鍋爐側靈活性改造技術

朱婧文, 王嘉奇, 尤 暢, 胡斌彬, 付 鑫, 馮兆興

(1. 沈陽工程學院 研究生部, 沈陽 110136;2. 沈陽工程學院 能源與動力學院, 沈陽 110136)

0 引 言

近年來,由于電廠出現了供大于求的局面,新能源電站又有著很大的隨機性,如何去解決這一問題成為我國電力發展的關建。靈活性改造主要通過增加機組調節負荷的能力來有效地緩解由于可再生能源以及新能源的間歇性、波動性和不穩定性[1]以及電廠的產能過剩而導致的一系列問題。

1 靈活性改造的必要性

中國的電力越發的充足,發電廠嚴重過剩,一些火電廠的發電利用小時數大幅度下降,導致了我國一些大型機組難以發揮出節能高效的優勢。而且隨著環保安全的新能源越來越受到人們的重視,十三五提出,在2020、2030年非化石能源比重要分別達到15%、20%的目標[2],國家能源局發出緊急文件叫停了13個省的新建火電項目。除此之外,新能源的棄風棄光問題依然較為嚴重,大量的能源流失所造成的損失促使各個新能源電廠處境艱難。因此對于那些總裝機容量加起來還不到6%的抽水蓄能電站和燃氣機組或者技術還不是很完全的化學儲能技術,以火電裝機容量占64%左右的國家而言[3],高調節性的煤電廠就成為了最為現實的可行性選擇。國家對于靈活性改造預期提出了以下要求,見表1[4]。

表1 靈活性改造預期要求Table 1 Desired requirement flexibility modification

2 靈活性改造類型

2.1 運行靈活性

提高運行靈活性,是指增加了火電機組的出力變化范圍,增強其爬坡能力,響應負荷變化能力,快速啟停能力,多數情況下是指增加火電機組在低負荷時的穩定、清潔、高效運行能力。相對于熱電機組,通常指的是更有效地解決“以熱定電”運行模式,具有配合風電上網的調峰功能[5-6]。

2.2 燃料靈活性

提高機組對燃料的靈活適應性,是保證燃煤機組調峰潛力的基礎。電廠鍋爐一般都是按照所要使用的煤種來設計一系列的參數,燃料的靈活性就是在盡量不改變機組的結構的同時可以進行改煤種或者摻燒等做法,提高整個機組的燃燒適應性。

3 靈活性改造所遇到問題及對策

3.1 燃燒穩定性

相對于靈活性改造,主要的燃燒穩定性問題是燃燒溫度偏低。當燃燒溫度偏低時,會導致燃燒不穩定、燃燒不完全、換熱量減小、蒸發量不足,效率下降,易發生滅火停爐的現象。

3.1.1 磨煤機改造

在深度調峰期間,制粉系統易跳閘堵粉。因此若要保證安全運行并加強穩燃特性,相對于煤粉來說,則需要增加它的濃度、細度以及溫度。

趙學斌[7]提出提高磨盤轉速可提高10%～20%出力;陳文等[8]提出提高通風量來提高磨煤機的出力;王瑞麗等[9]提出鋼球磨少球技術和襯板改造可以提高鋼球的帶球高度和研磨效率;李力[10]提出可以在磨煤機入口熱一次風道內安裝微油加熱裝置;倪培林通過煤粉管道優化節能技術[11]降低管道的磨損和壓損來提高一次風管風量、粉量的均勻性;一些專家還通過添加或改裝一些設備以及小粉倉煤粉濃縮技術等技術實現煤粉的一次濃縮[12-13]。遼寧國電運用的磨煤機動態分離器相對于靜態分離器[14]來說,還需要依靠煤粉顆粒的撞擊作用和離心力來進行合格煤粉的選取,可提高煤粉細度的均勻性,提高機組的穩燃性。

3.1.2 燃燒器改造

對于燃燒器的改造主要是保證在低負荷的情況下,燃料能夠順利點火并且不熄火保持其穩定燃燒。比如甘肅國投、內蒙古華電、河北華電使用等離子體燃燒器來形成溫度梯度極大的局部高溫區[15]以提高煤粉揮發份析出量來實現鍋爐的冷態啟動無油點火;內蒙古神華通過富氧燃燒技術來強化燃燒[16],通過重新調整一次風距,一二次風以及燃盡風的分配方式,來適應低負荷運行。

3.1.3 摻燒

低負荷運行時,爐膛內穩燃能力低的主要原因是在此種工況下煤粉無法得到足夠的能量。生物質具有揮發份含量大易于著火以及燃燒集中在前期的特點。將生物質與煤粉進行混燃可以有效提高低負荷燃料的穩燃特性,還可以改善我國農村環境污染,避免“小污”變“大污”,甚至成“大害” 的趨勢[14]。

3.2 低負荷脫硝

當機組負荷較低時,脫硝裝置入口煙氣溫度可能低于催化劑的正常使用溫度(320 ℃左右),導致SCR脫硝系統無法運行,造成NOx排放量增多、空氣預熱器堵塞、非污超標等問題。

因此,一般通過提高省煤器給水溫度、減少省煤器給水量或者直接提高煙氣溫度等方式來使煙氣溫度達到SCR脫銷系統催化劑的使用溫度,使其能夠正常運行。遼寧國電、內蒙古華電和河北華電均運用了圖4的改造方式,低負荷脫硝具體的運行方式見圖1～圖6[14-18]。

圖1 省煤器給水旁路改造Fig.1 Retrofitting of feed water bypass for economizer

圖2 省煤器再循環改造

圖3 省煤器分割布置改造Fig.3 Transformation of economizer division

圖4 省煤器煙氣旁路改造Fig.4 Retrofitting of Flue gas bypass of economizer

圖5 設置0號高加Fig.5 Set no. 0 high pressure heater

圖6 熱水再循環改造Fig.6 Retrofitting of hot water recirculation

表2[14-18]中顯示了各種低負荷脫硝的改造方式,從中可以看出煙氣旁路改造以及熱水再循環能更可靠的做為低負荷脫硝的方法。

表2 不同低負荷脫硝改造方式的特點Table 2 Characteristics of different low load denitrification transformation methods

3.3 空預器改造

低負荷下煙氣溫度會相對的降低,空氣預熱器易堵塞,因此需要對吹灰時間及吹掃行程進行調整,提高吹掃換熱元件覆蓋面,選擇合理的板型和材料、正確進行空預器換熱元件的分層布置等來進一步緩解、減少空預器堵塞時間[19]。并且冷端加裝密封板自動調節裝置,防止因低負荷下熱變形變小,從而導致空氣預熱器冷端間隙增大。

3.4 熱電廠中電與熱的不靈活性

對于供熱機組進行靈活性改造從而實現熱電解耦,是解決以熱定電從而增強熱電機組調峰能力的關鍵。

3.4.1 儲熱技術

當熱電機組降低出力時,輸出熱量補齊熱力缺額;當熱電機組增加出力時,儲存富裕熱量,實現“熱電解耦”運行[20]。通過對不同介質的加熱使其升溫從而達到儲存熱量的效果。供熱蒸汽流量過多時,將多余的熱能用于加熱介質并存儲到儲熱罐中,當電力需求處于低谷時,供熱不足的部分由儲熱罐中被加熱的介質進行補充[20]。遼寧華能、鐵法煤業、吉林大唐等電廠運用過此種技術,具體運行方式見圖7和圖8。

圖7 單罐熱水儲能在火電中的應用

圖8 熔鹽熱儲能在汽輪機旁路系統的應用示意圖

3.4.2 電熱鍋爐

電鍋爐具有啟動時間短的特點,適合作為啟動鍋爐輔助汽源,在機組低負荷或跳機后的熱態啟動時,電熱鍋爐的使用是保證機組汽封高溫汽源和除氧器汽源安全的有效措施,可替代燃油鍋爐和熱電聯產裝置的部分產熱,有利于實現風電節油一體化,可大幅提高機組在進行深度調峰和快速熱態啟動的安全性。遼寧華電、黑龍江大唐、甘肅國投都運用過此種改造方式,具體運行方式見圖9。

圖9 電鍋爐系統方案程序流程Fig.9 Program flow of electric boiler system scheme

表3[20-22]顯示了電鍋爐與儲熱裝置的相關信息,可知熔鹽儲熱相對于熱水儲熱更為可靠,儲熱裝置與電鍋爐之間優劣參半。

表3 熱電解耦實現形式的相關信息Table 3 Information about the implementation of thermal power plant decoupling

4 結 論

實施火電靈活性改造試點以來,綜合施策取得了顯著成效。2017年全國“棄風”電量同比減少78億kWh,棄風電量、棄風率開始出現“雙降”;2018年全國“棄風”電量277億kWh,棄風率下降到7%;2019年清潔能源發電量1.2萬億kWh、同比增長11%,占總發電量的22.8%,同比上升0.5個百分點;新能源棄電量268億kWh、同比下降35%,棄電率5.8%、同比下降5.2個百分點。

靈活性改造并不是一種偶然。新能源的迅速發展以及環境污染的加重,導致了化石能源電廠處在一種岌岌可危的境地。靈活性改造既是為新能源的發展找出一條出路也是為燃煤電廠找出一條出路。但靈活性改造并不適合所有的火電機組,必須結合當地的實際情況,比如熱負荷需要、可再生能源發展以及機組自身條件等。否則隨便實施火電靈活性改造,勢必產生新的浪費。因此,要合理把握火電靈活性改造的節奏,循序漸進,以防范新的經營風險。

現如今低負荷下穩燃、低負荷脫硝以及熱電解耦等方面已經有了較為可靠和成熟的解決方案,相對于鍋爐整體的協調運行以及輔機的改造與調整也在逐步的完整。靈活性改造的實現并不是僅僅幾個設備的改造就能夠完成的。所謂牽一發而動全身,為了能夠真正的達到較為安全完整經濟的改造運行,大到儲熱裝置、電鍋爐的使用,小到電動變手動的控制,都是需要進行細致的操作,缺一不可。