淺談火電機組適應寬負荷靈活運行及深度調峰運行技術研究

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 曾銀佳

1 火電機組的寬負荷靈活高效及深度調峰問題的提出

在實施電力現貨交易的大環境下，計劃電量小時數少，在負荷低谷時段國內的超（超）臨界機組都需要參與調峰[1-2]。各地電網調度需求不同，機組的負荷率差異也比較大，大多數超超臨界機組也是負荷率偏低。深度調峰受電網負荷峰谷差較大影響，在電網負荷的低谷區，電廠為滿足調度要求而在很低出力下持續運行并保持穩定，該工況下主機與輔機的負荷率低于常規運行負荷率下限的一種運行方式。

2 汽輪機適應寬負荷高效技術

由于國內電廠采取汽機工況定義原則，往往導致額定流量比最大流量小約12%，如采用純滑壓運行方式，額定工況滑壓運行時的進汽壓力將遠低于額定壓力，也將影響機組的熱耗。此時如采用補汽閥技術不僅成功解決全周進汽機組快速調頻的壓力損失問題，還可以解決滑壓運行額定工況進汽壓力偏低的問題。

目前，高效、減少燃料排放成為電廠運行關鍵性指標，補汽閥技術因其經濟性和運行靈活性的優點，在大功率機組超超臨界汽輪機中得到推廣應用。

3 鍋爐適應寬負荷高效技術

直流鍋爐采用煤水比來調節過熱蒸汽溫度，煤水比是否恰當主要通過中間點溫度來反饋，但是溫度不能直觀反映蒸發受熱面與過熱受熱面之間的焓增分配，因此主流觀點認為中間點采用焓值進行反饋更合適。

為解決煤質變化引起的控制誤差，因此可以引入其他反饋量來間接反映燃煤側的變化，作為一定的權重修正煤水比。目前這種技術理論上是可行的，但是要設計爐內換熱、燃燒方面的參數計算，否則難以設定準確的傳遞函數，因此需要在機組調試期間或投產后進行精細調試。

4 深度調峰的基本要求及原則

一是確保鍋爐燃燒系統穩定運行。隨著負荷降低，爐膛容積熱負荷、截面熱負荷、爐膛中心溫度隨之降低，一般低于某個負荷時，熱煙氣的卷吸已經難以滿足煤粉穩燃的要求，因此鍋爐深度調峰的最核心問題就是如何確保在更低的負荷下保持燃燒穩定。目前國內機組燃用優質煙煤的鍋爐設計最低不投油穩燃負荷一般為30%，工程亦然，要實現鍋爐在20%負荷下煤粉穩定燃燒，需要從設備上和運行策略上進行研究。

二是確保鍋爐水動力安全性，并避免鍋爐受熱面超溫。鍋爐在超低負荷的工況下，雖然爐膛煙氣溫度和蒸汽溫度都會低于額定值，但是介質流量的降低，滑壓運行導致工質的比熱容變化，在某些負荷下會出現受熱面局部過熱的問題。

三是確保環保設施正常投運，調峰期間污染物達標排放。鍋爐超低負荷運行時，SCR 入口煙氣溫度達不到SCR安全投運的要求，一般機組在50%負荷時SCR 入口煙氣溫度310℃左右，40%負荷時SCR 入口煙氣溫度290℃左右，入口煙溫隨負荷降低而同步下降。需要研究合適的方式控制SCR入口煙氣溫度和如何提高水冷壁入口溫度來提高爐膛整體溫度。此外，低負荷下過剩空氣系數會高于額定值，燃燒生成的NOx濃度可能會提高，同時催化劑的化學活性隨煙溫降低而下降，突破某一活性溫度后，因催化劑活性偏低，而導致氨逃逸率上升，由此會帶來一系列的運行問題，最突出的是硫酸氫銨導致空預器和下游設備積灰、堵塞。

四是保證汽輪機運行安全性。深度調峰過程中隨著負荷的降低，燃料量的減少，汽溫會隨之出現降低，尤其是在鍋爐“干態”向“濕態”轉變的過程中，可能出現蒸汽溫度過熱度不足，易造成汽輪機末級葉片濕度過大引起水蝕，必要時應該采取措施增強末級和次末級葉片的除濕性能。

五是確保配套輔機系統穩定運行。燃煤發電機組在低負荷下長時間運行時，各輔機設備均偏離了原來的設計工況，可能導致輔機及其系統運行不穩定。要針對不同的輔機特點，進行相應系統的設計，滿足輔機設備低負荷運行的適應性。

5 鍋爐及其配套系統深度調峰技術措施

5.1 鍋爐低負荷穩燃技術措施

5.1.1 低負荷穩燃的影響因素分析

根據燃燒學理論，對于煤粉爐，煤粉氣流的著火熱和著火速度決定了著火的穩定性。下列因素與燃燒的穩定性有關：著火溫度、煤粉濃度、一次風煤粉氣流的初溫、煤粉細度、燃燒器特性、一次風速、燃燒器區域的爐膛溫度水平。

5.1.2 鍋爐本體燃燒系統的低負荷穩燃技術措施

常規工程鍋爐的不投助燃措施最低穩燃負荷為30%B-MCR，為配合深度調峰需求，期望最終達到20%最低穩燃運行負荷的目標。經與鍋爐廠初步溝通，并結合現有多個改造工程的實踐經驗，認為工程采取措施可以進一步降低最低穩燃負荷，主要措施詳見下述。由于機組配合深度調峰過程的鍋爐低負荷穩燃可靠性更多取決于運行調整方式，故建議在機組調試過程中進一步就具體措施及運行調節方式進行落實確認。

5.1.3 制粉系統低負荷穩燃技術措施

一是磨煤機選用動態分離器，綜合考慮工程深度調峰的低負荷穩燃、降低NOx生成量等要求，推薦工程的磨煤機配置動態分離器。

二是低負荷下降低煤粉細度，額定負荷下煤粉細度的確定主要和鍋爐的燃燒要求與制粉經濟電耗兩個因素的平衡有關，揮發分高、易燃盡的煤種，可以選取較粗的煤粉，以節省碾磨電耗，反之應選取較細的煤粉。

三是提高制粉系統末端溫度，磨煤機的出口溫度受煤粉的防爆要求與干燥劑終端露點溫度等因素制約。從燃燒角度考慮，磨煤機出口溫度越高，對煤粉著火越有利。

5.2 鍋爐水動力及受熱面安全性保證措施

5.2.1 水動力安全性

需要由鍋爐廠進行深度調峰目標負荷（20%）的水動力計算，根據計算得到的回路壓降、質量流速、出口溫度、水動力特性等熱力參數，為低負荷工況鍋爐水循環的安全穩定提供理論指導和依據。

5.2.2 受熱面安全運行風險及對策

一是受熱面超溫，為滿足深度調峰受熱面安全性要求，需要核算受熱面的壁溫安全性，評估拉裂危險性，并需要在運行過程中控制好負荷變化速率。

二是煙道清積灰系統，鍋爐深度調峰至35%額定負荷以下時，水平煙道流速將低至5m/s以下，煙道積灰將趨于嚴重，長期低負荷運行需要考慮煙道積灰后煙道載荷增加，開展煙道結構強度和基礎校核，必要時增加除灰清灰裝置。

三是空預器設計，在超低負荷下，鍋爐排煙溫度低，易出現結露、堵灰等問題，須降低氨逃逸率和提高空預器的冷端綜合溫度。在排煙溫度極低時，提高空預器入口風溫，避免空預器堵塞，減輕空預器低溫腐蝕。

5.3 寬負荷脫硝技術措施

低負荷脫硝的技術方向有兩個，一個方向是提高低負荷下煙氣溫度，另一個方向是采用低煙溫下仍可以使用的新式催化劑。目前低溫催化劑技術尚未成熟，沒有適合燃煤機組使用的配方，所以只能采取措施，在低負荷下提高煙溫，滿足脫硝條件。

6 汽機及其配套系統適應寬負荷及深度調峰運行技術措施

6.1 汽機本體

汽機在低負荷運行時，需要嚴格控制主汽機再熱的壓力及溫度，保證機組的安全。同時需要特別控制低壓缸排汽室溫度，保證低壓缸噴水減溫裝置正常投入，避免因流入低壓缸的蒸汽量減少，鼓風效應明顯，導致排汽溫度升高，引起低壓缸的變形和軸承位置的變化，可能導致機組振動異常增大。

6.2 給水系統寬負荷及深度調峰運行技術措施

隨著負荷的降低，抽汽壓力以及給水流量也在不斷的降低，而機組為了保護鍋爐一般都設置了給水流量低保護。

6.3 凝結水系統寬負荷及深度調峰運行技術措施

燃煤發電機組在低負荷下長時間運行時，凝結水泵均偏離了原來的設計工況，這將直接影響設備的效率，容易引發跳閘等一系列安全問題，應注意凝結水泵再循環系統的及時開啟。

6.4 疏水系統寬負荷及深度調峰運行技術措施

在機組低負荷時，容易出現低加疏水的正常疏水壓力過低，正常疏水補償的問題，應結合汽機廠的熱平衡圖紙以及管道系統的壓降計算，確認正常疏水切換為危急疏水的負荷點，避免加熱器水位異常，造成機組停機。需要考慮設置低加疏水泵，解決深度調峰工況下，疏水壓力過低需要開啟危急疏水與機組熱經濟性之間的矛盾。

7 控制系統

電力現貨市場模式下，對機組的負荷響應能力（啟停機響應、變負荷響應）提出了更高的要求，即要保證電壓、頻率穩定。控制系統將從測量技術和控制技術兩大方向入手，建議采取以下措施。

7.1 全面可靠的測量技術

當機組長時間運行在低負荷工況時，部分參數已經大大偏離了正常運行值。常規設計的儀表主要考慮機組高負荷工況的性能，當機組運行在低負荷時，這類儀表將出現較大測量偏差（如：氧量測量），甚至無法投入使用（如：風量測量）。另一方面，為保證機組低負荷的穩定運行，需要增加一些特殊檢測儀表保證控制系統和運行人員準確監視機組低負荷運行狀態。因此，設計一套滿足機組寬負荷運行的測量儀表是提高火電機組靈活性的基礎。

7.2 靈活高效的控制策略

適當引入大數據、智能控制和智能優化技術優化控制采用控制策略有助于機組提高機組運行的靈活性，主要有以下措施。

一是廠級AGC技術，根據最近電網公司最新規劃，部分機組開始試點采用廠級AGC技術。采用廠級AGC技術后，發電公司可自行分配廠內各機組負荷，由多臺機組共同響應電網負荷需求，以提高機組靈活性。

二是鍋爐燃燒優化控制，通過關鍵參數的在線監測、歷史運行數據確定低負荷工況下最佳運行方式和參數（如煤粉細度、配風方式）保證鍋爐低負荷下穩定燃燒。

三是根據汽輪機配汽方式和機組可預見的負荷情況，通過DEH實現在線切換多種配汽方式，設置最佳的調頻控制回路和定值參數，實現機組有效的、快速響應的調頻能力。如采用DEH來實現一次調頻快速動作，采用CCS實現一次調頻最終穩定負荷。

四是寬負荷自動控制技術，采用以機組自啟?？刂?、全程給水控制、全程協調控制為代表寬負荷自動控制技術，提高機組控制水平，保證機組安全穩定運行。

五是快速變負荷控制技術，采用預測控制技術、超前控制技術優化溫度控制系統、鍋爐燃燒控制、脫硝控制、機組協調控制提高機組的響應速度。

8 結語

針對電網負荷的波峰、低谷，提出了工程的主機、輔機系統設備的設計選型、運行方案，以維持電廠為滿足調度要求而在較低出力下持續運行并保持穩定，并應采取合理的運行手段盡量減少機組效率的下降，實現深度調峰靈活性運行。

機組具備深度調峰靈活性運行的能力，在負荷低谷時段保持主機和輔機熱待機狀態，當切換到負荷高峰時段時，依靠機組快速爬坡能力，可以為現貨競爭提供有利條件。