1000?MW超超臨界機組深度調峰安全性分析及運行控制策略

吳海粼 丁湧

[摘? ? 要]隨著新能源比重不斷上升，大型火電機組深度調峰將成為運行常態。文章以某電廠1000 MW機組為例，分析深度調峰運行中機組存在的安全風險，結合實際運行經驗提出了相應運行控制策略，為1000 MW火力發電機組參與深度調峰提供了一定的借鑒。

[關鍵詞]1000 MW超超臨界機組;深度調峰;控制策略;低負荷運行;安全性分析

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–0–03

Safety Analysis and Operation Control Strategy of Deep Peak

Shaving of 1000 MW Ultra Supercritical Unit

Wu Hai-ling， Ding Yong

[Abstract]With the increasing proportion of new energy， deep peak shaving of large thermal power units will become the normal operation. Taking a 1000 MW unit of a power plant as an example， this paper analyzes the safety risks of the unit in deep peak shaving operation， and puts forward the corresponding operation control strategy combined with the actual operation experience， which provides a certain reference for 1000 MW thermal power unit to participate in deep peak shaving.

[Keywords]1000 MW ultra supercritical unit; deep peak shaving; control strategy; low load operation;safety analysis

近年國家綠色發展轉型，大力推動新能源發展，風、光能源占比逐年提升。根據中電聯發布的數據顯示，截至2020年底，全國全口徑火電裝機容量12.5億kW、非化石能源發電裝機容量合計9.8億kW，占總發電裝機容量的比重為44.8 %，比上年提高2.8 %。煤電裝機容量10.8億kW，占比為49.1 %，首次降至50 %以下。

隨著電力容量的逐步增大和清潔能源比重的逐漸提高，電網的峰谷差將日益增大，電力市場對火電調峰能力提出了更高要求，大機組長期深度調峰運行將成為常態。開展大機組深度調峰運行的安全性和經濟性研究和分析具有重要意義。現以某電廠1 000 MW超超臨界機組為例研究，分析深度調峰過程中存在的安全風險，制定低負荷運行的控制策略，提高調峰機組的安全性和經濟性。

1 概述

某電廠兩臺1 000 MW機組，鍋爐為東方鍋爐廠生產的超臨界參數變壓直流鍋爐，一次再熱，單爐膛，前后墻對沖燃燒方式，尾部雙煙道結構，采用擋板調節再熱汽溫，固態排渣，平衡通風Ⅱ型爐，其型號為DG3035/29.3-Π1。鍋爐點火方式為等離子點火方式，配置于兩臺底層燃燒器上，每層燃燒器有8只等離子，對應8個燃燒器。制粉系統為6臺正壓直吹中速磨煤機，脫硝系統采用尿素作為為還原劑。汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、十級回熱抽汽、凝汽式汽輪機，其型號為N1052-28/600/620。給水系統配置100 %容量汽動給水泵及100 %容量高加。發電機為哈爾濱電機廠生產的三相交流隱級式同步發電機，其型號為QFSN2-1169-2。勵磁方式為靜止自并勵，冷卻方式為：水氫氫，廠用電為10 kV及380 V兩個電壓等級。

2 低負荷運行的安全性分析

2.1 鍋爐側設備深度調峰存在的安全風險

2.1.1 鍋爐燃燒惡化

機組負荷降至500 MW以下，進入爐內燃燒的煤量相應減少，爐內熱負荷降低，爐膛溫度下降，煤粉著火條件及燃燒穩定性變差。若發生制粉系統、引風機、送風機等設備故障或者爐膛掉大焦都將對爐內燃燒造成較大影響，甚至滅火停機。

2.1.2 鍋爐水平煙道及尾部煙道積灰

低負荷工況，爐內風量減少，煙速下降，煙塵沉積在爐內水平煙道及后煙道中。然而，為確保爐膛安全，低負荷工況禁止進行爐膛吹灰。鍋爐長期低負荷運行將導致爐膛結焦、水平煙道、后煙道煙塵堆積，影響爐內換熱，提高了排煙溫度，降低了鍋爐效率，也易造成鍋爐壁溫超溫。

2.1.3 空預器積灰及低溫腐蝕

過量的NH3與煙氣中的SO3反應生成硫酸氫氨。硫酸氫氨在147-350 ℃溫度區間呈熔融狀態，是一種黏度極高的物質。當它在空預器內遇冷后，黏附于空預器的換熱元件表面，黏住煙氣中飛灰顆粒，導致空預器換熱元件通道堵塞，空預器前后差壓增大。低負荷運行鍋爐排煙溫度低，易在空預器冷端形成低溫腐蝕。

2.1.4 一次風機搶風或喘振

低負荷工況下，空預器積灰堵塞，減少了一次風機通道面積或者低負荷工況僅投運三套制粉系統，一次風通道面積減少，從而引起一次風機搶風或者發生喘振。

2.2 汽機側設備深度調峰存在的安全風險

2.2.1 軸系振動變大

隨著機組負荷下降，尤其是冬季，凝汽器真空提高顯著。當真空值過高時，可能導致汽輪機動靜摩擦，汽輪機軸系振動增大，影響機組安全。

2.2.2 給水流量波動

深度調峰中，小機正常汽源四抽無法滿足小機供汽要求，需切換至啟動汽源輔汽或者備用汽源冷再。由于輔汽或冷再與四抽存在較大的壓力差和溫度差，操作不當時會導致小機流量異常。

2.3 電氣側設備深度調峰存在的安全風險

2.3.1 發電機進相，靜態穩定性下降

發電機進相深度超過穩定值，靜態穩定性下降，可能造成發電機運行失穩，定子端部溫度上升。

發電機進相運行還將導致廠用電壓下降，各電氣設備電流增加，設備發熱，長時間運行導致設備損壞。電壓下降較大時，可能引起低電壓電氣設備保護動作，事故擴大。

2.4 深度調峰導致環保超標風險

低負荷工況，爐內溫度下降，脫硝催化劑反應活性下降，脫硝效率下降。制粉系統配風不良，爐膛火焰中心上移，NOX生成相對增加。監視不到位、調整操作不及時，可能導致環保參數上升。

3 深度調峰的運行控制策略

3.1 深度調峰前的工作準備

3.1.1 提前吹灰并投運等離子系統

深度調峰運行中進行鍋爐吹灰極有可能造成鍋爐燃燒不穩，甚至鍋爐滅火。因此，深度調峰時鍋爐不進行吹灰操作。為防止鍋爐結焦嚴重，保證機組正常運行，在負荷降至500 MW之前，要根據鍋爐結焦燃燒情況進行鍋爐吹灰。中負荷吹灰，可視燃燒穩定情況，投入兩層等離子運行，穩定鍋爐燃燒。

3.1.2 入爐煤煤質管控

運行人員掌握上煤及煤質情況，根據燃煤耗用及原煤倉存煤情況，合理安排上煤，確保深度調峰期間燃用合格燃煤。要求輸煤系統上干煤，避免發生原煤倉、給煤機堵煤，制粉系統斷煤情況。

為了保證深度調峰期間燃燒穩定，應用揮發相對較高、易于著火的低硫燃煤。合理安排配煤摻燒工作，防止鍋爐結焦。

3.2 深度調峰升、降負荷的操作及注意事項

機組負荷降至500 MW以下，應投入空預器連續吹灰，避免空預器積灰。機組負荷在400～500 MW工況，機組AGC正常投運，機組負荷率按照正常升降負荷率控制。此時，機組保持四套制粉系統運行，爐內火焰充滿度相對較高，鍋爐燃燒穩定，較大的變負荷率不影響機組安全性。當負荷降至300～400 MW，僅投入三套制粉系統運行，根據爐內燃燒工況適當降低機組變負荷率，避免負荷變動塊，導致燃燒不穩，影響機組安全性。

低負荷工況下制粉系統啟停的控制要點在于煤量、水量、風量變化的穩定，逐步平穩增、減給煤量、水量、風量，避免出現的突增突減情況，造成水冷器、過、再熱器壁溫超限或者爐內燃燒工況突然惡化情況。在機組升降負荷、啟停制粉系統時應密切關注鍋爐掉焦情況，做好防止鍋爐掉焦造成水冷壁壁溫超限及分配集箱進口溫度高的調整措施。

3.3 深度調峰安全穩定運行及管理的控制策略

3.3.1 提前完成機組定期工作

深度調峰期間，禁止安排對鍋爐燃燒有影響的定期試驗工作，并減少一切不必要操作，各項操作必須升級管控，必要的定期工作應提前安排。

3.3.2 提高鍋爐深度調峰穩燃能力

深度調峰期間，根據給煤量控制磨煤機風量，嚴格控制磨煤機風煤比，防止一次風量過大造成燃燒器脫火以及防止一次風壓過低造成一次風管積粉。調整磨煤機煤粉細度、提高磨煤機出口溫度，強化爐內燃燒。開展氧量調整，合理配風，確保煤粉燃盡;加強燃燒監視，發現燃燒不穩、火檢強度低、爐膛負壓波動大等情況，及時增投等離子穩燃。

3.3.3 控制環保參數不超標

SO2、煙塵排放總量和濃度是隨著機組負荷、入爐煤量變化而變化的。通過燃用熱值高、低硫煤以及指標精細化調整來降低SO2、煙塵的產生，能夠達到SO2、煙塵達標排放。

脫硝系統中總計3個NOX測點，其中脫硝反應器前后各布置一個測點，第三個測點布置于煙囪前。3個測點依煙氣流程分別經過脫硝反應器后剩余的NOX，以及對外排放的NOX。第一個NOX數值反映鍋爐燃燒產生NOX的量，其控制要點在于通過優化制粉系統配風、降低火焰中心等措施抑制NOX的產生，減少尿素用量。第二個NOX數值反映了脫硝反應器的效率，其控制要點在于控制好尿素熱解爐內的溫度和脫硝反應器處的煙溫。由于機組負荷低，尿素熱解爐入、出口溫度隨負荷降低而降低，及時關小氣氣換熱器旁路調節門并啟動熱解爐入口電加熱，控制熱解爐入口溫度大于450 ℃，出口溫度350～400 ℃，確保脫硝系統正常運行。同時，通過投運0號高加等措施提高排煙溫度，控制脫硝反應器內煙氣溫度在300～430 ℃，避免生成硫酸氫銨堵塞脫硝催化劑、空預器等。第三個NOX數值反映了對外排放量，是環保外排的依據。由于其與第二個測點相距較遠，第三個測點實際顯示NOX數值滯后第二個測點約3 min左右，因此對啟停制粉系統快速產生大量NOX的要超前控制，避免NOX排放瞬時超標。

3.3.4 預防發電機進相運行

機組低負荷發電機進相運行時，應加強發電機極端電壓、定子電流、發電機線圈溫度、無功等參數監視，發現相關參數達到限值，應及時手動調節無功功率，增加勵磁，防止發電機超過其允許進相運行范圍。

機組低負荷運行時，維持10 kV段母線電壓、380 V低壓母線電壓正常，及時增加勵磁，避免同時啟動10 kV等大容量設備，導致母線電壓瞬時下降，10 kV、380 V電器設備跳閘，事故擴大。

3.4 調峰的深度及運行方式選擇

3.4.1 制粉系統的運行方式

三套制粉系統運行能夠確保機組負荷在400～500 MW工況穩定運行，但制粉系統出力裕度已不足。若此時發生制粉系統斷煤、堵煤等事件，將影響機組出力，甚至機組安全。因此，機組負荷在400～500 MW宜保持四套制粉系統運行。當機組負荷降至400 MW以下時，宜保持三套制粉系統運行且制粉系統不允許隔層運行，否則爐內熱負荷分散，導致燃燒惡化。

為了避免低負荷一次風用量少，導致一次風壓高，出現風機搶風或喘振等不穩定工況，宜打通一臺備用磨煤機進、出口風門通風，降低一次風壓。

3.4.2 循環水系統的運行方式

隨著機組負荷降低，機組真空逐漸提高。考慮到機組經濟性和安全性，可采取雙背壓切為單背壓、停運一臺循環水泵或者調整冷卻塔配水等措施，適當降低真空，避免真空原因導致機組振動增大。

3.4.3 機組干濕態的轉換

當機組負荷降至300～330 MW時，機組處于“干態”“濕態”邊緣，若需要長時間維持此負荷區間運行，宜維持機組在“濕態”運行，盡量避免在“干”“濕態”間頻繁轉換，造成不穩定工況。

4 結束語

通過開展1 000 MW機組深度調峰運行研究，分析了鍋爐、汽機、電氣、環保等方面存在的安全風險，提出了相應運行控制策略，在實際應用中取得較好成效。然而，隨著新能源占比持續提升，1 000 MW機組仍需開展靈活性改造，才能更好地適應未來的電力發展和形式。

參考文獻

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