深度調峰模式下燃煤鍋爐運行優化探討

姜智春

（國電電力發展股份有限公司北京朝陽技術咨詢分公司，北京 100025）

0 引言

“雙碳”目標(2021年習近平總書記在領導人氣候峰會提出中國力爭在2030年實現碳達峰，在2060年實現碳中和)的提出，標志著我國正式進入后燃煤發電時代。然而煤電在我國能源結構中占比較大，在未來幾年甚至幾十年中，煤電仍是不可或缺的重要部分[1]。另外，新能源發電受季節性和時效性限制，在傍晚用電高峰時往往不足以滿足用電要求，需要火電及時供電，因此，我國煤電后續主要向深度調峰方向變革，即在新能源電力足夠時，燃煤機組保持較低負荷運行，一旦新能源電力供給不足時，燃煤機組需要迅速升高負荷，保證供電。燃煤機組長期處于低負荷運行中，會導致鍋爐出現[2]：（1）燃燒不穩定，機組反饋調節反應慢，造成爐內突然熄火；（2）過熱器、再熱器、空預器等部件工作環境惡劣，管道受熱不均，容易發生爆管等安全事故，影響鍋爐使用壽命；（3）造成煤粉不完全燃燒，爐膛溫度降低，鍋爐熱效率降低；（4）排煙溫度降低，影響脫硝系統工作效率，導致排煙出口污染物濃度超標。因此，電廠深度調峰背景下的燃煤機組運行優化對于維持鍋爐安全穩定運行具有重要意義。

1 燃煤電廠運行原理[3]

燃煤電廠主要由燃燒系統、汽水系統和電氣系統組成。

1.1 燃燒系統

燃燒系統主要由原煤運輸、煤粉磨制、煤粉燃燒、風煙供排和灰渣回收等環節構成。由于電廠每日用煤量大，一般會修建煤場(至少能儲備十天以上的煤用量)來保證充足的煤粉供給。磨煤過程主要是原煤經皮帶運輸至原煤倉，經原煤倉落入煤斗，然后由給煤機輸送到磨煤機磨成煤粉，通常情況下，磨制好的煤粉會統一送往煤粉倉（直流鍋爐無煤粉倉，磨制好的煤粉直接送入鍋爐燃燒）進行儲存，再由一次風經由給粉機和燃燒器送入鍋爐進行燃燒。燃燒后的灰渣中大部分落入渣斗，經破碎機破碎后排入沖灰溝，小部分隨煙氣進入后續煙氣處理系統，最終經旋風除塵器被收集在一起后沖進排灰溝。燃燒用風由供風機送入空氣預熱器加熱，一部分經磨煤機、給粉風機由燃燒器送入爐膛進行燃燒（一次風），另一部分經燃燒器內部套筒直接進入爐膛（大多數鍋爐將二次風分為兩部分送入爐膛，一部分經由原二次風途徑送入，另一部分作為燃盡風送入爐膛，以增加空氣分級數，減少氮氧化物生成）。

1.2 汽水系統

火電機組的汽水系統主要包括鍋爐（主要是水冷壁管道、過熱器、再熱器以及省煤器等部件）、凝汽器、除氧器、汽輪機和加熱器等裝置及附屬部件構成。鍋爐給水系統的工質狀態變化是液態-汽態-液態，其主要過程是：鍋爐給水流入水冷壁管時，爐內煤粉燃燒釋放大量熱量，加熱水冷壁金屬管從而將給水變成飽和水蒸氣，水蒸氣經管道首先被送往頂端熱屏的再熱器中（過熱器與再熱器分為幾級），這時蒸汽變為過熱蒸汽，經過熱器后變為溫度、壓力更高的過熱蒸汽，由管道送入汽輪機做功，高速流轉的蒸汽帶動汽輪機的葉片進行旋轉，從而帶動發電機產生電。蒸汽經汽輪機做功后，其溫度和壓力大大降低，經由管道排入凝汽器，與外界換熱被冷凝成水，然后被凝汽器的熱水井全部收集起來，通過凝結水泵輸送到低壓加熱器進行加熱。另外，在工質做功的過程中勢必會融入少量氧氣，這對于整個鍋爐的安全是潛在的安全隱患，因此必須經除氧器除去工質中的氧氣，然后加熱才能作為鍋爐給水。為了節省能源，一般情況下，現代火電機組都會在汽輪機中抽取部分做過功的溫度相對較低的水蒸氣用于加熱鍋爐給水，被稱之為給水回熱循環。如果把汽輪機中某一級的全部蒸汽抽出經再熱器再次加熱后送入汽輪機做功的過程叫做再熱循環。

汽水循環過程中，漏氣、漏水現象是無法避免的，為了維持鍋爐汽水循環的正常運行，必須持續不斷的通過除氧器或凝汽器向汽水系統補充經過處理的軟化水。

1.3 電氣系統

電氣系統主要是汽輪機帶動發電機工作之后的工作系統，主要包括發電機、勵磁裝置、廠用電系統和升壓變電系統等。一般情況下，發電機出來的電壓在6～24kV，電流在20kA，要升壓才能并入電網。電廠自用電是通過降壓廠用變壓器將電壓降到400V后進行供電。

2 深度調峰背景下燃煤機組存在的主要問題

前言中也提到了深度調峰背景下，現代燃煤發電機組存在的主要問題，在這里，筆者將問題細化歸類，便于進行討論分析。

2.1 鍋爐燃燒不穩定[4]

白天新能源供電充足的時候，燃煤機組長時間處于低負荷運行，工作負荷約為滿負荷的20%～30%，鍋爐總給煤量即總輸入熱量下降，燃燒穩定性差。此外，由于風機存在最低出力，為了防止給粉管發生堵塞，只能使給風系統給風量大于煤粉當量下的給風量，導致給粉濃度下降，低的煤粉濃度增加了氮氧化物生成的同時還加劇爐內燃燒狀況惡化，受電廠生產成本影響，電廠燃煤一般摻燒有各種劣質煤，進而降低了機組低負荷運行時燃燒穩定性。

2.2 水冷壁水循環動力差

如果機組運行負荷小于額定工況的30%，鍋爐水冷壁管流量則接近最小流量，水循環惡化，管道中水流量的偏差增加，給水流量波動增大。低負荷運行時二次風壓力低，射流的剛性差，煙氣側燃燒供熱的均勻性降低，水冷壁的熱傳遞平衡被破壞，導致水冷壁局部過熱或壁溫偏差過大和爐墻破裂的熱應力增加[5]。尾端受熱面通常沒有安裝壁溫測量點，使得其無法監測壁的溫差，也會導致類似的情況發生。對于超超臨界機組，在深調過程中還存在改變鍋爐干濕狀態轉換的問題。通常，該裝置鍋爐的干燥狀態和潮濕狀態之間切換約在30%的負載。如果深度調節到額定負荷的30%以下，鍋爐可能切換到濕態運行。鍋爐頻繁的干態和濕態轉換，導致水冷壁不同位置應力增加，水冷壁管等的使用壽命進一步縮短，管道出現爆管的風險增加。

2.3 鍋爐的熱效率低和氮氧化物排放濃度高

深度調峰過程中發生的燃燒不穩定是導致鍋爐熱效率降低的主要原因，運行人員無法對鍋爐內部燃燒參數進行實時準確監控，不能及時做出準確的調整，爐內一旦發生熄火，無法及時處理，對鍋爐的安全運行帶來嚴重的危害。低給粉濃度和高給風量會使爐內產生強氧化性氣氛，從而產生大量氮氧化物，增加了尾部SCR脫硝系統負荷。燃燒穩定性差意味著爐膛的溫度降低，同時意味著排煙溫度降低，這對SCR系統的脫硝效率有著極為重要的影響，會導致尾部煙道氮氧化物的排放增加，無法實現對煙氣中的氮氧化物排放的有效控制，煙氣溫度降低還會導致空氣預熱器冷端產生大量硫酸氫銨結晶體，造成空氣預熱器堵塞，加劇空氣預熱器的腐蝕，當電廠開始增加運行負荷時，過量空氣系數逐漸增大，風粉系統連貫性差，導致尾部溫度增加、氧量增加，硫酸氫氨晶揮發產生大量SO3，造成環境污染等問題。

2.4 爐內煙氣流場惡化

機組低負荷運行意味著給風量降低，風機長時間處于高壓力、低風量的工作環境，會增加風機失速、喘振現象，增加機組停機的風險。一次風、二次風射流沖擊力降低，四角切圓鍋爐切圓直徑變小，發生對沖燃燒，造成煙氣流場局部流速過快或過慢，沖刷爐墻，導致受熱面磨損加快，長期低負荷運行的結果是鍋爐無法吹灰，造成過熱器、再熱器、煙道等部件大量積灰，增加煙道負荷，進而加劇爐內、煙道流場惡化。

3 燃煤機組運行優化策略

針對燃煤機組在深度調峰過程中展現出來的種種問題，同時綜合燃煤鍋爐的特點，現提出以下幾點建議：

3.1 燃燒器改造

現有燃燒器已經不適用于深調過程中的粉-風供給，需要進行低負荷燃燒器改造，低負荷燃燒器的鍋爐穩燃供給能力主要圍繞高溫度、高煤粉濃度、高含氧濃度進行，這樣才能保證深調工過程中爐內燃燒的穩定性。

（1）高溫燃燒器改造[6]

高溫燃燒器主要是大調解比穩燃燃燒器的研制。高的預熱溫度能夠提供穩定煤粉著火，同時向鍋爐輸送熱量增加，有利于鍋爐爐內溫度維持平衡。一般大調解比穩燃燃燒器采用中頻加熱點火穩燃技術，其主要方法是使用中等頻率的電加熱裝置對燃燒器預熱室進行預熱，當預熱室內溫度達到額定溫度后停止加熱，預熱室內煤粉氣化、點燃，穩定燃燒產生的熱量反過來對預熱室進行加熱，保證其成為穩定的點火源，由于其獨有的預熱裝置，該燃燒器不受爐內溫度和主燃燒器負荷的影響，但高溫燃燒器會增加額外的預熱設備以及冷卻水裝置等附屬設備，還會增加額外電耗；

（2）高氧量燃燒器改造

煤粉點火燃燒過程中，高的氧量有利于煤粉著火穩燃，因此，在現有燃燒器噴嘴附近，開一個小空間供氧通道，當高溫煤粉接觸到高濃度氧量時會迅速著火，并且燃燒反應速率加快，燃燒溫度升高，熱量迅速以噴嘴為圓心向周圍擴散，引起周圍煤粉著火燃燒。由于噴嘴高濃度的氧量持續供應，可保證燃燒器實現深調工況下穩定燃燒，保證爐內溫度。該類型燃燒器需要加裝供氧裝置及其附屬設備；

（3）高煤粉濃度燃燒器改造

鍋爐深調時燃燒不穩定的另一個原因是入爐煤粉濃度低。高煤粉濃度燃燒器是通過壓縮供給煤粉，實現較高的給粉濃度，保證燃燒器中間區域煤粉濃度始終處于最佳燃燒范圍，有利于煤粉的著火與穩燃，另外，可對燃燒器的噴嘴進行改造，使其煤粉著火射流能在噴口附近形成穩定的回流區，進一步增強煤粉的著火能力和燃燒穩定性。此方法無需增加附屬設備，只需改造現有燃燒器結構即可。

3.2 煤粉摻燒和制粉系統改造

考慮到燃煤機組運行發電成本，大多數電廠會選用劣質煤進行摻燒，深調工況下，入爐煤質是影響燃燒穩定性的重要因素之一，必須加強配煤管理，提高優質煤種摻燒比例，研究發現[7]，在熱解焦炭的點火過程中，摻入一定濃度煙煤，能有效提高焦炭燃燒溫度和燃燒反應速率。深度調峰過程中制粉系統適應性同樣至關重要，煤粉細度、煤粉濃度均是影響爐內燃燒穩定性的重要因素，要增設深調制粉機制，增加磨煤出力，濃縮煤粉濃度。

3.3 提高水冷壁水循環動力和系統安全性

在深度調峰過程中，鍋爐水動力循環問題主要出現在直流鍋爐，對于直流鍋爐，要重新根據水冷壁特性、循環泵特性進行計算，通過改善機組燃燒工況維持水冷壁的熱傳輸穩定性或是提高入爐水溫保證水循環的穩定。對于汽包鍋爐，水動力循環影響較小，但仍需注意水動力循環的循環倍率、循環流速和循環裕量等參數。

3.4 提高脫硝系統全負荷范圍內的穩定性

爐內燃燒穩定性變差會直接導致煙道入口煙溫降低，導致脫硝系統工作溫度降低，影響脫硝效率，需要進行全負荷范圍內脫硝系統穩定性改造，一方面可增加煙氣旁路，或者增加省煤器級數、省煤器旁路技術等來提高脫硝系統煙溫，保證脫硝系統和空預器正常運行；另一方面，傳統SCR脫硝催化劑的工作溫度在320～400℃范圍內，而深調過程中煙溫在260～300℃，煙溫過低嚴重影響脫硝效率，研發寬溫SCR脫硝催化劑可有效解決煙溫較低問題[8]。

3.5 提高機組變負荷反應速率

當電網（自動發電控制系統）下達調峰指令后，并網機組需要快速響應負荷指令，而燃煤鍋爐運行過程中存在長時間慣性機制，無法及時響應電網指令，若直接增加機組響應速率，會導致鍋爐的主蒸汽壓力、溫度等參數頻繁波動，嚴重影響鍋爐運行的穩定性。要提高機組變負荷反應速率，需要綜合考慮鍋爐負荷響應速度、鍋爐蓄熱能力和爐機控制協調性等因素，有針對性開展鍋爐改造，確保鍋爐在深調過程中穩定運行的同時快速響應電網調峰指令。

4 結語

“雙碳”目標下，燃煤發電機組參與電網深度調峰是構建我國新能源為主，傳統能源為輔的新型電力系統的重要舉措。深入研究煤粉鍋爐在深調過程中顯現出來的問題有利于燃煤機組運行優化，保證鍋爐安全穩定運行。筆者經過分析，認為未來提高煤粉鍋爐深調能力可以從燃燒器改造、增強煤種摻燒管理、優化制粉系統、提高水冷壁水循環動力和系統安全性、提高脫硝系統全負荷范圍內的穩定性和提高機組變負荷反應速率等方面入手。