強受熱面的輻射受熱比例。在高負荷下，爐膛煙氣的充滿度較好、爐膛溫度高，輻射熱量和熱力學溫度呈四次方關系，再熱蒸汽壓力在3 MPa左右，蒸汽比熱容小，對溫度敏感超過了主蒸汽，所以在高負荷下再熱蒸汽溫度偏高；對于主蒸汽溫度，流經受熱面后屏過熱器、末級過熱器的煙氣溫度已下降較多，這兩級是偏對流特性的受熱面，主蒸汽溫度偏低說明爐膛整體煙氣量偏小，故主蒸汽溫度比再熱蒸汽溫度低。在低負荷下，爐膛溫度低，輻射受熱量比例降低，但是爐膛整體風量、煙氣量相對偏大，使得對流受熱量比例較高；汽水系統呈現左側吸熱量大于右側的特性，且負荷越低熱偏差越大、負荷越高熱偏差相對減小。對熱偏差的調整主要是煤粉管道上進行熱態一次風調平和對二次風門擋板，尤其是分離燃盡風(SOFA)風門擋板的各角應有針對性調整。

2.2 控制系統

控制系統側重優化動態過程，采集了在AGC方式下機組運行參數，見圖2。

圖2 機組運行參數曲線

機組負荷從150 MW增加到300 MW的過程中，機組負荷和主蒸汽壓力控制動態波動較大。汽包水位、爐膛負壓、一次風壓、總風量控制平穩。主蒸汽溫度控制偏差較大，且左右側溫度有偏差。低負荷下送風控制輸出達下限，升負荷過程中燃燒器二次風擋板全部手動運行。

3 燃燒與控制系統優化

在高負荷下，降低一次風量、提高二次風量，適當降低爐膛煙溫使得再熱蒸汽溫度不至于偏太高，同時增大了煙氣量來提高對流傳熱量以提升主蒸汽溫度；在低負荷下，降低一次風量、二次風量，在保證NOx排放量不超標的前提下，通過強化燃燒來提高爐膛溫度以提高再熱蒸汽溫度；采用降低熱偏差的調整方式，對磨煤機風粉管道進行一次風調平，以及對部分二次風門擋板開度有針對性地進行調整。上述完成后，再進行控制優化，最后完成鍋爐在30%BRL工況的穩定運行。控制優化方案主要包括4個方面。

3.1 一次風壓設定修改

一次風壓設定原先跟隨鍋爐指令，改為跟隨運行磨煤機的最大給煤指令；同時，增加熱風擋板未全開時(開度小于80%)，對一次風壓設定值進行的動態修正。適當降低一次風壓設定值，降低入爐煤風粉氣流著火熱，并開大磨煤機熱風擋板來降低一次風機電流。

3.2 二次風門擋板開度調整

原先二次風擋板開度跟隨二次風風箱爐膛壓差，修改后的控制方案是二次風擋板將隨著主蒸汽流量的變化，在變負荷時進行同步調節，從而加快燃燒的響應性。

3.3 SOFA風門擋板開度調整

原先SOFA風擋板開度隨著主蒸汽流量的變化，增加了SCR脫硝系統入口NOx含量對SOFA風擋板的動態修正，并對該修正設置了較大的慣性時間。組態修改是將原先SOFA風擺角隨著主蒸汽流量的變化，增加了SOFA風擺角同時跟隨燃燒器擺角變化。NOx修正是根據不同鍋爐負荷對應的NOx基準值與實際值的偏差，來動態修正SOFA風擋板開度。

3.4 保護邏輯優化

進行了相關保護邏輯的優化，比如送風機動葉開度由最低的8%就閉鎖關，改為5%。

4 低負荷試驗

根據優化結果，于2018年3月30日開展了機組在30%BRL工況的試驗，由B、C磨煤機運行，試驗前落實了磨煤機運行時出故障后的安全方案，并準備了微油槍和備用磨煤機。

B磨煤機分離器設置轉速在85 r/min，C磨煤機分離器故障未投運。10:13:00開始，負荷穩定至90 MW，B、C磨煤機穩定運行，至13:10:00，共穩定運行近3 h，整個試驗期間，受熱面管屏未出現超溫現象，SCR脫硝系統正常運行，磨煤機安全可靠運行，見圖3、圖4。

圖3 主蒸汽和再熱蒸汽的溫度變化

圖4 SCR脫硝系統出口煙溫變化

表3是試驗期間各部分樣品中可燃物質量分數，表4是試驗期間在煙道測試的煙氣主要成分，ρ(NOx)根據規程按φ(O2)=6%進行了修正計算。

表3 化驗得到的可燃物質量分數 %

表4 煙氣主要成分

在90 MW(30%BRL工況)時，主蒸汽溫度維持在530 ℃以上，再熱蒸汽溫度在515 ℃附近，都超過了40%BMCR工況的設計值； SCR脫硝系統兩側出口溫度均超過320 ℃，完全滿足脫硝催化劑反應溫度的要求。煤粉的整體燃盡程度較好，說明2臺磨煤機運行時的燃燒調整措施是有效的。CO質量濃度整體較低，NOx質量濃度低于800 mg/m3，在合理范圍內。

5 結語

對300 MW純凝機組開展的鍋爐高低負荷運行時燃燒和控制優化研究和試驗結果表明：2臺磨煤機運行時的燃燒調整是有效的，鍋爐在30%BRL工況時的蒸汽參數優于40%BRL工況，且運行穩定，污染物排放控制在適當范圍，實現了鍋爐深度調峰的目的。

不對鍋爐及燃燒控制系統等設備進行大的改造，將低負荷穩燃和熱工控制優化相結合進行研究和綜合應用，既解決了鍋爐汽溫偏低問題，又滿足了低負荷時SCR脫硝反應催化劑的溫度要求，具有良好的經濟性，是鍋爐深度調峰的一條有效技術途徑，為類似機組的深度調峰改造提供較好的借鑒。