某超臨界660MW機組直流鍋爐深度調峰實踐

朱建平

（新能集團有限責任公司烏魯木齊電力建設調試所，新疆 烏魯木齊 830000）

國家發展改革委、國家能源局在2016年正式發布文件，推進了火電機組靈活性改造試點在全國多個省份16個點的建設，旨在促進我國火電生產的更高靈活性的運行，提升調峰電網消納新能源的能力。本地區政府也通過出臺輔助調峰服務市場運營管理辦法、深度調峰機組補貼等活動，來鼓勵燃煤機組參與開展深度調峰中，從而推進深度調峰機組的全面建設。燃煤機組在參與深度調峰過程中，它們需要考慮熱電耦合、鍋爐安全運行等技術方面的問題。本文通過介紹某超臨界600MW機組直流鍋爐，研究了開展鍋爐深度調峰的實踐過程。

1 鍋爐概況

某超臨界660MW機組中的生產鍋爐為超臨界參數變壓直流爐DG1900/25.4-Ⅱ1，由東方鍋爐廠生產，采用全吊懸式、單爐膛、固態排渣的Π型結構，燃用為煙煤，無灰基揮發份為39%，收到基低位發熱量為21300kJ/kg。配置5臺中速ZGM113G磨煤機，布置3層式一共24臺HT-NR3旋流燃燒器，前后對沖燃燒。在額定負荷工況，鍋爐熱效率為94.04%，最低可穩燃負荷是35%的額定負荷。

2 鍋爐深度調峰技術

鍋爐燃燒采用的煤質的揮發分較高，著火容易，通過調整，能夠降低鍋爐最低不投油穩燃負荷，以此作為主要突破口，能夠提高鍋爐深度調峰能力。

2.1 燃燒器穩燃結構

爐內煤粉著火時的熱量主要由旋流燃燒器卷吸的高溫煙氣提供，而旋流強度既與與煤粉著火的穩定呈正相關，也與燃燒器外二次風旋流葉片角度的大小呈正相關。因此，應當控制好HT-NR3旋流燃燒器外二次風旋流葉片角度，以此增強旋流及煤粉著火穩定性，保障鍋低負荷期間能夠穩定燃燒，提高調峰的范圍。以二維粒子成像測速（PIV）方式來測定該系統在外二次風旋流的不同強度下，其燃燒器出口流場及噴口火花示蹤情況。

圖1 45%葉片開度下燃燒器噴口流場

圖2 55%葉片開度下燃燒器噴口流場

圖3 65%葉片開度下燃燒器噴口流場

圖4 45%、55%、65%葉片開度時燃燒器噴口的火花示蹤

圖1、2、3分別為45%、55%、65%葉片開度的HT-NR3型旋流燃燒器時，其噴口流場分布，圖4則為噴口火花示蹤狀況。葉片開度為45%時，會在一次風兩側形成渦流，能夠更好地促進煤粉、風力及高溫煙氣的混合，增強讓煤粉能夠在100°的噴口火焰角中，包裹在煙氣中，獲得良好的燃燒效果。葉片開度為55%時，則可以見到旋渦進一步增大，其混合引燃能力也更強，獲得了120°的噴口火焰展示角，有利于穩定燃燒。葉片開度為65%時，則沒有旋渦，接近180°的擴展角讓風粉與外二次風分離開來，以開放式氣流將煤粉推著沿壁面運動，不充分的燃燒會加劇浪費，加大最低燃燒負荷。因此，將葉片開度設計在50%～55%比較合理，也能增大HT-NR3旋流燃燒器的燃燒充分性。

2.2 鍋爐風、粉調整

本調整試驗通過改變一次風速、煤粉細度、運行氧量、配風方式、磨煤機投運方式、磨煤機出口風粉溫度等條件，來探究最適應本鍋爐，能夠保障更低負荷穩定燃燒的風、粉條件，從而提高深度調峰能力。其觀測指標主要是鍋爐的各方面運行參數的變化，包括爐膛內的負壓、溫度，燃燒器噴口處的溫度、距離、火焰強度等，從而評估被影響條件下，鍋爐的低負荷燃燒狀況。該試驗基礎條件為35%額定負荷，利用A、B雙臺磨煤機，如表1為調整的運行參數。

表1 鍋爐風、粉在35%額度負荷的調整前后參數

從表1參數可知，本次調整的參數包括降低一次風速的偏差、煤粉細度、燃盡風擋板開度，適當控制一次風速、運行氧量，還適當提升了磨煤機出口的風粉溫度。在實施這些技術措施后，檢測前后的被影響指標，發現爐膛負壓沒有大幅度波動，總體燃燒比較穩定；投運層燃燒器的噴口溫度則有很大提升，從1290℃變化成1320℃，其火檢閃爍頻率也從1次/min下降到0.5次/min，可以直觀地看到火孔的著火點提前了；屏式過熱器底的煙氣溫度測定值從880℃降到860℃，火焰中心溫度的這個降幅能夠提升鍋爐在低負荷下的燃燒穩定性。在參數調整前后，這些被影響指標的變化，反映出鍋爐低負荷穩燃能力的提升，有利于推進鍋爐開展深度調峰。

2.3 鍋爐水動力特性分析

水動力即在鍋爐運行過程中，水的蒸發、流動等活動的所需動力，它的穩定性對超臨界直流鍋爐的深度調峰工況安全性有重要意義。若水動力特性差，則會導致低負荷的管中水流量分配不均，讓并聯、串聯管的流量都無規律地增減，給管束冷卻帶來不利影響。波動的蒸發點也會加劇金屬在水流蒸發的疲勞性，減少設備正常運行的時間。而且，不穩定的鍋爐水動力特性，也會使得鍋爐管束出口有不同的狀態及參數，如單相水、汽水混合、飽和蒸汽等，加劇了管子因過熱爆管損壞問題。根據風、粉調整試驗，可以發現，35%額定負荷下，鍋爐能夠保持自身的穩定運行，且在水冷壁受熱面的溫度也在材料可承受范圍內容，如圖5為對其中各點溫度進行測試后得到的溫度分布圖。

圖5 鍋爐水冷壁在35%額定負荷下的壁溫分布情況

水冷壁壁溫整體比較均勻，只在后墻、右墻等測點的溫度稍高，分析因磨煤機投運與水冷壁的后部、右部等接觸更緊密有關。結合鍋爐構造及其運行參數，把水冷壁視作流量回路、壓力節點、連接管構成的網絡系統，以質量、動量、能量的守恒原則計算水動力，可以得到超臨界鍋爐水冷壁的數學計量模型，以此求解非線性流量、壓降平衡可以得到：鍋爐承受25%額定負荷時，能夠在經歷熱繞動后回復穩定，且此時以2臺磨煤機投運并把水流量降到410t/h，能夠保障鍋爐運行安全。即在一次風速23m/s、運行氧量6.5%、磨煤機出口風粉溫度83.9℃、2臺磨煤機投運、水流量為410t/h的條件下，鍋爐能夠適應25%額定負荷，可開展深度調峰。

3 結語

本文主要研究了對某超臨界600MW機組直流鍋爐進行深度調峰時，若不通過改變設備構造及裝置構成，只從風、粉調整、穩燃結構參數設定、水動力特性參數設計等方面進行安全約束，是否能將原鍋爐的最低不投油穩定運行35%額定負荷，降至25%額定負荷，從而保障鍋爐能夠安全開展深度調峰實踐活動。參數調整的優化最終結果也反映出這樣的結果，將葉片開度設計在50%～55%能夠增大HT-NR3旋流燃燒器的燃燒充分性，并進行風、粉參數調整，再加上數學計量模型計算，能夠以2臺磨煤機投運并把水流量降到410t/h，保障鍋爐運行安全及其對25%額定負荷的適應，從而開展深度調峰。