锅炉侧灵活性改造技术

朱婧文, 王嘉奇, 尤 畅, 胡斌彬, 付 鑫, 冯兆兴

(1. 沈阳工程学院 研究生部, 沈阳 110136;2. 沈阳工程学院 能源与动力学院, 沈阳 110136)

0 引 言

近年来,由于电厂出现了供大于求的局面,新能源电站又有着很大的随机性,如何去解决这一问题成为我国电力发展的关建。灵活性改造主要通过增加机组调节负荷的能力来有效地缓解由于可再生能源以及新能源的间歇性、波动性和不稳定性[1]以及电厂的产能过剩而导致的一系列问题。

1 灵活性改造的必要性

中国的电力越发的充足,发电厂严重过剩,一些火电厂的发电利用小时数大幅度下降,导致了我国一些大型机组难以发挥出节能高效的优势。而且随着环保安全的新能源越来越受到人们的重视,十三五提出,在2020、2030年非化石能源比重要分别达到15%、20%的目标[2],国家能源局发出紧急文件叫停了13个省的新建火电项目。除此之外,新能源的弃风弃光问题依然较为严重,大量的能源流失所造成的损失促使各个新能源电厂处境艰难。因此对于那些总装机容量加起来还不到6%的抽水蓄能电站和燃气机组或者技术还不是很完全的化学储能技术,以火电装机容量占64%左右的国家而言[3],高调节性的煤电厂就成为了最为现实的可行性选择。国家对于灵活性改造预期提出了以下要求,见表1[4]。

表1 灵活性改造预期要求Table 1 Desired requirement flexibility modification

2 灵活性改造类型

2.1 运行灵活性

提高运行灵活性,是指增加了火电机组的出力变化范围,增强其爬坡能力,响应负荷变化能力,快速启停能力,多数情况下是指增加火电机组在低负荷时的稳定、清洁、高效运行能力。相对于热电机组,通常指的是更有效地解决“以热定电”运行模式,具有配合风电上网的调峰功能[5-6]。

2.2 燃料灵活性

提高机组对燃料的灵活适应性,是保证燃煤机组调峰潜力的基础。电厂锅炉一般都是按照所要使用的煤种来设计一系列的参数,燃料的灵活性就是在尽量不改变机组的结构的同时可以进行改煤种或者掺烧等做法,提高整个机组的燃烧适应性。

3 灵活性改造所遇到问题及对策

3.1 燃烧稳定性

相对于灵活性改造,主要的燃烧稳定性问题是燃烧温度偏低。当燃烧温度偏低时,会导致燃烧不稳定、燃烧不完全、换热量减小、蒸发量不足,效率下降,易发生灭火停炉的现象。

3.1.1 磨煤机改造

在深度调峰期间,制粉系统易跳闸堵粉。因此若要保证安全运行并加强稳燃特性,相对于煤粉来说,则需要增加它的浓度、细度以及温度。

赵学斌[7]提出提高磨盘转速可提高10%～20%出力;陈文等[8]提出提高通风量来提高磨煤机的出力;王瑞丽等[9]提出钢球磨少球技术和衬板改造可以提高钢球的带球高度和研磨效率;李力[10]提出可以在磨煤机入口热一次风道内安装微油加热装置;倪培林通过煤粉管道优化节能技术[11]降低管道的磨损和压损来提高一次风管风量、粉量的均匀性;一些专家还通过添加或改装一些设备以及小粉仓煤粉浓缩技术等技术实现煤粉的一次浓缩[12-13]。辽宁国电运用的磨煤机动态分离器相对于静态分离器[14]来说,还需要依靠煤粉颗粒的撞击作用和离心力来进行合格煤粉的选取,可提高煤粉细度的均匀性,提高机组的稳燃性。

3.1.2 燃烧器改造

对于燃烧器的改造主要是保证在低负荷的情况下,燃料能够顺利点火并且不熄火保持其稳定燃烧。比如甘肃国投、内蒙古华电、河北华电使用等离子体燃烧器来形成温度梯度极大的局部高温区[15]以提高煤粉挥发份析出量来实现锅炉的冷态启动无油点火;内蒙古神华通过富氧燃烧技术来强化燃烧[16],通过重新调整一次风距,一二次风以及燃尽风的分配方式,来适应低负荷运行。

3.1.3 掺烧

低负荷运行时,炉膛内稳燃能力低的主要原因是在此种工况下煤粉无法得到足够的能量。生物质具有挥发份含量大易于着火以及燃烧集中在前期的特点。将生物质与煤粉进行混燃可以有效提高低负荷燃料的稳燃特性,还可以改善我国农村环境污染,避免“小污”变“大污”,甚至成“大害” 的趋势[14]。

3.2 低负荷脱硝

当机组负荷较低时,脱硝装置入口烟气温度可能低于催化剂的正常使用温度(320 ℃左右),导致SCR脱硝系统无法运行,造成NOx排放量增多、空气预热器堵塞、非污超标等问题。

因此,一般通过提高省煤器给水温度、减少省煤器给水量或者直接提高烟气温度等方式来使烟气温度达到SCR脱销系统催化剂的使用温度,使其能够正常运行。辽宁国电、内蒙古华电和河北华电均运用了图4的改造方式,低负荷脱硝具体的运行方式见图1～图6[14-18]。

图1 省煤器给水旁路改造Fig.1 Retrofitting of feed water bypass for economizer

图2 省煤器再循环改造

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

图4 省煤器烟气旁路改造Fig.4 Retrofitting of Flue gas bypass of economizer

图5 设置0号高加Fig.5 Set no. 0 high pressure heater

图6 热水再循环改造Fig.6 Retrofitting of hot water recirculation

表2[14-18]中显示了各种低负荷脱硝的改造方式,从中可以看出烟气旁路改造以及热水再循环能更可靠的做为低负荷脱硝的方法。

表2 不同低负荷脱硝改造方式的特点Table 2 Characteristics of different low load denitrification transformation methods

3.3 空预器改造

低负荷下烟气温度会相对的降低,空气预热器易堵塞,因此需要对吹灰时间及吹扫行程进行调整,提高吹扫换热元件覆盖面,选择合理的板型和材料、正确进行空预器换热元件的分层布置等来进一步缓解、减少空预器堵塞时间[19]。并且冷端加装密封板自动调节装置,防止因低负荷下热变形变小,从而导致空气预热器冷端间隙增大。

3.4 热电厂中电与热的不灵活性

对于供热机组进行灵活性改造从而实现热电解耦,是解决以热定电从而增强热电机组调峰能力的关键。

3.4.1 储热技术

当热电机组降低出力时,输出热量补齐热力缺额;当热电机组增加出力时,储存富裕热量,实现“热电解耦”运行[20]。通过对不同介质的加热使其升温从而达到储存热量的效果。供热蒸汽流量过多时,将多余的热能用于加热介质并存储到储热罐中,当电力需求处于低谷时,供热不足的部分由储热罐中被加热的介质进行补充[20]。辽宁华能、铁法煤业、吉林大唐等电厂运用过此种技术,具体运行方式见图7和图8。

图7 单罐热水储能在火电中的应用

图8 熔盐热储能在汽轮机旁路系统的应用示意图

3.4.2 电热锅炉

电锅炉具有启动时间短的特点,适合作为启动锅炉辅助汽源,在机组低负荷或跳机后的热态启动时,电热锅炉的使用是保证机组汽封高温汽源和除氧器汽源安全的有效措施,可替代燃油锅炉和热电联产装置的部分产热,有利于实现风电节油一体化,可大幅提高机组在进行深度调峰和快速热态启动的安全性。辽宁华电、黑龙江大唐、甘肃国投都运用过此种改造方式,具体运行方式见图9。

图9 电锅炉系统方案程序流程Fig.9 Program flow of electric boiler system scheme

表3[20-22]显示了电锅炉与储热装置的相关信息,可知熔盐储热相对于热水储热更为可靠,储热装置与电锅炉之间优劣参半。

表3 热电解耦实现形式的相关信息Table 3 Information about the implementation of thermal power plant decoupling

4 结 论

实施火电灵活性改造试点以来,综合施策取得了显著成效。2017年全国“弃风”电量同比减少78亿kWh,弃风电量、弃风率开始出现“双降”;2018年全国“弃风”电量277亿kWh,弃风率下降到7%;2019年清洁能源发电量1.2万亿kWh、同比增长11%,占总发电量的22.8%,同比上升0.5个百分点;新能源弃电量268亿kWh、同比下降35%,弃电率5.8%、同比下降5.2个百分点。

灵活性改造并不是一种偶然。新能源的迅速发展以及环境污染的加重,导致了化石能源电厂处在一种岌岌可危的境地。灵活性改造既是为新能源的发展找出一条出路也是为燃煤电厂找出一条出路。但灵活性改造并不适合所有的火电机组,必须结合当地的实际情况,比如热负荷需要、可再生能源发展以及机组自身条件等。否则随便实施火电灵活性改造,势必产生新的浪费。因此,要合理把握火电灵活性改造的节奏,循序渐进,以防范新的经营风险。

现如今低负荷下稳燃、低负荷脱硝以及热电解耦等方面已经有了较为可靠和成熟的解决方案,相对于锅炉整体的协调运行以及辅机的改造与调整也在逐步的完整。灵活性改造的实现并不是仅仅几个设备的改造就能够完成的。所谓牵一发而动全身,为了能够真正的达到较为安全完整经济的改造运行,大到储热装置、电锅炉的使用,小到电动变手动的控制,都是需要进行细致的操作,缺一不可。