基于深度調峰的火電機組配煤摻燒策略研究

楊茂林，孫利娟，代 賓，武文亮，蔡 敏，李 碩

(1.中國華能集團有限公司 河南分公司，河南 鄭州 450018;2.華能沁北發電有限責任公司，河南 濟源 459011)

0 引 言

對火電機組進行靈活性改造并適應以新能源為主體的新型電力系統，此為我國能源轉型的重要舉措。國家統計局數據顯示，2020年我國風電裝機比例12.79%，太陽能發電裝機比例11.51%，新能源電力呈現迅猛發展的趨勢[1]。“十四五”電力規劃指出，火電逐漸調整定位，從基荷電源轉變為調節電源，以實現我國能源消費從化石能源向非化石能源轉變。

由于新能源電力的隨機性和無序性，火電機組為新能源電力深度調峰，對保障電網的安全穩定運行具有重要意義?；痣姍C組深度調峰面臨鍋爐穩燃、經濟運行、安全高效等主要問題，配煤摻燒是實現火電機組高效、經濟、穩定、安全運行的重要保障[2]。面對煤價高企的現實情況，火電廠采購的動力煤種類多、煤質雜，難以滿足入爐煤的品質要求。此外，火電機組負荷變動快、動力煤消耗量大、煤場空間有限、動力煤長時間堆放易氧化自燃等問題加劇了火電機組深度調峰的難度[3]。因此，研究精細化的配煤摻燒策略可滿足火電機組負荷在20%～100%之間靈活變動，同時保障鍋爐穩燃，不僅有利于維持火電廠的安全穩定運行，還能降低火電廠燃料成本以及提高經營效益[4]。

配煤摻燒的前提是基于建立數字化煤場并根據機組負荷實現上煤量的精準控制[5]。根據鍋爐燃燒需要，將不同特性的動力煤均勻混合，實現入爐煤品質的精細調節，此為配煤摻燒的重要措施[6]。李號彩[7]基于大數據、云計算等技術，實現了80多家火電企業燃料要素的資源整合和最優配置，提高了多品質動力煤的調度效率和準確性。賀德宇[8]研究了火電廠燃料管理智能化建設思路，提出實行“框架頂層設計、實施過程統一指導、建設節奏分步分批、細節特色各廠實施”的建設方針。刑樹強[9]主要研究了儲煤場智能管理系統架構，指出配煤摻燒應保證入爐煤低位發熱量、揮發分、水分、灰分接近設計值。蒙毅等[10]開發了商業化的配煤摻燒軟件，以廣義的配煤摻燒為核心，用于預測滿足機組安全性、環保性與經濟性的最佳摻配方案。數字化煤場管理和配煤摻燒概念引起了廣大學者的重點關注[11-12]，然而現有的研究成果主要是數字化煤場的建設、配煤摻燒模型的構建[13]，基于深度調峰和實際生產的配煤摻燒策略還缺乏實踐驗證[14]。

火電機組運行過程中，負荷變動大，同時承擔高負荷頂峰和低負荷調峰的作用。600 MW火電機組的鍋爐有5個煤倉分別對應5層燃燒器，采用分倉上煤的機制實施配煤摻燒，闡述每層燃燒器在穩定爐膛火焰、保持機組經濟運行、提高機組出力所承擔的具體作用，由此構成制定配煤摻燒策略的主體思路。同時，配煤摻燒策略的順利執行，還應受到NOx、SO2、煙塵污染物超凈排放的檢驗。基于深度調峰的配煤策略研究，將為火電機組的安全運行、靈活調節提供理論支撐，為火電廠降低燃料成本，提高經營效益提供現實指導。

1 上煤系統流程與配煤摻燒原則

1.1 火電廠動力煤種分類

火電廠采購的動力煤按照揮發分分類則可分為煙煤、貧煤、無煙煤，按照硫分分類可分為高硫煤、中硫煤、低硫煤，按照熱值分類可分為高熱值煤、中熱值煤、低熱值煤[15]。火電廠動力煤種分類如圖1所示。煙煤的揮發分在20%～40%，其中揮發分為20%～30%、30%～40%的煙煤在煤場中均被單獨堆放。貧煤的揮發分在10%～20%，無煙煤的揮發分低于10%。高硫煤的硫分高于2.5%，中硫煤的硫分在1.0%～2.5%，低硫煤的硫分低于1.0%。高熱值煤的熱值高于20.93 MJ/kg，中熱值煤的熱值在14.65 MJ/kg～20.93 MJ/kg，低熱值煤的熱值低于20.93 MJ/kg。煙煤易著火，燃燒充分且燃燒穩定性好，用于火電機組啟動和深度調峰期間穩定爐膛火焰，保障機組安全運行。無煙煤雖揮發分低、著火困難，但熱值高，用于火電機組頂峰時迅速提高機組出力。低熱值煤主要包括煤泥、城市污泥等經濟煤種，價格低廉，低熱值煤的摻燒極大地降低了火電廠動力煤的采購成本。火電廠排放的SO2來自于動力煤中的硫分，高硫煤、中硫煤、低硫煤的摻燒均以保證SO2的超凈排放為前提。

圖1 火電廠動力煤種分類圖

1.2 上煤系統流程

火電機組依靠上煤系統實現動力煤連續、無間斷供應。火電廠上煤系統及流程如圖2所示。動力煤到達火電廠后，先經翻車機卸車，然后由給煤機導入上煤系統。1號輸煤膠帶布置在給煤機底部，用于接卸火車運輸的動力煤。3號輸煤膠帶和1號斗輪機布置在一煤場，5號輸煤膠帶和2號斗輪機布置在二煤場。斗輪機既能實現將接卸的動力煤堆放在煤場，又能夠實現將煤場中的動力煤轉運至煤倉。煤場全封閉建造，在減少因大風揚塵、雨水沖刷造成動力煤損耗的同時，又避免了無組織排放，為火電廠周邊營造良好的生態環境。7A號、7B號輸煤膠帶布置在A～E煤倉上部，當需對煤倉進行上煤時，犁煤器降落，將輸煤膠帶上的動力煤導流至煤倉。7A號、7B號任一條輸煤膠帶均可實現為A～E煤倉上煤。1～7號輸煤膠帶采用上、下層落差布置的方式，以便于不同輸煤膠帶段之間的動力煤轉運。上、下層輸煤膠帶之間布置有三通擋板和落煤管。三通擋板將落煤管分為甲、已2個通道。2號、4號、6號、7號輸煤膠帶均為A、B雙通道，在保證上煤系統靈活、可靠運行的同時，可進一步提高上煤量和上煤效率。

圖2 火電廠上煤系統及流程示意

1.3 配煤摻燒原則

鍋爐系統為600 MW變壓直流本生型鍋爐，采用前后墻對沖燃燒方式，即單爐膛、π型結構。鍋爐本體結構示意如圖3所示。A～E煤倉分別對應A～E層燃燒器，每個煤倉對應4臺燃燒器。A、B層燃燒器布置在底層，標高18.6 m;C、D層燃燒器布置在中層，標高23.6 m;E層燃燒器布置在上層，標高28.6 m。A、C、E層燃燒器布置在爐膛后墻，B、D層燃燒器布置在爐膛前墻。配煤摻燒嚴格遵守大氣污染物超凈排放原則，NOx排放量低于50 mg/m3，SO2排放量低于35 mg/m3，煙塵排放量低于10 mg/m3。配煤摻燒遵循鍋爐穩定燃燒原則，特別是爐膛熱負荷在20%～50%深度調峰階段，需要保障底層燃燒器的穩定燃燒，使其充分發揮托火層的功能。任意兩個煤倉不允許上同一類型的動力煤，嚴防動力煤品質差造成兩層燃燒器同時滅火。配煤摻燒嚴守機組靈活性原則，能夠實現機組快速加減負荷，同時滿足機組100%負荷的頂峰功能和20%負荷的深度調峰功能。配煤摻燒嚴守優化煤場存煤結構原則，通過優先摻燒堆放時間較長的動力煤，加快煤場存煤更新，防止動力煤長時間堆放氧化，甚至發生自燃。同時，保障煤場煙煤、貧煤、高熱值煤、低硫煤的存量，以維持機組的長久、穩定運行。

圖3 鍋爐本體結構示意

2 智能配煤摻燒策略研究

2.1 斗輪機無人值守上煤策略

斗輪機無人值守是數字化煤場管理的具體應用[16]，即根據機組負荷實施精準化上煤，可在提高機組靈活性的同時進一步降低燃料成本。通過激光點云掃描儀建立3D煤場是實現斗輪機無人值守的前提。

為了測試掃描距離、斗輪機移動速度、回轉角度和振動對激光點云掃描儀測量精度的影響，筆者進行不同掃描距離、回轉角度、移動速度和斗輪機運行轉態工況下的對比試驗。試驗模型設定長0.58 m、寬0.49 m。掃描距離對激光點云掃描儀測量精度的影響如圖4所示，由試驗結果可知掃描距離是影響激光點云掃描儀測量精度最關鍵的因素。隨著掃描距離的增加，最大測量誤差逐漸升高。當掃描距離為10.69 m時，最大測量誤差僅為0.02 m。當掃描距離增加至44.99 m時，測量誤差升高至0.08 m，該最大0.08 m的測量誤差已滿足斗輪機無人值守的使用需求。

圖4 掃描距離對激光點云掃描儀測量精度的影響

斗輪機無人值守包括堆煤工藝和精準上煤工藝。在進行堆煤作業時，值班員下發煤場空間的起始坐標、終止坐標和堆煤高度，斗輪機自動運行，完成堆煤工作。在進行上煤作業時，值班員只需下發煤場空間的起始坐標和終止坐標，斗輪機借助激光點云掃描儀的測量數據，自動確定取煤高度并進行取煤體積計算，然后根據煤種密度計算出上煤的重量?；痣姍C組當天的負荷曲線導入數字化煤場管理系統后，斗輪機分時段進行精準上煤以配合機組調峰和頂峰的需求，同時加大經濟煤種的摻燒力度以降低燃燒成本。

2.2 雙斗輪機膠帶混煤策略

雙斗輪機膠帶混煤在不改變原有上煤系統的基礎上可最大程度地調整入爐動力煤指標，實施精細化上煤。基于火電機組負荷變動大、煤價高企、環保管控的現實情況，入廠動力煤指標難以滿足實際運行需求，因此需對不同特性的動力煤進行混配。

使用裝載機進行混煤時其效率低、成本高，難以維持機組所需的上煤量，因而布置在一煤廠的1號斗輪機和布置在二煤廠的2號斗輪機同時工作。1號斗輪機所取的動力煤通過4A號或4B號膠帶段進入6A號膠帶段，2號斗輪機所取的動力煤直接進入6A號膠帶段。2個斗輪機所取的不同動力煤在6A號膠帶上進行第1次混合，然后一同通過布置在6A號膠帶段尾部的落煤管進行第2次混合，最后通過犁煤器進入煤倉時進行第3次混合。3次混合提高了不同動力煤之間膠帶混配的均勻性，避免因煤質波動所造成的燃燒工況擺動。熱值低于12.56 MJ/kg的動力煤在單獨燃燒時的火焰穩定性差、易滅火，因此需將其與高熱值動力煤進行混配。在進行高、低熱值動力煤混配時，應保證混合后的動力煤熱值高于14.65 MJ/kg，同時選擇可磨系數相近的煤種，避免磨煤機振動。脫硫系統入口原煙氣設計值為4 300 mg/m3，鍋爐無法同時消耗大量的高硫煤，因此需進行高、低硫動力煤混配。在進行高、低硫動力煤混配時，應注意動力煤中揮發分、堿金屬含量，避免鍋爐結焦導致燃燒惡化。

2.3 深度調峰配煤摻燒穩燃策略

河南電力輔助服務市場深度調峰申報分為4檔:第1檔40%～50%負荷、第2檔35%～40%負荷、第3檔30%～35%負荷、第4檔低于30%負荷。火電機組調峰深度越深則獲得的調峰收益越高，配煤摻燒是保障機組調峰穩燃、經濟運行、頂峰出力的重要組織措施。配煤摻燒采取分倉上煤的策略，每層燃燒器燃燒不同的動力煤，發揮著不同的作用。深度調峰配煤摻燒方案制定流程示意如圖5所示。

圖5 深度調峰配煤摻燒方案制定流程示意

鍋爐設計煤種為貧煤，當機組負荷在40%～50%時，A、B層燃燒器可不摻燒煙煤進行第1檔調峰。當機組負荷高于50%時，C或D任一層燃燒器可摻燒經濟煤種，以降低燃料成本。當機組負荷高于70%時需運行E層燃燒器，E層燃燒器摻燒高熱值動力煤以滿足機組頂峰需要。當機組負荷在35%～40%時，A、B任一層燃燒器摻燒30%～40%揮發分的煙煤進行第2檔調峰。當機組負荷低于35%時，A層燃燒器摻燒30%～40%揮發分的煙煤，B層燃燒器摻燒20%～30%揮發分的煙煤進行第3檔或第4檔調峰。

在火電機組深度調峰期間，下層燃燒器摻燒煙煤是機組安全、穩定運行的保障。煙煤揮發分高、易著火且火焰穩定性強，在爐膛底層發揮著固定點火源、托火層的作用。通過在下層燃燒器摻燒煙煤，使下層燃燒器區域爐膛溫度高于950 ℃，是保障爐膛穩燃的下限。中層燃燒器運行時間長，摻燒經濟煤種時能最大程度地提高經濟煤種的摻燒量。上層燃燒器運行時間最短，在機組需要頂峰時啟動，啟動后機組達到100%負荷的能力，因此需摻燒高熱值動力煤。配煤摻燒方案在滿足機組負荷20%～100%之間靈活調節的同時，還須保障NOx、SO2、煙塵污染物的超凈排放。配煤摻燒方案中，A～E層燃燒器所產生的原煙氣硫分不得高于4 300 mg/m3，以確保SO2排放量不高于35 mg/m3;同一煤倉中不得進行煙煤和無煙煤跨煤種摻燒，從而避免燃燒過程中煙煤搶占氧氣而造成無煙煤燃燒不充分，導致煙塵排放無法控制，從而煙塵排放量超過10 mg/m3。

3 結 論

配煤摻燒是火電機組靈活、經濟、安全、穩定運行的重要組織措施。通過對斗輪機無人值守上煤策略、雙斗輪機膠帶混煤策略、深度調峰配煤摻燒穩燃策略的研究，可得出以下結論:

(1)斗輪機無人值守是數字化煤場的具體應用，利用高精度激光點云掃描儀建立的3D煤場，可實現斗輪機自動堆煤和上煤，同時根據當天機組負荷變化，完成不同動力煤上煤量的精準控制。

(2)雙斗輪機膠帶混煤使用原有的上煤系統，三次混合效率高，混合均勻性好，有效完成從入廠動力煤到入爐動力煤的特性調節，從而保證機組用煤需要。

(3)配煤摻燒采用分倉上煤的策略，底層燃燒器調峰穩燃，中層燃燒器摻燒經濟煤種以降低燃料成本，上層燃燒器頂峰出力，滿足機組負荷20%～100%靈活調節的同時，保障NOx、SO2、煙塵污染物的超凈排放。