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適應(yīng)燃煤電廠靈活調(diào)峰的安全改造技術(shù)探討
在化石燃料逐漸枯竭和環(huán)境問(wèn)題不斷突顯的雙重壓力下,，可再生能源發(fā)電成為了電力系統(tǒng)zui有前景的選擇,。然而，可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展與原燃煤電廠的兼容性問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注,。為滿足可再生能源的應(yīng)用與發(fā)展,，對(duì)燃煤電廠的靈活調(diào)峰能力要求越來(lái)越高。
本文分別從低負(fù)荷穩(wěn)燃,、快速啟停和快速升降負(fù)荷三個(gè)方面介紹靈活調(diào)峰過(guò)程中所帶來(lái)的運(yùn)行安全問(wèn)題以及相應(yīng)的安全改造技術(shù),。zui后對(duì)安全性技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，希望能夠?qū)窈笕济弘姀S靈活調(diào)峰技術(shù)的優(yōu)化提供參考,。
關(guān)鍵詞：燃煤電廠;低負(fù)荷穩(wěn)燃;快速啟停;快速升降負(fù)荷
能源是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的重要保障[1],。當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)不僅面臨著能源匱乏問(wèn)題，同時(shí)也面臨著生態(tài)不斷惡化的困境,。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力,，社會(huì)一致認(rèn)為可再生能源的應(yīng)用是人類(lèi)社會(huì)能源轉(zhuǎn)型的必然選擇[2]。在未來(lái)電力系統(tǒng)的能源規(guī)劃中,，可再生能源發(fā)電占據(jù)了較高的比例,。
例如，歐洲,、美國(guó)和中國(guó)分別提出到2050年將實(shí)現(xiàn)100%,、80%和60%可再生能源電力系統(tǒng)的藍(lán)圖[3]。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到2396GW和2696GW發(fā)電量,，包括水電等其它可再生能源在內(nèi)的發(fā)電量將達(dá)到總量的85.8%[4]。中國(guó)的十二五和十三五兩個(gè)五年計(jì)劃中也明確表示將加大可再生能源的利用[5],。
這些可再生能源包括：水力發(fā)電,、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電和核電,。從國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃來(lái)看，可再生能源的發(fā)展具有一定的戰(zhàn)略價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[6],。
風(fēng)電作為典型的可再生能源具有儲(chǔ)量豐富,、可再生、廣泛分布和*等優(yōu)點(diǎn),，截至到2011年,，中國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到62.4GW，占據(jù)世界總量的1/4[7],。近年來(lái),，由于“三北”地區(qū)冬季供暖期的需要,，多數(shù)“以熱定電”的火電機(jī)組出力大幅上升，進(jìn)而留給風(fēng)電的上網(wǎng)空間非常有限,，導(dǎo)致了中國(guó)嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象,。
在2016年上半年，甘肅棄風(fēng)率高達(dá)47%,，新疆棄風(fēng)率為45%[8],。對(duì)于風(fēng)電發(fā)展的問(wèn)題在于發(fā)電源和消耗端的不匹配，三北地區(qū)風(fēng)電多,，而用電端主要在東南地區(qū)[9],。其它可再生能源的發(fā)展也受到了類(lèi)似的制約。除了大中型水電具有較好的調(diào)節(jié)性能外,，風(fēng)電,、太陽(yáng)能發(fā)電的可控性較差，可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性給電力系統(tǒng)帶來(lái)了較多的不確定性[10],。
火電機(jī)組相比于可再生能源發(fā)電具有較強(qiáng)的可操作性,。為解決新能源的消納問(wèn)題，提升燃煤發(fā)電機(jī)組靈活性是我國(guó)乃至世界能源發(fā)展的必經(jīng)之路[11-12],。預(yù)計(jì)到2020年非化石燃料的比例達(dá)到15%,。燃煤發(fā)電的功率為50GW-100GW。在不考慮環(huán)境影響因素的前提下,，燃煤發(fā)電的裝機(jī)容量達(dá)到200GW[13],。
為了保證可再生能源的應(yīng)用以及其發(fā)電能力不受限制，燃煤電廠的靈活調(diào)峰勢(shì)在必行[14],。本文分別從低負(fù)荷穩(wěn)燃,、快速啟停和快速升降負(fù)荷三個(gè)方面介紹靈活調(diào)峰過(guò)程中容易出現(xiàn)的安全性問(wèn)題，并總結(jié)了當(dāng)前相應(yīng)的技術(shù)措施以及對(duì)后續(xù)靈活調(diào)峰安全性問(wèn)題預(yù)防的展望,，希望對(duì)今后靈活調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展提供幫助,。
1靈活調(diào)峰的目標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)
提升燃煤電廠調(diào)峰的靈活性主要包括低負(fù)荷穩(wěn)燃、快速啟停以及快速升降負(fù)荷能力,。隨著可再生能源發(fā)電比例的加大,，對(duì)這三方面能力的要求更為嚴(yán)格，同時(shí)在靈活調(diào)峰過(guò)程中也出現(xiàn)的相應(yīng)的安全性問(wèn)題,。
1.1低負(fù)荷穩(wěn)燃
為適應(yīng)可再生能源發(fā)電比例的增加,，燃煤電廠zui低負(fù)荷要從額定負(fù)荷的40%降低到20%的超低負(fù)荷。鍋爐在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),，火焰在爐內(nèi)的充滿程度會(huì)比高負(fù)荷時(shí)差,，這將導(dǎo)致?tīng)t膛熱負(fù)荷的不均勻。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低到一定程度時(shí),，由于爐內(nèi)溫度下降,，導(dǎo)致煤粉氣流的著火距離增大,，同時(shí)火焰對(duì)爐壁輻射損失相對(duì)增加，所以就容易出現(xiàn)燃燒的不穩(wěn)定,。
爐膛內(nèi)燃燒工況的不穩(wěn)定,，對(duì)煤火檢信號(hào)有較強(qiáng)的干擾，嚴(yán)重時(shí)將造成磨煤機(jī)的跳閘,，甚至鍋爐熄火,。鍋爐側(cè)良性水循環(huán)的前提是需要水冷壁能夠得到充分的冷卻，其中重要的標(biāo)志就是與管壁接觸的工質(zhì)是循環(huán)流動(dòng)的水,，而不是緩慢流動(dòng)的蒸汽[15],。在低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)將偏離設(shè)計(jì)值,。
長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷的運(yùn)行會(huì)由于汽壓降低水動(dòng)力不足等原因?qū)е聯(lián)Q熱不均[16],。當(dāng)水冷壁的熱量不能被工質(zhì)及時(shí)帶走，將導(dǎo)致水冷壁溫度持續(xù)上升,，傳熱惡化后不僅會(huì)出現(xiàn)水冷壁的局部膜化沸騰,，甚至?xí)霈F(xiàn)超溫爆管。另外,，熱應(yīng)力頻繁作用時(shí),，水冷壁的焊縫位置也容易產(chǎn)生裂紋，對(duì)機(jī)組的壽命損耗較大,。
低負(fù)荷運(yùn)行使得蒸汽溫度過(guò)低,，進(jìn)而增加了排汽濕度，蒸汽中的小水滴對(duì)葉片的沖蝕作用明顯加大,。當(dāng)汽流在動(dòng)葉片根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)汽流脫離,，形成倒渦流區(qū)時(shí)，便形成了水蝕,。水蝕會(huì)造成葉柵的氣動(dòng)性能惡化,，水沖蝕葉片留下的凸凹不平的邊緣易形成應(yīng)力集中。
這種水蝕作用不僅能夠引起葉片截面變小以及強(qiáng)度下降,，甚至?xí)l(fā)裂紋和斷裂,。另外，低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)輔機(jī)也帶來(lái)不利的影響,。低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中,，除氧器壓力較低,造成汽前泵入口壓力較低,有效汽蝕余量偏低,易造成汽前泵汽蝕。給水量減少,，再加上由于汽蝕造成給水對(duì)汽前泵內(nèi)壁作用力的改變，引起汽前泵軸向推力變化,，易造成串軸現(xiàn)象,。
鍋爐廠給定的zui低負(fù)荷是根據(jù)設(shè)定煤種來(lái)確定的,，中國(guó)主要采用劣質(zhì)煤作為動(dòng)力用煤。在低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中,，實(shí)際值與設(shè)計(jì)值具有很大的偏差,，這對(duì)給粉系統(tǒng)提出了更高的要求[17]。此外,，在極低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),，大幅開(kāi)啟或關(guān)小減溫水量導(dǎo)致主蒸汽和再熱蒸汽溫度大幅波動(dòng)及過(guò)熱器再熱器管壁溫劇變引起氧化皮脫落
1.2快速啟停
燃煤電廠靈活調(diào)峰對(duì)快速啟停能力的要求從4h減到2h。機(jī)組的每次啟停都會(huì)造成換熱器內(nèi)壓力和溫度場(chǎng)迅速變化,，進(jìn)而對(duì)元件疲勞應(yīng)力有很大沖擊[19],。機(jī)組的快速啟停使得機(jī)組各部件冷熱狀態(tài)交替，這種部件內(nèi)的大溫差容易造成膨脹或者收縮不暢,。汽輪機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備,，各國(guó)對(duì)機(jī)組振動(dòng)也有嚴(yán)格要求。
由于蒸汽對(duì)不同部件以及相同部件的不同位置加熱程度的差異,，將導(dǎo)致汽缸和轉(zhuǎn)子在徑向和軸向產(chǎn)生較大溫差,，容易導(dǎo)致熱變形。盡管汽輪機(jī)具有嚴(yán)格的運(yùn)行規(guī)程和限制排汽缸超溫的措施,。但是由于機(jī)組的快速啟停,，排汽溫度隨之變化也將引起汽輪機(jī)的熱變形。
一般電除氧器是設(shè)計(jì)在較高負(fù)荷范圍內(nèi)的定壓運(yùn)行,在機(jī)組啟停時(shí)為滑壓運(yùn)行方式,。負(fù)荷的大幅度變化將使除氧器殼體出現(xiàn)較大的內(nèi)外壁溫差和熱應(yīng)力,，在快速啟停過(guò)程中，除氧器殼體和水箱也將隨之承受著交變應(yīng)力,。加上腐蝕介質(zhì)作用導(dǎo)致的腐蝕疲勞,，將帶來(lái)除氧器和水箱壽命的損耗[20]。
1.3快速升降負(fù)荷
提高快速升降負(fù)荷能力是燃煤電廠靈活調(diào)峰的一項(xiàng)重要內(nèi)容,，目前快速升降負(fù)荷能力要求從2%MCB/min提高到5%MCB/min,。汽輪機(jī)在快速升降負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)子和氣缸都會(huì)隨著蒸汽溫度大范圍的增加而出現(xiàn)明顯的膨脹或者收縮,。因此,，熱膨脹問(wèn)題就成為了靈活調(diào)峰時(shí)一個(gè)重要的限定因素。
的膨脹過(guò)大會(huì)增加機(jī)組的震動(dòng),，進(jìn)而需要降低負(fù)荷變化速率,。由于機(jī)組按照基本負(fù)荷設(shè)計(jì)的動(dòng)靜間隙比按調(diào)峰要求的機(jī)組間隙要小得多，過(guò)大的相對(duì)膨脹(脹差)容易造成機(jī)組振動(dòng)突增,、彎軸,、動(dòng)靜部分損壞等嚴(yán)重事故。影響機(jī)組脹差的主要因素包括蒸汽溫度,、蒸汽溫度變化速率,、軸封供汽溫度,、真空度、汽缸,、法蘭和螺栓等裝置,。
2應(yīng)對(duì)技術(shù)
2.1低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)
根據(jù)燃燒理論可知，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下的穩(wěn)定著火需要保證合適的煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?duì)于控制爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒的應(yīng)對(duì)措施[21]包括：1)采用新型低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器;2)適當(dāng)降低一次風(fēng)速;3)提高一次風(fēng)中煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù);4)提高煤粉細(xì)度;5)提高磨煤機(jī)出口溫度;6)提高各燃燒器風(fēng)粉分配均勻性;7)采用集中火嘴對(duì)于對(duì)燃燒鍋爐;8)等離子助燃技術(shù);9)投入鍋爐zui低層油槍助燃;10)煤粉/生物質(zhì)混燒低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù),。
目前，在低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器方面的研究取得了顯著的進(jìn)展,，下面對(duì)一些低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器的工作原理進(jìn)行介紹,。低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器包括：微油燃燒器、大功率等離子燃燒器,、富氧燃燒器和煤粉生物質(zhì)混燒燃燒器,。微油燃燒器采用少量的油引燃濃縮的煤粉，使揮發(fā)分提前吸出,，強(qiáng)化著火性能,。
如圖1所示，微油點(diǎn)火穩(wěn)燃燃燒器[22]由彎頭,、油燃燒室,、煤粉一級(jí)燃燒室、煤粉二級(jí)燃燒室,、煤粉三級(jí)燃燒室等組成,，能夠通過(guò)高能氣化油槍逐級(jí)點(diǎn)燃煤粉，達(dá)到節(jié)油的目的,。其工作原理為高溫油氣火焰與高濃度的煤粉氣流在一級(jí)燃燒室內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),，并為后續(xù)二級(jí)燃燒室和三級(jí)燃燒室內(nèi)的煤粉點(diǎn)燃提供能量，實(shí)現(xiàn)能量的逐級(jí)放大,，zui終在燃燒器出口產(chǎn)生的煤粉火焰能夠達(dá)到1200℃左右,。
如圖2所示，富氧微油燃燒器[23]是將具有較強(qiáng)霧化能力的富氧與燃油混合燃燒,，產(chǎn)生的高溫油火焰引入濃相煤粉燃燒區(qū)實(shí)現(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)迅速著火燃燒,，著火后再與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃。大功率等離子燃燒器是采用大功率等離子槍產(chǎn)生高溫電弧,，使揮發(fā)分提前吸出,，強(qiáng)化著火。
圖3呈現(xiàn)了等離子發(fā)生器的工作原理[24],。首先,，設(shè)定電源的工作輸出電流，在冷卻水和壓縮空氣均滿足要求后，直線發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)陰極與陽(yáng)極接觸,，工作電流穩(wěn)定后,，直線電動(dòng)機(jī)推動(dòng)陰極向后移動(dòng),。再陰極離開(kāi)陽(yáng)極的瞬間,，電弧產(chǎn)生。在空氣動(dòng)力和磁場(chǎng)雙重作用下,，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧進(jìn)行放電,，生成高溫等離子體。
等離子體產(chǎn)生的高溫能夠使煤粉氣流深度裂解,，產(chǎn)生更多的揮發(fā)分并迅速點(diǎn)燃,，形成穩(wěn)定的煤粉火焰。富氧燃燒器是在一次風(fēng)噴嘴體內(nèi)噴入適量的氧氣,，提高一次風(fēng)的氧濃度,，降低著火熱，從而強(qiáng)化著火,。圖4為美國(guó)AirLiquide公司[25]開(kāi)發(fā)的同軸射流氧氣分級(jí)純氧燃燒器結(jié)構(gòu)圖,，其中燃料被內(nèi)側(cè)一次氧氣和外側(cè)二次氧氣包裹。
通過(guò)改變一次氧氣量能夠?qū)崿F(xiàn)火焰長(zhǎng)度的靈活條件,，能夠適應(yīng)不同熱負(fù)荷和不同燃料種類(lèi),。圖5給出了清華大學(xué)和哈爾濱鍋爐廠聯(lián)合研發(fā)的煤粉/生物質(zhì)混燒旋流燃燒器。其中一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入爐膛,，生物質(zhì)是通過(guò)中心風(fēng)攜帶進(jìn)入爐膛,。
另外，穩(wěn)燃器保證了環(huán)形內(nèi)部煤粉分布均勻,。一次風(fēng)管道內(nèi)的錐形煤粉濃縮器將大量的煤粉濃縮于內(nèi)環(huán),，使得煤粉燃燒器出口形成風(fēng)包粉狀態(tài)。經(jīng)濃縮作用后的一次風(fēng)和旋流內(nèi)二次風(fēng),、旋流外二次風(fēng)調(diào)節(jié)協(xié)同配合,，達(dá)到逐級(jí)配風(fēng)的效果，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃的作用,。
2.2水冷壁安全防護(hù)技術(shù)
水冷壁安全防護(hù)技術(shù)用于適應(yīng)快速啟停,。維持良性的水循環(huán)需要的監(jiān)測(cè)與有效的措施雙重手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前主要的有效措施包括：1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水冷壁溫度的變化;2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽包上下壁溫及溫差,、汽包與水冷壁溫差等參數(shù)及其變化;3)保持兩臺(tái)汽泵運(yùn)行,，保證汽源滿足需求。另外,，核算管間偏差,、核算水循環(huán)安全性、設(shè)置必要的壁溫測(cè)點(diǎn)也具有重要的作用。
2.3快速升降負(fù)荷安全性技術(shù)
在快速負(fù)荷升降過(guò)程中,，對(duì)于超臨界技術(shù)需要注意以下幾點(diǎn)：1)關(guān)注分離器工質(zhì)過(guò)熱度,。注意給水泵與磨煤機(jī)之間需協(xié)調(diào)密切，確保煤水比合理,。2)避免省煤器工質(zhì)汽化,。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意控制變負(fù)荷速度，鍋爐壓力及省煤器出口過(guò)冷度,，防止汽化,。
對(duì)于亞臨界技術(shù)需要做到：1)定壓運(yùn)行，有利于控制壓力波動(dòng)對(duì)鍋筒飽和溫度的影響,，盡可能減少壓力波動(dòng)對(duì)汽水水位的影響,，有利于控制鍋筒水位。2)關(guān)注鍋筒內(nèi)外壁溫差,，嚴(yán)格控制上下,、內(nèi)外溫差，確保鍋筒安全,。3)避免省煤器工質(zhì)汽化,。采用較高壓力定壓運(yùn)行，應(yīng)注意控制變負(fù)荷速度,、鍋爐壓力及省煤器出口過(guò)熱度,，防止汽化。
3結(jié)論與展望
隨著電廠靈活調(diào)峰需要的不斷增加,，燃煤電廠在降低負(fù)荷運(yùn)行方面進(jìn)行了不斷的嘗試,。盡管燃煤電廠靈活調(diào)峰在消納新能源電力方面取得了顯著的成績(jī)，但靈活調(diào)峰過(guò)程對(duì)燃煤電廠自身的運(yùn)行也帶來(lái)了不可忽視的沖擊,。本工作分別從低負(fù)荷穩(wěn)燃,、快速啟停和快速升降負(fù)荷三個(gè)方面展開(kāi)分析了靈活調(diào)峰帶來(lái)的安全性問(wèn)題。
zui主要的是低負(fù)荷的穩(wěn)定燃燒以及各部件換熱不均對(duì)元件帶來(lái)的損耗,，甚至是引發(fā)的事故,。對(duì)于靈活調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展，可能在鍋爐側(cè)穩(wěn)定著火方面引入新的技術(shù)進(jìn)一步地改進(jìn),，對(duì)各部件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力要增強(qiáng),，并且增加相應(yīng)的局部調(diào)節(jié)措施。
另外,，靈活調(diào)峰的熱應(yīng)力沖擊對(duì)金屬元件的壽命損耗更值得關(guān)注,，在各金屬材料的選擇上，需要在進(jìn)一步的優(yōu)化,?？傊?，引進(jìn)新進(jìn)技術(shù)、提升監(jiān)測(cè)能力和相應(yīng)的校核計(jì)算可能是適應(yīng)燃煤電廠進(jìn)一步靈活調(diào)峰的發(fā)展方向,。