燃煤火電機組深度調峰運行試驗

張緒輝，楊興森，辛 剛，劉 科，崔福興，趙中華

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2. 國網山東省電力公司，山東 濟南 250002)

0 引 言

新能源發電裝機規模快速增長，電網峰谷差持續增大，燃煤火電機組面臨的調峰運行形勢更加嚴峻，尤其是隨著高比例新能源電力系統不斷推進建設[1]，燃煤機組低負荷運行將更加頻繁[2-3]。由于火電機組參與調峰偏離機組最佳運行方式，且工況變化頻繁，機組運行安全性和經濟性顯著下降[4]。近年來，關于火電機組調峰試驗以及調峰運行優化的研究較多。

雷霖等[5]對某超臨界600 MW機組鍋爐不同煤種下的機組調峰特性開展現場試驗，研究了入爐煤質變化對機組調峰的深度、幅度、速度等方面的影響。宋民航等[6]總結常規低負荷穩燃措施及其不足，系統分析了制約旋流煤粉燃燒器低負荷穩燃性能深度提升的主要因素。黃獻華等[7]研究了330 MW亞臨界機組摻燒準東煤條件下鍋爐低負荷穩燃及深度調峰，分析大比例摻燒準東煤工況下鍋爐的抗結焦性、穩燃特性、經濟性及環保特性。劉輝等[8]對爐膛火焰溫度場進行測量，研究主要運行參數變化對燃燒器噴口溫度場分布的影響，指導開展深度調峰下的精細化燃燒調整試驗。劉文勝等[9]對某電廠600 MW亞臨界機組30%～40%額定容量深度調峰動態過程進行研究。袁文杰等[10]針對某165 t/h循環流化床鍋爐低負荷運行灰渣碳含量高、鍋爐效率低、調峰負荷受限等問題，進行了鍋爐燃燒優化研究。祝志福等[11]以某300 MW亞臨界機組為研究對象，基于煙氣直接加熱原理，提出了尾部煙道補燃寬負荷脫硝技術，并應用于實踐。張龍英等[12]對300 MW供熱機組調峰性能及影響因素開展研究。

前人在火電機組調峰運行優化以及調峰受限因素方面開展了大量研究，涉及機組調峰運行理論與現場試驗，但對于不同類型燃煤火電機組深度調峰能力及關鍵參數的系統性分析和研究較少。筆者通過開展8臺火電機組深度調峰能力試驗，分析了鍋爐穩燃能力、SCR脫硝溫度在低負荷下的運行規律，研究了北方機組冬季供熱期供熱量對機組調峰運行的影響，并比較不同類型機組在深度調峰運行中的表現，評價不同類型機組設備在調峰狀態下的特性。

1 試 驗

1.1 機組概況

選取8臺不同類型的火電機組開展深度調峰能力試驗，確定機組調峰能力以及關鍵受限因素。重點關注機組穩燃能力、污染物排放濃度、SCR脫硝裝置煙氣溫度以及供熱量等參數，分析機組深度調峰運行規律。8臺試驗機組基本情況如下：

1)機組a：1 030 MW超超臨界機組，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣直流鍋爐，低NOx旋流燃燒器前后墻對沖布置，正壓直吹式制粉系統，采用雙進雙出鋼球磨，一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機。

2)機組b：650 MW超臨界機組，單爐膛、一次再熱、平衡通風、固態排渣直流鍋爐，低NOx旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式，中速輥式磨正壓直吹制粉系統，一次中間再熱、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機。

3)機組c：645 MW超超臨界機組，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣直流爐，中速磨冷一次風機正壓直吹式制粉系統，低NOx旋流燃燒器前后墻對沖燃燒，一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機。

4)機組d：635 MW亞臨界機組，單爐膛、中間一次再熱、平衡通風、自然循環汽包爐，設計煤種為煙煤，正壓直吹式制粉系統，配有6臺雙進雙出鋼球磨，低NOx旋流燃燒器前后墻對沖布置，中間再熱、單軸三缸四排汽、沖動凝汽式汽輪機。

5)機組e：335 MW亞臨界機組，單爐膛、中間一次再熱控制循環汽包爐，雙進雙出鋼球磨煤機直吹式制粉系統，四角切圓燃燒方式，中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機。

6)機組f：330 MW亞臨界機組，單爐膛、一次中間再熱控制循環汽包爐，四角切圓燃燒方式，雙進雙出鋼球磨正壓一次風直吹式制粉系統。汽輪機為中間再熱、單軸、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機。

7)機組g：330 MW亞臨界機組，單爐膛、一次中間再熱、自然循環汽包鍋爐，設計煤種為煙煤，四角切圓燃燒，中速磨正壓直吹式制粉系統，一次中間再熱、單軸、三缸、雙排汽、凝汽汽輪機。

8)機組h：330 MW亞臨界機組，單爐膛、一次中間再熱、控制循環汽包爐，正壓直吹四角切圓燃燒方式，中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機。

試驗機組涵蓋1 000、600、300 MW等容量等級機組，包括超超臨界、超臨界、亞臨界以及超高壓等類型。試驗機組對比見表1。

表1 試驗機組概況Table 1 Overview of the test unit

1.2 試驗過程

為確定機組的深度調峰能力，機組在50%額定出力以上的負荷開始試驗，在不采取點火及助燃措施的情況下，鍋爐負荷以3%～10%額定負荷的幅度逐級降低，在試驗過程中可在每級負荷下保持15～30 min，直至機組出力降至最低。試驗過程中保持機組環保達標、參數相對穩定，穩燃狀況良好。試驗期間主、輔機安全指標不超標，無顯著的煙溫偏差和大量落焦等狀況。

機組的調峰試驗負荷由試驗期間的平均電負荷確定，機組電負荷按分鐘取數，調峰試驗負荷P計算公式為

式中,n為機組穩定運行時間，min；Pi為機組穩定運行期間每分鐘的機組有功功率。

試驗期間，觀察鍋爐火檢信號、助燃措施投運情況，采集鍋爐爐膛負壓、污染物排放指標、SCR裝置運行溫度以及機組供熱狀況等數據，分析機組調峰運行的受限因素及其對調峰能力的影響。

1.3 燃用煤質

試驗期間各機組鍋爐燃用煤種與設計煤質相同，均為煙煤。機組設計煤質、試驗期間燃用煤質分析見表2。

由表2可以看出，各機組燃用煤質與設計煤質在Qnet,ar和Vdaf較接近。機組d和機組e試驗煤質的Qnet,ar較設計煤質略高，均在3%以內，其余機組試驗煤質的Qnet,ar較設計煤質低，降低了3%～14%。機組a、機組c和機組h試驗煤質分別較設計煤質高1.3%、24.7%和9.1%，其余機組試驗煤質均較設計煤質低，機組e、機組f差別較大，分別降低7.6%和20.2%。整體來看，試驗煤質大多較設計煤質差，不利于煤粉著火和鍋爐低負荷穩燃。

表2 試驗機組設計煤質與試驗煤質Table 2 Design coal quality and test coal quality of test unit

2 調峰試驗結果分析

2.1 機組調峰能力

試驗機組純凝工況下的調峰能力分析結果如圖1所示。由圖1可知，機組a試驗中可達到設計最低穩燃負荷以下，其余機組均在設計最低穩燃負荷以上。在機組投運時間較長，缺少穩燃能力改造的情況下，大部分機組已難以達到設計最低穩燃負荷，尤其是在機組燃用煤質不及設計煤質的情況下。為提升鍋爐穩燃能力，機組a對一次風、內二次風和外二次風、中心風、冷卻進行優化，保證煤粉氣流離開燃燒器噴口后能迅速及時著火、穩定燃燒，獲得最佳燃燒工況。

圖1 試驗機組最低運行負荷Fig.1 Minimum operating load of test unit

機組的調峰能力根據機組試驗負荷/額定容量計算得出。各機組調峰能力的比較分析如圖2所示。由圖2可知，8臺試驗機組的調峰能力均能達到40%以下，其中6臺機組能達到35%以下，這些機組中機組a進行了穩燃能力提升改造，機組f在脫硝裝置中設置了煙氣旁路，其他機組均未進行靈活性改造。雖然各機組在純凝工況難以達到設計最低穩燃負荷，但也具備較強的深度調峰能力，尤其機組b調峰能力約30%。

圖2 試驗機組調峰深度Fig.2 Peak shaving capacity of test unit

開展試驗的8臺鍋爐中，600 MW以上機組均采用低NOx旋流燃燒器前后墻對沖，300 MW等級的4臺機組均采用四角切圓燃燒。從2種燃燒器的對比來看，旋流燃燒器一、二次風混合強烈，煤粉著火快，燃燒充分，而且對高溫煙氣的卷吸率高，提高了火焰的穩定性，因此旋流燃燒器前后墻對沖方式的低負荷穩燃能力優于切圓燃燒鍋爐，在大容量鍋爐上應用廣泛，某些旋流式燃燒器低負荷穩燃能力能降到額定容量的20%[13-14]。本文試驗中，由于受到SCR脫硝、輔機運行等方面限制，機組未能達到更低運行負荷，8臺機組在35%額定容量左右基本保持穩定燃燒。這說明旋流對沖燃燒和四角切圓2種型式均具有35%額定容量甚至以下的穩燃能力。

2.2 鍋爐穩燃能力分析

鍋爐穩燃是火電機組深度調峰運行中關注較多的問題。由于火電機組在低負荷運行時，爐內煙氣和爐膛溫度較低。煤粉氣流著火熱源主要有煤粉氣流卷吸回流的高溫煙氣、火焰爐膛等對煤粉的輻射[15]。鍋爐負荷降低時，爐膛平均煙溫降低，燃燒器區域的煙溫降低，不利于煤粉著火。因此，鍋爐在深度調峰運行中易著火困難，火焰穩定性差，對工況適應能力變差，微小擾動就可能導致燃燒不穩定，甚至爐膛滅火。同時，在低負荷下鍋爐燃煤量減少，磨煤機運行調整可能會導致制粉系統出粉不均勻，特別是降負荷過程中，一次風量根據煤量變化調整，一次風速、一次風溫隨煤質變化而變化，都可能導致鍋爐滅火。

燃用煤質是影響鍋爐穩燃的重要因素。揮發分低的煤著火溫度高，煤粉進入爐膛后，加熱到著火溫度所需的著火熱較多，不利于煤粉著火和鍋爐穩燃。由前文分析可知，試驗機組燃用煤質與設計煤質在Qnet,ar和Vdaf較接近，對鍋爐穩燃能力不會造成明顯影響。

在試驗中，通過爐膛負壓、火檢信號以及助燃措施投運來確定機組燃燒狀況。在深度調峰運行期間，各機組火檢信號正常，均未投入助燃措施，保持較好的穩燃狀況。爐膛壓力能夠在較大負荷和一定頻率范圍內反映鍋爐燃燒狀態的變化[16]。爐膛壓力可通過引風調節系統自動調整，主要有改變引風機轉速、引風機動葉角度、引風機入口擋板開度、引風機出口擋板開度等手段，可通過爐膛壓力波動狀況查看鍋爐燃燒狀況。當機組變負荷運行時，風量與煤量發生變化，引風控制系統以爐膛壓力為給定值進行調節，當爐膛負壓出現劇烈波動時，說明引風控制系統無法有效控制爐膛負壓，可能存在燃燒不穩定的情況。

以機組a、機組b和機組g為例，開展機組調峰運行狀態下鍋爐爐膛負壓分析，如圖3所示。從圖3(a)可知，機組在降負荷、低負荷以及升負荷運行過程中，爐膛負壓均在-150～-30 Pa，未出現爐膛負壓為正的情況，在各工況下鍋爐燃燒維持在較穩定的狀態。機組a在試驗前開展了穩燃改造，對一次風風速測量裝置相關流場進行優化，對二次風通過在風箱內部設置導流板等優化措施，優化管網阻力特性，保證前后墻風箱風量、上中下層風道風量、單只燃燒器分配風量趨向均勻，驗證了鍋爐穩燃性改造的有效性。

由圖3(b)可知，機組b鍋爐爐膛負壓在低負荷運行期間較為穩定，期間出現若干次爐膛壓力為正的情況，但在變負荷階段，爐膛負壓波動劇烈，在前期降負荷階段，爐膛負壓快速減小，甚至達到-200 Pa以下，在后面升負荷階段，爐膛負壓呈快速增加后迅速下降的趨勢，多次出現正壓的情況，說明機組b鍋爐在變負荷階段燃燒出現不穩定狀況。這主要是由于在變負荷階段，爐內煙量和給煤量劇烈變化，引風機調節難以快速匹配煙氣量的變化，導致爐膛負壓大幅波動。

圖3 鍋爐爐膛負壓Fig.3 Boiler furnace negative pressure

從圖3(c)可以看出，機組g在低負荷運行期間，即使機組出力基本穩定，鍋爐爐膛負壓波動仍較為劇烈，爐膛壓力多次接近甚至超過0，達到正壓，最低接近-200 Pa，變化幅度較大，說明鍋爐燃燒狀況不穩定。當機組在高負荷運行時爐膛易維持穩定性，而機組在深度調峰工況下，磨煤機給煤量變少，爐膛溫度降低，燃燒狀況極易發生波動，燃燒不穩定。

2.3 污染物排放

燃煤火電機組深度調峰運行會影響鍋爐燃燒狀況、煙氣氧量以及煙氣溫度，從而影響機組污染物生成和排放。在機組執行更加嚴格的環保排放標準情況下，污染物排放控制成為影響機組調峰運行的重要因素。

圖4為試驗機組在深度調峰運行期間的污染物排放濃度。試驗機組均執行超低排放標準，即SO2、NOx和煙塵質量濃度分別不超過35、50和5 mg/m3。污染物質量濃度采用機組深度調峰運行期間的平均值，各機組調峰深度為圖2機組運行負荷率，在35%左右。各機組低負荷運行下能夠將污染物排放控制在標準范圍內。機組深度調峰運行情況下SO2和顆粒物質量濃度與常規負荷運行相近，但NOx質量濃度明顯升高，這也是限制燃煤火電機組調峰運行的重要因素。

圖4 試驗機組深度調峰污染物排放Fig.4 Pollutant emission of deep peak shaving of test unit

機組在深度調峰運行期間，SCR脫硝效率會隨運行溫度的降低而降低。SCR催化劑效率一般在350 ℃最佳。機組在低負荷下運行時，煙氣溫度降低，當煙氣溫度降低到硫酸氫銨析出溫度時，硫酸氫銨析出，催化劑的活性位及微孔被覆蓋、失效，使催化劑活性明顯降低，系統脫硝效率降低。同時，硫酸氫銨呈中度酸性且具有很大的黏性，易黏附在催化劑上，導致催化性能下降，還會黏附在下游設備的換熱元件上，加劇設備的腐蝕和堵灰，因此SCR脫硝系統需要在低負荷下退出運行[17]。

圖5為機組a、機組b和機組f試驗期間SCR脫硝裝置溫度與機組有功功率的關系。從圖5中可以看出，SCR煙溫隨機組有功功率的減小呈下降趨勢。機組a在試驗中經歷穩定運行、降負荷與升負荷等階段，SCR隨有功功率的變化關系明顯。機組b的SCR脫硝溫度隨有功功率的變化更加明顯，且脫硝溫度已降低至300 ℃以下，極易降低催化劑效率甚至失效，不能維持長時間運行。機組f在有功功率下降過程中，SCR脫硝溫度先呈下降趨勢，之后逐漸上升，這是由于該機組SCR裝置設置煙氣旁路，當脫硝溫度過低時，可將高溫煙氣引出混合，以提升SCR脫硝裝置的運行溫度，確保脫硝催化劑效率與脫硝效果，因此深度調峰試驗期間機組f的NOx質量濃度維持在較低水平，在所有試驗機組中最低。說明SCR脫硝裝置煙氣旁路在機組深度調峰運行期間效果良好，雖然會降低機組運行經濟性，但能保證機組調峰運行安全。

圖5 機組a、b、f的SCR脫硝裝置煙溫Fig.5 Flue gas temperature of SCR denitrification device of unit a,b,f

2.4 機組供熱

熱電聯產機組供熱也是影響燃煤機組調峰的重要因素，尤其是北方冬季供暖機組，在工業抽汽和采暖抽汽的供熱需求下，抽汽供熱機組和背壓供熱機組的調峰能力受到極大限制。針對試驗機組中抽汽供熱工況與純凝工況的調峰能力進行對比分析。

試驗的8臺機組中，6臺是抽汽供熱機組，2臺為純凝機組。圖6為機組b、c、g和h在純凝工況和供熱工況下調峰運行負荷的比較。由圖6可知，機組b和h在供熱工況下，調峰能力明顯下降。機組b在工業抽汽量74 t/h、采暖抽汽量163 t/h時，最低運行負荷由198 MW升至228 MW，調峰能力由30.46%變為35.08%；工業抽汽量為68.9 t/h時，機組最低運行負荷由198 MW降至193 MW，調峰能力由30.46%變為29.7%。機組h在工業抽汽流量93.7 t/h 時，最低運行負荷由115 MW升至181 MW，調峰能力由34.8%變為54.8%，調峰能力降低20個百分點。機組c在工業抽汽流量9 t/h時，最低運行負荷變為220 MW，調峰能力變化不大。機組g在工業抽汽流量94 t/h時，最低運行負荷由124 MW降至121 MW，調峰能力變為36.7%，調峰能力有所提升。

圖6 機組純凝工況與供熱工況調峰能力Fig.6 Peak shaving capacity of the unit under pure condensing conditions and heating conditions

綜上可知，機組抽汽供熱對于機組調峰能力的影響不是單一的。當機組抽汽供熱時，鍋爐蒸發量增加，鍋爐運行負荷增加，有利于鍋爐穩燃。但當機組供熱量較大時，機組抽汽較多，此時汽輪機在保證抽汽量的同時需滿足中壓缸排汽溫度不超溫，也需要足夠的蒸氣帶走低壓缸產生的鼓風損失，保證低壓缸的最小蒸氣流量。因此，在機組低負荷運行時，抽汽壓力和抽汽量可能無法滿足需求，影響機組的調峰能力，在帶較大的抽汽量供熱時，可能會使機組調峰能力降低20%以上。

3 結 論

1)鍋爐燃用煤質與設計煤質接近時，調峰能力與設計最低穩燃負荷接近，深度調峰能力達到40%以下，甚至達到35%。但在變負荷和低負荷運行階段，可能存在鍋爐燃燒狀況不穩定的情況。

2)NOx排放是燃煤火電機組深度調峰運行期間的重要限制因素。SCR脫硝裝置運行溫度隨機組運行負荷降低而降低，或可降至300 ℃以下，嚴重影響SCR裝置正常運行。

3)機組供熱對于燃煤機組調峰運行影響顯著，供熱量較小時對于鍋爐穩燃具有促進作用，但供熱量較大時嚴重影響機組深度調峰，可能會使機組調峰能力下降20%以上。

4)鍋爐穩燃能力改造和SCR裝置煙氣旁路在實際應用中效果良好，能夠有效保障鍋爐燃燒狀況穩定和SCR脫硝裝置正常運行，提升火電機組調峰能力。