中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：燃煤機(jī)組在進(jìn)行深度調(diào)峰改造時(shí)，機(jī)組的最低穩(wěn)定負(fù)荷主要受鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保及輔機(jī)系統(tǒng)的安全性等因素的制約。為此，本文從燃煤機(jī)組的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保設(shè)備安全性、輔機(jī)設(shè)備安全性以及其它技術(shù)路線四個(gè)方面，分別介紹了國內(nèi)外燃煤機(jī)組深度調(diào)峰改造的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，還對(duì)上海成套院提出的一爐兩機(jī)、煤氣化、制粉及燃燒系統(tǒng)改造等技術(shù)思路進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，以期為我國燃煤機(jī)組深度調(diào)峰改造提供技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞：燃煤機(jī)組，深度調(diào)峰，穩(wěn)燃技術(shù)
0 前言
近年來，隨著風(fēng)電、太陽能等清潔能源裝機(jī)容量的迅猛增長(zhǎng)，我國發(fā)電結(jié)構(gòu)和用電結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)生變化，而電網(wǎng)的調(diào)峰問題日益突出，主要表現(xiàn)為調(diào)峰能力不足，調(diào)峰能力與用電需求之間存在著巨大的供需矛盾。為此，國家出臺(tái)了一系列相關(guān)政策，要求進(jìn)一步挖掘燃煤機(jī)組的調(diào)峰潛力，提升我國火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。
在這樣的需求形式下，國內(nèi)部分燃煤機(jī)組開展了相關(guān)試驗(yàn)研究和嘗試，目前我國燃煤火電機(jī)組實(shí)際技術(shù)可調(diào)峰幅度可達(dá)60~70%[1-4]。相比之下，西方發(fā)達(dá)國家熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組普遍采用加蓄熱罐的方式來進(jìn)行靈活性改造，其調(diào)峰幅度則可以達(dá)到70~80%[5-7]；而純凝機(jī)組或者純凝工況下目前只見德國 Heilbronn #7 機(jī)組實(shí)現(xiàn)了鍋爐側(cè)15~20%超低負(fù)荷下的運(yùn)行案例，其技術(shù)措施主要是針對(duì)磨煤機(jī)、燃燒器、送粉管道等系統(tǒng)來進(jìn)行相關(guān)改造。
由此可見，我國的燃煤發(fā)電機(jī)組還有很大的調(diào)峰提升空間。然而，燃煤機(jī)組深度調(diào)峰超低負(fù)荷運(yùn)行可能會(huì)對(duì)機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面產(chǎn)生影響[8]，這些問題極大的限制了燃煤機(jī)組，特別是對(duì)于純凝機(jī)組的調(diào)峰能力。針對(duì)這些問題，國外的一些企業(yè)單位、研究機(jī)構(gòu)等均已開展了相關(guān)研究，而國內(nèi)在寬負(fù)荷脫硝、風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行方面也有著相關(guān)的嘗試和研究。因此，為了進(jìn)一步提升我國燃煤發(fā)電機(jī)組的深度調(diào)峰能力，為國內(nèi)各燃煤機(jī)組在深度調(diào)峰改造中提供技術(shù)參考，本文首先對(duì)國內(nèi)外在火電機(jī)組深度調(diào)峰方面的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹，然后對(duì)上海成套院在純凝機(jī)組深度調(diào)峰方面開展的工作進(jìn)行介紹。
1 國內(nèi)外深度調(diào)峰技術(shù)
1.1 燃燒穩(wěn)定性
當(dāng)鍋爐的燃燒工況遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的最低穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，爐膛的溫度會(huì)急劇下降，導(dǎo)致煤粉的快速著火出現(xiàn)困難，進(jìn)而引發(fā)火焰穩(wěn)定性差，容易發(fā)生熄火，爐膛滅火、放炮等重大安全隱患。
Duisburg-Essen大學(xué)的Richter[9]針對(duì)低負(fù)荷下鍋爐的燃燒穩(wěn)定性也提出了一些潛在的技術(shù)措施，主要包括改變風(fēng)煤比、增加空氣的湍流度、減少閑置燃燒器的冷卻風(fēng)量、改變?nèi)紵鞯慕Y(jié)構(gòu)、改變磨煤機(jī)的控制運(yùn)行方式、切換至單磨運(yùn)行、采用較小的磨煤機(jī)等。無獨(dú)有偶，ALSTOM[10]認(rèn)為可以在一次風(fēng)管上加裝一個(gè)風(fēng)道燃燒器、在磨煤機(jī)入口處安裝一個(gè)額外的風(fēng)機(jī)、在磨煤機(jī)出口安裝一個(gè)動(dòng)態(tài)分離器，這些措施有利于提高一次風(fēng)送風(fēng)溫度、提高磨煤機(jī)出口溫度、提高煤粉的細(xì)度以及煤粉在一次風(fēng)中的含量，這樣加熱空氣所需的熱量就會(huì)有所減少，煤粉氣流著火所需要的熱量也會(huì)降低，在相同的卷吸煙氣量下，煤粉氣流能夠達(dá)到更高的溫度，起到加速和穩(wěn)定著火的作用。
另外，還可以通過對(duì)燃燒器進(jìn)行改造和優(yōu)化來提高機(jī)組靈活性。對(duì)于等離子體燃燒器來說，可以采用三級(jí)噴嘴的設(shè)計(jì)方式，分級(jí)對(duì)煤粉進(jìn)行逐級(jí)點(diǎn)火和燃燒，通過等離子體釋放的能量來釋放并點(diǎn)燃部分揮發(fā)份，揮發(fā)份燃燒釋放的熱量再進(jìn)一步點(diǎn)燃和釋放更多的揮發(fā)份，并最終在燃燒器出口形成穩(wěn)定的火焰。當(dāng)燃煤機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，啟用改造后的等離子體燃燒器，可以起到穩(wěn)燃的作用。對(duì)于濃淡燃燒器，在燃燒器一次風(fēng)通道中增加一個(gè)濃縮結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高卷吸區(qū)域煤粉的濃度，可以使煤粉更容易著火，且燃燒更為穩(wěn)定[11]。針對(duì)燃燒褐煤的機(jī)組，由于褐煤含水高，磨煤機(jī)干燥過程中產(chǎn)生的水分在低負(fù)荷運(yùn)行條件下可能會(huì)影響火焰的傳播與穩(wěn)定。為此，可以采用布置再燃燒燃燒系統(tǒng)的方式，使得煤中的水蒸氣組分從煤粉中被分離出來，降低水分帶來的不利影響，起到穩(wěn)定燃燒的作用[10]。同時(shí)，在較底層燃燒器上加裝電加熱噴嘴也可以降低煤粉氣流的著火熱，在低負(fù)荷下減少燃油等輔助燃料的消耗[12]。
1.2 環(huán)保設(shè)備安全性
燃煤機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，環(huán)保設(shè)備中主要是SCR脫硝系統(tǒng)存在問題。這主要是由于其入口煙氣溫度降低，在一定程度上很可能達(dá)不到催化劑的運(yùn)行溫度要求，進(jìn)而導(dǎo)致NOx排放量達(dá)不到國家環(huán)保相關(guān)要求。低負(fù)荷運(yùn)行還會(huì)造成未燃盡碳含量增多，容易加重催化劑的堵塞，且催化劑長(zhǎng)期運(yùn)行于較低的排煙溫度下會(huì)極大的縮短催化劑的使用壽命。另一方面，低負(fù)荷下，煙氣溫度過低，SCR脫硝系統(tǒng)中的氨氣會(huì)與煙氣中的SO3生成硫酸氫銨（ABS），硫酸氫銨呈現(xiàn)粘性、液態(tài)，很容易堵塞催化劑孔隙，這將會(huì)使得催化劑的催化反應(yīng)能力顯著降低。
近年來，國內(nèi)外均有學(xué)者在低負(fù)荷下對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的性能進(jìn)行了相關(guān)研究[7,13-15]。傳統(tǒng)的解決該問題的辦法主要是安裝省煤器旁路煙道，使得煙氣溫度在低負(fù)荷下仍能維持在設(shè)計(jì)值，防止ABS的生成以及催化劑的堵塞。也有部分電廠采用省煤器分級(jí)設(shè)置，將省煤器低溫部分放置于SCR出口側(cè)，而將SCR布置與煙氣溫度較高的區(qū)域，以此來解決入口煙溫過低的問題。對(duì)于不能或者沒有安裝省煤器旁路的機(jī)組來說，可以對(duì)SCR反應(yīng)器中的NH3、SO3以及溫度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，改變?nèi)霠t煤的含硫量，或者采用靜態(tài)混合器來對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行修正。除此以外，還可以從高壓缸抽取一部分蒸汽進(jìn)入一個(gè)額外的抽氣可調(diào)式給水加熱器 [15]。在低負(fù)荷運(yùn)行條件下，通過調(diào)節(jié)該加熱器入口壓力不變來維持給水溫度不變，這樣提高了低負(fù)荷下省煤器的入口水溫，升高了低負(fù)荷下省煤器出口煙溫（SCR入口煙溫），保證了SCR脫硝系統(tǒng)在低負(fù)荷下的高效運(yùn)行。上海成套院也相應(yīng)的提出了給水置換式省煤器系統(tǒng)技術(shù)方案，采用給水置換式省煤器系統(tǒng)，提高實(shí)際進(jìn)入省煤器的給水溫度，減少省煤器的吸熱量。該系統(tǒng)改造前后省煤器流量不發(fā)生變化，不犧牲高負(fù)荷下鍋爐經(jīng)濟(jì)性，改造后可提高脫硝設(shè)備入口煙氣溫度達(dá)30℃，滿足SCR催化劑的運(yùn)行條件，抑制ABS的冷凝腐蝕。
1.3 輔機(jī)設(shè)備安全性
燃煤發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，各輔機(jī)設(shè)備（包括風(fēng)機(jī)和給水泵）均偏離了原來的設(shè)計(jì)工況，這將直接影響輔機(jī)系統(tǒng)的做功效率，可能引發(fā)風(fēng)機(jī)的搶風(fēng)和失速，進(jìn)而導(dǎo)致喘振、跳閘等一系列安全問題。針對(duì)這一問題，目前主流技術(shù)是采用變頻運(yùn)行，該運(yùn)行方式有助于提升燃煤機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行下的效率[7,16]。上海外高橋電廠3#機(jī)組則采取了一種新型的集中式變頻總電源技術(shù)，該機(jī)組在主汽輪機(jī)之外單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)轉(zhuǎn)速可調(diào)的小型汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)可帶到一個(gè)發(fā)電機(jī)發(fā)電[17]。通過改變?cè)撔⌒推啓C(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)與之相連的發(fā)電機(jī)的輸出電流頻率，就可以為連接在同一母線上的所有輔機(jī)提供變頻動(dòng)力電源，以此來實(shí)現(xiàn)輔機(jī)系統(tǒng)在負(fù)荷變化下的變頻控制。除此之外，Goerner[18]的研究中還指出可以使用超導(dǎo)元件來解決這一問題，但該技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用，目前還處于研究發(fā)展階段。
1.4 其它技術(shù)路線
對(duì)于熱電機(jī)組來說，增加儲(chǔ)熱裝置實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”是一種行之有效的調(diào)峰方式。目前常見的儲(chǔ)能蓄熱技術(shù)主要有蒸汽蓄熱技術(shù)、熔鹽蓄熱技術(shù)、相變材料蓄熱技術(shù)以及固體材料蓄熱技術(shù)等。
蒸汽蓄熱技術(shù)主要以水作為蓄存熱能的載體，通過蓄熱容器內(nèi)蒸汽和水之間的熱交換來熱能的存儲(chǔ)與釋放。當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的多余蒸汽可以以熱能形式通過充熱裝置充入軟水中進(jìn)行存儲(chǔ)，使得蓄熱容器內(nèi)水的壓力、溫度均上升，并形成一定壓力下的飽和水；當(dāng)負(fù)荷上升，鍋爐供汽不足時(shí)，蓄熱容器內(nèi)的飽和水隨著壓力的下降成為過熱水而產(chǎn)生自蒸發(fā)，向外供汽。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組的低負(fù)荷運(yùn)行。以丹麥Aved?re 電廠250MW供熱機(jī)組為例，該電廠建有兩個(gè)50米高的，容量為44000m3的儲(chǔ)熱罐，在冬季供熱期期間其最小出力可以低至15%-20%。
熔鹽蓄熱技術(shù)主要采用熔鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)，由于熔鹽熱容量大、適應(yīng)溫度范圍廣、黏度低、相對(duì)密度大，在傳熱的過程中通過熔鹽溫度的上升或下降就可以實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存或釋放。該技術(shù)蓄熱原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低廉，目前該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用主要是與太陽能發(fā)電結(jié)合。美國Solar Reserve公司在內(nèi)達(dá)華的110MW塔式太陽能電站也同樣采用熔鹽技術(shù)來進(jìn)行蓄熱，可在不具備太陽能發(fā)電的條件下繼續(xù)發(fā)電10小時(shí)。然而，針對(duì)燃煤機(jī)組的獨(dú)立的熔鹽蓄熱電站目前還未見報(bào)道。
相變材料蓄熱技術(shù)的蓄熱介質(zhì)主要是一些相變材料，主要包括無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三類。這些相變材料均有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力，通過物質(zhì)狀態(tài)的改變來實(shí)現(xiàn)潛熱的儲(chǔ)存與釋放。該技術(shù)目前主要應(yīng)用于太空太陽能動(dòng)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)(DSP)儲(chǔ)熱、地面太陽能的直接熱利用、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱、工業(yè)余熱廢熱回收系統(tǒng)儲(chǔ)熱等領(lǐng)域。比如說，美國的管道系統(tǒng)公司采用CaCl2˙6H2O作為相變材料制成儲(chǔ)熱管, 用來儲(chǔ)存太陽能和進(jìn)行工業(yè)余熱回收。而在大型發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域，該蓄熱技術(shù)還處于商業(yè)試用階段。
固體材料蓄熱技術(shù)的蓄熱介質(zhì)一般都具有比熱大、密度大、耐高溫等特點(diǎn)，常見的固體蓄熱介質(zhì)有耐高溫固體合金材料、MgO含量為90%以上的壓縮磚等。在低負(fù)荷條件下，該技術(shù)可以通過加熱蓄熱介質(zhì)將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在高負(fù)荷下利用熱交換技術(shù)，將熱能有效的導(dǎo)出。目前該技術(shù)主要用于一些小型的工業(yè)鍋爐，在大型發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域，該蓄熱技術(shù)還處于示范階段。
2 上海成套院深度調(diào)峰技術(shù)
2.1 一爐兩機(jī)技術(shù)
一爐兩機(jī)深度調(diào)峰技術(shù)是指利用一臺(tái)鍋爐運(yùn)行，產(chǎn)生蒸汽供兩臺(tái)蒸汽輪機(jī)發(fā)電的全廠系統(tǒng)集成技術(shù)，間接滿足電網(wǎng)對(duì)單元機(jī)組超低負(fù)荷運(yùn)行需要，并克服鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行難題。該系統(tǒng)整合了傳統(tǒng)單元機(jī)組的系統(tǒng)配置模式，在傳統(tǒng)一爐一機(jī)單元機(jī)組的配置方式中，水蒸汽遵循朗肯循環(huán)，鍋爐與汽輪機(jī)之間的介質(zhì)交換采用單根管連接，各單元機(jī)組之間相互獨(dú)立，互相不受負(fù)荷變化的影響。而一爐兩機(jī)通俗來講，即介質(zhì)母管制，包括主給水、主蒸汽、再熱蒸汽冷端、再熱蒸汽熱端。原則上，只需要將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組之間的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、給水管道連接起來，就可實(shí)現(xiàn)靈活性運(yùn)行。
2.2 煤氣化技術(shù)
煤氣化深度調(diào)峰技術(shù)是指利用煤粉氣化工藝，先將一部分電廠燃料用煤粉氣化，轉(zhuǎn)化為以CO、H2為主的煤氣，將煤氣送入鍋爐爐膛，通過煤氣的燃燒來輔助煤粉燃燒，改善煤粉的著火特性，使燃燒器在極低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒，滿足機(jī)組寬負(fù)荷調(diào)整。經(jīng)核算投入20%煤氣后，在理論上是可以實(shí)現(xiàn)煤粉在低負(fù)荷下徹底的不投油穩(wěn)燃。
2.3 制粉及燃燒系統(tǒng)綜合改造技術(shù)
燃煤機(jī)組在超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫度、一次風(fēng)煤粉濃度（風(fēng)煤比）的選取決定著鍋爐能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵。因此，需要在保證磨煤機(jī)安全、輸粉管內(nèi)不堵粉的前提下，盡量減少一次風(fēng)量、降低一次風(fēng)速、提高煤粉細(xì)度、提高磨煤機(jī)出口風(fēng)溫。這樣當(dāng)煤粉氣流進(jìn)入燃燒器后，加熱空氣所需的熱量就會(huì)有所減少，煤粉氣流著火所需要的熱量也會(huì)有所降低。在相同的卷吸對(duì)流換熱量和輻射換熱量下，煤粉氣流能夠達(dá)到更高的溫度，能夠起到加速和穩(wěn)定著火的作用。
因此，成套院從燃燒基礎(chǔ)理論出發(fā)，首先針對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行改造，主要包括磨煤機(jī)加裝動(dòng)態(tài)分離器，提高煤粉細(xì)度和均勻性，強(qiáng)化煤粉吸熱量；在磨煤機(jī)出口增設(shè)一個(gè)帶旋風(fēng)分離裝置的煤粉倉，高負(fù)荷分離部分煤粉到粉倉備用，低負(fù)荷直接從粉倉供粉，這樣一方面可以保證磨煤機(jī)安全，另一方面提高了煤粉濃度降低了一次風(fēng)量，有利于降低煤粉著火熱；同時(shí)，采用熱風(fēng)送粉技術(shù)，提高送粉介質(zhì)溫度，降低煤粉氣流著火熱。
另一方面，鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于投入燃料量少，爐膛溫度低，燃燒工況相對(duì)來說比較惡劣。此時(shí)單個(gè)燃燒器的實(shí)際燃煤量與設(shè)計(jì)燃煤量存在明顯的不匹配，單只燃燒器的設(shè)計(jì)熱功率偏大，燃燒器出口一、二次風(fēng)的氣流厚度在低負(fù)荷下會(huì)有所增大；另一方面，低負(fù)荷下爐膛溫度降低，單只燃燒器出口煤粉氣流在著火熱沒變的條件下，從爐膛中獲取的對(duì)流換熱量和輻射換熱量均有所降低，這不利于煤粉氣流著火和穩(wěn)燃。，
為此，成套院針對(duì)燃燒系統(tǒng)提出了相應(yīng)的改造技術(shù)思路。考慮將最上層燃燒器改為兩層布置，降低單只燃燒器功率，增加燃燒器的數(shù)量。此時(shí)，單只燃燒器的給煤量降低，單位時(shí)間內(nèi)煤粉氣流著火所需要的著火熱也大幅降低，在相同的爐膛溫度下煤粉氣流更容易著火。改造后同等流量的燃料被分為兩份送入兩層燃燒器內(nèi)，相比于一層燃燒器，改為兩層燃燒器后煤粉氣流的總表面積增大，意味著煤粉氣流的吸熱面積增大，且相鄰火炬之間的相互支持可以有效的減少火炬在相向側(cè)的散熱損失，更有利于煤粉氣流的著火和穩(wěn)定燃燒。
3 結(jié)語
燃煤機(jī)組在進(jìn)行深度調(diào)峰改造時(shí)，機(jī)組的最低穩(wěn)定負(fù)荷主要受鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保及輔機(jī)系統(tǒng)的安全性等因素的制約。針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，國外主要采用加裝蓄熱罐的方式來進(jìn)行靈活性改造，包括蒸汽蓄熱技術(shù)、熔鹽蓄熱技術(shù)、相變材料蓄熱技術(shù)以及固體材料蓄熱技術(shù)等。針對(duì)純凝機(jī)組的靈活性改造還鮮見報(bào)道，目前的技術(shù)手段主要是針對(duì)磨煤機(jī)、燃燒器、送粉管道等系統(tǒng)來進(jìn)行改造，以達(dá)到降低煤粉著火熱，強(qiáng)化煤粉換熱、提高SCR入口溫度等目的，本文分別在燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保設(shè)備安全性、輔機(jī)設(shè)備安全性三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了介紹。
針對(duì)純凝機(jī)組，上海成套院先后提出了一爐兩機(jī)、煤氣化、制粉及燃燒系統(tǒng)改造等技術(shù)思路。其中一爐兩機(jī)技術(shù)是指利用一臺(tái)鍋爐運(yùn)行，產(chǎn)生蒸汽供兩臺(tái)蒸汽輪機(jī)發(fā)電的全廠系統(tǒng)集成技術(shù)，間接滿足電網(wǎng)對(duì)單元機(jī)組超低負(fù)荷運(yùn)行需要；煤氣化技術(shù)是指利用煤粉氣化工藝，先將一部分煤粉氣化，轉(zhuǎn)化為以CO、H2為主的煤氣，將煤氣送入鍋爐爐膛，通過煤氣的燃燒來輔助煤粉燃燒；制粉及燃燒系統(tǒng)綜合改造技術(shù)是指利用制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的一系列優(yōu)化技術(shù)手段，以降低煤粉氣流著火熱、強(qiáng)化煤粉氣流傳熱，并最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。
