燃煤机组低负荷工况下安全稳定运行研究

徐海洋

摘要：近些年来，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也突飞猛进。协调控制系统是基于单元机组负荷条件，为解决负荷控制中内外两个能量供求平衡关系而设计的一种控制策略。它将锅炉与汽轮发电机组视为一整体实施综合控制，超临界机组没有汽包，给水、汽温、燃烧控制系统是密切相关，不能独立的，某一控制系统投入与否将影响另一控制系统的性能，这给控制系统的设计和整定增加了复杂性。

关键词：燃煤机组低负荷工况；安全稳定运行；研究

引言

大力发展可再生能源是我国电力行业“十三五”期间的重点任务之一。截至2016年底，全国并网风电机组总装机容量150GW、并网太阳能发电机组总装机容量77.42GW，约占全部发电容量14%。但风能和太阳能的随机性、间歇性和不可预测性，电网大规模接入新能源将给电网的安全带来了不利影响。另一方面，我国传统调峰机组装机容量占少，仅依靠传统调峰机组无法满足全部消纳风电和太阳能发电的调峰需求。因此，为消纳风电和太阳能发电等可再生能源，承担着全国60%以上发电量的燃煤机组承担电网调峰任务已成为必然趋势。

1低负荷三台磨试验

机组低负荷时，及时停运第四台磨运行，将其煤量分配到其他磨，使得其余三台磨煤量相对增加，此负荷点选择应保证运行磨煤机出力不受限制，为验证其经济性，特针对机组300MW运行期间进行了三台磨运行与四台磨运行的性能对比，数据对比如表1所示。从以上参数对比，不难看出，在相同负荷下，在原有制粉系统运行组合方式下，减少一台磨煤机后，其辅机电流、排烟温度、煤量均有下降。负荷越低，改成三台磨运行后，排烟温度下降幅度越大。值得说明的是，底三层ABC磨运行时由于主再热气温偏低，比上三层BCD磨运行时低30℃左右，此时将影响煤耗增加约2.9g/KWH。排烟温度相差不大，因此可以说明，同负荷下下三层磨运行较上三层磨运行时经济性差。从实际煤耗情况也可看出。

2燃煤机组运行监测分析

燃煤机组在实际的运行中，需要重视对机组运行状态的监控，促使相关技术人员能够根据得到的参数，完成对故障隐患的控制，促使燃煤机组能够处于稳定的运行状态。

运行监控系统主要是借由数据采集系统、数据传输系统、数据分析以及数据库等部分构件完成的。其中数据采集系统主要是对各类传感器进行应用，由传感器对燃煤机组中温度、水蒸气、压力等内容展开测量，借由数据传输系统将数据传递到数据分析系统，先完成对数据的预处理，完成不良值的校检，并划定一个范围。数据分析过程中，主要采用热力系统性能分析方法、优化算法两部分完成，其中优化算法与现阶段的运行优化技术相结合，对燃煤机组的运行监测效果更为明显。其中热力学性能分析方法中，主要有矩阵分析法、等效热降法等分析方法，而优化方法主要有人工神经网络、灰色系统等。

燃煤机组运行监测可以有效的提升燃煤机组的运行质量，采用可视化的监控界面，数据信息显示明显，且具备良好的报警系统，对故障隐患发现明显。硬件设施和软件是设施的有效搭配，切实有效的推动了燃煤机组的运行质量。

3水动力的安全性

锅炉水动力的安全性是限制机组最低负荷的另一个关键因素，在考虑机组最低负荷时，还应验算低负荷情况下锅炉水动力的安全性。

3.1锅炉水动力安全性分析

随着锅炉负荷降低，受热面管道中工质的循环流量随之降低。当锅炉负荷低于临界值时，循环流速低于循环流量临界值，工质无法对受热面管道进行充分冷却，造成受热面管道超温甚至爆管，对锅炉的安全运行造成了极大的威胁。人员曾对亚临界锅炉在不同负荷工况下的锅炉水动力展开的模拟实验，得出结论:(1)在50%以上额定负荷条件时，循环流速正常，水循环良好;(2)在40%额定负荷运行时，循环流速有波动;如炉膛燃烧工况稳定且不发生偏少，循环流速正常，可满足要求;(3)在低负荷工况，锅炉的水循环的可靠性较高负荷要差。在30%额定负荷下不宜长期运行;在20%额定负荷下不宜运行。张帅博等研究人员曾对直流锅炉在不同负荷工况下的锅炉水动力展开的数值计算，通过计算分析发现:对于直流锅炉，当机组处于低负荷状态时，水冷壁入口给水压力低于临界压力且欠焓较大时，极易造成受热面管道发生水动力不稳定问题。另一方面，锅炉低负荷工况时，炉膛内部火焰分布不均匀，致使每根受热面管道的热负荷不均。热负荷较小的管道循环流速较小，可能出现不稳定的停滞和倒流现象，从而引起锅炉受热面爆管。机组实际运行中，受热面结渣将进一步加剧受热面管道热负荷的不均匀性，进一步危害锅炉水动力安全性。

3.2提高锅炉水动力安全性的措施

1)机组投产、改造、大修后，应对锅炉水循环进行核算和试验，确认锅炉水动力安全的最低负荷。2)通过炉膛温度场测量系统、受热面温度测量系统和受热面管道壁温测点间接反映炉膛内部燃烧情况和各受热面受热情况，以调整锅炉燃烧保证炉膛内部火焰均匀分布。3)通过调整燃烧器配风、燃烧器摆角和投入中上层燃烧器抬高炉膛火焰高度，减少水冷壁受热的不均匀性。4)尽量保证锅炉负荷稳定，减少负荷的剧烈波动。5)严格执行吹灰制度，减少受热面结渣。条件允许时，可采用智能吹灰系统提高锅炉吹灰效率。6)对于直流机组，可实施零号高压系统改造以提高锅炉给水欠焓。

4尾部烟道的潜在风险

4.1尾部烟道积灰问题的分析及应对措施

机组低负荷运行时，水平烟道烟气流速较高负荷有很大幅度下降，尾部烟道可能大量积灰。因此，灵活性改造时需要开展烟道结构强度校核，必要时增加清灰装置。目前，防止尾部烟道积灰的常用措施主要有压缩空气风帽、蒸汽吹灰器和落灰斗等。

4.2尾部烟道再燃烧问题的分析及应对措施

锅炉低负荷运行时，炉膛温度低、燃料燃烧不完全，飞灰中含有大量可燃物;同时烟气中过剩氧浓度高，大幅增加烟道再燃烧的可能性。防止尾部烟道再燃烧的措施有:监视排烟温度、飞灰含碳量和CO、严格控制过量空气系数及烟道漏风。

4.3尾部受热面、烟道和设备的腐蚀问题的分析及应对措施

机组低负荷运行时，尾部受热面壁温和排烟温度较低;而且，过量空气系数较大，会生成更多的SO3，提高了烟气的露点温度，导致尾部受热面、烟道和设备(比如空预器、除尘器等)腐蚀进一步加剧。当前，防止低负荷时尾部受热面、烟道和设备腐蚀主要改造方案有提高排烟温度方案、烟道/设备采用耐腐蚀材料或涂料和使用添加剂三大类改造措施。其中提高排烟温度的改造方案有:加装暖风器提升空预器入口风温、加装0号高加提高给水温度、加装空预器烟气旁路等方案。

4.4汽机及辅机适应性

汽机及辅机在低负荷工况下可能存在适应性差的问题影响机组在低负荷状态的安全性，因此需提高汽机及辅机的适应性。低负荷工况时，汽机鼓风效应明显，低压缸蒸汽量小导致排汽温度可能大幅升高;排汽温度升高会导致低压缸的变形和轴承位置变化，引发机组振动异常增大。汽机长时间低负荷运行时，不能忽视这种可能性。针对这一风险，可采取低压缸水幕喷水装置向排汽中喷入减温水来降低排汽温度。低负荷工况下，低压加热器可能受相邻两级抽汽压差小的影响造成疏水不畅。可通过低加疏水管道改造，减少加热器疏水管道的阻力。

结语

燃煤电厂灵活性改造的技术路线较为多样，各机组应从自身设备和煤质出发，在确保机组安全稳定运行的前提下寻求最适合机组自身特点的改造的技术路线。建议各机组应完成以下工作:首先，建议开展低负荷下锅炉燃烧调整试验和锅炉水动力试验，并针对自身机组情况发现潜在风险点和限制机组深度调峰的瓶颈，为后续改造提供基础信息。其次，根据试验和分析结果，结合自身灵活性改造需求，从工艺系统和控制系统等方面，从安全性、经济性和可行性多角度，进行多种技术方案比选并确定最终改造方案。最后，实施机组灵活性改造、调试和验收，最终实现机组灵活性运行。

参考文献

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会，国家能源局.电力发展“十三五”规划(2016—2020年)[EB/OL].(2016-11-08)[2017-06-10].