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燃煤机组深度调峰技术探讨

燃煤机组在进行深度调峰改造时,机组的*低稳定负荷主要受锅炉的燃烧稳定性、环保及辅机系统的安全性等因素的制约。为此,本文从燃煤机组的燃烧稳定性、环保设备安全性、辅机设备安全性以及其它技术路线四个方面,分别介绍了国内外燃煤机组深度调峰改造的经验和先进技术。同时,还对上海成套院提出的一炉两机、煤气化、制粉及燃烧系统改造等技术思路进行了简要的介绍,以期为我国燃煤机组深度调峰改造提供技术参考。

关键词:燃煤机组,深度调峰,稳燃技术

0 前言

近年来,随着风电、太阳能等清洁能源装机容量的迅猛增长,我国发电结构和用电结构不断的发生变化,而电网的调峰问题日益突出,主要表现为调峰能力不足,调峰能力与用电需求之间存在着巨大的供需矛盾。为此,国家出台了一系列相关政策,要求进一步挖掘燃煤机组的调峰潜力,提升我国火电机组的运行灵活性。

在这样的需求形式下,国内部分燃煤机组开展了相关试验研究和尝试,目前我国燃煤火电机组实际技术可调峰幅度可达60~70%[1-4]。相比之下,西方发达国家热电联产机组普遍采用加蓄热罐的方式来进行灵活性改造,其调峰幅度则可以达到70~80%[5-7];而纯凝机组或者纯凝工况下目前只见德国 Heilbronn #7 机组实现了锅炉侧15~20%超低负荷下的运行案例,其技术措施主要是针对磨煤机、燃烧器、送粉管道等系统来进行相关改造。

由此可见,我国的燃煤发电机组还有很大的调峰提升空间。然而,燃煤机组深度调峰超低负荷运行可能会对机组的安全性、经济性、环保性等方面产生影响[8],这些问题极大的限制了燃煤机组,特别是对于纯凝机组的调峰能力。针对这些问题,国外的一些企业单位、研究机构等均已开展了相关研究,而国内在宽负荷脱硝、风机变频运行方面也有着相关的尝试和研究。因此,为了进一步提升我国燃煤发电机组的深度调峰能力,为国内各燃煤机组在深度调峰改造中提供技术参考,本文首先对国内外在火电机组深度调峰方面的先进技术和经验进行介绍,然后对上海成套院在纯凝机组深度调峰方面开展的工作进行介绍。

1 国内外深度调峰技术

1.1 燃烧稳定性

当锅炉的燃烧工况远低于设计的*低稳定运行负荷时,炉膛的温度会急剧下降,导致煤粉的快速着火出现困难,进而引发火焰稳定性差,容易发生熄火,炉膛灭火、放炮等重大安全隐患。

Duisburg-Essen大学的Richter[9]针对低负荷下锅炉的燃烧稳定性也提出了一些潜在的技术措施,主要包括改变风煤比、增加空气的湍流度、减少闲置燃烧器的冷却风量、改变燃烧器的结构、改变磨煤机的控制运行方式、切换至单磨运行、采用较小的磨煤机等。无独有偶,ALSTOM[10]认为可以在一次风管上加装一个风道燃烧器、在磨煤机入口处安装一个额外的风机、在磨煤机出口安装一个动态分离器,这些措施有利于提高一次风送风温度、提高磨煤机出口温度、提高煤粉的细度以及煤粉在一次风中的含量,这样加热空气所需的热量就会有所减少,煤粉气流着火所需要的热量也会降低,在相同的卷吸烟气量下,煤粉气流能够达到更高的温度,起到加速和稳定着火的作用。

另外,还可以通过对燃烧器进行改造和优化来提高机组灵活性。对于等离子体燃烧器来说,可以采用三级喷嘴的设计方式,分级对煤粉进行逐级点火和燃烧,通过等离子体释放的能量来释放并点燃部分挥发份,挥发份燃烧释放的热量再进一步点燃和释放更多的挥发份,并*终在燃烧器出口形成稳定的火焰。当燃煤机组处于低负荷运行时,启用改造后的等离子体燃烧器,可以起到稳燃的作用。对于浓淡燃烧器,在燃烧器一次风通道中增加一个浓缩结构,进一步提高卷吸区域煤粉的浓度,可以使煤粉更容易着火,且燃烧更为稳定[11]。针对燃烧褐煤的机组,由于褐煤含水高,磨煤机干燥过程中产生的水分在低负荷运行条件下可能会影响火焰的传播与稳定。为此,可以采用布置再燃烧燃烧系统的方式,使得煤中的水蒸气组分从煤粉中被分离出来,降低水分带来的不利影响,起到稳定燃烧的作用[10]。同时,在较底层燃烧器上加装电加热喷嘴也可以降低煤粉气流的着火热,在低负荷下减少燃油等辅助燃料的消耗[12]。

1.2 环保设备安全性

燃煤机组在低负荷运行时,环保设备中主要是SCR脱硝系统存在问题。这主要是由于其入口烟气温度降低,在一定程度上很可能达不到催化剂的运行温度要求,进而导致NOx排放量达不到国家环保相关要求。低负荷运行还会造成未燃尽碳含量增多,容易加重催化剂的堵塞,且催化剂长期运行于较低的排烟温度下会极大的缩短催化剂的使用寿命。另一方面,低负荷下,烟气温度过低,SCR脱硝系统中的氨气会与烟气中的SO3生成硫酸氢铵(ABS),硫酸氢铵呈现粘性、液态,很容易堵塞催化剂孔隙,这将会使得催化剂的催化反应能力显著降低。

近年来,国内外均有学者在低负荷下对SCR脱硝系统的性能进行了相关研究[7,13-15]。传统的解决该问题的办法主要是安装省煤器旁路烟道,使得烟气温度在低负荷下仍能维持在设计值,防止ABS的生成以及催化剂的堵塞。也有部分电厂采用省煤器分级设置,将省煤器低温部分放置于SCR出口侧,而将SCR布置与烟气温度较高的区域,以此来解决入口烟温过低的问题。对于不能或者没有安装省煤器旁路的机组来说,可以对SCR反应器中的NH3、SO3以及温度参数进行监测,改变入炉煤的含硫量,或者采用静态混合器来对温度场进行修正。除此以外,还可以从高压缸抽取一部分蒸汽进入一个额外的抽气可调式给水加热器 [15]。在低负荷运行条件下,通过调节该加热器入口压力不变来维持给水温度不变,这样提高了低负荷下省煤器的入口水温,升高了低负荷下省煤器出口烟温(SCR入口烟温),保证了SCR脱硝系统在低负荷下的高效运行。上海成套院也相应的提出了给水置换式省煤器系统技术方案,采用给水置换式省煤器系统,提高实际进入省煤器的给水温度,减少省煤器的吸热量。该系统改造前后省煤器流量不发生变化,不牺牲高负荷下锅炉经济性,改造后可提高脱硝设备入口烟气温度达30℃,满足SCR催化剂的运行条件,抑制ABS的冷凝腐蚀。

1.3 辅机设备安全性

燃煤发电机组在低负荷下长时间运行时,各辅机设备(包括风机和给水泵)均偏离了原来的设计工况,这将直接影响辅机系统的做功效率,可能引发风机的抢风和失速,进而导致喘振、跳闸等一系列安全问题。针对这一问题,目前主流技术是采用变频运行,该运行方式有助于提升燃煤机组在低负荷运行下的效率[7,16]。上海外高桥电厂3#机组则采取了一种新型的集中式变频总电源技术,该机组在主汽轮机之外单独设置了一个转速可调的小型汽轮机,该汽轮机可带到一个发电机发电[17]。通过改变该小型汽轮机的转速,来调节与之相连的发电机的输出电流频率,就可以为连接在同一母线上的所有辅机提供变频动力电源,以此来实现辅机系统在负荷变化下的变频控制。除此之外,Goerner[18]的研究中还指出可以使用超导元件来解决这一问题,但该技术没有得到推广应用,目前还处于研究发展阶段。

1.4 其它技术路线

对于热电机组来说,增加储热装置实现“热电解耦”是一种行之有效的调峰方式。目前常见的储能蓄热技术主要有蒸汽蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变材料蓄热技术以及固体材料蓄热技术等。

蒸汽蓄热技术主要以水作为蓄存热能的载体,通过蓄热容器内蒸汽和水之间的热交换来热能的存储与释放。当负荷下降时,锅炉产生的多余蒸汽可以以热能形式通过充热装置充入软水中进行存储,使得蓄热容器内水的压力、温度均上升,并形成一定压力下的饱和水;当负荷上升,锅炉供汽不足时,蓄热容器内的饱和水随着压力的下降成为过热水而产生自蒸发,向外供汽。通过该技术的应用,可以实现热电机组的低负荷运行。以丹麦Avedøre 电厂250MW供热机组为例,该电厂建有两个50米高的,容量为44000m³的储热罐,在冬季供热期期间其*小出力可以低至15%-20%。

熔盐蓄热技术主要采用熔盐作为传热蓄热介质,由于熔盐热容量大、适应温度范围广、黏度低、相对密度大,在传热的过程中通过熔盐温度的上升或下降就可以实现热能的储存或释放。该技术蓄热原理简单、技术成熟、成本低廉,目前该技术的大规模商业应用主要是与太阳能发电结合。美国Solar Reserve公司在内达华的110MW塔式太阳能电站也同样采用熔盐技术来进行蓄热,可在不具备太阳能发电的条件下继续发电10小时。然而,针对燃煤机组的独立的熔盐蓄热电站目前还未见报道。

相变材料蓄热技术的蓄热介质主要是一些相变材料,主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三类。这些相变材料均有在一定温度范围内改变其物理状态的能力,通过物质状态的改变来实现潜热的储存与释放。该技术目前主要应用于太空太阳能动态发电系统(DSP)储热、地面太阳能的直接热利用、建筑物围护结构储热、工业余热废热回收系统储热等领域。比如说,美国的管道系统公司采用CaCl2˙6H2O作为相变材料制成储热管, 用来储存太阳能和进行工业余热回收。而在大型发电机组领域,该蓄热技术还处于商业试用阶段。

固体材料蓄热技术的蓄热介质一般都具有比热大、密度大、耐高温等特点,常见的固体蓄热介质有耐高温固体合金材料、MgO含量为90%以上的压缩砖等。在低负荷条件下,该技术可以通过加热蓄热介质将多余的电能转化为热能进行储存,并在高负荷下利用热交换技术,将热能有效的导出。目前该技术主要用于一些小型的工业锅炉,在大型发电机组领域,该蓄热技术还处于示范阶段。

2 上海成套院深度调峰技术

2.1 一炉两机技术

一炉两机深度调峰技术是指利用一台锅炉运行,产生蒸汽供两台蒸汽轮机发电的全厂系统集成技术,间接满足电网对单元机组超低负荷运行需要,并克服锅炉低负荷运行难题。该系统整合了传统单元机组的系统配置模式,在传统一炉一机单元机组的配置方式中,水蒸汽遵循朗肯循环,锅炉与汽轮机之间的介质交换采用单根管连接,各单元机组之间相互独立,互相不受负荷变化的影响。而一炉两机通俗来讲,即介质母管制,包括主给水、主蒸汽、再热蒸汽冷端、再热蒸汽热端。原则上,只需要将两台发电机组之间的主蒸汽管道、再热蒸汽管道、给水管道连接起来,就可实现灵活性运行。

2.2 煤气化技术

煤气化深度调峰技术是指利用煤粉气化工艺,先将一部分电厂燃料用煤粉气化,转化为以CO、H2为主的煤气,将煤气送入锅炉炉膛,通过煤气的燃烧来辅助煤粉燃烧,改善煤粉的着火特性,使燃烧器在极低负荷稳定燃烧,满足机组宽负荷调整。经核算投入20%煤气后,在理论上是可以实现煤粉在低负荷下彻底的不投油稳燃。

2.3 制粉及燃烧系统综合改造技术

燃煤机组在超低负荷运行时,一次风量、一次风温度、一次风煤粉浓度(风煤比)的选取决定着锅炉能否实现稳定燃烧的关键。因此,需要在保证磨煤机安全、输粉管内不堵粉的前提下,尽量减少一次风量、降低一次风速、提高煤粉细度、提高磨煤机出口风温。这样当煤粉气流进入燃烧器后,加热空气所需的热量就会有所减少,煤粉气流着火所需要的热量也会有所降低。在相同的卷吸对流换热量和辐射换热量下,煤粉气流能够达到更高的温度,能够起到加速和稳定着火的作用。

因此,成套院从燃烧基础理论出发,首先针对制粉系统进行改造,主要包括磨煤机加装动态分离器,提高煤粉细度和均匀性,强化煤粉吸热量;在磨煤机出口增设一个带旋风分离装置的煤粉仓,高负荷分离部分煤粉到粉仓备用,低负荷直接从粉仓供粉,这样一方面可以保证磨煤机安全,另一方面提高了煤粉浓度降低了一次风量,有利于降低煤粉着火热;同时,采用热风送粉技术,提高送粉介质温度,降低煤粉气流着火热。

另一方面,锅炉低负荷运行时,由于投入燃料量少,炉膛温度低,燃烧工况相对来说比较恶劣。此时单个燃烧器的实际燃煤量与设计燃煤量存在明显的不匹配,单只燃烧器的设计热功率偏大,燃烧器出口一、二次风的气流厚度在低负荷下会有所增大;另一方面,低负荷下炉膛温度降低,单只燃烧器出口煤粉气流在着火热没变的条件下,从炉膛中获取的对流换热量和辐射换热量均有所降低,这不利于煤粉气流着火和稳燃。,

为此,成套院针对燃烧系统提出了相应的改造技术思路。考虑将*上层燃烧器改为两层布置,降低单只燃烧器功率,增加燃烧器的数量。此时,单只燃烧器的给煤量降低,单位时间内煤粉气流着火所需要的着火热也大幅降低,在相同的炉膛温度下煤粉气流更容易着火。改造后同等流量的燃料被分为两份送入两层燃烧器内,相比于一层燃烧器,改为两层燃烧器后煤粉气流的总表面积增大,意味着煤粉气流的吸热面积增大,且相邻火炬之间的相互支持可以有效的减少火炬在相向侧的散热损失,更有利于煤粉气流的着火和稳定燃烧。

3 结语

燃煤机组在进行深度调峰改造时,机组的*低稳定负荷主要受锅炉的燃烧稳定性、环保及辅机系统的安全性等因素的制约。针对热电联产机组,国外主要采用加装蓄热罐的方式来进行灵活性改造,包括蒸汽蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变材料蓄热技术以及固体材料蓄热技术等。针对纯凝机组的灵活性改造还鲜见报道,目前的技术手段主要是针对磨煤机、燃烧器、送粉管道等系统来进行改造,以达到降低煤粉着火热,强化煤粉换热、提高SCR入口温度等目的,本文分别在燃烧稳定性、环保设备安全性、辅机设备安全性三个方面对其进行了介绍。

针对纯凝机组,上海成套院先后提出了一炉两机、煤气化、制粉及燃烧系统改造等技术思路。其中一炉两机技术是指利用一台锅炉运行,产生蒸汽供两台蒸汽轮机发电的全厂系统集成技术,间接满足电网对单元机组超低负荷运行需要;煤气化技术是指利用煤粉气化工艺,先将一部分煤粉气化,转化为以CO、H2为主的煤气,将煤气送入锅炉炉膛,通过煤气的燃烧来辅助煤粉燃烧;制粉及燃烧系统综合改造技术是指利用制粉系统和燃烧系统的一系列优化技术手段,以降低煤粉气流着火热、强化煤粉气流传热,并*终实现机组低负荷稳定运行。

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