煤电机组深度调峰锅炉侧设计问题探讨与研究.pdf

随着新型电力系统的发展，燃煤机组深度调峰、灵活高效运行的需求越来越高，有必要对燃煤机组深度调峰技术进行研究。针对机组深度调峰，分析了目前燃煤机组锅炉及辅机存在的问题和限制性因素。基于深度调峰的需求，提出锅炉设计的最优工艺系统，从锅炉炉膛选型、燃烧系统优化、锅炉启动系统、辅机设备磨煤机和风机等方面阐述燃煤机组深度调峰的锅炉及辅机具体设计方案和措施，以指导火电机组深度调峰的工程设计和应用，为我国3 0 6 0”的双碳目标提供助力。关键词：燃煤机组；深度调峰；稳燃；水动力；磨煤机；风机中图分类号：TK223文献标志码：A文章编号：1 6 7 2-4 7 6 3（2 0 2 3)0 4-0 0 1 3-0 5大量深度调峰的运行经验，同时对深度调峰设计0前 言及优化控制提出针对性的建议。近几年，我国可再生能源的发展取得了显著目前，一般深度调峰的负荷率多为4 0%成绩，截至2 0 2 2 年1 1 月底，全国发电装机容量为30%额定负荷，随着深度调峰要求的提高，大量25.1亿kWh,其中风电3.5亿kWh，太阳能发新建火电机组甚至提出深度调峰到2 0%负荷。电3.7 亿kWh，全国风电、太阳能发电总装机容针对深度调峰，本文提出锅炉设计的限制性因量约占全国发电总装机容量的2 8.7%1 。风光素，针对性的优化工艺系统，阐述燃煤机组深度等新能源面临巨大的消纳压力，为消除某些地区调峰需求下锅炉及辅机的具体设计方案和措施，弃风、弃光、弃水现象，新型电力系统要求燃煤电以指导火电机组深度调峰的工程设计和应用，为厂提供合适的深度调峰资源来消纳可再生能源，实现我国双碳目标提供助力。提高电网的稳定性。2 0 2 2 年，燃煤发电设备平均1炉侧深度调峰的问题分析利用小时为4 1 4 6 hl11，火电机组利用小时数逐年下降，全国用电峰谷差更加突出。在我国“3 0 6 0”双碳目标下，燃煤机组深度调峰、宽负荷高效节能发电技术运用及研究具有现实的必要性。对于大部分常规的火电机组，从汽轮机和辅机设备、锅炉和辅机设备，以及控制策略上提高机组深度调峰能力，同时保证机组稳定性和安全性是实现火电机组深度调峰的根本解决方案。为提高燃煤发电机组炉侧的灵活性和深度调峰能力，燃煤发电-储热耦合 2 以及热电解耦 3 技术得到应用和发展。并且，随着机组深度调峰及灵活高效运行需求的提高，大量电厂针对炉侧做了相关的试验研究，如水动力试验 4 ，燃烧稳定性试验 5-6 ，温度场以及汽温偏差试验 7-8 等，积累了收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 1作者简介：汪淑艳（1 97 0 一），女，高级工程师，研究方向为火电厂锅炉运行管理、电力工程设计施工管理。1.1深度调峰锅炉现状及问题分析对于燃煤电厂锅炉，实现机组深度调峰的困难主要集中在锅炉低负荷稳燃、水冷壁系统安全、低负荷脱硝方案等方面，对于汽轮机侧和控制调整方面的相关限制因素本文暂不讨论。燃烧稳定性、水动力稳定性以及低负荷脱硝等问题是锅炉侧限制深度调峰的几个主要因素-1 0 。（1）锅炉在低负荷工况下的燃烧稳定性问题。大部分燃煤机组锅炉的最低稳燃负荷为30%锅炉最大连续出力（BMCR），锅炉最低稳燃负荷决定锅炉调峰的幅度。（2）低负荷下锅炉的水动力安全问题。在过低的水流量情况下，水冷壁内的水和蒸汽易出现停14滞和倒流现象，给机组运行带来严重的安全隐患。（3）低负荷脱硝问题。锅炉低负荷运行时，选择性催化还原（SCR）入口烟温低于3 0 0，造成硫酸氢铵的凝结，堵塞催化剂。1.2锅炉辅机现状及问题分析（1）磨煤机。锅炉燃烧的稳定性不但与锅炉型式、燃烧器结构有关，磨煤机性能也是重要的限制因素 1 ，锅炉低负荷运行势必要减少磨煤机运行台数和燃烧器层数，当深度调峰至20%3 0%额定负荷运行时，可能仅保持1 台或者2 台磨煤机运行，并且磨煤机出力降低至50%以下，可能引起磨煤机震动、煤粉浓度下降等问题 1 2 。（2）风机。深度调峰时机组低负荷运行，风机设备偏离设计工况，风机风量和压头过低，直接导致风机等辅机的效率降低，增大供电煤耗，同时一次风机还可能发生喘振等安全性问题。2炉侧深度调峰工艺技术方案2.1锅炉本体解决方案2.1.1锅炉炉膛设计炉膛容积热负荷（q）、炉膛断面热负荷（qr）、燃烧器区壁面热负荷（qB）、燃尽区容积热负荷（q m）和燃尽高度（hi）等特性参数是决定炉膛尺寸以及燃烧特性的重要指标。表1 为大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则（DL/T831一2 0 1 5)中推荐的6 0 0 MW机组锅炉切向燃烧方式炉膛特征参数推荐范围,其中IT为煤粉气流着火温度，Vdar为干燥无灰基挥发分含量。表1 切向燃烧方式炉膛特征参数限值推荐项目型煤种IT 2 5%)qv上限值/(kWm-3)8095qr上限值/(MWm-3)4.05.0qB上限值/(MWm=3)1.21.8qm上限值/(kWm-3)2002602024hi下限值/m燃煤锅炉是按燃料的特性进行设计的，炉膛尺寸是根据煤种的结渣特性、着火稳定性、燃尽特性以及煤种的沾污（积灰）性等确定的。炉膛尺寸既要能保证燃料在炉膛中稳定燃烧以及燃尽充分，又要能保证气体燃烧产物得到充分冷锅炉技术却，使烟气进入对流受热面时的烟气温度低于煤的软化温度。由于我国很多机组为了降低发电成本，煤种变化较大，锅炉设计上更倾向于追求燃尽高度高、炉膛容积热负荷低、防结渣能力强、受热面安全可靠、煤种适应性好等特点。对于目前超超临界高效的燃煤机组锅炉，尤其是二次再热锅炉，希望降低锅炉辐射区域的辐射热因此需尽量减小水冷壁的面积，炉膛的尺寸尽量小，炉膛容积热负荷和断面热负荷尽量大，这样才也有利于深度调峰低负荷稳燃。因此深度调峰锅炉，为了保证锅炉低负荷稳定燃烧，在锅炉的选型设计上要求炉膛在不结渣情况下尽量减小炉膛尺寸，降低炉膛高度，不但有利于再热汽温的控制，也有利于低负荷深度调峰稳燃。2.1.2燃烧优化调整锅炉低负荷运行时，由于投入的煤量少，输人的热量减少，炉膛温度降低，不利于煤粉的着火与燃尽，煤的稳燃问题十分突出。此时可投用挥发分高、易着火、易燃尽的煤，并适当降低一次风率以提高煤粉浓度，减少煤粉气流着火热来保证着火及时；调整燃烧器投运数目，提高燃烧器区域的断面热负荷和炉内火焰温度。例如对于切圆燃烧的塔式锅炉，参与稳燃的磨煤机可设计对应2 层喷嘴，2 层喷嘴的煤粉火焰相互支撑，促进炉内煤粉气流与高温火焰的热交换，从而提高火焰的稳定性和整体抗干扰能力。如某电厂6 6 0 MW机组，A厂家燃烧器共设8层一次风喷口,其中BC磨煤机各对应2 层一次风喷口。锅炉低负荷工况下，B磨煤机或C磨煤机运锅炉炉型行时，相同磨煤机对应的2 层一次风可相互助燃，塔式实现超低负荷稳定燃烧。B厂家在燃烧器布置上采取A层微油或等离子十B/C层中心富燃料燃烧7590器十D/E/F层水平浓淡燃烧器的设计。4.35.22.1.3水冷壁系统安全1.01.5锅炉启动流量的大小直接影响启动的安全性200240和经济性。启动流量越大，工质流经受热面的质2226量流速也越大，有利于受热面的冷却，改善水动力特性，但工质及热量的损失也相应增加，同时启动旁路系统的设计容量及电动给水泵的容量也要加大。反之，启动流量过小，受热面冷却和水动力稳定就得不到保证。因此，启动流量的设计原则为保证受热面得到可靠冷却和工质流动稳定的条件第54 卷低压第4 期下，启动流量尽可能小。超临界直流锅炉的启动流量一般为额定流量的2 5%3 0%。深度调峰锅炉，一般启动系统设计推荐带启动循环泵的内置式分离器启动系统，锅炉由于调峰的要求运行在低负荷时，水冷壁为保证足够的安全性，通过的冷却介质流量仍为2 5%3 0%，分离器有可能运行在湿态工况，此时分离器分离下来的水可以通过启动循环泵再次送入锅炉，锅炉的启动流量由启动循环泵和给水泵共同提供。启动初期，给水泵提供流量约为5%BMCR左右，过热蒸汽7.0 MPa/410高压贮水箱旁路二高压缸中压缸1.1 MPa/300分离器工省煤器265循环泵OQSCR190190号高压号高用B号高用加热器加热器加热器汪淑艳，等：煤电机组深度调峰锅炉侧设计问题探讨与研究负荷工况的脱硝的投入。再热蒸汽1.1 MPa/400低压缸X除氧器140缔水泵凝结泵凝汽器15循环泵提供约为锅炉最低直流负荷流量减去给水泵的流量。启动循环泵增加了锅炉水动力循环流量，避免工质和热量的浪费，同时提高省煤器进口的给水温度，有利于锅炉全负荷脱硝。图1为某工程带启动循环泵的启动汽水流程图，当锅炉配置启动循环泵时，省煤器进口的给水温度可由1 90 提高至2 6 5，省煤器出口进入脱硝装置的烟气温度可达到3 0 0，可见启动循环泵在保证低负荷水动力稳定的同时，有利于保证低旁路图1 带启动循环泵的启动汽水流程图2.1.4全负荷脱硝措施在锅炉低负荷运行工况下，锅炉普遍存在脱硝人口烟气温度低的现象。由于SCR装置运行对烟温有下限要求，最低烟温限制值一般为3 0 0 320，否则会造成脱硝SCR反应器无法正常投人，影响锅炉低负荷运行NO达标排放。目前可采用的锅炉全负荷脱硝的主要措施有高温省煤器烟气旁路、省煤器分段、省煤器给水旁路、省煤器热水再循环（带循环泵）省煤器给水旁路十热水再循环（带循环泵）、可调式抽汽补充加热锅炉给水等方案。当深度调峰达到2 0%3 0%热耗率验收(THA)负荷时，采用单一的常规宽负荷脱硝方案难以满足要求，为实现更高的脱硝人口烟温提升，需要根据具体边界条件选用组合方案。针对新建机组，全负荷脱硝方案可采用分级省煤器十给水旁路方案、分级省煤器十给水旁路十热水再循环(带循环泵）或其他的多种组合方案。图2为省煤器给水旁路十热水再循环（带循环泵）方案的系统图，目前较多电厂按照此方案进行全负荷脱硝设计，在机组3 0%THA负荷下，脱硝人口烟温可相应提升2 53 0。省煤器给水永冷壁分离器果果热备用最小流量循环泵至大气式扩容器一图2 给水旁路十热水再循环（带循环泵）系统图昂果疏水162.2锅炉主要辅机设计和运行策略2.2.1 磨煤机近年来，随着对大气污染物排放控制的日益严格，为了减少NO.排放，国内大型锅炉均采用了低NO，燃烧器以及分级燃烧技术。空气分级送人，使燃料着火初期处于富燃烧的弱还原气氛中，并且燃烧器火焰温度有所降低，减少NO的生成。但这种燃烧方式容易导致燃烧不完全，飞灰含碳量升高。为了提高燃尽率，稳定燃烧，需降低煤粉细度（Rgo），一般Rg在1 5%2 0%之间。为保证深度调峰锅炉低负荷运行稳定燃烧，除了优化燃烧系统外，需要对锅炉磨煤机的运行台数和运行方式进行优化。表2 为某电厂BMCR工况和2 0%负荷制粉系统运行数据，调峰深度到20%负荷时，2 台磨煤机运行时，负荷率约为45.6%。有些电厂为了进一步保证锅炉低负荷的燃烧稳定性，希望3 台磨煤机参与运行，磨煤机负荷率进一步降低，因此有些电厂磨煤机采用变频电机，通过变频电机调节磨煤机低负荷运行转速，以消除磨煤机低负荷运行震动的风险并降一次风机项目双侧20%负荷工况容积风量/（ms-1）27.520%负荷工况风机全压升/Pa898320%负荷工况风机效率/%70图3 和图4 为一次风机和送风机的性能曲线，从曲线直观可见，3 0%THA工况运行时，一次风机双侧运行效率为7 0%左右，而单侧运行效率可达到8 5%；送风机双侧运行的效率仅为33%，而单侧运行的效率可达到4 6%左右。可见一次风机由于风量降低，风压降低不明显，效率1800017.00016.000150001400013000.12000211000)100009.000800070006.00050004000300020001000045403530252005101520253035404550556065707580859095100流量Q/(m3.s-l)图3 一次风机性能曲线锅炉技术低磨煤机的电耗。表2 制粉系统运行数据项目BMCR20%负荷燃煤量/（th-1)234.3哈氏可磨性指数50煤粉细度(Rgo)/%18.38磨煤机最大出力/（th-1）60.5磨煤机负荷率/%77.42.2.2 三大风机风机的选型基准点一般为BMCR工况值，针对深度调峰，既需要保证低负荷风机安全运行，又需要有效提高低负荷的风机效率，风机基准选型工况宜按锅炉额定出力（BRL)工况，风机选型更为精准，减少备用量，降低厂用电的同时，也利于低负荷时的调控。表3 为三大风机3 0%THA工况运行时的风量和风压参数，由表3 可见风机随着机组负荷的降低，风量和风压均降低，到3 0%THA工况，风机开度较小，风机双侧运行时效率是较低的。表3 三大风机风量、风压参数(3 0%THA)送风机单侧双侧55.058.310880106685334.5004.0003.5003.0002.5002.0001500100050000255075100125150175200225250TB5087%40%HA75%THATNA50%NHA3Q%THX第54 卷53.95018.3859.145.6引风机单侧双侧116.6118.613561.9164650THABR4%69%62%5%THA53%43%33%0030%THA40%THA2520%-15-100-5400-35300流量Q/(m:sl)图4 送风机性能曲线0078%70%60%50%40%-1510-5单侧237.232797515TB1005相对降幅较小，但失速风险上升；而对于送风机，风量降低，风压的降幅比较大，因此风机低负荷运行时效率更低，引风机具有与送风机相同的特性。风机在50%负荷以下运行可尝试采用单侧风机运行方式，风机相对运行在高效区，可大幅节约厂用电。第4 期3结语通过探讨燃煤火电机组深度调峰的限制性因素，提出锅炉设备和锅炉侧辅机切实可行的解决方案和技术路线。（1）为适应机组深度调峰，炉膛选型设计上要求炉膛在不结渣情况下尽量减小炉膛尺寸，降低炉膛高度；锅炉燃烧器需要优化以保证低负荷燃烧的稳定性，如增加燃烧器层数、浓淡分离或采用具有稳燃功能的中心富燃料燃烧器等；锅炉采用带启动循环泵的启动系统以保证低负荷水动力稳定性，同时有利于全负荷脱硝；深度调峰的全负荷脱硝方案可采用多种组合方式，如分级省煤器十给水旁路方案或其他组合方案。（2）锅炉深度调峰时，辅机设备偏离设计工况，运行效率低，增大电耗的同时可能会发生振动等安全性问题。制粉系统采用合理的燃烧配置方案，必要时，磨煤机采用变频器；三大风机在低负荷运行时可尝试采用单侧风机运行的方案，提高风机的运行效率。对于调峰机组，低负荷运行的主机和辅机的效率均较低，机组的煤耗和电耗显著增加，燃料成本大幅度提高，建议从设计和运行上关注燃煤机组宽负荷高效灵活运行的研究，提高机组低负Discussion and Research on the Boiler Design of the DeepPeak Regulation for Coal-Fired Power Units(1.Shanghai Nuclear Engineering Research&.Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China;2.East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China)Abstract:With the development of new type power systems,the demand for deep peak regu-lation and flexible and efficient operation of coal-fired units is increasing.It is necessary tostudy the deep peak regulation technologies of coal-fired units.Aiming at the deep peak regu-lation of the unit,the existing problems and restrictive factors of the boiler and auxiliary e-quipment of the coal-fired unit are analyzed.Based on the demand of deep peak regulation,the optimal process system for boiler design is proposed,and the specific design scheme andmeasures of the boiler and auxiliary equipment for deep peak regulation of coal-fired units areelaborated from the aspects of boiler furnace selection,combustion system optimization,boil-er startup system,coal pulverizer,fan and other auxiliary equipment,so as to guide the engi-neering design and application of deep peak regulation of thermal power units,which willprovide assistance for Chinas 3060 double carbon goals.Key words:coal-fired power units;deep peak regulation;namic;coal pulverizer;fan汪淑艳，等：煤电机组深度调峰锅炉侧设计问题探讨与研究WANG Shuyan,GU Xin?17荷运行的效率。参考文献：1】中国电力企业联合会.2 0 2 2 年1 1 1 月份电力工业运行简况 R/OL.（2 0 2 2-1 2-1 7)2 0 2 3-0 2-2 0 .h t t p s:/c e c.o r J洁净煤技术，2 0 2 2，2 8(3):159-172.3邹小刚，刘明，肖海丰，等.火电机组耦合熔盐储热深度调峰系统设计及性能分析 刀.热力发电，2 0 2 3，52（2）：1 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