靈活性改造機組電鍋爐配置及優(yōu)化策略

王德強

（建投承德熱電有限責(zé)任公司， 河北 承德 067000）

0 引言

目前，火力發(fā)電依然占據(jù)主導(dǎo)地位，而鍋爐則是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。由于火力發(fā)電廠所使用的鍋爐容量較大，參數(shù)復(fù)雜，機械化和自動化水平較高，若使用煤作為燃料，則需先將其轉(zhuǎn)化為煤粉，再送入鍋爐進行處理。如果燃料為水煤氣，則可直接進入爐膛，與空氣混合后點燃。通過對燃煤電廠機組鍋爐進行高靈活性改造，增強機組調(diào)峰能力、燃料靈活性和熱電解耦操作性能[1-3]，可以更加高效地利用能源。

1 靈活性改造的必要性

隨著中國電力供應(yīng)的不斷增加，一些火力發(fā)電廠的發(fā)電時間急劇縮短，導(dǎo)致我國一些大型機組無法充分發(fā)揮其節(jié)能高效的潛力。同時，由于煤炭價格不斷攀升以及其他因素的影響，火力發(fā)電成本也大幅上升，火力發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益逐漸降低。在當(dāng)前電力緊缺的情況下，探索新能源的研發(fā)成為至關(guān)重要的任務(wù)之一。為了解決上述問題，必須采用新方法來提高電站機組鍋爐配置改造的靈活性，有效途徑就是使用儲能裝置。因此，對于那些僅占總裝機容量不到6%的抽水蓄能電站和燃氣機組，在火電裝機容量占64%左右的國家，高度可調(diào)節(jié)的煤電廠已成為最具可行性的選擇。國家對于機組鍋爐靈活性改造預(yù)期提出了以下要求，如表1 所示。

表1 靈活性改造預(yù)期要求

2 電機鍋爐組靈活性改造鍋爐設(shè)備面臨的問題

SCR 系統(tǒng)現(xiàn)已成為多數(shù)300 MW 及以上火電機組脫硝系統(tǒng)中的首選。脫硝系統(tǒng)是通過將氮氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨舛鴮崿F(xiàn)脫除排放的過程。催化劑是脫硝系統(tǒng)的核心，其作用在于將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣。催化劑的使用壽命決定了脫硝系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定可靠地工作。為保證脫硝系統(tǒng)催化劑工作溫度在310～400 ℃范圍內(nèi)，脫硝反應(yīng)器溫度必須保持在305～425 ℃范圍內(nèi)，否則，該系統(tǒng)將不能正常運行。若煙氣中所含氮氧化物濃度過高，將對鍋爐的效率和安全性造成嚴(yán)重影響。同時，也會增加脫硫裝置的投資成本。當(dāng)300 MW火電機組的純凝負荷低于50%時，鍋爐SCR 人口的煙溫已經(jīng)接近310 ℃。因此，為實現(xiàn)機組深度調(diào)峰的目標(biāo)，必須對鍋爐進行技術(shù)升級，確保在低負荷情況下脫硝系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

3 低負荷脫硝

當(dāng)機組負荷偏低時，脫硝裝置進口煙氣溫度可能低于催化劑的正常使用溫度（320 ℃左右），導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)無法運行，NOx排放量增大，空氣預(yù)熱器受阻。在鍋爐尾部加裝煙氣再循環(huán)，可以有效解決以上問題。為確保鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和機組的安全經(jīng)濟運行，必須確保煤粉在各個部位的濃度均勻一致。同時，由于脫硝系統(tǒng)催化劑長時間處于高溫環(huán)境中，容易發(fā)生積灰現(xiàn)象。為了確保SCR 脫硝系統(tǒng)催化劑的正常運行，需要實施一系列措施，例如，提高省煤器的給水溫度、減少省煤器的給水量或直接提高煙氣溫度等，使煙氣溫度達到催化劑使用溫度。低負荷脫硝具體的運行方式見圖1—圖6。

圖1 省煤器給水旁路改造

圖2 省煤器再循環(huán)改造

圖3 省煤器分割布置改造

圖4 省煤器煙氣旁路改造

圖5 設(shè)置0 號高加

圖6 熱水再循環(huán)改造

表2 中顯示了各種低負荷脫硝的改造方式，從中可以看出，煙氣旁路改造以及熱水再循環(huán)能夠作為低負荷脫硝的可靠方法。

表2 不同低負荷脫硝改造方式的特點

4 電機組調(diào)峰的改造與優(yōu)化

4.1 電機組調(diào)峰的優(yōu)化措施

隨著電力企業(yè)對火力機組進行工況調(diào)整，其調(diào)峰能力和發(fā)電經(jīng)濟性逐漸得到提升。通過對火電機組的燃燒系統(tǒng)進行改造，調(diào)整其變工況運行角度，可進一步提升設(shè)備的燃燒穩(wěn)定性和鍋爐水循環(huán)的安全性，同時，降低鍋爐輔機的限制，高效利用能源。在實際生產(chǎn)中，由于多種原因?qū)е聶C組存在不同程度的調(diào)峰問題，需要結(jié)合現(xiàn)場情況采取合理有效的調(diào)峰手段。此外，深入探究影響火電機組調(diào)峰能力的多種因素，可為優(yōu)化調(diào)峰措施提供有效途徑。

4.2 機組調(diào)峰的改造措施

在進行火力發(fā)電機組的調(diào)峰改造時，采用前置汽輪機的加裝方式，可顯著提升系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)效率，從而實現(xiàn)更為高效的運轉(zhuǎn)。對于機組的實際運行狀況而言，應(yīng)盡可能將汽機背壓降到最低，確保發(fā)電機穩(wěn)定工作。此外，通過運用電錯峰轉(zhuǎn)移技術(shù)和汽輪機出力調(diào)整，結(jié)合系統(tǒng)旁路改造和煙氣溫度控制，可最大程度地降低負荷量，并擴大出力區(qū)間，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。在進行火力發(fā)電機組的調(diào)整時，必須全面考慮變工況下調(diào)峰運行的因素，對調(diào)峰幅度、鍋爐改造的經(jīng)濟性和靈活性進行綜合評估，隨著負荷的降低，定壓—滑壓—定壓的運行模式得到了合理運用。

5 燃燒器的改造與優(yōu)化

5.1 設(shè)計上的改進措施

當(dāng)前，許多發(fā)電廠在運行過程中出現(xiàn)了鍋爐實際風(fēng)量超過其設(shè)計風(fēng)量的情況，這主要是因為鍋爐負荷與送風(fēng)量不匹配而造成的。由于風(fēng)速過高，致使燃燒過程中的熱損失增大，同時，前后墻對沖向兩側(cè)墻，并施加壓力，導(dǎo)致兩側(cè)墻高溫腐蝕，從而延長了著火距離。為了滿足燃燒器在不同煤質(zhì)的需求，必須進行有針對性的一次風(fēng)風(fēng)速設(shè)計，確保鍋爐高效運行。為了滿足煙煤的燃用需求，建議將旋流煤粉燃燒器的設(shè)計風(fēng)速控制在20～28 m/s 之間，以確保其高效穩(wěn)定運行。目前，由于國內(nèi)大部分電廠仍使用普通直流式風(fēng)機作為送風(fēng)口，因此，對現(xiàn)有直流式風(fēng)機風(fēng)量特性曲線進行修正是十分必要的。針對中低揮發(fā)分無煙煤，風(fēng)速的設(shè)計應(yīng)根據(jù)其最大粒徑進行調(diào)整。噴口附近氣流速度較大，對燃燒穩(wěn)定性要求較高。對于外層煤粉燃燒器而言，其風(fēng)帽處應(yīng)設(shè)置較高的空氣過剩系數(shù)來保證燃燒效率不下降。為了確保中間兩層燃燒器和最上一層煤粉燃燒器的風(fēng)帽高度符合要求，建議使用一定的數(shù)值進行調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究了不同運行工況下各層煤粉燃燒器的氣固流動特性及其對爐氣成分分布的影響。為了避免中層煤粉燃燒器氣流火焰鋒面對上層燃燒器的高溫炙烤而導(dǎo)致上層燃燒器噴口燒損，風(fēng)速的設(shè)計應(yīng)根據(jù)其最高值進行相應(yīng)的調(diào)整。通過計算得到了不同運行工況下各層燃燒器所需的最低送風(fēng)量以及相應(yīng)的最小風(fēng)帽高度。對于中央燃燒層的燃燒器而言，其底部火焰位置和上方火焰?zhèn)鹊娘L(fēng)門開度應(yīng)當(dāng)適度降低。對于最上一層煤粉的燃燒器來說，其底火應(yīng)與著火層內(nèi)最高溫度相對應(yīng)，且點火風(fēng)出口角度要盡可能小一些。為確保最佳效果，煤粉燃燒器的設(shè)計應(yīng)將最上層的氣流速度控制在兩者之間。將中速風(fēng)作為下層送風(fēng)，可以有效減少熱量向爐壁傳遞，從而提高爐膛溫度，降低燃料消耗。

5.2 運行上的改進措施

在進行一次風(fēng)調(diào)平時，需特別留意上層中間的煤粉燃燒器易發(fā)生燒損的特性，以確保上中下層中間的煤粉燃燒器一次風(fēng)風(fēng)速偏差調(diào)整在不超過+5%的范圍內(nèi)，而兩側(cè)墻燃燒器一次風(fēng)風(fēng)速偏差控制在-5%的范圍內(nèi)。另外，要保證上下層燃燒區(qū)溫度一致，避免因爐膛內(nèi)空氣過剩系數(shù)不一致而造成上部著火困難、下部結(jié)渣或燃盡不良等現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著一次風(fēng)風(fēng)速的提升，明顯降低了對上層燃燒器的高溫炙烤，可有效避免燃燒器被燒損，同時，也緩解了兩側(cè)墻高溫腐蝕的問題。

6 結(jié)語

針對低負荷情況下的穩(wěn)燃、低負荷脫硝以及熱電解耦等問題，已經(jīng)有了一系列可靠且成熟的解決方案。但對于火電機組鍋爐來說，因其本身固有的特點，決定了必須要進行靈活的技術(shù)改造，才能適應(yīng)不同工況下的需求。為了實現(xiàn)靈活性改造，不能僅僅依賴于個別設(shè)備的改造，而是需要更多設(shè)備之間協(xié)同作用，采取更加協(xié)同的措施。