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论燃煤机组及热电联产机组深度调峰

来源:能源思考2017年1月刊 发布日期:2017-04-18 字号:

国家能源局资质管理中心苑舜

辽宁电力科学研究院(沈阳)吴景星

随着可再生能源的发展,尤其风电的迅猛发展,其全额收购政策对常规火电机组提出深度调峰要求,以解决部分地区"窝电"问题。冬季风电是发电高峰期,而供热机组是保证冬季供暖的关键,规定热电联产机组不参与调峰,然而,在实际运行机组分析中获悉,热电联产机组是否可以参与调峰还需要认真研究。

一、影响深度调峰主要技术因素分析

非供热期电厂最小出力较供热期电厂最小开机方式出力更低,而且接近机组最低稳燃负荷。锅炉厂给定的最低稳燃负荷均是在燃用设计煤种条件所确定,而实际情况锅炉最低稳燃负荷又受煤种变动等多种主要因素制约。

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1 、煤质特性对机组调峰能力影响

图1是典型的各煤种实验室失重特性曲线,可以看出,褐煤失重曲线偏向低温区,而且峰值最高,表明其最易燃烧且反应能力最强,烟煤次之,无烟煤最弱,挥发分等级越高的煤燃烧性能越好。

图1中燃烧峰的后段表明后期燃烧的时间长短,越陡燃尽性能越好,表明后期燃烧的时间越短,而褐煤的燃尽段最陡,燃尽性能也最好,烟煤次之,劣质烟煤和无烟煤最差。发热量Qar,net反映了炉内温度水平,综合了煤质挥发分、灰分、水分对着火的影响。根据国内燃煤锅炉的运行经验,煤粉锅炉不投油助燃而稳定燃烧的发热量见表1。

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由表1可以看出,锅炉不投油助燃而稳定燃烧对应的最低发热量为褐煤,其原因在于,经制粉系统干燥后,水分很高的褐煤的发热量几乎成倍增长,而水分较低的烟煤、贫煤和无烟煤干燥后,煤粉干燥无灰基的发热量变化不大。

但近年来,部分地区煤炭资源日渐枯竭,煤价连年大幅攀升,发电企业为降低成本,经常直接燃用或混配偏离设计的煤种,增加了低负荷运行的风险。尤其是超临界锅炉当煤种频繁变化、混合不均时水煤比容易发生大幅度变化,致使主、再热汽温大幅波动,水冷壁甚至出现超温状况,严重时在低负荷下难以稳定运行,因此,应加强低负荷下配煤技术的研究,确保锅炉在低负荷下安全稳定运行。

二、稳燃技术提高火电机组调峰能力

1.稳燃技术的发展

在低负荷时燃烧不稳定,主要矛盾是解决稳定燃烧,提高效率及兼顾环保的问题。多年来,在燃煤锅炉煤粉燃烧技术中,为提高煤粉气流着火和燃烧稳定性,在锅炉燃烧设备中采取各种技术措施,目的在于建立稳定的着火热源、增强对煤粉气流的供热能力和降低一次风煤粉气流的着火热。调峰锅炉必须配置高负荷时效率高,低负荷时能稳定可靠运行的燃烧系统,低负荷保持燃烧稳定是安全运行的必要条件。近30年来开发很多不同型式的新型燃烧器:燃烧器结构主要集中在一次风口结构的改进和发展。改善了气流流动工况,促进了着火、燃烧稳定性的提高,实现了高效率燃烧,具有代表性的有一次风折边型夹心风燃烧器、钝体燃烧器、"船型"燃烧器、大速差燃烧器、扁平射流燃烧器等。主要集中在一次风气流内部煤粉浓度的分布上进行改进和发展。实现一次风气流在燃烧器出口某一位置在最佳煤粉浓度下的浓淡燃烧。既提高了着火、燃烧稳定性,又有效的控制了燃烧中NOx的生成和排放。具有代表性的有水平浓淡燃烧器,国外的有PM型、WR型燃烧器等,在旋流燃烧器方面,为提高旋流燃烧器对煤种和负荷的适应性,并有效控制NOx的排放,主要采取分级送风与浓淡燃烧相结合的方式。一般适用于燃用高挥发分的煤种。具体结构特点如下:把二次风分成内层二次风(又称二次风)和外层二次风(国外又称三次风)两股同轴环状气流。分别通过可调轴向叶片式旋流器调节两股气流的旋流强度,实现双通道双调风。可以有效地控制回流区的大小和位置;根据煤种特性在燃烧器出口设置单齿或双齿型火焰稳定环、火焰隔离环等,进一步提高着火、燃烧稳定性;主燃烧器上方设燃尽风。锅炉在使用这些燃烧技术后,锅炉的最低稳燃负荷能力都得到了有效提高。100MW、200MW机组锅炉由原来70%~60%BMCR(锅炉最大连续蒸发量)可达到60%~45%BMCR。国内引进技术国产化的新一代超临界和超超临界锅炉都采用了新技术,以实现锅炉高效、低负荷稳燃、保证水冷壁可靠运行和减小受热面热偏差的目标。如哈尔滨锅炉厂引进的三井-巴布科克(MBEL)的轴向叶轮式多级配风旋流式燃烧器。以及引进三菱技术的PM型燃烧器。东方锅炉公司与巴布科克(MBEL)-日立合作生产的1000MW超超临界锅炉采用的NR燃烧器。上海锅炉公司引进阿尔斯通技术的600~1000MW超临界锅炉采用浓淡燃烧器,单炉膛双四角切圆燃烧方式。目前,大容量煤粉锅炉不投油稳燃负荷已能在30%BMCR下稳定运行。

2.热电联产机组实施"以热定电"

热电联产机组是指同时生产电力和热力产品(蒸汽、热水)的机组,热电联产机组包括:背压式汽轮机、抽汽-凝汽式汽轮机、凝汽-抽汽两用型汽轮机、燃汽一蒸汽联合循环供热机组。热电联产具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。热电厂的建设是治理大气污染和提高能源利用率的重要措施。随着国家节能减排力度的加大,城市周边的很多纯凝机组相继进行了供热改造,供热机组的比例逐年增加。为满足电网调峰需要,对于完全用于发电的纯凝机组进行深度调峰,同时对热电联产机组实施"以热定电",即在满足热用户热负荷的情况下,将电负荷降至最低,让出空间以满足深度调峰要求。

三、各类机组深度调峰能力试验研究

1.不投油最低稳燃能力试验

锅炉厂所给定的锅炉最低稳燃负荷,因煤种、锅炉形式、机组容量不同有所差异,以东北地区为例,其烟煤和褐煤较丰富,且东北区域内的锅炉大多为哈锅生产,按锅炉厂给定的锅炉最低稳燃负荷大致为:200MW45%BMCR;300MW(350 MW )35%BMCR;600MW以上30%BMCR。折合成机组额定负荷后,约增加5%,即200MW50%ECR(经济连续蒸发量);300MW(350 MW )40% ECR;600MW以上35% ECR。循环流化床锅炉为35% ECR。由于在试验中燃用设计煤种,表1为最近几年大型锅炉最低稳燃负荷试验结果。考核试验结果表明,在设计煤种条件下,全部机组的调峰能力均能达到制造厂给定值,但考虑到实际运行时的煤质多变,在核定机组实际调峰负荷时,均给以一定的余量,研究表明,这一余量是偏大的。

2.低于锅炉最低稳燃负荷调峰试验

我国一次能源消费结构中占主导地位的格局将长期保持不变。一般电力弹性系数大于1,也就是经济增长10%,电力增长要大于10%。按照现有规模,电力增长10%,需增加装机容量约9000万千瓦,相当于投产5座三峡电站,或50座大亚湾核电站,这个容量值依靠水电、核电很难实现,但风电却独具优势。除水电外,目前风力发电是技术最成熟、成本最低的可再生能源发电方式,据估计,随着成本的不断降低,以及环境压力的不断加大,中国风电装机超出预期的可能性非常大。90年代后新投产的汽轮机均采用引进技术,末级动叶片均采用三维设计,根部反动度均大于0.25,且为自带围带和拉金的整圈连接结构,具备30%BMCR下长期稳定运行的能力,只有早期投产的200MW机组由于设计年代较早,虽经过通流改造,但深度调峰能力较弱,主要受末级动叶片水蚀和颤振的限制,东北地区早期200MW汽轮机末级动叶片基本采用710mm 叶片,图2为710mm动叶片实测的动应力与负荷的关系曲线,从图中可以看出,当机组负荷在35~65MW期间,动应力明显增加,发生了颤振,当机组负荷大于65MW后,动应力明显下降,因此,早期200MW汽轮机具备40%BMCR长期稳定运行能力。表2为不同机组锅炉不投油最低稳燃负荷结果及调整后最小负荷。

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由表1可以看出,锅炉不投油助燃而稳定燃烧对应的最低发热量为褐煤,其原因在于,经制粉系统干燥后,水分很高的褐煤的发热量几乎成倍增长,而水分较低的烟煤、贫煤和无烟煤干燥后,煤粉干燥无灰基的发热量变化不大。

但近年来,部分地区煤炭资源日渐枯竭,煤价连年大幅攀升,发电企业为降低成本,经常直接燃用或混配偏离设计的煤种,增加了低负荷运行的风险。尤其是超临界锅炉当煤种频繁变化、混合不均时水煤比容易发生大幅度变化,致使主、再热汽温大幅波动,水冷壁甚至出现超温状况,严重时在低负荷下难以稳定运行,因此,应加强低负荷下配煤技术的研究,确保锅炉在低负荷下安全稳定运行。

二、稳燃技术提高火电机组调峰能力

1.稳燃技术的发展

在低负荷时燃烧不稳定,主要矛盾是解决稳定燃烧,提高效率及兼顾环保的问题。多年来,在燃煤锅炉煤粉燃烧技术中,为提高煤粉气流着火和燃烧稳定性,在锅炉燃烧设备中采取各种技术措施,目的在于建立稳定的着火热源、增强对煤粉气流的供热能力和降低一次风煤粉气流的着火热。调峰锅炉必须配置高负荷时效率高,低负荷时能稳定可靠运行的燃烧系统,低负荷保持燃烧稳定是安全运行的必要条件。近30年来开发很多不同型式的新型燃烧器:燃烧器结构主要集中在一次风口结构的改进和发展。改善了气流流动工况,促进了着火、燃烧稳定性的提高,实现了高效率燃烧,具有代表性的有一次风折边型夹心风燃烧器、钝体燃烧器、"船型"燃烧器、大速差燃烧器、扁平射流燃烧器等。主要集中在一次风气流内部煤粉浓度的分布上进行改进和发展。实现一次风气流在燃烧器出口某一位置在最佳煤粉浓度下的浓淡燃烧。既提高了着火、燃烧稳定性,又有效的控制了燃烧中NOx的生成和排放。具有代表性的有水平浓淡燃烧器,国外的有PM型、WR型燃烧器等,在旋流燃烧器方面,为提高旋流燃烧器对煤种和负荷的适应性,并有效控制NOx的排放,主要采取分级送风与浓淡燃烧相结合的方式。一般适用于燃用高挥发分的煤种。具体结构特点如下:把二次风分成内层二次风(又称二次风)和外层二次风(国外又称三次风)两股同轴环状气流。分别通过可调轴向叶片式旋流器调节两股气流的旋流强度,实现双通道双调风。可以有效地控制回流区的大小和位置;根据煤种特性在燃烧器出口设置单齿或双齿型火焰稳定环、火焰隔离环等,进一步提高着火、燃烧稳定性;主燃烧器上方设燃尽风。锅炉在使用这些燃烧技术后,锅炉的最低稳燃负荷能力都得到了有效提高。100MW、200MW机组锅炉由原来70%~60%BMCR(锅炉最大连续蒸发量)可达到60%~45%BMCR。国内引进技术国产化的新一代超临界和超超临界锅炉都采用了新技术,以实现锅炉高效、低负荷稳燃、保证水冷壁可靠运行和减小受热面热偏差的目标。如哈尔滨锅炉厂引进的三井-巴布科克(MBEL)的轴向叶轮式多级配风旋流式燃烧器。以及引进三菱技术的PM型燃烧器。东方锅炉公司与巴布科克(MBEL)-日立合作生产的1000MW超超临界锅炉采用的NR燃烧器。上海锅炉公司引进阿尔斯通技术的600~1000MW超临界锅炉采用浓淡燃烧器,单炉膛双四角切圆燃烧方式。目前,大容量煤粉锅炉不投油稳燃负荷已能在30%BMCR下稳定运行。

2.热电联产机组实施"以热定电"

热电联产机组是指同时生产电力和热力产品(蒸汽、热水)的机组,热电联产机组包括:背压式汽轮机、抽汽-凝汽式汽轮机、凝汽-抽汽两用型汽轮机、燃汽一蒸汽联合循环供热机组。热电联产具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。热电厂的建设是治理大气污染和提高能源利用率的重要措施。随着国家节能减排力度的加大,城市周边的很多纯凝机组相继进行了供热改造,供热机组的比例逐年增加。为满足电网调峰需要,对于完全用于发电的纯凝机组进行深度调峰,同时对热电联产机组实施"以热定电",即在满足热用户热负荷的情况下,将电负荷降至最低,让出空间以满足深度调峰要求。

三、各类机组深度调峰能力试验研究

1.不投油最低稳燃能力试验

锅炉厂所给定的锅炉最低稳燃负荷,因煤种、锅炉形式、机组容量不同有所差异,以东北地区为例,其烟煤和褐煤较丰富,且东北区域内的锅炉大多为哈锅生产,按锅炉厂给定的锅炉最低稳燃负荷大致为:200MW45%BMCR;300MW(350 MW )35%BMCR;600MW以上30%BMCR。折合成机组额定负荷后,约增加5%,即200MW50%ECR(经济连续蒸发量);300MW(350 MW )40% ECR;600MW以上35% ECR。循环流化床锅炉为35% ECR。由于在试验中燃用设计煤种,表1为最近几年大型锅炉最低稳燃负荷试验结果。考核试验结果表明,在设计煤种条件下,全部机组的调峰能力均能达到制造厂给定值,但考虑到实际运行时的煤质多变,在核定机组实际调峰负荷时,均给以一定的余量,研究表明,这一余量是偏大的。

2.低于锅炉最低稳燃负荷调峰试验

我国一次能源消费结构中占主导地位的格局将长期保持不变。一般电力弹性系数大于1,也就是经济增长10%,电力增长要大于10%。按照现有规模,电力增长10%,需增加装机容量约9000万千瓦,相当于投产5座三峡电站,或50座大亚湾核电站,这个容量值依靠水电、核电很难实现,但风电却独具优势。除水电外,目前风力发电是技术最成熟、成本最低的可再生能源发电方式,据估计,随着成本的不断降低,以及环境压力的不断加大,中国风电装机超出预期的可能性非常大。90年代后新投产的汽轮机均采用引进技术,末级动叶片均采用三维设计,根部反动度均大于0.25,且为自带围带和拉金的整圈连接结构,具备30%BMCR下长期稳定运行的能力,只有早期投产的200MW机组由于设计年代较早,虽经过通流改造,但深度调峰能力较弱,主要受末级动叶片水蚀和颤振的限制,东北地区早期200MW汽轮机末级动叶片基本采用710mm 叶片,图2为710mm动叶片实测的动应力与负荷的关系曲线,从图中可以看出,当机组负荷在35~65MW期间,动应力明显增加,发生了颤振,当机组负荷大于65MW后,动应力明显下降,因此,早期200MW汽轮机具备40%BMCR长期稳定运行能力。表2为不同机组锅炉不投油最低稳燃负荷结果及调整后最小负荷。

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