基于深度調(diào)峰的火電機(jī)組配煤摻燒策略研究

楊茂林，孫利娟，代 賓，武文亮，蔡 敏，李 碩

(1.中國華能集團(tuán)有限公司 河南分公司，河南 鄭州 450018;2.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 459011)

0 引 言

對火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造并適應(yīng)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，此為我國能源轉(zhuǎn)型的重要舉措。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年我國風(fēng)電裝機(jī)比例12.79%，太陽能發(fā)電裝機(jī)比例11.51%，新能源電力呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢[1]。“十四五”電力規(guī)劃指出，火電逐漸調(diào)整定位，從基荷電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)電源，以實(shí)現(xiàn)我國能源消費(fèi)從化石能源向非化石能源轉(zhuǎn)變。

由于新能源電力的隨機(jī)性和無序性，火電機(jī)組為新能源電力深度調(diào)峰，對保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。火電機(jī)組深度調(diào)峰面臨鍋爐穩(wěn)燃、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全高效等主要問題，配煤摻燒是實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要保障[2]。面對煤價高企的現(xiàn)實(shí)情況，火電廠采購的動力煤種類多、煤質(zhì)雜，難以滿足入爐煤的品質(zhì)要求。此外，火電機(jī)組負(fù)荷變動快、動力煤消耗量大、煤場空間有限、動力煤長時間堆放易氧化自燃等問題加劇了火電機(jī)組深度調(diào)峰的難度[3]。因此，研究精細(xì)化的配煤摻燒策略可滿足火電機(jī)組負(fù)荷在20%～100%之間靈活變動，同時保障鍋爐穩(wěn)燃，不僅有利于維持火電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還能降低火電廠燃料成本以及提高經(jīng)營效益[4]。

配煤摻燒的前提是基于建立數(shù)字化煤場并根據(jù)機(jī)組負(fù)荷實(shí)現(xiàn)上煤量的精準(zhǔn)控制[5]。根據(jù)鍋爐燃燒需要，將不同特性的動力煤均勻混合，實(shí)現(xiàn)入爐煤品質(zhì)的精細(xì)調(diào)節(jié)，此為配煤摻燒的重要措施[6]。李號彩[7]基于大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了80多家火電企業(yè)燃料要素的資源整合和最優(yōu)配置，提高了多品質(zhì)動力煤的調(diào)度效率和準(zhǔn)確性。賀德宇[8]研究了火電廠燃料管理智能化建設(shè)思路，提出實(shí)行“框架頂層設(shè)計、實(shí)施過程統(tǒng)一指導(dǎo)、建設(shè)節(jié)奏分步分批、細(xì)節(jié)特色各廠實(shí)施”的建設(shè)方針。刑樹強(qiáng)[9]主要研究了儲煤場智能管理系統(tǒng)架構(gòu)，指出配煤摻燒應(yīng)保證入爐煤低位發(fā)熱量、揮發(fā)分、水分、灰分接近設(shè)計值。蒙毅等[10]開發(fā)了商業(yè)化的配煤摻燒軟件，以廣義的配煤摻燒為核心，用于預(yù)測滿足機(jī)組安全性、環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性的最佳摻配方案。數(shù)字化煤場管理和配煤摻燒概念引起了廣大學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注[11-12]，然而現(xiàn)有的研究成果主要是數(shù)字化煤場的建設(shè)、配煤摻燒模型的構(gòu)建[13]，基于深度調(diào)峰和實(shí)際生產(chǎn)的配煤摻燒策略還缺乏實(shí)踐驗(yàn)證[14]。

火電機(jī)組運(yùn)行過程中，負(fù)荷變動大，同時承擔(dān)高負(fù)荷頂峰和低負(fù)荷調(diào)峰的作用。600 MW火電機(jī)組的鍋爐有5個煤倉分別對應(yīng)5層燃燒器，采用分倉上煤的機(jī)制實(shí)施配煤摻燒，闡述每層燃燒器在穩(wěn)定爐膛火焰、保持機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高機(jī)組出力所承擔(dān)的具體作用，由此構(gòu)成制定配煤摻燒策略的主體思路。同時，配煤摻燒策略的順利執(zhí)行，還應(yīng)受到NOx、SO2、煙塵污染物超凈排放的檢驗(yàn)。基于深度調(diào)峰的配煤策略研究，將為火電機(jī)組的安全運(yùn)行、靈活調(diào)節(jié)提供理論支撐，為火電廠降低燃料成本，提高經(jīng)營效益提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

1 上煤系統(tǒng)流程與配煤摻燒原則

1.1 火電廠動力煤種分類

火電廠采購的動力煤按照揮發(fā)分分類則可分為煙煤、貧煤、無煙煤，按照硫分分類可分為高硫煤、中硫煤、低硫煤，按照熱值分類可分為高熱值煤、中熱值煤、低熱值煤[15]。火電廠動力煤種分類如圖1所示。煙煤的揮發(fā)分在20%～40%，其中揮發(fā)分為20%～30%、30%～40%的煙煤在煤場中均被單獨(dú)堆放。貧煤的揮發(fā)分在10%～20%，無煙煤的揮發(fā)分低于10%。高硫煤的硫分高于2.5%，中硫煤的硫分在1.0%～2.5%，低硫煤的硫分低于1.0%。高熱值煤的熱值高于20.93 MJ/kg，中熱值煤的熱值在14.65 MJ/kg～20.93 MJ/kg，低熱值煤的熱值低于20.93 MJ/kg。煙煤易著火，燃燒充分且燃燒穩(wěn)定性好，用于火電機(jī)組啟動和深度調(diào)峰期間穩(wěn)定爐膛火焰，保障機(jī)組安全運(yùn)行。無煙煤雖揮發(fā)分低、著火困難，但熱值高，用于火電機(jī)組頂峰時迅速提高機(jī)組出力。低熱值煤主要包括煤泥、城市污泥等經(jīng)濟(jì)煤種，價格低廉，低熱值煤的摻燒極大地降低了火電廠動力煤的采購成本。火電廠排放的SO2來自于動力煤中的硫分，高硫煤、中硫煤、低硫煤的摻燒均以保證SO2的超凈排放為前提。

圖1 火電廠動力煤種分類圖

1.2 上煤系統(tǒng)流程

火電機(jī)組依靠上煤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動力煤連續(xù)、無間斷供應(yīng)。火電廠上煤系統(tǒng)及流程如圖2所示。動力煤到達(dá)火電廠后，先經(jīng)翻車機(jī)卸車，然后由給煤機(jī)導(dǎo)入上煤系統(tǒng)。1號輸煤膠帶布置在給煤機(jī)底部，用于接卸火車運(yùn)輸?shù)膭恿γ骸?號輸煤膠帶和1號斗輪機(jī)布置在一煤場，5號輸煤膠帶和2號斗輪機(jī)布置在二煤場。斗輪機(jī)既能實(shí)現(xiàn)將接卸的動力煤堆放在煤場，又能夠?qū)崿F(xiàn)將煤場中的動力煤轉(zhuǎn)運(yùn)至煤倉。煤場全封閉建造，在減少因大風(fēng)揚(yáng)塵、雨水沖刷造成動力煤損耗的同時，又避免了無組織排放，為火電廠周邊營造良好的生態(tài)環(huán)境。7A號、7B號輸煤膠帶布置在A～E煤倉上部，當(dāng)需對煤倉進(jìn)行上煤時，犁煤器降落，將輸煤膠帶上的動力煤導(dǎo)流至煤倉。7A號、7B號任一條輸煤膠帶均可實(shí)現(xiàn)為A～E煤倉上煤。1～7號輸煤膠帶采用上、下層落差布置的方式，以便于不同輸煤膠帶段之間的動力煤轉(zhuǎn)運(yùn)。上、下層輸煤膠帶之間布置有三通擋板和落煤管。三通擋板將落煤管分為甲、已2個通道。2號、4號、6號、7號輸煤膠帶均為A、B雙通道，在保證上煤系統(tǒng)靈活、可靠運(yùn)行的同時，可進(jìn)一步提高上煤量和上煤效率。

圖2 火電廠上煤系統(tǒng)及流程示意

1.3 配煤摻燒原則

鍋爐系統(tǒng)為600 MW變壓直流本生型鍋爐，采用前后墻對沖燃燒方式，即單爐膛、π型結(jié)構(gòu)。鍋爐本體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。A～E煤倉分別對應(yīng)A～E層燃燒器，每個煤倉對應(yīng)4臺燃燒器。A、B層燃燒器布置在底層，標(biāo)高18.6 m;C、D層燃燒器布置在中層，標(biāo)高23.6 m;E層燃燒器布置在上層，標(biāo)高28.6 m。A、C、E層燃燒器布置在爐膛后墻，B、D層燃燒器布置在爐膛前墻。配煤摻燒嚴(yán)格遵守大氣污染物超凈排放原則，NOx排放量低于50 mg/m3，SO2排放量低于35 mg/m3，煙塵排放量低于10 mg/m3。配煤摻燒遵循鍋爐穩(wěn)定燃燒原則，特別是爐膛熱負(fù)荷在20%～50%深度調(diào)峰階段，需要保障底層燃燒器的穩(wěn)定燃燒，使其充分發(fā)揮托火層的功能。任意兩個煤倉不允許上同一類型的動力煤，嚴(yán)防動力煤品質(zhì)差造成兩層燃燒器同時滅火。配煤摻燒嚴(yán)守機(jī)組靈活性原則，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組快速加減負(fù)荷，同時滿足機(jī)組100%負(fù)荷的頂峰功能和20%負(fù)荷的深度調(diào)峰功能。配煤摻燒嚴(yán)守優(yōu)化煤場存煤結(jié)構(gòu)原則，通過優(yōu)先摻燒堆放時間較長的動力煤，加快煤場存煤更新，防止動力煤長時間堆放氧化，甚至發(fā)生自燃。同時，保障煤場煙煤、貧煤、高熱值煤、低硫煤的存量，以維持機(jī)組的長久、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 鍋爐本體結(jié)構(gòu)示意

2 智能配煤摻燒策略研究

2.1 斗輪機(jī)無人值守上煤策略

斗輪機(jī)無人值守是數(shù)字化煤場管理的具體應(yīng)用[16]，即根據(jù)機(jī)組負(fù)荷實(shí)施精準(zhǔn)化上煤，可在提高機(jī)組靈活性的同時進(jìn)一步降低燃料成本。通過激光點(diǎn)云掃描儀建立3D煤場是實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)無人值守的前提。

為了測試掃描距離、斗輪機(jī)移動速度、回轉(zhuǎn)角度和振動對激光點(diǎn)云掃描儀測量精度的影響，筆者進(jìn)行不同掃描距離、回轉(zhuǎn)角度、移動速度和斗輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)工況下的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)定長0.58 m、寬0.49 m。掃描距離對激光點(diǎn)云掃描儀測量精度的影響如圖4所示，由試驗(yàn)結(jié)果可知掃描距離是影響激光點(diǎn)云掃描儀測量精度最關(guān)鍵的因素。隨著掃描距離的增加，最大測量誤差逐漸升高。當(dāng)掃描距離為10.69 m時，最大測量誤差僅為0.02 m。當(dāng)掃描距離增加至44.99 m時，測量誤差升高至0.08 m，該最大0.08 m的測量誤差已滿足斗輪機(jī)無人值守的使用需求。

圖4 掃描距離對激光點(diǎn)云掃描儀測量精度的影響

斗輪機(jī)無人值守包括堆煤工藝和精準(zhǔn)上煤工藝。在進(jìn)行堆煤作業(yè)時，值班員下發(fā)煤場空間的起始坐標(biāo)、終止坐標(biāo)和堆煤高度，斗輪機(jī)自動運(yùn)行，完成堆煤工作。在進(jìn)行上煤作業(yè)時，值班員只需下發(fā)煤場空間的起始坐標(biāo)和終止坐標(biāo)，斗輪機(jī)借助激光點(diǎn)云掃描儀的測量數(shù)據(jù)，自動確定取煤高度并進(jìn)行取煤體積計算，然后根據(jù)煤種密度計算出上煤的重量。火電機(jī)組當(dāng)天的負(fù)荷曲線導(dǎo)入數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)后，斗輪機(jī)分時段進(jìn)行精準(zhǔn)上煤以配合機(jī)組調(diào)峰和頂峰的需求，同時加大經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒力度以降低燃燒成本。

2.2 雙斗輪機(jī)膠帶混煤策略

雙斗輪機(jī)膠帶混煤在不改變原有上煤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可最大程度地調(diào)整入爐動力煤指標(biāo)，實(shí)施精細(xì)化上煤。基于火電機(jī)組負(fù)荷變動大、煤價高企、環(huán)保管控的現(xiàn)實(shí)情況，入廠動力煤指標(biāo)難以滿足實(shí)際運(yùn)行需求，因此需對不同特性的動力煤進(jìn)行混配。

使用裝載機(jī)進(jìn)行混煤時其效率低、成本高，難以維持機(jī)組所需的上煤量，因而布置在一煤廠的1號斗輪機(jī)和布置在二煤廠的2號斗輪機(jī)同時工作。1號斗輪機(jī)所取的動力煤通過4A號或4B號膠帶段進(jìn)入6A號膠帶段，2號斗輪機(jī)所取的動力煤直接進(jìn)入6A號膠帶段。2個斗輪機(jī)所取的不同動力煤在6A號膠帶上進(jìn)行第1次混合，然后一同通過布置在6A號膠帶段尾部的落煤管進(jìn)行第2次混合，最后通過犁煤器進(jìn)入煤倉時進(jìn)行第3次混合。3次混合提高了不同動力煤之間膠帶混配的均勻性，避免因煤質(zhì)波動所造成的燃燒工況擺動。熱值低于12.56 MJ/kg的動力煤在單獨(dú)燃燒時的火焰穩(wěn)定性差、易滅火，因此需將其與高熱值動力煤進(jìn)行混配。在進(jìn)行高、低熱值動力煤混配時，應(yīng)保證混合后的動力煤熱值高于14.65 MJ/kg，同時選擇可磨系數(shù)相近的煤種，避免磨煤機(jī)振動。脫硫系統(tǒng)入口原煙氣設(shè)計值為4 300 mg/m3，鍋爐無法同時消耗大量的高硫煤，因此需進(jìn)行高、低硫動力煤混配。在進(jìn)行高、低硫動力煤混配時，應(yīng)注意動力煤中揮發(fā)分、堿金屬含量，避免鍋爐結(jié)焦導(dǎo)致燃燒惡化。

2.3 深度調(diào)峰配煤摻燒穩(wěn)燃策略

河南電力輔助服務(wù)市場深度調(diào)峰申報分為4檔:第1檔40%～50%負(fù)荷、第2檔35%～40%負(fù)荷、第3檔30%～35%負(fù)荷、第4檔低于30%負(fù)荷。火電機(jī)組調(diào)峰深度越深則獲得的調(diào)峰收益越高，配煤摻燒是保障機(jī)組調(diào)峰穩(wěn)燃、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、頂峰出力的重要組織措施。配煤摻燒采取分倉上煤的策略，每層燃燒器燃燒不同的動力煤，發(fā)揮著不同的作用。深度調(diào)峰配煤摻燒方案制定流程示意如圖5所示。

圖5 深度調(diào)峰配煤摻燒方案制定流程示意

鍋爐設(shè)計煤種為貧煤，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在40%～50%時，A、B層燃燒器可不摻燒煙煤進(jìn)行第1檔調(diào)峰。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高于50%時，C或D任一層燃燒器可摻燒經(jīng)濟(jì)煤種，以降低燃料成本。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高于70%時需運(yùn)行E層燃燒器，E層燃燒器摻燒高熱值動力煤以滿足機(jī)組頂峰需要。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在35%～40%時，A、B任一層燃燒器摻燒30%～40%揮發(fā)分的煙煤進(jìn)行第2檔調(diào)峰。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于35%時，A層燃燒器摻燒30%～40%揮發(fā)分的煙煤，B層燃燒器摻燒20%～30%揮發(fā)分的煙煤進(jìn)行第3檔或第4檔調(diào)峰。

在火電機(jī)組深度調(diào)峰期間，下層燃燒器摻燒煙煤是機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。煙煤揮發(fā)分高、易著火且火焰穩(wěn)定性強(qiáng)，在爐膛底層發(fā)揮著固定點(diǎn)火源、托火層的作用。通過在下層燃燒器摻燒煙煤，使下層燃燒器區(qū)域爐膛溫度高于950 ℃，是保障爐膛穩(wěn)燃的下限。中層燃燒器運(yùn)行時間長，摻燒經(jīng)濟(jì)煤種時能最大程度地提高經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒量。上層燃燒器運(yùn)行時間最短，在機(jī)組需要頂峰時啟動，啟動后機(jī)組達(dá)到100%負(fù)荷的能力，因此需摻燒高熱值動力煤。配煤摻燒方案在滿足機(jī)組負(fù)荷20%～100%之間靈活調(diào)節(jié)的同時，還須保障NOx、SO2、煙塵污染物的超凈排放。配煤摻燒方案中，A～E層燃燒器所產(chǎn)生的原煙氣硫分不得高于4 300 mg/m3，以確保SO2排放量不高于35 mg/m3;同一煤倉中不得進(jìn)行煙煤和無煙煤跨煤種摻燒，從而避免燃燒過程中煙煤搶占氧氣而造成無煙煤燃燒不充分，導(dǎo)致煙塵排放無法控制，從而煙塵排放量超過10 mg/m3。

3 結(jié) 論

配煤摻燒是火電機(jī)組靈活、經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要組織措施。通過對斗輪機(jī)無人值守上煤策略、雙斗輪機(jī)膠帶混煤策略、深度調(diào)峰配煤摻燒穩(wěn)燃策略的研究，可得出以下結(jié)論:

(1)斗輪機(jī)無人值守是數(shù)字化煤場的具體應(yīng)用，利用高精度激光點(diǎn)云掃描儀建立的3D煤場，可實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)自動堆煤和上煤，同時根據(jù)當(dāng)天機(jī)組負(fù)荷變化，完成不同動力煤上煤量的精準(zhǔn)控制。

(2)雙斗輪機(jī)膠帶混煤使用原有的上煤系統(tǒng)，三次混合效率高，混合均勻性好，有效完成從入廠動力煤到入爐動力煤的特性調(diào)節(jié)，從而保證機(jī)組用煤需要。

(3)配煤摻燒采用分倉上煤的策略，底層燃燒器調(diào)峰穩(wěn)燃，中層燃燒器摻燒經(jīng)濟(jì)煤種以降低燃料成本，上層燃燒器頂峰出力，滿足機(jī)組負(fù)荷20%～100%靈活調(diào)節(jié)的同時，保障NOx、SO2、煙塵污染物的超凈排放。