中國儲能網(wǎng)訊：燃煤機組在進行深度調峰改造時，機組的最低穩(wěn)定負荷主要受鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保及輔機系統(tǒng)的安全性等因素的制約。為此，本文從燃煤機組的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保設備安全性、輔機設備安全性以及其它技術路線四個方面，分別介紹了國內外燃煤機組深度調峰改造的經驗和先進技術。同時，還對上海成套院提出的一爐兩機、煤氣化、制粉及燃燒系統(tǒng)改造等技術思路進行了簡要的介紹，以期為我國燃煤機組深度調峰改造提供技術參考。
關鍵詞：燃煤機組，深度調峰，穩(wěn)燃技術
0 前言
近年來，隨著風電、太陽能等清潔能源裝機容量的迅猛增長，我國發(fā)電結構和用電結構不斷的發(fā)生變化，而電網(wǎng)的調峰問題日益突出，主要表現(xiàn)為調峰能力不足，調峰能力與用電需求之間存在著巨大的供需矛盾。為此，國家出臺了一系列相關政策，要求進一步挖掘燃煤機組的調峰潛力，提升我國火電機組的運行靈活性。
在這樣的需求形式下，國內部分燃煤機組開展了相關試驗研究和嘗試，目前我國燃煤火電機組實際技術可調峰幅度可達60~70%[1-4]。相比之下，西方發(fā)達國家熱電聯(lián)產機組普遍采用加蓄熱罐的方式來進行靈活性改造，其調峰幅度則可以達到70~80%[5-7]；而純凝機組或者純凝工況下目前只見德國 Heilbronn #7 機組實現(xiàn)了鍋爐側15~20%超低負荷下的運行案例，其技術措施主要是針對磨煤機、燃燒器、送粉管道等系統(tǒng)來進行相關改造。
由此可見，我國的燃煤發(fā)電機組還有很大的調峰提升空間。然而，燃煤機組深度調峰超低負荷運行可能會對機組的安全性、經濟性、環(huán)保性等方面產生影響[8]，這些問題極大的限制了燃煤機組，特別是對于純凝機組的調峰能力。針對這些問題，國外的一些企業(yè)單位、研究機構等均已開展了相關研究，而國內在寬負荷脫硝、風機變頻運行方面也有著相關的嘗試和研究。因此，為了進一步提升我國燃煤發(fā)電機組的深度調峰能力，為國內各燃煤機組在深度調峰改造中提供技術參考，本文首先對國內外在火電機組深度調峰方面的先進技術和經驗進行介紹，然后對上海成套院在純凝機組深度調峰方面開展的工作進行介紹。
1 國內外深度調峰技術
1.1 燃燒穩(wěn)定性
當鍋爐的燃燒工況遠低于設計的最低穩(wěn)定運行負荷時，爐膛的溫度會急劇下降，導致煤粉的快速著火出現(xiàn)困難，進而引發(fā)火焰穩(wěn)定性差，容易發(fā)生熄火，爐膛滅火、放炮等重大安全隱患。
Duisburg-Essen大學的Richter[9]針對低負荷下鍋爐的燃燒穩(wěn)定性也提出了一些潛在的技術措施，主要包括改變風煤比、增加空氣的湍流度、減少閑置燃燒器的冷卻風量、改變燃燒器的結構、改變磨煤機的控制運行方式、切換至單磨運行、采用較小的磨煤機等。無獨有偶，ALSTOM[10]認為可以在一次風管上加裝一個風道燃燒器、在磨煤機入口處安裝一個額外的風機、在磨煤機出口安裝一個動態(tài)分離器，這些措施有利于提高一次風送風溫度、提高磨煤機出口溫度、提高煤粉的細度以及煤粉在一次風中的含量，這樣加熱空氣所需的熱量就會有所減少，煤粉氣流著火所需要的熱量也會降低，在相同的卷吸煙氣量下，煤粉氣流能夠達到更高的溫度，起到加速和穩(wěn)定著火的作用。
另外，還可以通過對燃燒器進行改造和優(yōu)化來提高機組靈活性。對于等離子體燃燒器來說，可以采用三級噴嘴的設計方式，分級對煤粉進行逐級點火和燃燒，通過等離子體釋放的能量來釋放并點燃部分揮發(fā)份，揮發(fā)份燃燒釋放的熱量再進一步點燃和釋放更多的揮發(fā)份，并最終在燃燒器出口形成穩(wěn)定的火焰。當燃煤機組處于低負荷運行時，啟用改造后的等離子體燃燒器，可以起到穩(wěn)燃的作用。對于濃淡燃燒器，在燃燒器一次風通道中增加一個濃縮結構，進一步提高卷吸區(qū)域煤粉的濃度，可以使煤粉更容易著火，且燃燒更為穩(wěn)定[11]。針對燃燒褐煤的機組，由于褐煤含水高，磨煤機干燥過程中產生的水分在低負荷運行條件下可能會影響火焰的傳播與穩(wěn)定。為此，可以采用布置再燃燒燃燒系統(tǒng)的方式，使得煤中的水蒸氣組分從煤粉中被分離出來，降低水分帶來的不利影響，起到穩(wěn)定燃燒的作用[10]。同時，在較底層燃燒器上加裝電加熱噴嘴也可以降低煤粉氣流的著火熱，在低負荷下減少燃油等輔助燃料的消耗[12]。
1.2 環(huán)保設備安全性
燃煤機組在低負荷運行時，環(huán)保設備中主要是SCR脫硝系統(tǒng)存在問題。這主要是由于其入口煙氣溫度降低，在一定程度上很可能達不到催化劑的運行溫度要求，進而導致NOx排放量達不到國家環(huán)保相關要求。低負荷運行還會造成未燃盡碳含量增多，容易加重催化劑的堵塞，且催化劑長期運行于較低的排煙溫度下會極大的縮短催化劑的使用壽命。另一方面，低負荷下，煙氣溫度過低，SCR脫硝系統(tǒng)中的氨氣會與煙氣中的SO3生成硫酸氫銨（ABS），硫酸氫銨呈現(xiàn)粘性、液態(tài)，很容易堵塞催化劑孔隙，這將會使得催化劑的催化反應能力顯著降低。
近年來，國內外均有學者在低負荷下對SCR脫硝系統(tǒng)的性能進行了相關研究[7,13-15]。傳統(tǒng)的解決該問題的辦法主要是安裝省煤器旁路煙道，使得煙氣溫度在低負荷下仍能維持在設計值，防止ABS的生成以及催化劑的堵塞。也有部分電廠采用省煤器分級設置，將省煤器低溫部分放置于SCR出口側，而將SCR布置與煙氣溫度較高的區(qū)域，以此來解決入口煙溫過低的問題。對于不能或者沒有安裝省煤器旁路的機組來說，可以對SCR反應器中的NH3、SO3以及溫度參數(shù)進行監(jiān)測，改變入爐煤的含硫量，或者采用靜態(tài)混合器來對溫度場進行修正。除此以外，還可以從高壓缸抽取一部分蒸汽進入一個額外的抽氣可調式給水加熱器 [15]。在低負荷運行條件下，通過調節(jié)該加熱器入口壓力不變來維持給水溫度不變，這樣提高了低負荷下省煤器的入口水溫，升高了低負荷下省煤器出口煙溫（SCR入口煙溫），保證了SCR脫硝系統(tǒng)在低負荷下的高效運行。上海成套院也相應的提出了給水置換式省煤器系統(tǒng)技術方案，采用給水置換式省煤器系統(tǒng)，提高實際進入省煤器的給水溫度，減少省煤器的吸熱量。該系統(tǒng)改造前后省煤器流量不發(fā)生變化，不犧牲高負荷下鍋爐經濟性，改造后可提高脫硝設備入口煙氣溫度達30℃，滿足SCR催化劑的運行條件，抑制ABS的冷凝腐蝕。
1.3 輔機設備安全性
燃煤發(fā)電機組在低負荷下長時間運行時，各輔機設備（包括風機和給水泵）均偏離了原來的設計工況，這將直接影響輔機系統(tǒng)的做功效率，可能引發(fā)風機的搶風和失速，進而導致喘振、跳閘等一系列安全問題。針對這一問題，目前主流技術是采用變頻運行，該運行方式有助于提升燃煤機組在低負荷運行下的效率[7,16]。上海外高橋電廠3#機組則采取了一種新型的集中式變頻總電源技術，該機組在主汽輪機之外單獨設置了一個轉速可調的小型汽輪機，該汽輪機可帶到一個發(fā)電機發(fā)電[17]。通過改變該小型汽輪機的轉速，來調節(jié)與之相連的發(fā)電機的輸出電流頻率，就可以為連接在同一母線上的所有輔機提供變頻動力電源，以此來實現(xiàn)輔機系統(tǒng)在負荷變化下的變頻控制。除此之外，Goerner[18]的研究中還指出可以使用超導元件來解決這一問題，但該技術沒有得到推廣應用，目前還處于研究發(fā)展階段。
1.4 其它技術路線
對于熱電機組來說，增加儲熱裝置實現(xiàn)“熱電解耦”是一種行之有效的調峰方式。目前常見的儲能蓄熱技術主要有蒸汽蓄熱技術、熔鹽蓄熱技術、相變材料蓄熱技術以及固體材料蓄熱技術等。
蒸汽蓄熱技術主要以水作為蓄存熱能的載體，通過蓄熱容器內蒸汽和水之間的熱交換來熱能的存儲與釋放。當負荷下降時，鍋爐產生的多余蒸汽可以以熱能形式通過充熱裝置充入軟水中進行存儲，使得蓄熱容器內水的壓力、溫度均上升，并形成一定壓力下的飽和水；當負荷上升，鍋爐供汽不足時，蓄熱容器內的飽和水隨著壓力的下降成為過熱水而產生自蒸發(fā)，向外供汽。通過該技術的應用，可以實現(xiàn)熱電機組的低負荷運行。以丹麥Aved?re 電廠250MW供熱機組為例，該電廠建有兩個50米高的，容量為44000m3的儲熱罐，在冬季供熱期期間其最小出力可以低至15%-20%。
熔鹽蓄熱技術主要采用熔鹽作為傳熱蓄熱介質，由于熔鹽熱容量大、適應溫度范圍廣、黏度低、相對密度大，在傳熱的過程中通過熔鹽溫度的上升或下降就可以實現(xiàn)熱能的儲存或釋放。該技術蓄熱原理簡單、技術成熟、成本低廉，目前該技術的大規(guī)模商業(yè)應用主要是與太陽能發(fā)電結合。美國Solar Reserve公司在內達華的110MW塔式太陽能電站也同樣采用熔鹽技術來進行蓄熱，可在不具備太陽能發(fā)電的條件下繼續(xù)發(fā)電10小時。然而，針對燃煤機組的獨立的熔鹽蓄熱電站目前還未見報道。
相變材料蓄熱技術的蓄熱介質主要是一些相變材料，主要包括無機相變材料、有機相變材料和復合相變材料三類。這些相變材料均有在一定溫度范圍內改變其物理狀態(tài)的能力，通過物質狀態(tài)的改變來實現(xiàn)潛熱的儲存與釋放。該技術目前主要應用于太空太陽能動態(tài)發(fā)電系統(tǒng)(DSP)儲熱、地面太陽能的直接熱利用、建筑物圍護結構儲熱、工業(yè)余熱廢熱回收系統(tǒng)儲熱等領域。比如說，美國的管道系統(tǒng)公司采用CaCl2˙6H2O作為相變材料制成儲熱管, 用來儲存太陽能和進行工業(yè)余熱回收。而在大型發(fā)電機組領域，該蓄熱技術還處于商業(yè)試用階段。
固體材料蓄熱技術的蓄熱介質一般都具有比熱大、密度大、耐高溫等特點，常見的固體蓄熱介質有耐高溫固體合金材料、MgO含量為90%以上的壓縮磚等。在低負荷條件下，該技術可以通過加熱蓄熱介質將多余的電能轉化為熱能進行儲存，并在高負荷下利用熱交換技術，將熱能有效的導出。目前該技術主要用于一些小型的工業(yè)鍋爐，在大型發(fā)電機組領域，該蓄熱技術還處于示范階段。
2 上海成套院深度調峰技術
2.1 一爐兩機技術
一爐兩機深度調峰技術是指利用一臺鍋爐運行，產生蒸汽供兩臺蒸汽輪機發(fā)電的全廠系統(tǒng)集成技術，間接滿足電網(wǎng)對單元機組超低負荷運行需要，并克服鍋爐低負荷運行難題。該系統(tǒng)整合了傳統(tǒng)單元機組的系統(tǒng)配置模式，在傳統(tǒng)一爐一機單元機組的配置方式中，水蒸汽遵循朗肯循環(huán)，鍋爐與汽輪機之間的介質交換采用單根管連接，各單元機組之間相互獨立，互相不受負荷變化的影響。而一爐兩機通俗來講，即介質母管制，包括主給水、主蒸汽、再熱蒸汽冷端、再熱蒸汽熱端。原則上，只需要將兩臺發(fā)電機組之間的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、給水管道連接起來，就可實現(xiàn)靈活性運行。
2.2 煤氣化技術
煤氣化深度調峰技術是指利用煤粉氣化工藝，先將一部分電廠燃料用煤粉氣化，轉化為以CO、H2為主的煤氣，將煤氣送入鍋爐爐膛，通過煤氣的燃燒來輔助煤粉燃燒，改善煤粉的著火特性，使燃燒器在極低負荷穩(wěn)定燃燒，滿足機組寬負荷調整。經核算投入20%煤氣后，在理論上是可以實現(xiàn)煤粉在低負荷下徹底的不投油穩(wěn)燃。
2.3 制粉及燃燒系統(tǒng)綜合改造技術
燃煤機組在超低負荷運行時，一次風量、一次風溫度、一次風煤粉濃度（風煤比）的選取決定著鍋爐能否實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的關鍵。因此，需要在保證磨煤機安全、輸粉管內不堵粉的前提下，盡量減少一次風量、降低一次風速、提高煤粉細度、提高磨煤機出口風溫。這樣當煤粉氣流進入燃燒器后，加熱空氣所需的熱量就會有所減少，煤粉氣流著火所需要的熱量也會有所降低。在相同的卷吸對流換熱量和輻射換熱量下，煤粉氣流能夠達到更高的溫度，能夠起到加速和穩(wěn)定著火的作用。
因此，成套院從燃燒基礎理論出發(fā)，首先針對制粉系統(tǒng)進行改造，主要包括磨煤機加裝動態(tài)分離器，提高煤粉細度和均勻性，強化煤粉吸熱量；在磨煤機出口增設一個帶旋風分離裝置的煤粉倉，高負荷分離部分煤粉到粉倉備用，低負荷直接從粉倉供粉，這樣一方面可以保證磨煤機安全，另一方面提高了煤粉濃度降低了一次風量，有利于降低煤粉著火熱；同時，采用熱風送粉技術，提高送粉介質溫度，降低煤粉氣流著火熱。
另一方面，鍋爐低負荷運行時，由于投入燃料量少，爐膛溫度低，燃燒工況相對來說比較惡劣。此時單個燃燒器的實際燃煤量與設計燃煤量存在明顯的不匹配，單只燃燒器的設計熱功率偏大，燃燒器出口一、二次風的氣流厚度在低負荷下會有所增大；另一方面，低負荷下爐膛溫度降低，單只燃燒器出口煤粉氣流在著火熱沒變的條件下，從爐膛中獲取的對流換熱量和輻射換熱量均有所降低，這不利于煤粉氣流著火和穩(wěn)燃。，
為此，成套院針對燃燒系統(tǒng)提出了相應的改造技術思路。考慮將最上層燃燒器改為兩層布置，降低單只燃燒器功率，增加燃燒器的數(shù)量。此時，單只燃燒器的給煤量降低，單位時間內煤粉氣流著火所需要的著火熱也大幅降低，在相同的爐膛溫度下煤粉氣流更容易著火。改造后同等流量的燃料被分為兩份送入兩層燃燒器內，相比于一層燃燒器，改為兩層燃燒器后煤粉氣流的總表面積增大，意味著煤粉氣流的吸熱面積增大，且相鄰火炬之間的相互支持可以有效的減少火炬在相向側的散熱損失，更有利于煤粉氣流的著火和穩(wěn)定燃燒。
3 結語
燃煤機組在進行深度調峰改造時，機組的最低穩(wěn)定負荷主要受鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保及輔機系統(tǒng)的安全性等因素的制約。針對熱電聯(lián)產機組，國外主要采用加裝蓄熱罐的方式來進行靈活性改造，包括蒸汽蓄熱技術、熔鹽蓄熱技術、相變材料蓄熱技術以及固體材料蓄熱技術等。針對純凝機組的靈活性改造還鮮見報道，目前的技術手段主要是針對磨煤機、燃燒器、送粉管道等系統(tǒng)來進行改造，以達到降低煤粉著火熱，強化煤粉換熱、提高SCR入口溫度等目的，本文分別在燃燒穩(wěn)定性、環(huán)保設備安全性、輔機設備安全性三個方面對其進行了介紹。
針對純凝機組，上海成套院先后提出了一爐兩機、煤氣化、制粉及燃燒系統(tǒng)改造等技術思路。其中一爐兩機技術是指利用一臺鍋爐運行，產生蒸汽供兩臺蒸汽輪機發(fā)電的全廠系統(tǒng)集成技術，間接滿足電網(wǎng)對單元機組超低負荷運行需要；煤氣化技術是指利用煤粉氣化工藝，先將一部分煤粉氣化，轉化為以CO、H2為主的煤氣，將煤氣送入鍋爐爐膛，通過煤氣的燃燒來輔助煤粉燃燒；制粉及燃燒系統(tǒng)綜合改造技術是指利用制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的一系列優(yōu)化技術手段，以降低煤粉氣流著火熱、強化煤粉氣流傳熱，并最終實現(xiàn)機組低負荷穩(wěn)定運行。
