浅谈火电机组适应宽负荷灵活运行及深度调峰运行技术研究

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 曾银佳

1 火电机组的宽负荷灵活高效及深度调峰问题的提出

在实施电力现货交易的大环境下，计划电量小时数少，在负荷低谷时段国内的超（超）临界机组都需要参与调峰[1-2]。各地电网调度需求不同，机组的负荷率差异也比较大，大多数超超临界机组也是负荷率偏低。深度调峰受电网负荷峰谷差较大影响，在电网负荷的低谷区，电厂为满足调度要求而在很低出力下持续运行并保持稳定，该工况下主机与辅机的负荷率低于常规运行负荷率下限的一种运行方式。

2 汽轮机适应宽负荷高效技术

由于国内电厂采取汽机工况定义原则，往往导致额定流量比最大流量小约12%，如采用纯滑压运行方式，额定工况滑压运行时的进汽压力将远低于额定压力，也将影响机组的热耗。此时如采用补汽阀技术不仅成功解决全周进汽机组快速调频的压力损失问题，还可以解决滑压运行额定工况进汽压力偏低的问题。

目前，高效、减少燃料排放成为电厂运行关键性指标，补汽阀技术因其经济性和运行灵活性的优点，在大功率机组超超临界汽轮机中得到推广应用。

3 锅炉适应宽负荷高效技术

直流锅炉采用煤水比来调节过热蒸汽温度，煤水比是否恰当主要通过中间点温度来反馈，但是温度不能直观反映蒸发受热面与过热受热面之间的焓增分配，因此主流观点认为中间点采用焓值进行反馈更合适。

为解决煤质变化引起的控制误差，因此可以引入其他反馈量来间接反映燃煤侧的变化，作为一定的权重修正煤水比。目前这种技术理论上是可行的，但是要设计炉内换热、燃烧方面的参数计算，否则难以设定准确的传递函数，因此需要在机组调试期间或投产后进行精细调试。

4 深度调峰的基本要求及原则

一是确保锅炉燃烧系统稳定运行。随着负荷降低，炉膛容积热负荷、截面热负荷、炉膛中心温度随之降低，一般低于某个负荷时，热烟气的卷吸已经难以满足煤粉稳燃的要求，因此锅炉深度调峰的最核心问题就是如何确保在更低的负荷下保持燃烧稳定。目前国内机组燃用优质烟煤的锅炉设计最低不投油稳燃负荷一般为30%，工程亦然，要实现锅炉在20%负荷下煤粉稳定燃烧，需要从设备上和运行策略上进行研究。

二是确保锅炉水动力安全性，并避免锅炉受热面超温。锅炉在超低负荷的工况下，虽然炉膛烟气温度和蒸汽温度都会低于额定值，但是介质流量的降低，滑压运行导致工质的比热容变化，在某些负荷下会出现受热面局部过热的问题。

三是确保环保设施正常投运，调峰期间污染物达标排放。锅炉超低负荷运行时，SCR 入口烟气温度达不到SCR安全投运的要求，一般机组在50%负荷时SCR 入口烟气温度310℃左右，40%负荷时SCR 入口烟气温度290℃左右，入口烟温随负荷降低而同步下降。需要研究合适的方式控制SCR入口烟气温度和如何提高水冷壁入口温度来提高炉膛整体温度。此外，低负荷下过剩空气系数会高于额定值，燃烧生成的NOx浓度可能会提高，同时催化剂的化学活性随烟温降低而下降，突破某一活性温度后，因催化剂活性偏低，而导致氨逃逸率上升，由此会带来一系列的运行问题，最突出的是硫酸氢铵导致空预器和下游设备积灰、堵塞。

四是保证汽轮机运行安全性。深度调峰过程中随着负荷的降低，燃料量的减少，汽温会随之出现降低，尤其是在锅炉“干态”向“湿态”转变的过程中，可能出现蒸汽温度过热度不足，易造成汽轮机末级叶片湿度过大引起水蚀，必要时应该采取措施增强末级和次末级叶片的除湿性能。

五是确保配套辅机系统稳定运行。燃煤发电机组在低负荷下长时间运行时，各辅机设备均偏离了原来的设计工况，可能导致辅机及其系统运行不稳定。要针对不同的辅机特点，进行相应系统的设计，满足辅机设备低负荷运行的适应性。

5 锅炉及其配套系统深度调峰技术措施

5.1 锅炉低负荷稳燃技术措施

5.1.1 低负荷稳燃的影响因素分析

根据燃烧学理论，对于煤粉炉，煤粉气流的着火热和着火速度决定了着火的稳定性。下列因素与燃烧的稳定性有关：着火温度、煤粉浓度、一次风煤粉气流的初温、煤粉细度、燃烧器特性、一次风速、燃烧器区域的炉膛温度水平。

5.1.2 锅炉本体燃烧系统的低负荷稳燃技术措施

常规工程锅炉的不投助燃措施最低稳燃负荷为30%B-MCR，为配合深度调峰需求，期望最终达到20%最低稳燃运行负荷的目标。经与锅炉厂初步沟通，并结合现有多个改造工程的实践经验，认为工程采取措施可以进一步降低最低稳燃负荷，主要措施详见下述。由于机组配合深度调峰过程的锅炉低负荷稳燃可靠性更多取决于运行调整方式，故建议在机组调试过程中进一步就具体措施及运行调节方式进行落实确认。

5.1.3 制粉系统低负荷稳燃技术措施

一是磨煤机选用动态分离器，综合考虑工程深度调峰的低负荷稳燃、降低NOx生成量等要求，推荐工程的磨煤机配置动态分离器。

二是低负荷下降低煤粉细度，额定负荷下煤粉细度的确定主要和锅炉的燃烧要求与制粉经济电耗两个因素的平衡有关，挥发分高、易燃尽的煤种，可以选取较粗的煤粉，以节省碾磨电耗，反之应选取较细的煤粉。

三是提高制粉系统末端温度，磨煤机的出口温度受煤粉的防爆要求与干燥剂终端露点温度等因素制约。从燃烧角度考虑，磨煤机出口温度越高，对煤粉着火越有利。

5.2 锅炉水动力及受热面安全性保证措施

5.2.1 水动力安全性

需要由锅炉厂进行深度调峰目标负荷（20%）的水动力计算，根据计算得到的回路压降、质量流速、出口温度、水动力特性等热力参数，为低负荷工况锅炉水循环的安全稳定提供理论指导和依据。

5.2.2 受热面安全运行风险及对策

一是受热面超温，为满足深度调峰受热面安全性要求，需要核算受热面的壁温安全性，评估拉裂危险性，并需要在运行过程中控制好负荷变化速率。

二是烟道清积灰系统，锅炉深度调峰至35%额定负荷以下时，水平烟道流速将低至5m/s以下，烟道积灰将趋于严重，长期低负荷运行需要考虑烟道积灰后烟道载荷增加，开展烟道结构强度和基础校核，必要时增加除灰清灰装置。

三是空预器设计，在超低负荷下，锅炉排烟温度低，易出现结露、堵灰等问题，须降低氨逃逸率和提高空预器的冷端综合温度。在排烟温度极低时，提高空预器入口风温，避免空预器堵塞，减轻空预器低温腐蚀。

5.3 宽负荷脱硝技术措施

低负荷脱硝的技术方向有两个，一个方向是提高低负荷下烟气温度，另一个方向是采用低烟温下仍可以使用的新式催化剂。目前低温催化剂技术尚未成熟，没有适合燃煤机组使用的配方，所以只能采取措施，在低负荷下提高烟温，满足脱硝条件。

6 汽机及其配套系统适应宽负荷及深度调峰运行技术措施

6.1 汽机本体

汽机在低负荷运行时，需要严格控制主汽机再热的压力及温度，保证机组的安全。同时需要特别控制低压缸排汽室温度，保证低压缸喷水减温装置正常投入，避免因流入低压缸的蒸汽量减少，鼓风效应明显，导致排汽温度升高，引起低压缸的变形和轴承位置的变化，可能导致机组振动异常增大。

6.2 给水系统宽负荷及深度调峰运行技术措施

随着负荷的降低，抽汽压力以及给水流量也在不断的降低，而机组为了保护锅炉一般都设置了给水流量低保护。

6.3 凝结水系统宽负荷及深度调峰运行技术措施

燃煤发电机组在低负荷下长时间运行时，凝结水泵均偏离了原来的设计工况，这将直接影响设备的效率，容易引发跳闸等一系列安全问题，应注意凝结水泵再循环系统的及时开启。

6.4 疏水系统宽负荷及深度调峰运行技术措施

在机组低负荷时，容易出现低加疏水的正常疏水压力过低，正常疏水补偿的问题，应结合汽机厂的热平衡图纸以及管道系统的压降计算，确认正常疏水切换为危急疏水的负荷点，避免加热器水位异常，造成机组停机。需要考虑设置低加疏水泵，解决深度调峰工况下，疏水压力过低需要开启危急疏水与机组热经济性之间的矛盾。

7 控制系统

电力现货市场模式下，对机组的负荷响应能力（启停机响应、变负荷响应）提出了更高的要求，即要保证电压、频率稳定。控制系统将从测量技术和控制技术两大方向入手，建议采取以下措施。

7.1 全面可靠的测量技术

当机组长时间运行在低负荷工况时，部分参数已经大大偏离了正常运行值。常规设计的仪表主要考虑机组高负荷工况的性能，当机组运行在低负荷时，这类仪表将出现较大测量偏差（如：氧量测量），甚至无法投入使用（如：风量测量）。另一方面，为保证机组低负荷的稳定运行，需要增加一些特殊检测仪表保证控制系统和运行人员准确监视机组低负荷运行状态。因此，设计一套满足机组宽负荷运行的测量仪表是提高火电机组灵活性的基础。

7.2 灵活高效的控制策略

适当引入大数据、智能控制和智能优化技术优化控制采用控制策略有助于机组提高机组运行的灵活性，主要有以下措施。

一是厂级AGC技术，根据最近电网公司最新规划，部分机组开始试点采用厂级AGC技术。采用厂级AGC技术后，发电公司可自行分配厂内各机组负荷，由多台机组共同响应电网负荷需求，以提高机组灵活性。

二是锅炉燃烧优化控制，通过关键参数的在线监测、历史运行数据确定低负荷工况下最佳运行方式和参数（如煤粉细度、配风方式）保证锅炉低负荷下稳定燃烧。

三是根据汽轮机配汽方式和机组可预见的负荷情况，通过DEH实现在线切换多种配汽方式，设置最佳的调频控制回路和定值参数，实现机组有效的、快速响应的调频能力。如采用DEH来实现一次调频快速动作，采用CCS实现一次调频最终稳定负荷。

四是宽负荷自动控制技术，采用以机组自启停控制、全程给水控制、全程协调控制为代表宽负荷自动控制技术，提高机组控制水平，保证机组安全稳定运行。

五是快速变负荷控制技术，采用预测控制技术、超前控制技术优化温度控制系统、锅炉燃烧控制、脱硝控制、机组协调控制提高机组的响应速度。

8 结语

针对电网负荷的波峰、低谷，提出了工程的主机、辅机系统设备的设计选型、运行方案，以维持电厂为满足调度要求而在较低出力下持续运行并保持稳定，并应采取合理的运行手段尽量减少机组效率的下降，实现深度调峰灵活性运行。

机组具备深度调峰灵活性运行的能力，在负荷低谷时段保持主机和辅机热待机状态，当切换到负荷高峰时段时，依靠机组快速爬坡能力，可以为现货竞争提供有利条件。