300 MW机组深度调峰技术研究与应用

2019-11-29陈国巍程应冠宋文雷郭福才

发电设备 2019年6期

陶丽，杨宇，陈国巍，程应冠，宋文雷，郭福才，何翔

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司, 上海 200240； 2. 大连发电有限责任公司, 辽宁大连 116033)

2016年6月14日，国家能源局正式启动灵活性改造示范试点项目，随后印发了《可再生能源调峰机组优先发电试行办法》等文件，明确要求燃煤电厂进行相应的灵活性改造、提高机组深度调峰能力、保障经济性和安全性，故火电机组的灵活性深度调峰研究工作显得意义重大且迫在眉睫。

当前大多电厂在停机过程中也尝试过在30%锅炉额定出力(BRL)工况甚至更低的负荷运行，但是对于机组可以在30%BRL工况下安全稳定运行的报道极少，对深度调峰机组热工控制方面的研究也较少。朱群益等[1]对水平浓淡风煤粉燃烧器低负荷稳燃性能进行了试验研究，并在320 MW双炉膛锅炉上应用，最低负荷降低至37.5%BRL工况时，锅炉经济性指标得到了保证；钟礼今等[2]对低负荷下燃烧器投运方式进行了研究，在某700 MW机组锅炉负荷降低至300 MW时，开展了4台磨煤机或3台磨煤机不同组合运行的研究，认为采用上3层磨煤机带来的效果最好且能满足脱硝温度要求；杨磊等[3]对某1 000 MW机组锅炉在300 MW负荷运行进行了研究，锅炉不投油运行了约35 min，考虑到安全性和经济性，认为最低安全负荷为40%BRL；高茂等[4]对100 MW机组旋流燃烧的锅炉进行了低负荷稳燃性能研究，对内二次风和外二次风进行了优化调整，使得锅炉能在低负荷下不投油安全稳定运行；余岳峰等[5]对煤粉气流燃烧火焰着火的判据进行了试验研究，根据试验结果计算了煤粉着火和未着火状况下火焰图像三个色彩分量RGB的变化，并对着火判别准则公式做了修正；沈利等[6]对超临界大容量机组深度调峰时对锅炉的影响进行了研究，在干湿态转换时，即通常在25%～27%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况，从安全性、经济性和环保性论证了对稳燃、脱硝、脱硫和除尘的影响；陈志刚等[7]对某350 MW机组的辅机进行了低负荷运行热工优化研究，对给水泵、三大风机在48%BMCR负荷及以下进行了控制策略改进，并对锅炉主控制器和低负荷前馈回路进行了改造，达到了预期的目的；焦庆丰等[8]对某600 MW机组的滑压曲线和协调控制进行了优化，最低稳燃负荷在43%BRL，机组自动发电量控制(AGC)性能较好，达到了预期目的。

当前大型火电机组集控化程度较高，在低负荷下控制侧的热工保护、控制组态优化显得更为重要。将低负荷下的运行和控制进行优化对实现机组深度调峰时安全经济运行日益重要。因此，笔者对某300 MW亚临界机组在夏季纯凝30%BRL工况下进行了试验，通过锅炉运行和控制优化来实现深度调峰，提出了2台磨煤机运行并进行了燃烧侧部分控制组态优化。

1 机组概况

1.1 主要设备

该300 MW亚临界机组的锅炉采用摆动式燃烧器、四角切圆燃烧方式，煤粉燃烧器共5层，燃烧器采用垂直浓淡煤粉燃烧器。制粉系统采用冷一次风机正压直吹式制粉系统，每台锅炉配5台中速磨煤机，燃烧设计煤种时，4台运行、1台备用。磨煤机型号为MPS200HP-II型中速磨煤机，A、E磨煤机采用SLK355型静态分离器，带有手动调节挡板，B、C、D磨煤机采用动态分离器。

1.2 设计参数和运行煤质

表1是锅炉主要参数的设计值，表2是试验期间入炉煤的化验数据。从表1可以看出：锅炉最低不投辅助燃料稳燃负荷是40%BMCR，此时设计的主蒸汽温度为528 ℃、再热蒸汽温度为501 ℃。

表1 锅炉设计参数

表2 试验期间入炉煤质分析

2 存在问题及分析

2.1 锅炉系统

该机组在之前的停机过程经历过30%BRL工况，期间3台磨煤机运行，由于单台磨煤机带的煤量过少，造成磨煤机出口温度超过75 ℃并向80 ℃增加，存在安全隐患，故停机过程的30%BRL工况是短暂的，随后负荷便继续降低并停机，在此期间，汽轮机及给水泵系统运行正常，锅炉稳燃正常。该锅炉在低负荷运行时存在主蒸汽温度低于520 ℃，再热蒸汽温度低于500 ℃，热偏差大、经济性欠佳，2017年4月25日运行数据见图1。

图1 低负荷运行时汽温偏低数据

要解决上述问题，可以通过2台磨煤机运行提高单台磨煤机给煤量、降低磨煤机分离器出口温度，由于中速磨煤机有最低通风量的要求，最小通风量通常在70%BRL工况的通风量[9]，故2台磨煤机运行还可以降低一次风率、提高煤粉浓度、降低煤粉气流着火热[2]；在总风量设定不变的前提下，降低了一次风率，提高了二次风率，使得单台送风机的动叶开度不至于过小；需要完善的是1台磨煤机运行跳闸或者断煤后的补救措施。

锅炉设置了墙式辐射再热器，布置于上炉膛前墙和两侧墙，以辐射式吸热为主导，增强受热面的辐射受热比例。在高负荷下，炉膛烟气的充满度较好、炉膛温度高，辐射热量和热力学温度呈四次方关系，再热蒸汽压力在3 MPa左右，蒸汽比热容小，对温度敏感超过了主蒸汽，所以在高负荷下再热蒸汽温度偏高；对于主蒸汽温度，流经受热面后屏过热器、末级过热器的烟气温度已下降较多，这两级是偏对流特性的受热面，主蒸汽温度偏低说明炉膛整体烟气量偏小，故主蒸汽温度比再热蒸汽温度低。在低负荷下，炉膛温度低，辐射受热量比例降低，但是炉膛整体风量、烟气量相对偏大，使得对流受热量比例较高；汽水系统呈现左侧吸热量大于右侧的特性，且负荷越低热偏差越大、负荷越高热偏差相对减小。对热偏差的调整主要是煤粉管道上进行热态一次风调平和对二次风门挡板，尤其是分离燃尽风(SOFA)风门挡板的各角应有针对性调整。

2.2 控制系统

控制系统侧重优化动态过程，采集了在AGC方式下机组运行参数，见图2。

图2 机组运行参数曲线

机组负荷从150 MW增加到300 MW的过程中，机组负荷和主蒸汽压力控制动态波动较大。汽包水位、炉膛负压、一次风压、总风量控制平稳。主蒸汽温度控制偏差较大，且左右侧温度有偏差。低负荷下送风控制输出达下限，升负荷过程中燃烧器二次风挡板全部手动运行。

3 燃烧与控制系统优化

在高负荷下，降低一次风量、提高二次风量，适当降低炉膛烟温使得再热蒸汽温度不至于偏太高，同时增大了烟气量来提高对流传热量以提升主蒸汽温度；在低负荷下，降低一次风量、二次风量，在保证NOx排放量不超标的前提下，通过强化燃烧来提高炉膛温度以提高再热蒸汽温度；采用降低热偏差的调整方式，对磨煤机风粉管道进行一次风调平，以及对部分二次风门挡板开度有针对性地进行调整。上述完成后，再进行控制优化，最后完成锅炉在30%BRL工况的稳定运行。控制优化方案主要包括4个方面。

3.1 一次风压设定修改

一次风压设定原先跟随锅炉指令，改为跟随运行磨煤机的最大给煤指令；同时，增加热风挡板未全开时(开度小于80%)，对一次风压设定值进行的动态修正。适当降低一次风压设定值，降低入炉煤风粉气流着火热，并开大磨煤机热风挡板来降低一次风机电流。

3.2 二次风门挡板开度调整

原先二次风挡板开度跟随二次风风箱炉膛压差，修改后的控制方案是二次风挡板将随着主蒸汽流量的变化，在变负荷时进行同步调节，从而加快燃烧的响应性。

3.3 SOFA风门挡板开度调整

原先SOFA风挡板开度随着主蒸汽流量的变化，增加了SCR脱硝系统入口NOx含量对SOFA风挡板的动态修正，并对该修正设置了较大的惯性时间。组态修改是将原先SOFA风摆角随着主蒸汽流量的变化，增加了SOFA风摆角同时跟随燃烧器摆角变化。NOx修正是根据不同锅炉负荷对应的NOx基准值与实际值的偏差，来动态修正SOFA风挡板开度。

3.4 保护逻辑优化

进行了相关保护逻辑的优化，比如送风机动叶开度由最低的8%就闭锁关，改为5%。

4 低负荷试验

根据优化结果，于2018年3月30日开展了机组在30%BRL工况的试验，由B、C磨煤机运行，试验前落实了磨煤机运行时出故障后的安全方案，并准备了微油枪和备用磨煤机。

B磨煤机分离器设置转速在85 r/min，C磨煤机分离器故障未投运。10:13:00开始，负荷稳定至90 MW，B、C磨煤机稳定运行，至13:10:00，共稳定运行近3 h，整个试验期间，受热面管屏未出现超温现象，SCR脱硝系统正常运行，磨煤机安全可靠运行，见图3、图4。

图3 主蒸汽和再热蒸汽的温度变化

图4 SCR脱硝系统出口烟温变化

表3是试验期间各部分样品中可燃物质量分数，表4是试验期间在烟道测试的烟气主要成分，ρ(NOx)根据规程按φ(O2)=6%进行了修正计算。

表3 化验得到的可燃物质量分数 %

表4 烟气主要成分

在90 MW(30%BRL工况)时，主蒸汽温度维持在530 ℃以上，再热蒸汽温度在515 ℃附近，都超过了40%BMCR工况的设计值； SCR脱硝系统两侧出口温度均超过320 ℃，完全满足脱硝催化剂反应温度的要求。煤粉的整体燃尽程度较好，说明2台磨煤机运行时的燃烧调整措施是有效的。CO质量浓度整体较低，NOx质量浓度低于800 mg/m3，在合理范围内。