國家能源局資質(zhì)管理中心苑舜

遼寧電力科學(xué)研究院（沈陽）吳景星

隨著可再生能源的發(fā)展，尤其風(fēng)電的迅猛發(fā)展，其全額收購政策對常規(guī)火電機組提出深度調(diào)峰要求，以解決部分地區(qū)"窩電"問題。冬季風(fēng)電是發(fā)電高峰期，而供熱機組是保證冬季供暖的關(guān)鍵，規(guī)定熱電聯(lián)產(chǎn)機組不參與調(diào)峰，然而，在實際運行機組分析中獲悉，熱電聯(lián)產(chǎn)機組是否可以參與調(diào)峰還需要認(rèn)真研究。

一、影響深度調(diào)峰主要技術(shù)因素分析

非供熱期電廠最小出力較供熱期電廠最小開機方式出力更低，而且接近機組最低穩(wěn)燃負(fù)荷。鍋爐廠給定的最低穩(wěn)燃負(fù)荷均是在燃用設(shè)計煤種條件所確定，而實際情況鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷又受煤種變動等多種主要因素制約。

1 、煤質(zhì)特性對機組調(diào)峰能力影響

圖1是典型的各煤種實驗室失重特性曲線，可以看出，褐煤失重曲線偏向低溫區(qū)，而且峰值最高，表明其最易燃燒且反應(yīng)能力最強，煙煤次之，無煙煤最弱，揮發(fā)分等級越高的煤燃燒性能越好。

圖1中燃燒峰的后段表明后期燃燒的時間長短，越陡燃盡性能越好，表明后期燃燒的時間越短，而褐煤的燃盡段最陡，燃盡性能也最好，煙煤次之，劣質(zhì)煙煤和無煙煤最差。發(fā)熱量Qar,net反映了爐內(nèi)溫度水平，綜合了煤質(zhì)揮發(fā)分、灰分、水分對著火的影響。根據(jù)國內(nèi)燃煤鍋爐的運行經(jīng)驗，煤粉鍋爐不投油助燃而穩(wěn)定燃燒的發(fā)熱量見表1。

由表1可以看出，鍋爐不投油助燃而穩(wěn)定燃燒對應(yīng)的最低發(fā)熱量為褐煤，其原因在于，經(jīng)制粉系統(tǒng)干燥后，水分很高的褐煤的發(fā)熱量幾乎成倍增長，而水分較低的煙煤、貧煤和無煙煤干燥后，煤粉干燥無灰基的發(fā)熱量變化不大。

但近年來，部分地區(qū)煤炭資源日漸枯竭，煤價連年大幅攀升，發(fā)電企業(yè)為降低成本，經(jīng)常直接燃用或混配偏離設(shè)計的煤種，增加了低負(fù)荷運行的風(fēng)險。尤其是超臨界鍋爐當(dāng)煤種頻繁變化、混合不均時水煤比容易發(fā)生大幅度變化，致使主、再熱汽溫大幅波動,水冷壁甚至出現(xiàn)超溫狀況，嚴(yán)重時在低負(fù)荷下難以穩(wěn)定運行，因此，應(yīng)加強低負(fù)荷下配煤技術(shù)的研究，確保鍋爐在低負(fù)荷下安全穩(wěn)定運行。

二、穩(wěn)燃技術(shù)提高火電機組調(diào)峰能力

1．穩(wěn)燃技術(shù)的發(fā)展

在低負(fù)荷時燃燒不穩(wěn)定，主要矛盾是解決穩(wěn)定燃燒，提高效率及兼顧環(huán)保的問題。多年來，在燃煤鍋爐煤粉燃燒技術(shù)中，為提高煤粉氣流著火和燃燒穩(wěn)定性，在鍋爐燃燒設(shè)備中采取各種技術(shù)措施，目的在于建立穩(wěn)定的著火熱源、增強對煤粉氣流的供熱能力和降低一次風(fēng)煤粉氣流的著火熱。調(diào)峰鍋爐必須配置高負(fù)荷時效率高，低負(fù)荷時能穩(wěn)定可靠運行的燃燒系統(tǒng)，低負(fù)荷保持燃燒穩(wěn)定是安全運行的必要條件。近30年來開發(fā)很多不同型式的新型燃燒器：燃燒器結(jié)構(gòu)主要集中在一次風(fēng)口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和發(fā)展。改善了氣流流動工況，促進(jìn)了著火、燃燒穩(wěn)定性的提高，實現(xiàn)了高效率燃燒，具有代表性的有一次風(fēng)折邊型夾心風(fēng)燃燒器、鈍體燃燒器、"船型"燃燒器、大速差燃燒器、扁平射流燃燒器等。主要集中在一次風(fēng)氣流內(nèi)部煤粉濃度的分布上進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展。實現(xiàn)一次風(fēng)氣流在燃燒器出口某一位置在最佳煤粉濃度下的濃淡燃燒。既提高了著火、燃燒穩(wěn)定性，又有效的控制了燃燒中NOx的生成和排放。具有代表性的有水平濃淡燃燒器，國外的有PM型、WR型燃燒器等，在旋流燃燒器方面，為提高旋流燃燒器對煤種和負(fù)荷的適應(yīng)性，并有效控制NOx的排放，主要采取分級送風(fēng)與濃淡燃燒相結(jié)合的方式。一般適用于燃用高揮發(fā)分的煤種。具體結(jié)構(gòu)特點如下：把二次風(fēng)分成內(nèi)層二次風(fēng)（又稱二次風(fēng)）和外層二次風(fēng)（國外又稱三次風(fēng)）兩股同軸環(huán)狀氣流。分別通過可調(diào)軸向葉片式旋流器調(diào)節(jié)兩股氣流的旋流強度，實現(xiàn)雙通道雙調(diào)風(fēng)。可以有效地控制回流區(qū)的大小和位置；根據(jù)煤種特性在燃燒器出口設(shè)置單齒或雙齒型火焰穩(wěn)定環(huán)、火焰隔離環(huán)等，進(jìn)一步提高著火、燃燒穩(wěn)定性；主燃燒器上方設(shè)燃盡風(fēng)。鍋爐在使用這些燃燒技術(shù)后，鍋爐的最低穩(wěn)燃負(fù)荷能力都得到了有效提高。100MW、200MW機組鍋爐由原來70%~60%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）可達(dá)到60%~45%BMCR。國內(nèi)引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化的新一代超臨界和超超臨界鍋爐都采用了新技術(shù)，以實現(xiàn)鍋爐高效、低負(fù)荷穩(wěn)燃、保證水冷壁可靠運行和減小受熱面熱偏差的目標(biāo)。如哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)的三井-巴布科克（MBEL）的軸向葉輪式多級配風(fēng)旋流式燃燒器。以及引進(jìn)三菱技術(shù)的PM型燃燒器。東方鍋爐公司與巴布科克（MBEL）-日立合作生產(chǎn)的1000MW超超臨界鍋爐采用的NR燃燒器。上海鍋爐公司引進(jìn)阿爾斯通技術(shù)的600~1000MW超臨界鍋爐采用濃淡燃燒器，單爐膛雙四角切圓燃燒方式。目前，大容量煤粉鍋爐不投油穩(wěn)燃負(fù)荷已能在30%BMCR下穩(wěn)定運行。

2.熱電聯(lián)產(chǎn)機組實施"以熱定電"

熱電聯(lián)產(chǎn)機組是指同時生產(chǎn)電力和熱力產(chǎn)品(蒸汽、熱水)的機組，熱電聯(lián)產(chǎn)機組包括：背壓式汽輪機、抽汽-凝汽式汽輪機、凝汽-抽汽兩用型汽輪機、燃汽一蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。熱電聯(lián)產(chǎn)具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量、增加電力供應(yīng)等綜合效益。熱電廠的建設(shè)是治理大氣污染和提高能源利用率的重要措施。隨著國家節(jié)能減排力度的加大，城市周邊的很多純凝機組相繼進(jìn)行了供熱改造，供熱機組的比例逐年增加。為滿足電網(wǎng)調(diào)峰需要，對于完全用于發(fā)電的純凝機組進(jìn)行深度調(diào)峰，同時對熱電聯(lián)產(chǎn)機組實施"以熱定電"，即在滿足熱用戶熱負(fù)荷的情況下，將電負(fù)荷降至最低，讓出空間以滿足深度調(diào)峰要求。

三、各類機組深度調(diào)峰能力試驗研究

1．不投油最低穩(wěn)燃能力試驗

鍋爐廠所給定的鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷，因煤種、鍋爐形式、機組容量不同有所差異，以東北地區(qū)為例，其煙煤和褐煤較豐富，且東北區(qū)域內(nèi)的鍋爐大多為哈鍋生產(chǎn)，按鍋爐廠給定的鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷大致為：200MW45%BMCR；300MW(350 MW )35%BMCR；600MW以上30%BMCR。折合成機組額定負(fù)荷后，約增加5%，即200MW50%ECR（經(jīng)濟(jì)連續(xù)蒸發(fā)量）；300MW(350 MW )40% ECR；600MW以上35% ECR。循環(huán)流化床鍋爐為35% ECR。由于在試驗中燃用設(shè)計煤種，表1為最近幾年大型鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷試驗結(jié)果。考核試驗結(jié)果表明，在設(shè)計煤種條件下，全部機組的調(diào)峰能力均能達(dá)到制造廠給定值，但考慮到實際運行時的煤質(zhì)多變，在核定機組實際調(diào)峰負(fù)荷時，均給以一定的余量，研究表明，這一余量是偏大的。

2．低于鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷調(diào)峰試驗

我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位的格局將長期保持不變。一般電力彈性系數(shù)大于1，也就是經(jīng)濟(jì)增長10%，電力增長要大于10%。按照現(xiàn)有規(guī)模，電力增長10%，需增加裝機容量約9000萬千瓦，相當(dāng)于投產(chǎn)5座三峽電站，或50座大亞灣核電站，這個容量值依靠水電、核電很難實現(xiàn)，但風(fēng)電卻獨具優(yōu)勢。除水電外，目前風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)最成熟、成本最低的可再生能源發(fā)電方式，據(jù)估計，隨著成本的不斷降低，以及環(huán)境壓力的不斷加大，中國風(fēng)電裝機超出預(yù)期的可能性非常大。90年代后新投產(chǎn)的汽輪機均采用引進(jìn)技術(shù)，末級動葉片均采用三維設(shè)計，根部反動度均大于0.25，且為自帶圍帶和拉金的整圈連接結(jié)構(gòu)，具備30%BMCR下長期穩(wěn)定運行的能力，只有早期投產(chǎn)的200MW機組由于設(shè)計年代較早，雖經(jīng)過通流改造，但深度調(diào)峰能力較弱，主要受末級動葉片水蝕和顫振的限制，東北地區(qū)早期200MW汽輪機末級動葉片基本采用710mm 葉片，圖2為710mm動葉片實測的動應(yīng)力與負(fù)荷的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)機組負(fù)荷在35～65MW期間，動應(yīng)力明顯增加，發(fā)生了顫振，當(dāng)機組負(fù)荷大于65MW后，動應(yīng)力明顯下降，因此，早期200MW汽輪機具備40%BMCR長期穩(wěn)定運行能力。表2為不同機組鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷結(jié)果及調(diào)整后最小負(fù)荷。

由表1可以看出，鍋爐不投油助燃而穩(wěn)定燃燒對應(yīng)的最低發(fā)熱量為褐煤，其原因在于，經(jīng)制粉系統(tǒng)干燥后，水分很高的褐煤的發(fā)熱量幾乎成倍增長，而水分較低的煙煤、貧煤和無煙煤干燥后，煤粉干燥無灰基的發(fā)熱量變化不大。

但近年來，部分地區(qū)煤炭資源日漸枯竭，煤價連年大幅攀升，發(fā)電企業(yè)為降低成本，經(jīng)常直接燃用或混配偏離設(shè)計的煤種，增加了低負(fù)荷運行的風(fēng)險。尤其是超臨界鍋爐當(dāng)煤種頻繁變化、混合不均時水煤比容易發(fā)生大幅度變化，致使主、再熱汽溫大幅波動,水冷壁甚至出現(xiàn)超溫狀況，嚴(yán)重時在低負(fù)荷下難以穩(wěn)定運行，因此，應(yīng)加強低負(fù)荷下配煤技術(shù)的研究，確保鍋爐在低負(fù)荷下安全穩(wěn)定運行。

二、穩(wěn)燃技術(shù)提高火電機組調(diào)峰能力

1．穩(wěn)燃技術(shù)的發(fā)展

在低負(fù)荷時燃燒不穩(wěn)定，主要矛盾是解決穩(wěn)定燃燒，提高效率及兼顧環(huán)保的問題。多年來，在燃煤鍋爐煤粉燃燒技術(shù)中，為提高煤粉氣流著火和燃燒穩(wěn)定性，在鍋爐燃燒設(shè)備中采取各種技術(shù)措施，目的在于建立穩(wěn)定的著火熱源、增強對煤粉氣流的供熱能力和降低一次風(fēng)煤粉氣流的著火熱。調(diào)峰鍋爐必須配置高負(fù)荷時效率高，低負(fù)荷時能穩(wěn)定可靠運行的燃燒系統(tǒng)，低負(fù)荷保持燃燒穩(wěn)定是安全運行的必要條件。近30年來開發(fā)很多不同型式的新型燃燒器：燃燒器結(jié)構(gòu)主要集中在一次風(fēng)口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和發(fā)展。改善了氣流流動工況，促進(jìn)了著火、燃燒穩(wěn)定性的提高，實現(xiàn)了高效率燃燒，具有代表性的有一次風(fēng)折邊型夾心風(fēng)燃燒器、鈍體燃燒器、"船型"燃燒器、大速差燃燒器、扁平射流燃燒器等。主要集中在一次風(fēng)氣流內(nèi)部煤粉濃度的分布上進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展。實現(xiàn)一次風(fēng)氣流在燃燒器出口某一位置在最佳煤粉濃度下的濃淡燃燒。既提高了著火、燃燒穩(wěn)定性，又有效的控制了燃燒中NOx的生成和排放。具有代表性的有水平濃淡燃燒器，國外的有PM型、WR型燃燒器等，在旋流燃燒器方面，為提高旋流燃燒器對煤種和負(fù)荷的適應(yīng)性，并有效控制NOx的排放，主要采取分級送風(fēng)與濃淡燃燒相結(jié)合的方式。一般適用于燃用高揮發(fā)分的煤種。具體結(jié)構(gòu)特點如下：把二次風(fēng)分成內(nèi)層二次風(fēng)（又稱二次風(fēng)）和外層二次風(fēng)（國外又稱三次風(fēng)）兩股同軸環(huán)狀氣流。分別通過可調(diào)軸向葉片式旋流器調(diào)節(jié)兩股氣流的旋流強度，實現(xiàn)雙通道雙調(diào)風(fēng)。可以有效地控制回流區(qū)的大小和位置；根據(jù)煤種特性在燃燒器出口設(shè)置單齒或雙齒型火焰穩(wěn)定環(huán)、火焰隔離環(huán)等，進(jìn)一步提高著火、燃燒穩(wěn)定性；主燃燒器上方設(shè)燃盡風(fēng)。鍋爐在使用這些燃燒技術(shù)后，鍋爐的最低穩(wěn)燃負(fù)荷能力都得到了有效提高。100MW、200MW機組鍋爐由原來70%~60%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）可達(dá)到60%~45%BMCR。國內(nèi)引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化的新一代超臨界和超超臨界鍋爐都采用了新技術(shù)，以實現(xiàn)鍋爐高效、低負(fù)荷穩(wěn)燃、保證水冷壁可靠運行和減小受熱面熱偏差的目標(biāo)。如哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)的三井-巴布科克（MBEL）的軸向葉輪式多級配風(fēng)旋流式燃燒器。以及引進(jìn)三菱技術(shù)的PM型燃燒器。東方鍋爐公司與巴布科克（MBEL）-日立合作生產(chǎn)的1000MW超超臨界鍋爐采用的NR燃燒器。上海鍋爐公司引進(jìn)阿爾斯通技術(shù)的600~1000MW超臨界鍋爐采用濃淡燃燒器，單爐膛雙四角切圓燃燒方式。目前，大容量煤粉鍋爐不投油穩(wěn)燃負(fù)荷已能在30%BMCR下穩(wěn)定運行。

2.熱電聯(lián)產(chǎn)機組實施"以熱定電"

熱電聯(lián)產(chǎn)機組是指同時生產(chǎn)電力和熱力產(chǎn)品(蒸汽、熱水)的機組，熱電聯(lián)產(chǎn)機組包括：背壓式汽輪機、抽汽-凝汽式汽輪機、凝汽-抽汽兩用型汽輪機、燃汽一蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。熱電聯(lián)產(chǎn)具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量、增加電力供應(yīng)等綜合效益。熱電廠的建設(shè)是治理大氣污染和提高能源利用率的重要措施。隨著國家節(jié)能減排力度的加大，城市周邊的很多純凝機組相繼進(jìn)行了供熱改造，供熱機組的比例逐年增加。為滿足電網(wǎng)調(diào)峰需要，對于完全用于發(fā)電的純凝機組進(jìn)行深度調(diào)峰，同時對熱電聯(lián)產(chǎn)機組實施"以熱定電"，即在滿足熱用戶熱負(fù)荷的情況下，將電負(fù)荷降至最低，讓出空間以滿足深度調(diào)峰要求。

三、各類機組深度調(diào)峰能力試驗研究

1．不投油最低穩(wěn)燃能力試驗

鍋爐廠所給定的鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷，因煤種、鍋爐形式、機組容量不同有所差異，以東北地區(qū)為例，其煙煤和褐煤較豐富，且東北區(qū)域內(nèi)的鍋爐大多為哈鍋生產(chǎn)，按鍋爐廠給定的鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷大致為：200MW45%BMCR；300MW(350 MW )35%BMCR；600MW以上30%BMCR。折合成機組額定負(fù)荷后，約增加5%，即200MW50%ECR（經(jīng)濟(jì)連續(xù)蒸發(fā)量）；300MW(350 MW )40% ECR；600MW以上35% ECR。循環(huán)流化床鍋爐為35% ECR。由于在試驗中燃用設(shè)計煤種，表1為最近幾年大型鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷試驗結(jié)果。考核試驗結(jié)果表明，在設(shè)計煤種條件下，全部機組的調(diào)峰能力均能達(dá)到制造廠給定值，但考慮到實際運行時的煤質(zhì)多變，在核定機組實際調(diào)峰負(fù)荷時，均給以一定的余量，研究表明，這一余量是偏大的。

2．低于鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷調(diào)峰試驗

我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位的格局將長期保持不變。一般電力彈性系數(shù)大于1，也就是經(jīng)濟(jì)增長10%，電力增長要大于10%。按照現(xiàn)有規(guī)模，電力增長10%，需增加裝機容量約9000萬千瓦，相當(dāng)于投產(chǎn)5座三峽電站，或50座大亞灣核電站，這個容量值依靠水電、核電很難實現(xiàn)，但風(fēng)電卻獨具優(yōu)勢。除水電外，目前風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)最成熟、成本最低的可再生能源發(fā)電方式，據(jù)估計，隨著成本的不斷降低，以及環(huán)境壓力的不斷加大，中國風(fēng)電裝機超出預(yù)期的可能性非常大。90年代后新投產(chǎn)的汽輪機均采用引進(jìn)技術(shù)，末級動葉片均采用三維設(shè)計，根部反動度均大于0.25，且為自帶圍帶和拉金的整圈連接結(jié)構(gòu)，具備30%BMCR下長期穩(wěn)定運行的能力，只有早期投產(chǎn)的200MW機組由于設(shè)計年代較早，雖經(jīng)過通流改造，但深度調(diào)峰能力較弱，主要受末級動葉片水蝕和顫振的限制，東北地區(qū)早期200MW汽輪機末級動葉片基本采用710mm 葉片，圖2為710mm動葉片實測的動應(yīng)力與負(fù)荷的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當(dāng)機組負(fù)荷在35～65MW期間，動應(yīng)力明顯增加，發(fā)生了顫振，當(dāng)機組負(fù)荷大于65MW后，動應(yīng)力明顯下降，因此，早期200MW汽輪機具備40%BMCR長期穩(wěn)定運行能力。表2為不同機組鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷結(jié)果及調(diào)整后最小負(fù)荷。