基于350MW超臨界循環流化床機組深度調峰運行分析

山西國金電力有限公司 胡興凱

1 引言

近年來，我國“三北”地區風能、太陽能等清潔能源裝機容量迅速增加，但受用電負荷容量及輸電通道等因素的限制，出現大面積棄風、棄光的現象。國家為了保證清潔能源的大規模并網消納，相繼出臺了一系列政策，以降低棄風、棄光率。基于清潔能源間歇性、隨機性、波動性等特點，在調峰機組尚未配備完善的情況下，實施大規模并網，必然會導致供需矛盾進一步惡化。將超臨界循環流化床機組參與電網調峰，可以進一步強化我國電網調峰能力。在此形勢下，國內部分燃煤電廠根據機組特點進行相關的試驗和改造工作，通過燃燒優化調整，實現機組在30%額定負荷下不投油的穩定運行，并且保證了SCR脫硝系統的正常投運。

2 350MW超臨界循環流化床機組運行技術特點

2.1 燃燒性能良好、穩定性高

常規煤粉爐運行過程中的燃煤量變化對整個燃燒工況影響比較大，主要與其爐內蓄熱量低、燃燒性能小等運行特點有關。循環流化床機組運行方式與前者有著很大區別，在實際運行過程中，其爐內始終保持充足的床料，由于這些床料攜帶著非常高的熱值，不會對整個燃燒工況造成太大影響。另外，借助落煤管，可以讓燃煤順利進入到爐膛內，調整循環回路的溫度，使其溫度保持恒溫狀態，從而讓燃煤充分得到燃燒。這種燃燒方式不僅可以保證燃燒工況的穩定性，而且還能夠保證良好的燃燒效果。

2.2 溫度場分布均勻

分布不均勻是煤粉爐溫度場的特點，主要體現為主要部位的溫度存在明顯差異。舉個簡單例子，在燃燒過程中，煤粉爐爐膛的中心溫度高達1200℃甚至以上，其出口的溫度則在900℃左右,溫度落差比較大，導致的結果就是煤熱量在燃燒過程中難以獲得充分利用，產生的煤渣含碳比例比較大，造成資源的嚴重浪費。相比之下，循環流化床機組有著分布十分均勻的溫度場。這種結構特點，能夠讓爐膛內部均勻受熱，以保證燃料燃燒的均勻性和充分性,且在燃燒過程中，產生的熱量能夠被及時且充分地吸收，一定程度減少了對生態環境的污染和破壞。

2.3 多級送風利用率較高

傳統鍋爐在燃燒過程中會經歷兩次爐內送風過程，第一次送風的作用是將煤粉順利送至爐膛內，第二次送風的作用是助燃，以達到提高燃燒效率的目的。由于傳統鍋爐的結構設計存在諸多不合理之處，影響了送風效果，常常在燃燒過程中損失一定的風量，導致燃料燃燒不徹底、不充分。在送風方面，流化床鍋爐與之存在區別。第一次送風便可以滿足燃料燃燒的風量需求，且還將大量氧氣傳送至爐膛內，為燃料充分燃燒創造了良好條件。第二次送風可以達到充分助燃的效果，確保燃料全面且充分地燃燒，對氮氧化物等有害物質的生成具有很好的抑制作用。

2.4 物料循環性能突出

送風是流化床鍋爐運行過程中的重要程序之一，在鍋爐運行過程中會有兩次送風過程。第一次送風起到分離物料的作用，借助強風讓物料之間相互摩擦，可以讓體積比較大物料在摩擦過程中化為細小顆粒，可以讓物料快速燃燒變為細灰，隨著煙氣排出爐膛之外。對于比較大顆粒，充分燃燒過后會進行二次反應。在密相區發生的反應，則為內循環；在爐內發生的反應，則為外循環。內外循環的目的是提高燃料的燃燒效率，這是傳統鍋爐無法達到的效果。

3 深度調峰技術難點及策略

3.1 燃燒調整與控制

循環流化床機組在燃燒過程中具有調峰能力強、低負荷穩燃效果好等優勢，但是在降負荷時，需要對負荷變化率加以合理控制，尤其在深度調峰工況下，通過合理控制負荷變化，可以避免煤量降幅過大，防止出現燃燒惡化甚至滅火的問題。深度調峰過程中，需要對循環流化床機組各方面的運行參數進行綜合平衡控制，以保證機組運行的安全性和穩定性。機組的降負荷速率在深度調峰過程中會深受影響，為了保證燃燒的充分性，需要結合實際氧含量以及床溫，對其進行實時性、針對性調整。降負荷期間，對含氧量有著一定要求，且爐膛內的溫度不可以下降過快，以3℃/min為宜。一旦溫度下降過于明顯，甚至遠遠超出了規定范圍，會導致負荷超減。因此，保證負荷下降的速率在合理范圍之內，可以避免出現床溫下降過大又或者氧含量過高等現象。另外，當燃煤的數量減少之后，為了保證燃燒的穩定性，需要密切觀察氧含量及床溫變化，以明確是否需要對煤量進行調整。深度調峰下機組主要運行參數見表1。

表1 深度調峰下機組主要運行參數

3.2 配風優化控制

在深度調峰期間，機組負荷會呈現出逐漸下降趨勢，進入爐膛內的風量也會隨之減少，密相區的流化風速也會受到影響而出現相應下降的情況。由此可見，深度調峰會使爐內的流化情況發生較大變化。因此，為確保爐內的流化質量在低負荷狀態下依舊保持良好狀態，則需要靈活調整一、二次風量，一、二次風量應隨著負荷的下降而降低。深度調峰與滿負荷狀態相比，一、二次風量出現了顯著降低。由此可知，在深度調峰常態化運行狀態下，想要保證機組始終維持良好流化狀態，則需要確保臨界流化風量始終低于一次流化風量[1]。當處于低負荷狀態時，為了保證密相區的流化風量不受影響，則需要及時完成煙氣再循環的引入。當然，為了保證流化安全，則需要降低臨界流化風量，為了滿足這一要求，需要通過合理控制燃煤顆粒體積，提高燃料的燃燒效率，從而達到預期目的。另外，在控制一次風量時，如果風量的下降速度遠遠低于負荷，則會出現床溫過低的情況，就會對機組燃燒的穩定性造成不良影響。為了避免這一現象的發生，則需要嚴格按照規范標準，合理控制風量的下降速度。風量下降的速度過快也是不可取，容易導致爐膛內的燃燒發生翻滾，不利于燃燒的充分燃燒，導致流化質量降低，甚至會引發結焦等現象。

3.3 鍋爐水動力的保持

在低負荷運行狀態下，受壓力和水流量降低的影響，會進一步加劇水冷壁流量分配不均現象。在這種情況下，一旦工質壓力出現下降趨勢，必定會增大汽水比容差異，在多重因素的影響下，會降低機組水動力的穩定性。基于前墻水冷壁自身結構特點，當機組處于運行狀態時，其同屏壁會顯現出比較明顯的溫差，再加上沿程阻力比較大。如果水動力難以滿足實際運行需求，則會導致各管間出現明顯的溫差[2]。因此，在深度調峰過程中，可以根據前墻水冷壁壁溫差的數值，對鍋爐水動力情況進行客觀判斷，確保其符合規定要求。如果存在水冷壁壁溫差增大、水冷壁出口過熱度增加等現象，應適當增加機組給水流量，以保證機組水動力的充足。另外，隨著負荷的下降，機組還會面臨狀態運行問題，即干態轉為濕態。考慮到機組啟動系統具有較強的開放性，如果機組長時間處于濕態運行狀態，不利于對機組經濟性和安全性的把控。

因此，在機組調峰范圍為30%～100% BMCR時，應將機組調整為干態運行狀態，以保證機組運行的穩定性。為避免機組干態向濕態的轉換，可以從兩個方面進行，一方面，為了防止出現水比失調的情況，出口工質（汽水分離器）要保持一定的熱度；另一方面，如果濕態轉換完成，則意味著煤與水的比例存在嚴重失衡情況。如果水的比例大于煤時，應合理減少爐內的水流量，同時，還需要向爐內合理增加燃煤，可以確保機組的運行狀態由此時的濕態轉化為干態。

3.4 主蒸汽壓力與汽動給水泵的調整控制。

深度調峰期間，會對機組的給水流量造成影響，出現波動頻繁的情況。主要原因在于，在降負荷過程中，不論是機組負荷，還是燃煤總量，都會隨之下降。由于負荷響應十分迅速，而熱力系統的調整速度卻十分緩慢。在此過程中，如果工作人員存在操作行為錯誤或違規情況時，那么，就有可能增大主蒸汽壓力，導致其與負荷存在較大落差。因此，為了確保水流量的穩定性，可以采用四段抽汽方式[3]。經過擴容后，這種汽動給水泵升高受到制約，容易對水流量的穩定性造成影響，故而需要根據實際負荷情況，對主蒸汽壓力進行合理調整。

3.5 環保參數控制

事實上，床溫與負荷之間有著十分密切的關系，二者是正比關系，機組負荷變化會使床溫也發生變化，后者會隨著前者下降而降低。當機組處于低負荷運行狀態時，床溫也會隨之呈現顯著下降趨勢，這種情況下，不利于實現對有害物質（氮氧化物、二氧化硫等）排放量的有效控制。更重要的是，在這種狀態下，為了保證機組運行的穩定性，通常設置的一次風量比較大，以保證燃料的燃燒效率。這樣一來，導致氣態污染物的排放量也會隨之增大，這樣的燃燒效果與環保要求相違背[4]。為了更好的滿足環保標準，可以從兩個方面進行操作，一方面，加強對一氧化硫排放的控制。傳統鍋爐運行期間采用的是爐內脫硫方式，即加入石灰石，使其充分燃燒，以達到脫硫效果。這種脫硫方式雖然效果顯著，但是會降低循環灰的反應活性，無形中增大了脫硫劑的使用量，成本也隨之增加。為了更好的控制成本，應該降低脫硫劑使用量，對機組加以優化改造，即在機組上二次風管內設置石灰石噴槍，目的是增強石灰石的穿透能力，提高脫硫劑的使用效率，以達到更加理想的脫硫效果。值得注意的是，床溫穩定性與否，直接關系最終的脫硫效果，因而保證床溫穩定性是前提基礎。經過改造后的流化床機組，有效改善了石灰石的煅燒環境，促使其反應效率得以顯著提升，一定程度減少了石灰石的消耗量，實現了脫硫效果的大幅度提升，而且對有害物質的形成具有一定的抑制作用，更好的滿足了節能環保的要求和條件；另一方面，加強對氮氧化合物排放的控制。當機組處于低負荷運行狀態時，常常發生脫硝反應窗口的溫度高于煙氣溫度的現象，嚴重降低了脫銷效率。研究人員想要保證低負荷下的脫硝效率，則需要對傳統鍋爐加以深化改造，即安裝脫硝噴槍，通過設置這一裝置，可以直接向爐膛高溫區域噴射尿素溶液，從而產生脫硝反應。在深度調峰過程中，在30%～50% BMCR 負荷段，一定要保證系統切換的靈活性，可以保障機組運行的穩定性和安全性。具體來說，當煙溫無法滿足窗口溫度時，可以投入二次風處尿素噴槍。反之，則需要將前者撤掉，改為原分離器處噴槍。

4 結語

隨著可再生能源發電比重的增加，火電機組在深度調峰中的重要性日益突出，大幅度變負荷已經成為運行常態。由于我國人均資源較為稀缺，為了響應國家綠色環保理念，各生產企業將節能減排提上了重要日程，350MW 超臨界循環流化床機組的研發成功，對我國實現綠色可持續發展具有很強的社會意義。循環流化床機組運行過程中不僅對環境破壞程度小，而且可燃用劣質煤，其節能減耗的優勢受到了國家的大力支持。超臨界機組具有煤耗低、自動化程度高、維護工作量小、運行更加穩定等優點，未來該新型鍋爐在我國節能減排和環保方面將會作出更多的貢獻。