王 凱，黃葆華，司派友

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能的需求不斷地增長(zhǎng)，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，我國(guó)的用電結(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，水電、風(fēng)電、核電被大規(guī)模引入電網(wǎng)。水電風(fēng)電等新型能源引入電網(wǎng)之后加劇了電網(wǎng)的峰谷差，使調(diào)峰成為電網(wǎng)運(yùn)行的難題。各大電網(wǎng)的峰谷差日趨增大，根據(jù)國(guó)家電力公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2001年各大電網(wǎng)的平均峰谷差率己經(jīng)達(dá)到60%上，華北電網(wǎng)更是高達(dá)67.5%，而20年前全國(guó)平均只有38%左右［1］。尖峰負(fù)荷時(shí)電網(wǎng)調(diào)峰容量不足，不得不拉閘限電，低谷時(shí)容量又過(guò)剩。調(diào)峰問(wèn)題急需解決。我國(guó)各大電網(wǎng)的組成一般都以火電為主，火電機(jī)組主要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)。為了適應(yīng)今后供電形勢(shì)發(fā)展的需要，大型火電機(jī)組應(yīng)是承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰的主力機(jī)組［2］。

1 火電機(jī)組調(diào)峰方式分析

從國(guó)內(nèi)外調(diào)峰的現(xiàn)狀來(lái)看，大型火電機(jī)組主要采用以下四種調(diào)峰運(yùn)行方式［3］:

(1)低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行方式:通過(guò)改變機(jī)組負(fù)荷來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)峰需要，一般采用定壓——滑壓——定壓的方式運(yùn)行;

(2)啟停兩班制調(diào)峰運(yùn)行方式:機(jī)組白天滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行、晚間停機(jī)6～8 h，早上再熱態(tài)啟動(dòng)。此調(diào)峰方式調(diào)峰幅度比較大，但運(yùn)行時(shí)操作復(fù)雜，該調(diào)峰方式對(duì)設(shè)備的壽命損耗較大;

(3)少蒸汽無(wú)負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行方式:夜間在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)將機(jī)組負(fù)荷減到零，但不與電網(wǎng)解列，吸收少量電網(wǎng)功率，使機(jī)組仍處于額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)熱備用的無(wú)功狀態(tài);

(4)低速旋轉(zhuǎn)熱備用調(diào)峰運(yùn)行方式:這種方式是在減負(fù)荷至零后同電網(wǎng)解列，鍋爐燃油維持5%左右的負(fù)荷，并向汽輪機(jī)通入低參數(shù)蒸汽，使之在第一臨界轉(zhuǎn)速以下的低速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，并維持較高的溫度水平。

上述四種調(diào)峰方式中，低負(fù)荷調(diào)峰方式是較為常用的一種調(diào)峰方式，該調(diào)峰方式具有安全性好、機(jī)動(dòng)性高、事故發(fā)生概率低的優(yōu)點(diǎn)，且改造工作量較小或無(wú)需進(jìn)行改造，但調(diào)峰的裕度不如其他三種調(diào)峰方式，低谷時(shí)間長(zhǎng)時(shí)經(jīng)濟(jì)性變差?；痣姍C(jī)組在低負(fù)荷調(diào)峰方式下的調(diào)峰裕度主要受鍋爐方面燃燒穩(wěn)定性和水循環(huán)安全性等因素的影響。

2 影響調(diào)峰裕度的主要因素

2.1 鍋爐燃燒穩(wěn)定性的限制

鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程復(fù)雜多變，受到許多因素的影響，如煤質(zhì)、煤粉濃度細(xì)度、一次風(fēng)、二次風(fēng)的風(fēng)溫和風(fēng)速［4］等。

在低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行方式下，鍋爐的爐膛熱強(qiáng)度較弱，其適應(yīng)工況變動(dòng)的能力也較弱，一個(gè)小的擾動(dòng)就有可能使燃燒工況不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致鍋爐滅火，煤質(zhì)太差或煤質(zhì)突變、混煤不均也可能導(dǎo)致滅火的發(fā)生。此外磨煤機(jī)跳閘、制粉系統(tǒng)啟、停過(guò)程中調(diào)整不當(dāng)都會(huì)對(duì)對(duì)爐內(nèi)燃燒工況造成較大影響［5］。

鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行可能滅火時(shí)，須投油助燃。其不投油助燃的最低負(fù)荷與煤種有關(guān)，具體的值與燃料發(fā)熱量大小有關(guān)［6］。發(fā)熱量低的取下限，發(fā)熱量高的取上限。

2.2 鍋爐水動(dòng)力安全性的限制

2.2.1 自然循環(huán)鍋爐

定壓運(yùn)行下，低負(fù)荷時(shí)循環(huán)流速降低，可能出現(xiàn)循環(huán)的停滯或倒流;變壓運(yùn)行下，循環(huán)流速隨負(fù)荷的增減可能變化不大。但是變壓運(yùn)行時(shí)的壓力變化率和最低極限壓力對(duì)水循環(huán)安全性有影響，一般按照變壓運(yùn)行的允許負(fù)荷變化率來(lái)推定允許的壓力變化率。一般規(guī)定的正常循環(huán)流速界限值0.2～0.3 m/s，一般燃煤鍋爐的水動(dòng)力最低安全負(fù)荷可低到50%，有集中下降管的要比分散下降管的安全負(fù)荷更低［7］。有研究人員對(duì)鍋爐水循環(huán)進(jìn)行CFD模擬，結(jié)果表明:50%負(fù)荷以上水循環(huán)可靠，傳熱特性良好;40%負(fù)荷循環(huán)流速有波動(dòng)，但水循環(huán)可靠;30%負(fù)荷下循環(huán)流速低，不宜長(zhǎng)期運(yùn)行［8］。水循環(huán)的理論計(jì)算有一定的近似性，存在誤差，要把理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)。200 MW自然循環(huán)爐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在40%、30%、20%和10%負(fù)荷下壁溫測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)超溫，但在30%負(fù)荷以下出現(xiàn)循環(huán)停滯和循環(huán)倒流，某些管子流速較低，易發(fā)生管內(nèi)鹽份沉積，不宜運(yùn)行［9］。

2.2.2 強(qiáng)制循環(huán)鍋爐

強(qiáng)制循環(huán)鍋爐比自然循環(huán)鍋爐多了爐水循環(huán)泵。強(qiáng)制循環(huán)的鍋爐啟動(dòng)及變負(fù)荷速度相對(duì)較快快，適于參與頻繁調(diào)峰。低負(fù)荷時(shí)要保證受熱面和泵的循環(huán)工作可靠性，不能出現(xiàn)停滯、倒流，且爐水循環(huán)泵不發(fā)生汽蝕，低循環(huán)倍率管壁溫度不能超溫(發(fā)生膜態(tài)沸騰)。此外，負(fù)荷變化過(guò)快，鍋爐升溫升壓率高時(shí)，泵會(huì)受過(guò)大的熱應(yīng)力而損壞。

2.2.3 直流鍋爐

其結(jié)構(gòu)與自然循環(huán)爐不同，由盤(pán)繞上升水冷壁和垂直上升水冷壁組成，之間由過(guò)渡段水冷壁及過(guò)渡段集箱連接。直流鍋爐的水冷壁水動(dòng)力特性要比亞臨界汽包鍋爐更為復(fù)雜，低負(fù)荷時(shí)要保證可靠的溫度工況:水動(dòng)力特性穩(wěn)定單值有足夠陡的特征;沒(méi)有管間和屏間的流量脈動(dòng);金屬壁溫正常;垂直管屏結(jié)構(gòu)無(wú)停滯倒流［10］。在升負(fù)荷及燃燒工況切換時(shí)，由于制粉系統(tǒng)和油槍的頻繁啟停，使?fàn)t膛水冷壁熱負(fù)荷有強(qiáng)烈的波動(dòng)，爐膛水冷壁出口汽溫和給水溫度短時(shí)間內(nèi)有大幅度的波動(dòng)［11］。變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，上輻射區(qū)可能發(fā)生管子超溫爆管事故。負(fù)荷越低，受熱最強(qiáng)的那面墻的上輻射區(qū)易發(fā)生管子超溫爆管事故。600 MW直流鍋爐基本是按考慮調(diào)峰設(shè)計(jì)的，鍋爐能帶基本負(fù)荷并具有一定的調(diào)峰能力。300 MW直流鍋爐水動(dòng)力試驗(yàn)表明，直流鍋爐水動(dòng)力在50%～100%負(fù)荷之間是安全的。經(jīng)濟(jì)地參與調(diào)峰運(yùn)行是可行的［10］。但在30% ～40%負(fù)荷下為干態(tài)與濕態(tài)的轉(zhuǎn)換階段，啟停時(shí)不能長(zhǎng)期停留。

2.3 防止空氣預(yù)熱器低溫腐蝕的限制

低負(fù)荷時(shí)，過(guò)熱汽溫與再熱汽溫降低。排煙溫度降低和空氣過(guò)量空氣系數(shù)增加，煙氣中SO3濃度上升，露點(diǎn)溫度顯著提高，而此時(shí)空氣預(yù)熱器冷端壁溫顯著降低，若低于露點(diǎn)溫度以下，可能會(huì)發(fā)生低溫腐蝕［12］。

2.4 鍋爐輔機(jī)的限制

2.4.1 水泵

按照設(shè)計(jì)，強(qiáng)制循環(huán)鍋爐一般投運(yùn)3臺(tái)爐水泵中的2臺(tái)就能帶滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，另1臺(tái)泵可作為備用。低負(fù)荷時(shí)爐水循環(huán)泵進(jìn)、出口壓差小，可能發(fā)生汽蝕，要看凈正吸入壓頭(NPSH)是否滿(mǎn)足要求。根據(jù)泵的銘牌參數(shù)計(jì)算汽蝕對(duì)負(fù)荷幅度的限制。影響爐水循環(huán)泵進(jìn)、出口壓差的主要因素有［13］:

(1)運(yùn)行泵臺(tái)數(shù)相同，汽包壓力越高，壓差越小。這是由于爐水溫度高，水的密度小，質(zhì)量流量小，流速低，引起汽水循環(huán)阻力變小;

(2)當(dāng)汽包壓力相同時(shí)，運(yùn)行泵臺(tái)數(shù)越少，壓差越小。這是由于循環(huán)流量減少所致;

(3)當(dāng)汽包壓力相同時(shí)，汽包水位越低，壓差越小。這是由于水位對(duì)泵的通流量有較大影響。

2.4.2 風(fēng)機(jī)

包括引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，故障率較高。主要故障包括:風(fēng)機(jī)震動(dòng)、軸承過(guò)熱及漏油等［14］。機(jī)組正常運(yùn)行調(diào)整時(shí)，增加或降低風(fēng)機(jī)出力調(diào)整不平衡，會(huì)使風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況運(yùn)行。鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行期間，運(yùn)行人員調(diào)整雙側(cè)風(fēng)機(jī)出力不匹配，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)入低負(fù)荷不穩(wěn)定區(qū)域，產(chǎn)生喘振。風(fēng)機(jī)對(duì)負(fù)荷變化影響不大，不是限制負(fù)荷變動(dòng)的關(guān)鍵因素。

2.4.3 磨煤機(jī)

現(xiàn)役運(yùn)行的大型機(jī)組的制粉系統(tǒng)多為中速磨正壓直吹式，直吹式制粉系統(tǒng)中磨煤機(jī)對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響較大，磨煤機(jī)出力隨鍋爐負(fù)荷而變化，其變化范圍取決于磨煤機(jī)的型號(hào)、煤的性質(zhì)、煤粉細(xì)度，碾磨部件的磨損情況及運(yùn)行中碾磨壓力［15］。磨煤機(jī)有最小出力的限制，負(fù)荷不能過(guò)低，中速磨煤機(jī)不適宜總在低負(fù)荷下運(yùn)行。在啟停調(diào)峰升或變負(fù)荷，燃燒器應(yīng)對(duì)稱(chēng)地投入，并注意調(diào)好煤粉細(xì)度，風(fēng)煤比按曲線(xiàn)調(diào)整。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛熱負(fù)荷低，容易滅火，首先應(yīng)注意保持燃燒的穩(wěn)定性及對(duì)汽溫的影響，其次才考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［16］。ZGM95G中速磨最小通風(fēng)量大多規(guī)定為額定通風(fēng)量的70%左右，磨煤機(jī)的最低出力則規(guī)定為額定值的40% ～50%，最小出力一般能降低到額定出力的40%而維持正常運(yùn)行。低于最小出力運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈磨損和振動(dòng)［17］。負(fù)荷下降不多時(shí)，盡量多投入磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)，保持單臺(tái)給煤機(jī)低轉(zhuǎn)數(shù)，避免一次風(fēng)機(jī)超限，限制運(yùn)行磨煤機(jī)的最低負(fù)荷在75%以上。當(dāng)鍋爐負(fù)荷下降很多時(shí)，應(yīng)逐臺(tái)停磨［15］。

3 不同爐型及參數(shù)的調(diào)峰裕度

雖然鍋爐的最低穩(wěn)燃負(fù)荷一般由最低穩(wěn)燃試驗(yàn)確定，但通過(guò)分析多個(gè)電廠的運(yùn)行手冊(cè)和鍋爐說(shuō)明書(shū)，可以得出一些統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我國(guó)目前現(xiàn)役的機(jī)組主要為200/300/600/1 000 MW機(jī)組，鍋爐的循環(huán)方式包括自然循環(huán)、控制循環(huán)和直流。200/300 MW低參數(shù)機(jī)組的鍋爐主要是自然循環(huán)鍋爐，少數(shù)為控制循環(huán)爐。機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間較早，大都是按帶基本負(fù)荷設(shè)計(jì)的，不適于頻繁啟停，而且若負(fù)荷低谷時(shí)間較短，也不宜兩班制運(yùn)行，比較適合低負(fù)荷調(diào)峰方式［18］。200/300 MW機(jī)組普遍穩(wěn)燃能力差，低負(fù)荷穩(wěn)燃性能難以滿(mǎn)足調(diào)峰要求。某些200 MW鍋爐在進(jìn)行穩(wěn)燃改造前變負(fù)荷幅度很小，70%左右負(fù)荷時(shí)就需要投油。部分機(jī)組進(jìn)行一些穩(wěn)燃改造后，受經(jīng)濟(jì)性和鍋爐燃燒穩(wěn)定性及水動(dòng)力安全的影響，最低負(fù)荷能下降到50%左右的額定負(fù)荷。600/1 000 MW鍋爐一般為控制循環(huán)爐或直流鍋爐，按帶基本負(fù)荷并具有一定的調(diào)峰能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷為35%額定負(fù)荷，考慮各因素限制最低不投油負(fù)荷為40%左右額定負(fù)荷。

4 結(jié)論

火電機(jī)組參與調(diào)峰是可行的，且常采用的是低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行方式。機(jī)組的調(diào)峰裕度主要受鍋爐側(cè)參數(shù)的限制，即鍋爐燃燒穩(wěn)定性、水循環(huán)安全性和鍋爐輔機(jī)的限制。多個(gè)電廠的運(yùn)行手冊(cè)顯示，200/300 MW低參數(shù)機(jī)組在進(jìn)行穩(wěn)燃改造后，最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷可以降到50%MCR，600/1 000 MW鍋爐最低不投油負(fù)荷為40%MCR左右，1 000 MW機(jī)組作為國(guó)內(nèi)目前最高參數(shù)的火電機(jī)組，一般不用其進(jìn)行調(diào)峰。

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