基于深度调峰的火电机组配煤掺烧策略研究

2022-11-03杨茂林孙利娟武文亮

煤质技术 2022年5期

杨茂林，孙利娟，代宾，武文亮，蔡敏，李硕

(1.中国华能集团有限公司河南分公司，河南郑州 450018;2.华能沁北发电有限责任公司，河南济源 459011)

0 引言

对火电机组进行灵活性改造并适应以新能源为主体的新型电力系统，此为我国能源转型的重要举措。国家统计局数据显示，2020年我国风电装机比例12.79%，太阳能发电装机比例11.51%，新能源电力呈现迅猛发展的趋势[1]。“十四五”电力规划指出，火电逐渐调整定位，从基荷电源转变为调节电源，以实现我国能源消费从化石能源向非化石能源转变。

由于新能源电力的随机性和无序性，火电机组为新能源电力深度调峰，对保障电网的安全稳定运行具有重要意义。火电机组深度调峰面临锅炉稳燃、经济运行、安全高效等主要问题，配煤掺烧是实现火电机组高效、经济、稳定、安全运行的重要保障[2]。面对煤价高企的现实情况，火电厂采购的动力煤种类多、煤质杂，难以满足入炉煤的品质要求。此外，火电机组负荷变动快、动力煤消耗量大、煤场空间有限、动力煤长时间堆放易氧化自燃等问题加剧了火电机组深度调峰的难度[3]。因此，研究精细化的配煤掺烧策略可满足火电机组负荷在20%～100%之间灵活变动，同时保障锅炉稳燃，不仅有利于维持火电厂的安全稳定运行，还能降低火电厂燃料成本以及提高经营效益[4]。

配煤掺烧的前提是基于建立数字化煤场并根据机组负荷实现上煤量的精准控制[5]。根据锅炉燃烧需要，将不同特性的动力煤均匀混合，实现入炉煤品质的精细调节，此为配煤掺烧的重要措施[6]。李号彩[7]基于大数据、云计算等技术，实现了80多家火电企业燃料要素的资源整合和最优配置，提高了多品质动力煤的调度效率和准确性。贺德宇[8]研究了火电厂燃料管理智能化建设思路，提出实行“框架顶层设计、实施过程统一指导、建设节奏分步分批、细节特色各厂实施”的建设方针。刑树强[9]主要研究了储煤场智能管理系统架构，指出配煤掺烧应保证入炉煤低位发热量、挥发分、水分、灰分接近设计值。蒙毅等[10]开发了商业化的配煤掺烧软件，以广义的配煤掺烧为核心，用于预测满足机组安全性、环保性与经济性的最佳掺配方案。数字化煤场管理和配煤掺烧概念引起了广大学者的重点关注[11-12]，然而现有的研究成果主要是数字化煤场的建设、配煤掺烧模型的构建[13]，基于深度调峰和实际生产的配煤掺烧策略还缺乏实践验证[14]。

火电机组运行过程中，负荷变动大，同时承担高负荷顶峰和低负荷调峰的作用。600 MW火电机组的锅炉有5个煤仓分别对应5层燃烧器，采用分仓上煤的机制实施配煤掺烧，阐述每层燃烧器在稳定炉膛火焰、保持机组经济运行、提高机组出力所承担的具体作用，由此构成制定配煤掺烧策略的主体思路。同时，配煤掺烧策略的顺利执行，还应受到NOx、SO2、烟尘污染物超净排放的检验。基于深度调峰的配煤策略研究，将为火电机组的安全运行、灵活调节提供理论支撑，为火电厂降低燃料成本，提高经营效益提供现实指导。

1 上煤系统流程与配煤掺烧原则

1.1 火电厂动力煤种分类

火电厂采购的动力煤按照挥发分分类则可分为烟煤、贫煤、无烟煤，按照硫分分类可分为高硫煤、中硫煤、低硫煤，按照热值分类可分为高热值煤、中热值煤、低热值煤[15]。火电厂动力煤种分类如图1所示。烟煤的挥发分在20%～40%，其中挥发分为20%～30%、30%～40%的烟煤在煤场中均被单独堆放。贫煤的挥发分在10%～20%，无烟煤的挥发分低于10%。高硫煤的硫分高于2.5%，中硫煤的硫分在1.0%～2.5%，低硫煤的硫分低于1.0%。高热值煤的热值高于20.93 MJ/kg，中热值煤的热值在14.65 MJ/kg～20.93 MJ/kg，低热值煤的热值低于20.93 MJ/kg。烟煤易着火，燃烧充分且燃烧稳定性好，用于火电机组启动和深度调峰期间稳定炉膛火焰，保障机组安全运行。无烟煤虽挥发分低、着火困难，但热值高，用于火电机组顶峰时迅速提高机组出力。低热值煤主要包括煤泥、城市污泥等经济煤种，价格低廉，低热值煤的掺烧极大地降低了火电厂动力煤的采购成本。火电厂排放的SO2来自于动力煤中的硫分，高硫煤、中硫煤、低硫煤的掺烧均以保证SO2的超净排放为前提。

图1 火电厂动力煤种分类图

1.2 上煤系统流程

火电机组依靠上煤系统实现动力煤连续、无间断供应。火电厂上煤系统及流程如图2所示。动力煤到达火电厂后，先经翻车机卸车，然后由给煤机导入上煤系统。1号输煤胶带布置在给煤机底部，用于接卸火车运输的动力煤。3号输煤胶带和1号斗轮机布置在一煤场，5号输煤胶带和2号斗轮机布置在二煤场。斗轮机既能实现将接卸的动力煤堆放在煤场，又能够实现将煤场中的动力煤转运至煤仓。煤场全封闭建造，在减少因大风扬尘、雨水冲刷造成动力煤损耗的同时，又避免了无组织排放，为火电厂周边营造良好的生态环境。7A号、7B号输煤胶带布置在A～E煤仓上部，当需对煤仓进行上煤时，犁煤器降落，将输煤胶带上的动力煤导流至煤仓。7A号、7B号任一条输煤胶带均可实现为A～E煤仓上煤。1～7号输煤胶带采用上、下层落差布置的方式，以便于不同输煤胶带段之间的动力煤转运。上、下层输煤胶带之间布置有三通挡板和落煤管。三通挡板将落煤管分为甲、已2个通道。2号、4号、6号、7号输煤胶带均为A、B双通道，在保证上煤系统灵活、可靠运行的同时，可进一步提高上煤量和上煤效率。

图2 火电厂上煤系统及流程示意

1.3 配煤掺烧原则

锅炉系统为600 MW变压直流本生型锅炉，采用前后墙对冲燃烧方式，即单炉膛、π型结构。锅炉本体结构示意如图3所示。A～E煤仓分别对应A～E层燃烧器，每个煤仓对应4台燃烧器。A、B层燃烧器布置在底层，标高18.6 m;C、D层燃烧器布置在中层，标高23.6 m;E层燃烧器布置在上层，标高28.6 m。A、C、E层燃烧器布置在炉膛后墙，B、D层燃烧器布置在炉膛前墙。配煤掺烧严格遵守大气污染物超净排放原则，NOx排放量低于50 mg/m3，SO2排放量低于35 mg/m3，烟尘排放量低于10 mg/m3。配煤掺烧遵循锅炉稳定燃烧原则，特别是炉膛热负荷在20%～50%深度调峰阶段，需要保障底层燃烧器的稳定燃烧，使其充分发挥托火层的功能。任意两个煤仓不允许上同一类型的动力煤，严防动力煤品质差造成两层燃烧器同时灭火。配煤掺烧严守机组灵活性原则，能够实现机组快速加减负荷，同时满足机组100%负荷的顶峰功能和20%负荷的深度调峰功能。配煤掺烧严守优化煤场存煤结构原则，通过优先掺烧堆放时间较长的动力煤，加快煤场存煤更新，防止动力煤长时间堆放氧化，甚至发生自燃。同时，保障煤场烟煤、贫煤、高热值煤、低硫煤的存量，以维持机组的长久、稳定运行。

图3 锅炉本体结构示意

2 智能配煤掺烧策略研究

2.1 斗轮机无人值守上煤策略

斗轮机无人值守是数字化煤场管理的具体应用[16]，即根据机组负荷实施精准化上煤，可在提高机组灵活性的同时进一步降低燃料成本。通过激光点云扫描仪建立3D煤场是实现斗轮机无人值守的前提。

为了测试扫描距离、斗轮机移动速度、回转角度和振动对激光点云扫描仪测量精度的影响，笔者进行不同扫描距离、回转角度、移动速度和斗轮机运行转态工况下的对比试验。试验模型设定长0.58 m、宽0.49 m。扫描距离对激光点云扫描仪测量精度的影响如图4所示，由试验结果可知扫描距离是影响激光点云扫描仪测量精度最关键的因素。随着扫描距离的增加，最大测量误差逐渐升高。当扫描距离为10.69 m时，最大测量误差仅为0.02 m。当扫描距离增加至44.99 m时，测量误差升高至0.08 m，该最大0.08 m的测量误差已满足斗轮机无人值守的使用需求。

图4 扫描距离对激光点云扫描仪测量精度的影响

斗轮机无人值守包括堆煤工艺和精准上煤工艺。在进行堆煤作业时，值班员下发煤场空间的起始坐标、终止坐标和堆煤高度，斗轮机自动运行，完成堆煤工作。在进行上煤作业时，值班员只需下发煤场空间的起始坐标和终止坐标，斗轮机借助激光点云扫描仪的测量数据，自动确定取煤高度并进行取煤体积计算，然后根据煤种密度计算出上煤的重量。火电机组当天的负荷曲线导入数字化煤场管理系统后，斗轮机分时段进行精准上煤以配合机组调峰和顶峰的需求，同时加大经济煤种的掺烧力度以降低燃烧成本。

2.2 双斗轮机胶带混煤策略

双斗轮机胶带混煤在不改变原有上煤系统的基础上可最大程度地调整入炉动力煤指标，实施精细化上煤。基于火电机组负荷变动大、煤价高企、环保管控的现实情况，入厂动力煤指标难以满足实际运行需求，因此需对不同特性的动力煤进行混配。

使用装载机进行混煤时其效率低、成本高，难以维持机组所需的上煤量，因而布置在一煤厂的1号斗轮机和布置在二煤厂的2号斗轮机同时工作。1号斗轮机所取的动力煤通过4A号或4B号胶带段进入6A号胶带段，2号斗轮机所取的动力煤直接进入6A号胶带段。2个斗轮机所取的不同动力煤在6A号胶带上进行第1次混合，然后一同通过布置在6A号胶带段尾部的落煤管进行第2次混合，最后通过犁煤器进入煤仓时进行第3次混合。3次混合提高了不同动力煤之间胶带混配的均匀性，避免因煤质波动所造成的燃烧工况摆动。热值低于12.56 MJ/kg的动力煤在单独燃烧时的火焰稳定性差、易灭火，因此需将其与高热值动力煤进行混配。在进行高、低热值动力煤混配时，应保证混合后的动力煤热值高于14.65 MJ/kg，同时选择可磨系数相近的煤种，避免磨煤机振动。脱硫系统入口原烟气设计值为4 300 mg/m3，锅炉无法同时消耗大量的高硫煤，因此需进行高、低硫动力煤混配。在进行高、低硫动力煤混配时，应注意动力煤中挥发分、碱金属含量，避免锅炉结焦导致燃烧恶化。

2.3 深度调峰配煤掺烧稳燃策略

河南电力辅助服务市场深度调峰申报分为4档:第1档40%～50%负荷、第2档35%～40%负荷、第3档30%～35%负荷、第4档低于30%负荷。火电机组调峰深度越深则获得的调峰收益越高，配煤掺烧是保障机组调峰稳燃、经济运行、顶峰出力的重要组织措施。配煤掺烧采取分仓上煤的策略，每层燃烧器燃烧不同的动力煤，发挥着不同的作用。深度调峰配煤掺烧方案制定流程示意如图5所示。

图5 深度调峰配煤掺烧方案制定流程示意

锅炉设计煤种为贫煤，当机组负荷在40%～50%时，A、B层燃烧器可不掺烧烟煤进行第1档调峰。当机组负荷高于50%时，C或D任一层燃烧器可掺烧经济煤种，以降低燃料成本。当机组负荷高于70%时需运行E层燃烧器，E层燃烧器掺烧高热值动力煤以满足机组顶峰需要。当机组负荷在35%～40%时，A、B任一层燃烧器掺烧30%～40%挥发分的烟煤进行第2档调峰。当机组负荷低于35%时，A层燃烧器掺烧30%～40%挥发分的烟煤，B层燃烧器掺烧20%～30%挥发分的烟煤进行第3档或第4档调峰。

在火电机组深度调峰期间，下层燃烧器掺烧烟煤是机组安全、稳定运行的保障。烟煤挥发分高、易着火且火焰稳定性强，在炉膛底层发挥着固定点火源、托火层的作用。通过在下层燃烧器掺烧烟煤，使下层燃烧器区域炉膛温度高于950 ℃，是保障炉膛稳燃的下限。中层燃烧器运行时间长，掺烧经济煤种时能最大程度地提高经济煤种的掺烧量。上层燃烧器运行时间最短，在机组需要顶峰时启动，启动后机组达到100%负荷的能力，因此需掺烧高热值动力煤。配煤掺烧方案在满足机组负荷20%～100%之间灵活调节的同时，还须保障NOx、SO2、烟尘污染物的超净排放。配煤掺烧方案中，A～E层燃烧器所产生的原烟气硫分不得高于4 300 mg/m3，以确保SO2排放量不高于35 mg/m3;同一煤仓中不得进行烟煤和无烟煤跨煤种掺烧，从而避免燃烧过程中烟煤抢占氧气而造成无烟煤燃烧不充分，导致烟尘排放无法控制，从而烟尘排放量超过10 mg/m3。