電力現貨模式下鍋爐低負荷燃燒問題及應對策略

武 韜

（國能榆次熱電有限公司）

0 引言

山西是我國確定的首批電力現貨市場的八個之一。作為建設試點，目前已經構建了集中式的電力現貨交易市場，搭建起了中長期＋現貨交易＋輔助服務的電力交易市場模式，山西電力調度中心負責實施，采用“分別報價，分別出清”的模式參與［1］。

自2020年下半年開始，國際煤價持續上漲，極端天氣不停發力，恰逢國內電網檢修密集，在這樣的條件下首次完成了季度結算試運，并在充分評估的基礎上制定保障措施，預控中長期運行風險，率先啟動了雙邊現貨，并進行了不間斷運行。隨著國家十四五戰略及碳中和碳達峰目標的提及，我國能源發展迫切需要上一個新的臺階，如何高效的利用能源，減少能源損耗，一直是擺在電力人面前的永久課題［2］。因供給受限、庫存低位、運行需求急劇攀升等多重因素疊加，全球能源危機警報驟然拉響［3］。

隨著2023年疫情的悄然結束，國民經濟迅速回升，生產用電峰谷差會越來越大，經濟需求迫切需要機組進行調峰運行，使得燃煤鍋爐在低負荷時不投油、穩定燃燒的問題日益突出。就火電廠高、低峰的問題，根據實際經驗得出，當鍋爐處在低負荷運行時，對鍋爐內燃燒狀況及鍋爐設備損耗、人員調整影響比較大，稍有疏忽就會導致機組非停事件發生，將對電網和電廠造成可觀損失［4］。

1 某公司鍋爐系統介紹

某公司1、2號鍋爐為國內某公司所產DG1164／17.5－Ⅱ12亞臨界自然循環爐，一次中間再熱機組、正壓直吹一次風制粉、四角切圓燃燒系統的固態排渣煤粉爐，鍋爐設計煤種見表1。

表1 設計煤種的基本成分

該型鍋爐配330MW 汽輪發電機組，設計為既可帶基本負荷，也可用于變負荷調峰。燃用設計煤種時，其不投油最低穩燃負荷設計不大于50%B-MCR。鍋爐實際參數見表2。

表2 鍋爐設計基本參數

為了適應我國火電廠氮氧化物排放限值新的標準，1、2號爐分別于2012年9月和2013年5月進行了低氮燃燒器改造，采用國內某公司的垂直濃淡燃燒器。為了適應入爐煤種的變化需要，兩臺爐燃燒器分別于2018年6月、2020年9月再次進行改造。

燃燒設備A、B、C三臺磨煤機，燃燒器為四角布置，切向燃燒。燃燒器上一次風噴口中心到屏底距離為21.154m，下一次風噴口中心到冷灰斗拐點距離為4.017m。每角燃燒器共布置17層噴口，包括有6層一次風噴口 （最下面一層為少油點火煤粉燃燒器），7層二次風噴口（其中BC、DE層布置有燃油裝置），4層單獨布置的頂二次風（SOFA）噴口。A層一次風噴口采用中心濃淡燃燒器，B、C、D、E、F層一次風噴口采用水平濃淡分離、中間帶穩燃鈍體的燃燒器。全部燃燒器采用整體上下擺動機構，一次風噴口在水平位置±20°范圍擺動，二次風噴口在水平位置±30°范圍擺動。一次風噴口四周布置有偏置周界風。燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為42.5°和47.5°，在爐膛中心形成逆時針旋向的假想切圓，切圓直徑790mm。

2 現鍋爐存在問題及分析

（1）低負荷（115MW）期間，主、再熱汽溫可達520℃以上，但不容易維持；

（2）大屏過熱器壁溫偏高，壁溫最高491℃，很可能已經發生局部超溫；

（3）部分火檢探頭可能因積灰、負荷較低、爐膛燃燒較差等原因，存在閃爍不穩情況；

（4）低負荷期間，鍋爐渣量較大，干排機、碎渣機，使用負荷較重。

由于正常運行中入爐煤不能保證設計煤種，入爐煤煤質偏離設計煤種很多，含灰量較大，給鍋爐的正常安全運行，尤其是低負荷的穩定運行構成很大威脅。通過我們對強化燃燒問題的探討，從運行角度系統分析了影響穩定燃燒的各種不利因素，并對涉及燃燒系統的有關運行方式進行了優化，使鍋爐的穩燃能力和抗干擾能力大大提高。

3 經試驗調整采用的各種穩燃及提高機組參數的措施

3.1 現貨模式下總風量控制

鍋爐的總風量是根據機組主汽流量并經氧量修正產生，因此在負荷降低的情況下，鍋爐燃燒需要的總風量也隨之降低，但排煙熱損失會相對增大，供電煤耗率上升，總風量的變化也造成爐內平均溫度的變化，燃燒反應速度相應也會產生變化，有可能不利于鍋爐進行低負荷的燃燒穩定。為此運行人員應及時加強對總風量的控制手段，比如在總風量處設置風量偏置，根據爐內實際燃燒情況進行風量偏置設定，穩定著火和強化燃燒。

3.2 在低負荷階段，盡量減少制粉系統的運行層數

鍋爐燃用低揮發份的煤種，為了保證煤粉的燃盡率，設計的制粉系統煤粉細度均偏小，不可避免的造成了一次風粉濃度偏大，實踐證明鍋爐低負荷時對制粉系統運行層數減少，減少了進入爐膛的一次風量，由于需要加熱的風量減少，可以使整個爐膛的截面熱負荷增加，爐膛溫度提高，有利于一次風燃燒器著火，強化了鍋爐的穩燃性能，200MW 負荷以下保持兩臺磨煤機運行，運行磨煤機臺數的減少可有效增加磨煤機的進煤量，進而提高主燃燒區域的溫度水平，從而使火焰集中，溫度提高。燃燒溫度的提高，又促進燃燒反應的正向偏移，增加火焰的穩定性和火焰的強度。

3.3 優化燃燒器運行方式，進一步提高鍋爐的斷面熱負荷

由圖所示。原先燃燒器共6層分為兩組，即下三層（A、B、C層燃燒器為一組），上三層（D、E、F層燃燒器為一組）。A、B、C層燃燒器之間僅有一層二次風間隔，而兩組燃燒器之間即ABC、DEF層之間則間隔CC層、DD層二次風，相距較遠，因此在低負荷運行時，應以下3層運行為最佳運行方式。經過改造后6層燃燒器連續起來，燃燒器區域的斷面熱負荷及火焰燃燒溫度均得到大幅提高，有利于底火的著火和火焰的傳播，增強著火的穩定性。同時，底層火焰良好的燃燒狀態又促進了上層煤粉的著火和穩燃。

圖 燃燒器布置示意圖

3.4 降低一次風率減少著火熱量

由于鍋爐內煤粉氣流著火需要一定的著火熱和預熱熱，而煤粉的著火熱正比與一次風量。因此通過適當降低一次風壓，降低一次風量，從而降低爐膛內著火需要的熱量，促使煤粉氣流提前著火，同時由于一次風率的降低，一次風機的電耗也將下降，但是不同煤質和不同的燃燒器都存在一個最佳的著火濃度，而且揮發份含量較低的煤種，最佳著火濃度往往偏高。因此，煤粉濃度在一定范圍內適當提高，對煤粉氣流的著火燃燒也是有利的。但一次風率的降低不能以一次風管有堵管風險為代價。一次風壓應根據不同煤質和不同一次風燃燒器著火距離及火焰穩定性的強度變化來確定，可以通過實驗的方法進行爐膛四角切圓風壓測試，保證燃燒的穩定。

3.5 優化配風方式

3.5.1 優化二次風的調整

鍋爐壁溫超溫時限是鍋爐的一項重要指標，當實際壁溫超過鋼材最高使用溫度時，金屬的機械性能、金相組織就要發生變化，蠕變速度加快，最后導致管道破裂，機組被迫停運。自2020年3月份電力現貨開始申報以來，長期的低峰運行使得該公司1號爐大屏過熱器第4點金屬壁溫高，該點壁溫較其他測點高30℃左右，并且大屏過熱器出口左、右側汽溫偏差較大，一般在25～50℃。大屏過熱器極易發生超溫，威脅機組安全穩定運行。為了控制壁溫超溫，大量使用一級減溫水，甚至采用節流給水主閥的非常規手段控制壁溫，導致主汽溫度偏低，給水泵耗電率升高，對機組運行經濟性造成較大影響。另一方面，為控制大屏過熱器壁溫超限，致使1號機組負荷調節性能下降，甚至被迫退出電力現貨模式運行。電科院針對此問題進行過多次調整，始終未能達到預期效果。

該公司創新鍋爐燃燒調整方法，采用頂部二次風擺角調整及優化底部二次風風門大小的方式優化了爐膛空氣動力場，使受熱面熱偏差恢復至合理水平，壁溫超溫的問題得到基本解決。爐大屏出口汽溫偏差成功控制在20℃以內，解決了爐壁溫超溫的問題，提高了主汽溫度，保證了一號機組在投入電力現貨模式時的調節性能。

3.5.2 保持合理的爐膛壓差

保持合理的爐膛差壓，二次風壓與爐膛負壓處在一個合理的水平，也就保證進入爐膛內燃燒的二次風量與風速，能夠有效和一次風進行卷吸，增加煤粉、空氣、煙氣活躍的強度，大大增強火焰的旋轉，一方面提高了爐膛燃燒的穩定性，使爐膛火焰充滿度達到極佳，同時也為爐膛內的受熱面營造一個良好的空間，使得鍋爐大屏過熱器左、右汽溫偏差減小，降低了減溫水量，提高了鍋爐的效率。

4 結束語

由于對鍋爐運行方式進行了大幅度優化，采取了強化和穩燃的措施，技術上得到保障，使鍋爐在低負荷階段的穩定性和火焰剛性能力大大增加。在進入廠內的煤種和煤質多變的情況下，空氣干燥基灰份超過40%的情況下，仍能達到60%MCR的深度調峰能力，為進一步提高機組調節性能，迎接電力現貨模式下深度調峰的加、減負荷打下了良好的基礎。