660 MW鍋爐超低負荷段燃燒優(yōu)化試驗研究

康科偉，施子福，李 培，周永剛

（1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司，浙江 樂清 325609；2.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及風電、光伏發(fā)電等隨機波動性新能源的大規(guī)模接入，電網(wǎng)負荷及峰谷差不斷增大[1-2]，600 MW和1 000 MW等級的超臨界、超超臨界火電機組已經(jīng)成為電網(wǎng)主力機組，并頻繁地承擔調(diào)峰任務(wù)[3-4]。一方面機組的負荷率普遍大幅下降，機組在日常運行時有相當一部分時間處于低負荷甚至超低負荷的工況，偏離設(shè)計工況的運行時間更久、范圍更寬，由于過去機組負荷大多為滿負荷或常規(guī)負荷，因此發(fā)電廠在進行鍋爐燃燒優(yōu)化時，往往著重于滿負荷和常規(guī)負荷工況，沒有必要對低負荷、超低負荷工況進行優(yōu)化。另一方面，電網(wǎng)對機組AGC（自動發(fā)電控制）性能的調(diào)節(jié)品質(zhì)考核變得更加嚴格[5]，低負荷或超低負荷時鍋爐風、煤、水的協(xié)調(diào)關(guān)系可能出現(xiàn)嚴重失衡，自動控制系統(tǒng)投入困難，特別是在50%以下負荷時，不得不撤出自動控制，運行人員手動操作不僅效率低下，而且污染物排放會受到影響。即使是當前部分機組已投運了超低負荷段的自動控制，但其控制目標往往是AGC投運、蒸汽品質(zhì)等，對機組經(jīng)濟性能及環(huán)保排放指標等并沒有明確的控制目標，不能真正達到經(jīng)濟、環(huán)保條件下的深度調(diào)峰。

由于深度調(diào)峰為近年來才出現(xiàn)的現(xiàn)象，國內(nèi)對此尚處于初步研究階段，成果不多，且大部分主要是通過設(shè)備改造、汽輪機滑壓曲線優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制完善等方面提高機組的深度調(diào)峰能力，解決低負荷或超低負荷下燃燒穩(wěn)定性、汽輪機運行安全性及環(huán)保設(shè)備投運的問題，而對鍋爐本身的燃燒調(diào)節(jié)控制研究較少。隨著當前深度調(diào)峰、機組低負荷甚至超低負荷運行成為常態(tài)，鍋爐在低負荷區(qū)間的運行優(yōu)化變得非常重要。

響應(yīng)深度調(diào)峰的要求，國內(nèi)某發(fā)電廠660 MW超臨界機組調(diào)峰能力從原來的50%~100%拓寬到40%~100%，原來常規(guī)負荷下的機組燃燒優(yōu)化運行方案已不再適用。針對該660 MW超臨界機組40%~50%負荷段的鍋爐運行方式進行優(yōu)化，緩解或解決超低負荷下鍋爐再熱汽溫偏低、NOX濃度較高等問題，提高鍋爐運行的經(jīng)濟性指標，可為超低負荷下機組自動控制提供目標。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠660 MW超臨界機組，鍋爐型號為SG-1913/25.4-M956，π型爐，采用四角切圓燃燒方式，6層LNCFS（低NOX同軸直流式燃燒器），燃燒器上部設(shè)置2層風COOFA（二層緊湊燃盡風）、5層SOFA風（分離燃盡風）。制粉系統(tǒng)為冷一次風風機正壓直吹系統(tǒng)，配6臺HP1003型中速磨煤機。鍋爐設(shè)計煤種為神府東勝煤田活雞兔煤，主要煤質(zhì)見表1。

2 原運行方案及存在問題分析

該發(fā)電廠在進行本次優(yōu)化試驗之前偶爾存在40%~50%負荷段的運行要求，在該負荷段運行時自動控制撤出，采用運行人員手動操作的模式，運行方式沿用了原50%~100%常規(guī)負荷燃燒調(diào)整的結(jié)果。此外，低負荷時磨煤機投運方式視實際入爐煤Qnet，ar的高低對帶負荷能力的影響進行切換：當入爐煤Qnet，ar相對較低時，330 MW負荷以下時由4套制粉系統(tǒng)（A/B/C/D）運行切換為3套制粉系統(tǒng)（A/C/D）運行； 當入爐煤 Qnet，ar相對較高，可以滿足帶負荷能力要求時，則以280 MW作為制粉系統(tǒng)投運方式切換的臨界負荷點。

表1 鍋爐設(shè)計煤種及校核煤種主要煤質(zhì)指標

分別在4套制粉系統(tǒng)運行（330 MW和280 MW）和3套制粉系統(tǒng)運行（330 MW和260 MW）方式下，對鍋爐進行性能考核試驗，試驗期間入爐煤由蒙混煤和富動24煤摻配而成，主要煤質(zhì)指標見表2，試驗得到鍋爐主要運行指標見表3。

低負荷下再熱汽溫偏低是600 MW和1 000 MW鍋爐普遍存在的問題[6-9]，該660 MW超臨界鍋爐再熱蒸汽溫度設(shè)計值為（569±5）℃，50%~100%負荷段內(nèi)再熱蒸汽溫度即在設(shè)計值下限上下波動，在562.1~568.8℃，40%~50%的超低負荷段內(nèi)，再熱蒸汽溫度進一步降低至534.3~553.2℃，比設(shè)計值下限低了10~30℃。同時，與50%~100%負荷段相比，40%~50%負荷時SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)入口NOX濃度明顯升高，特別是在280 MW和260 MW時SCR入口NOX濃度分別為476.3 mg/m3（標況下，以下同）和432.6 mg/m3，超過設(shè)計值350 mg/m3。此外，40%~50%負荷段內(nèi)鍋爐效率與50%~100%負荷段相比雖略有降低，但降低幅度不大，基本不低于94%，主要與負荷降低后爐膛氧量提高、飛灰含碳量下降有關(guān)，因此鍋爐效率并不是超低負荷運行優(yōu)化關(guān)注的重點。

3 超低負荷段的燃燒優(yōu)化及效果分析

3.1 燃燒優(yōu)化方向

從理論上講，提高再熱汽溫與降低SCR入口NOX濃度往往是相互制約的，前者主要受到超低負荷時停運上層燃燒器后火焰中心高度下移、負荷降低后爐膛水冷壁結(jié)渣程度減輕、爐膛輻射換熱量偏高的影響，導(dǎo)致再熱器吸熱量不足，一般從提高火焰中心高度的方向著手[10-11]。但從另一方面而言，超低負荷時鍋爐空預(yù)器入口的煙氣溫度水平降低，導(dǎo)致進入鍋爐的二次風溫下降，或是火焰中心高度上移后煤粉在爐膛的燃燒停留時間縮短，均會導(dǎo)致爐膛出口的煙氣溫度水平降低，從而也會造成再熱汽溫偏低。后者則主要受到超低負荷時爐膛出口氧量上升的影響，往往通過降低主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)或降低火焰中心高度、表面局部高溫、縮短燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間以及增大煤粉從著火燃燒到燃盡之間的距離著手[12-14]。

針對上述鍋爐40%~50%負荷段內(nèi)表現(xiàn)出的再熱汽溫偏低、SCR入口NOX濃度上升的問題，從鍋爐燃燒運行的角度進行優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)磨煤機冷/熱風門擋板、送/引風機擋板、SOFA風風門，對各臺磨煤機的風煤比、爐膛出口氧量、SOFA風率進行單因素輪換法優(yōu)化試驗[15-16]。考慮到超低負荷下鍋爐的燃燒穩(wěn)定性，暫不改變?nèi)紵鲾[角及二次風風門開度。

3.2 燃燒優(yōu)化效果的評價方法

傳統(tǒng)的鍋爐燃燒調(diào)整往往對鍋爐效率關(guān)注較高，隨著環(huán)保要求的提高，關(guān)注點又逐漸轉(zhuǎn)移到NOX排放上，考慮到該發(fā)電廠超低負荷段內(nèi)主要問題為再熱蒸汽溫度偏低及SCR入口NOX濃度偏高，因此對不同的運行方式進行比較時，著重考慮再熱汽溫及SCR入口NOX的權(quán)重，當上述2個指標較為接近時，再進一步兼顧鍋爐效率。如表4所示，以260 MW負荷為例，與基準工況相比，雖然優(yōu)化工況1對再熱蒸汽溫度的提高幅度最大，但綜合考慮SCR入口NOX濃度的下降及鍋爐效率的提高，特別是該工況下再熱蒸汽溫度與優(yōu)化工況1接近，且SCR入口NOX濃度降低明顯，因此可以認為優(yōu)化工況3的優(yōu)化效果相對其他工況較好。

3.3 超低負荷段的燃燒優(yōu)化效果

綜合4個負荷點的燃燒優(yōu)化結(jié)果，得到40%~50%超低負荷段的燃燒優(yōu)化效果（見表5），與初始狀態(tài)相比，燃燒調(diào)整優(yōu)化后再熱蒸汽平均升高7.2℃，SCR入口NOX濃度平均降低62.1 mg/m3，鍋爐效率平均升高0.25%。雖然再熱蒸汽溫度仍低于設(shè)計值下限，但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)估算，660 MW超臨界機組再熱汽溫每降低10℃對煤耗的影響約0.2 g/kWh，再熱汽溫升高7.2℃可使煤耗降低約0.144 g/kWh，進一步考慮鍋爐效率升高對煤耗影響權(quán)重，按鍋爐效率升高1%、煤耗降低約3.188 g/kWh估算，因再熱蒸汽溫度和鍋爐效率的升高，燃燒優(yōu)化后超低負荷段煤耗合計降低約0.941 g/kWh。進一步考慮對SCR入口NOX濃度的降低效果，可以認為上述針對40%~50%超低負荷段的燃燒優(yōu)化效果明顯。

表2 實際燃用煤種煤質(zhì)分析報告

表3 原運行方案下40%～50%負荷段鍋爐主要運行指標

表4 260 MW負荷燃燒優(yōu)化效果的評價

表5 綜合各負荷點的超低負荷段燃燒優(yōu)化效果

表6為超低負荷段鍋爐初始狀態(tài)和優(yōu)化后較優(yōu)運行方式的磨煤機風煤比、爐膛出口氧量、SOFA風率，與初始狀態(tài)相比，燃燒優(yōu)化后較優(yōu)運行方式的磨煤機風煤比、爐膛出口氧量下降，SOFA風率提高。這與理論上降低SCR入口NOX濃度的調(diào)節(jié)方向一致[17]，且超低負荷段由于爐膛出口氧量較高，飛灰含碳量在較低的范圍內(nèi)，磨煤機風煤比、爐膛出口氧量的降低有利于控制排煙溫度及排煙氧量，對提高超低負荷段鍋爐效率有顯著作用。表6可作為運行人員的運行指導(dǎo)，也可為40%~50%負荷段實現(xiàn)自動控制提供目標，以達到鍋爐節(jié)能減排的目的。

表6 超低負荷段鍋爐燃燒優(yōu)化后的較優(yōu)運行方式

4 結(jié)論

（1）在40%~50%負荷段，發(fā)電廠原運行方式下，再熱蒸汽溫度欠溫達到10~30℃，同時SCR入口NOX濃度較高，特別是280 MW和260 MW時SCR入口NOX濃度分別為476.3 mg/m3和432.6 mg/m3， 比設(shè)計值 350 mg/m3高出 80～130 mg/m3，此負荷段鍋爐效率與50%以上差別不大，基本不低于94%。

（2）超低負荷段燃燒調(diào)整優(yōu)化后，各工況再熱蒸汽平均升高7.2℃，SCR入口NOX濃度平均降低62.1 mg/m3，鍋爐效率平均升高0.25%，綜合考慮再熱蒸汽溫度的提升及鍋爐效率的提高，40%～50%負荷段平均供電煤耗降低約0.941 g/kWh。

（3）經(jīng)過超低負荷段鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整，確定40%～50%鍋爐運行方案，不僅對目前深度調(diào)峰低負荷及超低負荷段運行具有指導(dǎo)意義，也可為40%～50%負荷段實現(xiàn)自動控制提供目標。

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