基于350MW超临界循环流化床机组深度调峰运行分析

山西国金电力有限公司 胡兴凯

1 引言

近年来，我国“三北”地区风能、太阳能等清洁能源装机容量迅速增加，但受用电负荷容量及输电通道等因素的限制，出现大面积弃风、弃光的现象。国家为了保证清洁能源的大规模并网消纳，相继出台了一系列政策，以降低弃风、弃光率。基于清洁能源间歇性、随机性、波动性等特点，在调峰机组尚未配备完善的情况下，实施大规模并网，必然会导致供需矛盾进一步恶化。将超临界循环流化床机组参与电网调峰，可以进一步强化我国电网调峰能力。在此形势下，国内部分燃煤电厂根据机组特点进行相关的试验和改造工作，通过燃烧优化调整，实现机组在30%额定负荷下不投油的稳定运行，并且保证了SCR脱硝系统的正常投运。

2 350MW超临界循环流化床机组运行技术特点

2.1 燃烧性能良好、稳定性高

常规煤粉炉运行过程中的燃煤量变化对整个燃烧工况影响比较大，主要与其炉内蓄热量低、燃烧性能小等运行特点有关。循环流化床机组运行方式与前者有着很大区别，在实际运行过程中，其炉内始终保持充足的床料，由于这些床料携带着非常高的热值，不会对整个燃烧工况造成太大影响。另外，借助落煤管，可以让燃煤顺利进入到炉膛内，调整循环回路的温度，使其温度保持恒温状态，从而让燃煤充分得到燃烧。这种燃烧方式不仅可以保证燃烧工况的稳定性，而且还能够保证良好的燃烧效果。

2.2 温度场分布均匀

分布不均匀是煤粉炉温度场的特点，主要体现为主要部位的温度存在明显差异。举个简单例子，在燃烧过程中，煤粉炉炉膛的中心温度高达1200℃甚至以上，其出口的温度则在900℃左右,温度落差比较大，导致的结果就是煤热量在燃烧过程中难以获得充分利用，产生的煤渣含碳比例比较大，造成资源的严重浪费。相比之下，循环流化床机组有着分布十分均匀的温度场。这种结构特点，能够让炉膛内部均匀受热，以保证燃料燃烧的均匀性和充分性,且在燃烧过程中，产生的热量能够被及时且充分地吸收，一定程度减少了对生态环境的污染和破坏。

2.3 多级送风利用率较高

传统锅炉在燃烧过程中会经历两次炉内送风过程，第一次送风的作用是将煤粉顺利送至炉膛内，第二次送风的作用是助燃，以达到提高燃烧效率的目的。由于传统锅炉的结构设计存在诸多不合理之处，影响了送风效果，常常在燃烧过程中损失一定的风量，导致燃料燃烧不彻底、不充分。在送风方面，流化床锅炉与之存在区别。第一次送风便可以满足燃料燃烧的风量需求，且还将大量氧气传送至炉膛内，为燃料充分燃烧创造了良好条件。第二次送风可以达到充分助燃的效果，确保燃料全面且充分地燃烧，对氮氧化物等有害物质的生成具有很好的抑制作用。

2.4 物料循环性能突出

送风是流化床锅炉运行过程中的重要程序之一，在锅炉运行过程中会有两次送风过程。第一次送风起到分离物料的作用，借助强风让物料之间相互摩擦，可以让体积比较大物料在摩擦过程中化为细小颗粒，可以让物料快速燃烧变为细灰，随着烟气排出炉膛之外。对于比较大颗粒，充分燃烧过后会进行二次反应。在密相区发生的反应，则为内循环；在炉内发生的反应，则为外循环。内外循环的目的是提高燃料的燃烧效率，这是传统锅炉无法达到的效果。

3 深度调峰技术难点及策略

3.1 燃烧调整与控制

循环流化床机组在燃烧过程中具有调峰能力强、低负荷稳燃效果好等优势，但是在降负荷时，需要对负荷变化率加以合理控制，尤其在深度调峰工况下，通过合理控制负荷变化，可以避免煤量降幅过大，防止出现燃烧恶化甚至灭火的问题。深度调峰过程中，需要对循环流化床机组各方面的运行参数进行综合平衡控制，以保证机组运行的安全性和稳定性。机组的降负荷速率在深度调峰过程中会深受影响，为了保证燃烧的充分性，需要结合实际氧含量以及床温，对其进行实时性、针对性调整。降负荷期间，对含氧量有着一定要求，且炉膛内的温度不可以下降过快，以3℃/min为宜。一旦温度下降过于明显，甚至远远超出了规定范围，会导致负荷超减。因此，保证负荷下降的速率在合理范围之内，可以避免出现床温下降过大又或者氧含量过高等现象。另外，当燃煤的数量减少之后，为了保证燃烧的稳定性，需要密切观察氧含量及床温变化，以明确是否需要对煤量进行调整。深度调峰下机组主要运行参数见表1。

表1 深度调峰下机组主要运行参数

3.2 配风优化控制

在深度调峰期间，机组负荷会呈现出逐渐下降趋势，进入炉膛内的风量也会随之减少，密相区的流化风速也会受到影响而出现相应下降的情况。由此可见，深度调峰会使炉内的流化情况发生较大变化。因此，为确保炉内的流化质量在低负荷状态下依旧保持良好状态，则需要灵活调整一、二次风量，一、二次风量应随着负荷的下降而降低。深度调峰与满负荷状态相比，一、二次风量出现了显著降低。由此可知，在深度调峰常态化运行状态下，想要保证机组始终维持良好流化状态，则需要确保临界流化风量始终低于一次流化风量[1]。当处于低负荷状态时，为了保证密相区的流化风量不受影响，则需要及时完成烟气再循环的引入。当然，为了保证流化安全，则需要降低临界流化风量，为了满足这一要求，需要通过合理控制燃煤颗粒体积，提高燃料的燃烧效率，从而达到预期目的。另外，在控制一次风量时，如果风量的下降速度远远低于负荷，则会出现床温过低的情况，就会对机组燃烧的稳定性造成不良影响。为了避免这一现象的发生，则需要严格按照规范标准，合理控制风量的下降速度。风量下降的速度过快也是不可取，容易导致炉膛内的燃烧发生翻滚，不利于燃烧的充分燃烧，导致流化质量降低，甚至会引发结焦等现象。

3.3 锅炉水动力的保持

在低负荷运行状态下，受压力和水流量降低的影响，会进一步加剧水冷壁流量分配不均现象。在这种情况下，一旦工质压力出现下降趋势，必定会增大汽水比容差异，在多重因素的影响下，会降低机组水动力的稳定性。基于前墙水冷壁自身结构特点，当机组处于运行状态时，其同屏壁会显现出比较明显的温差，再加上沿程阻力比较大。如果水动力难以满足实际运行需求，则会导致各管间出现明显的温差[2]。因此，在深度调峰过程中，可以根据前墙水冷壁壁温差的数值，对锅炉水动力情况进行客观判断，确保其符合规定要求。如果存在水冷壁壁温差增大、水冷壁出口过热度增加等现象，应适当增加机组给水流量，以保证机组水动力的充足。另外，随着负荷的下降，机组还会面临状态运行问题，即干态转为湿态。考虑到机组启动系统具有较强的开放性，如果机组长时间处于湿态运行状态，不利于对机组经济性和安全性的把控。

因此，在机组调峰范围为30%～100% BMCR时，应将机组调整为干态运行状态，以保证机组运行的稳定性。为避免机组干态向湿态的转换，可以从两个方面进行，一方面，为了防止出现水比失调的情况，出口工质（汽水分离器）要保持一定的热度；另一方面，如果湿态转换完成，则意味着煤与水的比例存在严重失衡情况。如果水的比例大于煤时，应合理减少炉内的水流量，同时，还需要向炉内合理增加燃煤，可以确保机组的运行状态由此时的湿态转化为干态。

3.4 主蒸汽压力与汽动给水泵的调整控制。

深度调峰期间，会对机组的给水流量造成影响，出现波动频繁的情况。主要原因在于，在降负荷过程中，不论是机组负荷，还是燃煤总量，都会随之下降。由于负荷响应十分迅速，而热力系统的调整速度却十分缓慢。在此过程中，如果工作人员存在操作行为错误或违规情况时，那么，就有可能增大主蒸汽压力，导致其与负荷存在较大落差。因此，为了确保水流量的稳定性，可以采用四段抽汽方式[3]。经过扩容后，这种汽动给水泵升高受到制约，容易对水流量的稳定性造成影响，故而需要根据实际负荷情况，对主蒸汽压力进行合理调整。

3.5 环保参数控制

事实上，床温与负荷之间有着十分密切的关系，二者是正比关系，机组负荷变化会使床温也发生变化，后者会随着前者下降而降低。当机组处于低负荷运行状态时，床温也会随之呈现显著下降趋势，这种情况下，不利于实现对有害物质（氮氧化物、二氧化硫等）排放量的有效控制。更重要的是，在这种状态下，为了保证机组运行的稳定性，通常设置的一次风量比较大，以保证燃料的燃烧效率。这样一来，导致气态污染物的排放量也会随之增大，这样的燃烧效果与环保要求相违背[4]。为了更好的满足环保标准，可以从两个方面进行操作，一方面，加强对一氧化硫排放的控制。传统锅炉运行期间采用的是炉内脱硫方式，即加入石灰石，使其充分燃烧，以达到脱硫效果。这种脱硫方式虽然效果显著，但是会降低循环灰的反应活性，无形中增大了脱硫剂的使用量，成本也随之增加。为了更好的控制成本，应该降低脱硫剂使用量，对机组加以优化改造，即在机组上二次风管内设置石灰石喷枪，目的是增强石灰石的穿透能力，提高脱硫剂的使用效率，以达到更加理想的脱硫效果。值得注意的是，床温稳定性与否，直接关系最终的脱硫效果，因而保证床温稳定性是前提基础。经过改造后的流化床机组，有效改善了石灰石的煅烧环境，促使其反应效率得以显著提升，一定程度减少了石灰石的消耗量，实现了脱硫效果的大幅度提升，而且对有害物质的形成具有一定的抑制作用，更好的满足了节能环保的要求和条件；另一方面，加强对氮氧化合物排放的控制。当机组处于低负荷运行状态时，常常发生脱硝反应窗口的温度高于烟气温度的现象，严重降低了脱销效率。研究人员想要保证低负荷下的脱硝效率，则需要对传统锅炉加以深化改造，即安装脱硝喷枪，通过设置这一装置，可以直接向炉膛高温区域喷射尿素溶液，从而产生脱硝反应。在深度调峰过程中，在30%～50% BMCR 负荷段，一定要保证系统切换的灵活性，可以保障机组运行的稳定性和安全性。具体来说，当烟温无法满足窗口温度时，可以投入二次风处尿素喷枪。反之，则需要将前者撤掉，改为原分离器处喷枪。

4 结语

随着可再生能源发电比重的增加，火电机组在深度调峰中的重要性日益突出，大幅度变负荷已经成为运行常态。由于我国人均资源较为稀缺，为了响应国家绿色环保理念，各生产企业将节能减排提上了重要日程，350MW 超临界循环流化床机组的研发成功，对我国实现绿色可持续发展具有很强的社会意义。循环流化床机组运行过程中不仅对环境破坏程度小，而且可燃用劣质煤，其节能减耗的优势受到了国家的大力支持。超临界机组具有煤耗低、自动化程度高、维护工作量小、运行更加稳定等优点，未来该新型锅炉在我国节能减排和环保方面将会作出更多的贡献。