深度调峰模式下燃煤锅炉运行优化探讨

姜智春

（国电电力发展股份有限公司北京朝阳技术咨询分公司，北京 100025）

0 引言

“双碳”目标(2021年习近平总书记在领导人气候峰会提出中国力争在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和)的提出，标志着我国正式进入后燃煤发电时代。然而煤电在我国能源结构中占比较大，在未来几年甚至几十年中，煤电仍是不可或缺的重要部分[1]。另外，新能源发电受季节性和时效性限制，在傍晚用电高峰时往往不足以满足用电要求，需要火电及时供电，因此，我国煤电后续主要向深度调峰方向变革，即在新能源电力足够时，燃煤机组保持较低负荷运行，一旦新能源电力供给不足时，燃煤机组需要迅速升高负荷，保证供电。燃煤机组长期处于低负荷运行中，会导致锅炉出现[2]：（1）燃烧不稳定，机组反馈调节反应慢，造成炉内突然熄火；（2）过热器、再热器、空预器等部件工作环境恶劣，管道受热不均，容易发生爆管等安全事故，影响锅炉使用寿命；（3）造成煤粉不完全燃烧，炉膛温度降低，锅炉热效率降低；（4）排烟温度降低，影响脱硝系统工作效率，导致排烟出口污染物浓度超标。因此，电厂深度调峰背景下的燃煤机组运行优化对于维持锅炉安全稳定运行具有重要意义。

1 燃煤电厂运行原理[3]

燃煤电厂主要由燃烧系统、汽水系统和电气系统组成。

1.1 燃烧系统

燃烧系统主要由原煤运输、煤粉磨制、煤粉燃烧、风烟供排和灰渣回收等环节构成。由于电厂每日用煤量大，一般会修建煤场(至少能储备十天以上的煤用量)来保证充足的煤粉供给。磨煤过程主要是原煤经皮带运输至原煤仓，经原煤仓落入煤斗，然后由给煤机输送到磨煤机磨成煤粉，通常情况下，磨制好的煤粉会统一送往煤粉仓（直流锅炉无煤粉仓，磨制好的煤粉直接送入锅炉燃烧）进行储存，再由一次风经由给粉机和燃烧器送入锅炉进行燃烧。燃烧后的灰渣中大部分落入渣斗，经破碎机破碎后排入冲灰沟，小部分随烟气进入后续烟气处理系统，最终经旋风除尘器被收集在一起后冲进排灰沟。燃烧用风由供风机送入空气预热器加热，一部分经磨煤机、给粉风机由燃烧器送入炉膛进行燃烧（一次风），另一部分经燃烧器内部套筒直接进入炉膛（大多数锅炉将二次风分为两部分送入炉膛，一部分经由原二次风途径送入，另一部分作为燃尽风送入炉膛，以增加空气分级数，减少氮氧化物生成）。

1.2 汽水系统

火电机组的汽水系统主要包括锅炉（主要是水冷壁管道、过热器、再热器以及省煤器等部件）、凝汽器、除氧器、汽轮机和加热器等装置及附属部件构成。锅炉给水系统的工质状态变化是液态-汽态-液态，其主要过程是：锅炉给水流入水冷壁管时，炉内煤粉燃烧释放大量热量，加热水冷壁金属管从而将给水变成饱和水蒸气，水蒸气经管道首先被送往顶端热屏的再热器中（过热器与再热器分为几级），这时蒸汽变为过热蒸汽，经过热器后变为温度、压力更高的过热蒸汽，由管道送入汽轮机做功，高速流转的蒸汽带动汽轮机的叶片进行旋转，从而带动发电机产生电。蒸汽经汽轮机做功后，其温度和压力大大降低，经由管道排入凝汽器，与外界换热被冷凝成水，然后被凝汽器的热水井全部收集起来，通过凝结水泵输送到低压加热器进行加热。另外，在工质做功的过程中势必会融入少量氧气，这对于整个锅炉的安全是潜在的安全隐患，因此必须经除氧器除去工质中的氧气，然后加热才能作为锅炉给水。为了节省能源，一般情况下，现代火电机组都会在汽轮机中抽取部分做过功的温度相对较低的水蒸气用于加热锅炉给水，被称之为给水回热循环。如果把汽轮机中某一级的全部蒸汽抽出经再热器再次加热后送入汽轮机做功的过程叫做再热循环。

汽水循环过程中，漏气、漏水现象是无法避免的，为了维持锅炉汽水循环的正常运行，必须持续不断的通过除氧器或凝汽器向汽水系统补充经过处理的软化水。

1.3 电气系统

电气系统主要是汽轮机带动发电机工作之后的工作系统，主要包括发电机、励磁装置、厂用电系统和升压变电系统等。一般情况下，发电机出来的电压在6～24kV，电流在20kA，要升压才能并入电网。电厂自用电是通过降压厂用变压器将电压降到400V后进行供电。

2 深度调峰背景下燃煤机组存在的主要问题

前言中也提到了深度调峰背景下，现代燃煤发电机组存在的主要问题，在这里，笔者将问题细化归类，便于进行讨论分析。

2.1 锅炉燃烧不稳定[4]

白天新能源供电充足的时候，燃煤机组长时间处于低负荷运行，工作负荷约为满负荷的20%～30%，锅炉总给煤量即总输入热量下降，燃烧稳定性差。此外，由于风机存在最低出力，为了防止给粉管发生堵塞，只能使给风系统给风量大于煤粉当量下的给风量，导致给粉浓度下降，低的煤粉浓度增加了氮氧化物生成的同时还加剧炉内燃烧状况恶化，受电厂生产成本影响，电厂燃煤一般掺烧有各种劣质煤，进而降低了机组低负荷运行时燃烧稳定性。

2.2 水冷壁水循环动力差

如果机组运行负荷小于额定工况的30%，锅炉水冷壁管流量则接近最小流量，水循环恶化，管道中水流量的偏差增加，给水流量波动增大。低负荷运行时二次风压力低，射流的刚性差，烟气侧燃烧供热的均匀性降低，水冷壁的热传递平衡被破坏，导致水冷壁局部过热或壁温偏差过大和炉墙破裂的热应力增加[5]。尾端受热面通常没有安装壁温测量点，使得其无法监测壁的温差，也会导致类似的情况发生。对于超超临界机组，在深调过程中还存在改变锅炉干湿状态转换的问题。通常，该装置锅炉的干燥状态和潮湿状态之间切换约在30%的负载。如果深度调节到额定负荷的30%以下，锅炉可能切换到湿态运行。锅炉频繁的干态和湿态转换，导致水冷壁不同位置应力增加，水冷壁管等的使用寿命进一步缩短，管道出现爆管的风险增加。

2.3 锅炉的热效率低和氮氧化物排放浓度高

深度调峰过程中发生的燃烧不稳定是导致锅炉热效率降低的主要原因，运行人员无法对锅炉内部燃烧参数进行实时准确监控，不能及时做出准确的调整，炉内一旦发生熄火，无法及时处理，对锅炉的安全运行带来严重的危害。低给粉浓度和高给风量会使炉内产生强氧化性气氛，从而产生大量氮氧化物，增加了尾部SCR脱硝系统负荷。燃烧稳定性差意味着炉膛的温度降低，同时意味着排烟温度降低，这对SCR系统的脱硝效率有着极为重要的影响，会导致尾部烟道氮氧化物的排放增加，无法实现对烟气中的氮氧化物排放的有效控制，烟气温度降低还会导致空气预热器冷端产生大量硫酸氢铵结晶体，造成空气预热器堵塞，加剧空气预热器的腐蚀，当电厂开始增加运行负荷时，过量空气系数逐渐增大，风粉系统连贯性差，导致尾部温度增加、氧量增加，硫酸氢氨晶挥发产生大量SO3，造成环境污染等问题。

2.4 炉内烟气流场恶化

机组低负荷运行意味着给风量降低，风机长时间处于高压力、低风量的工作环境，会增加风机失速、喘振现象，增加机组停机的风险。一次风、二次风射流冲击力降低，四角切圆锅炉切圆直径变小，发生对冲燃烧，造成烟气流场局部流速过快或过慢，冲刷炉墙，导致受热面磨损加快，长期低负荷运行的结果是锅炉无法吹灰，造成过热器、再热器、烟道等部件大量积灰，增加烟道负荷，进而加剧炉内、烟道流场恶化。

3 燃煤机组运行优化策略

针对燃煤机组在深度调峰过程中展现出来的种种问题，同时综合燃煤锅炉的特点，现提出以下几点建议：

3.1 燃烧器改造

现有燃烧器已经不适用于深调过程中的粉-风供给，需要进行低负荷燃烧器改造，低负荷燃烧器的锅炉稳燃供给能力主要围绕高温度、高煤粉浓度、高含氧浓度进行，这样才能保证深调工过程中炉内燃烧的稳定性。

（1）高温燃烧器改造[6]

高温燃烧器主要是大调解比稳燃燃烧器的研制。高的预热温度能够提供稳定煤粉着火，同时向锅炉输送热量增加，有利于锅炉炉内温度维持平衡。一般大调解比稳燃燃烧器采用中频加热点火稳燃技术，其主要方法是使用中等频率的电加热装置对燃烧器预热室进行预热，当预热室内温度达到额定温度后停止加热，预热室内煤粉气化、点燃，稳定燃烧产生的热量反过来对预热室进行加热，保证其成为稳定的点火源，由于其独有的预热装置，该燃烧器不受炉内温度和主燃烧器负荷的影响，但高温燃烧器会增加额外的预热设备以及冷却水装置等附属设备，还会增加额外电耗；

（2）高氧量燃烧器改造

煤粉点火燃烧过程中，高的氧量有利于煤粉着火稳燃，因此，在现有燃烧器喷嘴附近，开一个小空间供氧通道，当高温煤粉接触到高浓度氧量时会迅速着火，并且燃烧反应速率加快，燃烧温度升高，热量迅速以喷嘴为圆心向周围扩散，引起周围煤粉着火燃烧。由于喷嘴高浓度的氧量持续供应，可保证燃烧器实现深调工况下稳定燃烧，保证炉内温度。该类型燃烧器需要加装供氧装置及其附属设备；

（3）高煤粉浓度燃烧器改造

锅炉深调时燃烧不稳定的另一个原因是入炉煤粉浓度低。高煤粉浓度燃烧器是通过压缩供给煤粉，实现较高的给粉浓度，保证燃烧器中间区域煤粉浓度始终处于最佳燃烧范围，有利于煤粉的着火与稳燃，另外，可对燃烧器的喷嘴进行改造，使其煤粉着火射流能在喷口附近形成稳定的回流区，进一步增强煤粉的着火能力和燃烧稳定性。此方法无需增加附属设备，只需改造现有燃烧器结构即可。

3.2 煤粉掺烧和制粉系统改造

考虑到燃煤机组运行发电成本，大多数电厂会选用劣质煤进行掺烧，深调工况下，入炉煤质是影响燃烧稳定性的重要因素之一，必须加强配煤管理，提高优质煤种掺烧比例，研究发现[7]，在热解焦炭的点火过程中，掺入一定浓度烟煤，能有效提高焦炭燃烧温度和燃烧反应速率。深度调峰过程中制粉系统适应性同样至关重要，煤粉细度、煤粉浓度均是影响炉内燃烧稳定性的重要因素，要增设深调制粉机制，增加磨煤出力，浓缩煤粉浓度。

3.3 提高水冷壁水循环动力和系统安全性

在深度调峰过程中，锅炉水动力循环问题主要出现在直流锅炉，对于直流锅炉，要重新根据水冷壁特性、循环泵特性进行计算，通过改善机组燃烧工况维持水冷壁的热传输稳定性或是提高入炉水温保证水循环的稳定。对于汽包锅炉，水动力循环影响较小，但仍需注意水动力循环的循环倍率、循环流速和循环裕量等参数。

3.4 提高脱硝系统全负荷范围内的稳定性

炉内燃烧稳定性变差会直接导致烟道入口烟温降低，导致脱硝系统工作温度降低，影响脱硝效率，需要进行全负荷范围内脱硝系统稳定性改造，一方面可增加烟气旁路，或者增加省煤器级数、省煤器旁路技术等来提高脱硝系统烟温，保证脱硝系统和空预器正常运行；另一方面，传统SCR脱硝催化剂的工作温度在320～400℃范围内，而深调过程中烟温在260～300℃，烟温过低严重影响脱硝效率，研发宽温SCR脱硝催化剂可有效解决烟温较低问题[8]。

3.5 提高机组变负荷反应速率

当电网（自动发电控制系统）下达调峰指令后，并网机组需要快速响应负荷指令，而燃煤锅炉运行过程中存在长时间惯性机制，无法及时响应电网指令，若直接增加机组响应速率，会导致锅炉的主蒸汽压力、温度等参数频繁波动，严重影响锅炉运行的稳定性。要提高机组变负荷反应速率，需要综合考虑锅炉负荷响应速度、锅炉蓄热能力和炉机控制协调性等因素，有针对性开展锅炉改造，确保锅炉在深调过程中稳定运行的同时快速响应电网调峰指令。

4 结语

“双碳”目标下，燃煤发电机组参与电网深度调峰是构建我国新能源为主，传统能源为辅的新型电力系统的重要举措。深入研究煤粉锅炉在深调过程中显现出来的问题有利于燃煤机组运行优化，保证锅炉安全稳定运行。笔者经过分析，认为未来提高煤粉锅炉深调能力可以从燃烧器改造、增强煤种掺烧管理、优化制粉系统、提高水冷壁水循环动力和系统安全性、提高脱硝系统全负荷范围内的稳定性和提高机组变负荷反应速率等方面入手。