超超临界循环流化床锅炉深度调峰技术可行性探讨

介绍

  随着我国“碳达峰”“碳中和”政策的出台，构建以新能源为主体的新型电力系统势在必行。风光等新能源发电系统具有间歇性、随机性、波动性等特点，对我国电力系统安全稳定运行产生重要的影响，亟需发挥火电机组作为调节型电源作用保障能源结构调整的平稳过渡，这对火电机组快速、深度调节性能提出了更加高的要求。循环流化床（CFB）锅炉以其燃料适应性广、深度调峰能力强等突出特点，在我国得到加快速度进行发展，目前已达到600MW超临界蒸汽参数等级。超临界CFB锅炉深度调峰运行实践表明，锅炉在低负荷稳燃、水动力安全、宽负荷脱硝、快速变负荷等方面仍存在诸多技术难题，制约CFB锅炉深度调峰能力的发挥，影响机组安全经济环保运行。

  现有的CFB机组深度调峰主要是针对亚临界和超临界CFB机组快速变负荷、污染物控制等单个技术环节研究。孙献斌等分析了1台330MWCFB锅炉床温、床压、风量及石灰石量的调节方法，采用紧凑分流回灰换热器控制床温和再热蒸汽温度，锅炉燃烧特性和变负荷性能好。刘吉臻等提出了亚临界及超临界CFB锅炉蓄能的利用模式，通过设计先行能量平衡控制管理系统，缩短了CFB机组负荷响应时间，明显提升变负荷速率，并为大比例掺烧煤泥提供有效操控方法。蔡晋等对1台350MW超临界CFB机组变负荷工况运行参数及其变化趋势做研究，发现合理控制给煤量和风量等运行条件可进行负荷的快速调整，同时选择正真适合的床温和风煤比可使NOx原始排放浓度控制在较低范围。王鹏程等在1台350MW超临界CFB锅炉上进行了深度调峰试验研究，通过锅炉燃烧及配风调整、水动力保持、汽动给水泵汽源压力及环保参数优化等一系列措施，CFB锅炉拥有非常良好的深度调峰性能。当前，超超临界CFB机组的开发和建设一定要满足最新的“双碳”目标，亟需开展极低负荷深度调峰可行性探讨及技术集成创新。

  为此，本文以正在开发建设的660MW超超临界CFB锅炉为研究对象，分析该机组在深度调峰过程中也许会出现的低负荷稳燃、水动力安全、宽负荷脱硝、快速变负荷等方面的问题，通过优化锅炉结构、使用先进控制策略等一系列技术措施，以保证超超临界CFB机组良好的深度调峰性能，可为同类型机组长周期安全可靠运行提供技术参考。

  正在开发建设的660MWCFB锅炉采用超超临界参数直流炉、单布风板单炉膛结构、M型布置，一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、循环流化床锅炉。锅炉由炉膛、4个大直径汽冷旋风分离器、4个外置式换热器、尾部烟道组成。锅炉总体布置见图1。锅炉煤质特性见表1。

  锅炉炉膛采用膜式水冷壁和水冷屏串联方式，炉内布置高温过热器和高温再热器；外置式换热器内布置中温过热器进行床温控制；尾部烟道采用双烟道结构，分别布置低温再热器、低温过热器、省煤器和回转式空气预热器。过热蒸汽温度由水煤比调节，并辅以2级喷水减温作为细调，再热蒸汽温度采用尾部烟道挡板调温，同时设置事故喷水减温器。锅炉采用炉前炉后联合给煤、底部多点进风、后墙排渣方式，设置带有炉水循环泵的启动系统，当锅炉负荷低于25%负荷时启动炉水循环泵以维持水冷壁稳定的工质流量。锅炉采用炉内炉外联合脱硫，炉内低温分级燃烧和选择性非催化还原（SNCR）脱硝。锅炉主要运行参数设计值见表2。

  表3是煤着火稳燃特性判据。从表3中能够准确的看出，锅炉设计煤种和校核煤种均属易着火煤种，稳燃特性较好，对于锅炉低负荷安全运作较为有利。

  为进一步提高锅炉深度调峰性能，满足低负荷稳燃要求，锅炉性能设计时采用一系列集成技术。一是对锅炉受热面吸热分配特性来优化设计，合理分配炉膛及尾部烟道的吸热份额，并采用外置式换热器进行床温调节，确保锅炉满负荷工况下床温达到860℃，30%及以上锅炉负荷工况下床温高于800℃；二是严控入炉煤粒度范围，最大粒度不超过6MM，同时低负荷工况下降低煤泥掺烧比例或者不掺烧煤泥，辅以掺烧部分高热值原煤，减小低负荷下锅炉床温下降程度；三是选取合适一次风比例及布风板风帽阻力，减小低负荷工况下布风板上物料流化不均现象，维持低负荷床温床压稳定。

  低负荷工况下，锅炉给水流量随之下降，冷却工质对水冷壁的冷却能力也将减弱，水动力安全性亟需进行论证。通过锅炉优化设计，采用本生垂直管和低质量流率水冷屏串联技术，水冷壁和水冷屏质量流率约为100kg/（M2·S），使得低负荷工况下水冷壁系统阻力降低的同时管组之间的自补偿特性得以增强，保证水冷壁出口工质温度分布均匀，满足锅炉对水动力安全的要求。“水冷壁＋水冷屏”二次上升水冷壁系统见图2。

  同时，机组还设有炉水循环泵，当锅炉的负荷低于25%负荷时，炉水循环泵开始启动，保证水冷壁中的工质流量基本稳定，使得水冷壁在低负荷工况下仍有足够的工质进行充分冷却，进一步提升水动力安全性。

  锅炉采用床温床压均匀性设计、二次风深度分级、运行氧量优化、烟气再循环等低氮燃烧设计技术，可保证各负荷工况下炉内流化质量和燃烧均匀性，明显降低锅炉NOx原始排放，以此来实现宽负荷脱硝。

  锅炉风室采用底部6点进风方式（见图3），床压分布较传统的后墙进风和两侧进风等方式更加均匀。锅炉采用前后墙联合给煤、后墙排渣方式，保证入炉燃料与空气在炉内均匀混合，提高炉内燃烧的均匀性。锅炉设置4个外置式换热器，其内均布置中温过热器调节床温，减小大截面炉膛沿宽度方向上床温偏差。锅炉采用4个沿炉膛中心线左右对称布置的汽冷型旋风分离器，保证外循环回路几何对称，气固流体动力学模拟结果为（见图4），分离器M型布置方式的炉型4个分离器之间循环灰流量最大偏差为7.9%，可保证锅炉物料循环系统的均匀性，减小各循环回路灰流量偏差对炉内燃烧均匀性的影响。

  由于低负荷工况下锅炉一次风量随负荷下降，炉内流化特性及床温分布也会出现劣化趋势，易造成NOx原始排放量增加。通过床温床压均匀性设计，可有效保证低负荷工况下炉内流化质量和床温均匀，从而将NOx原始排放控制在较低范围。

  超超临界CFB锅炉炉膛高度较超临界CFB锅炉更高，结合锅炉二次风布置数值计算结果（见图5），上下2层二次风口之间距离应在350MW超临界CFB锅炉基础上增加1.5M及以上。通过优化二次风口布置方式及结构尺寸，提高二次风比例，控制一次风比例为40%左右，既保证二次风有效的射流刚度和穿透能力，也增强了炉膛底部还原性氛围，可逐步降低NOx原始排放浓度。

  锅炉运行氧量直接影响锅炉燃烧效率和NOx原始排放。超超临界CFB锅炉炉膛高度较高，燃煤颗粒燃尽时间明显地增加，有效提升了锅炉燃烧效率。在锅炉床温床压均匀性设计的基础上，采用较低流化风速即可保证炉内流化均匀，因此可适当控制锅炉在较低氧量条件下运行，锅炉过量空气系数可由传统的1.2降低到1.15，逐步降低NOx原始排放浓度，尤其是低负荷工况下因锅炉运行氧量降低，NOx原始排放显而易见地下降，此时锅炉燃烧效率并未发生显著变化。

  烟气再循环技术是降低CFB锅炉燃料型NOx原始排放浓度的重要方式之一，通过低氧浓度的烟气置换部分一次风量，在保证流化质量的前提下，加强炉内还原性气氛，并将床温控制在较低水平，减缓变负荷工况下床温大幅度波动，从而大大降低NOx原始排放。另外，低负荷工况下为了能够更好的保证炉内正常流化，锅炉总风量无法随负荷降低，因此锅炉运行氧量较高，而烟气再循环投运后既降低NOx原始排放，也可降低NOx排放折算值。

  （1）耐磨耐火材料性能提升超超临界CFB锅炉无汽包这样的厚壁元件，对锅炉变负荷能力提升较为有利，然而锅炉敷设大量的耐磨耐火材料，其对气温变化有严格的要求，限制了负荷变化速率的逐步提升。通过在役超临界CFB锅炉不断的运行实践和研发技术，新型高强度非金属耐磨耐火材料得到比较广泛的应用，该材料厚度约50MM，温升速率可达到3℃/Min，可适应更快的炉膛温度变化。

  CFB锅炉炉内存有大量的循环物料和耐磨耐火材料，锅炉热惯性较大，影响机组快速变负荷。为此，在锅炉降负荷过程中，通过大量排渣或循环灰存储的方式可大大降低参与炉内传热的细颗粒浓度，进而达到减小炉内蒸发吸热量而快速降负荷的目的，而在锅炉排渣过程中，需要严控床温床压波动，避免对锅炉安全稳定运行产生一定的影响。在锅炉升负荷过程中，通过设置单独的循环灰添加系统，主动向循环系统内添加循环灰或者床料，快速建立起升负荷所需的物料循环，进而达到快速升负荷的目的。

  超超临界CFB机组协调控制管理系统中的锅炉主控回路调节框图见图6。协调控制管理系统锅炉主控回路通常设置功率对应前馈或者机前压力对应前馈。由于直流炉锅炉蓄热量较小，控制难度较大，因此锅炉主控回路采用反映汽轮机所需的能量信号（p1/pT）p0，其中p1为汽轮机第一级压力，pT为汽轮机机前压力，p0为汽轮机机前压力设定值。

  为进一步提升负荷响应能力，需对低负荷工况机组协调控制系统中各控制器参数以及前馈量做较为细致的调整，一是对锅炉主控前馈相关参数进行修正（见图6中虚线），必要时可将几个主要前馈的相关参数设置为机组负荷的函数，以满足机组协调控制系统的具体实际的要求。因低负荷时机组控制对象特性发生明显的变化（见图6中虚线），将锅炉主控PID控制器相关比例、积分、微分参数修改为变参数方案，可满足深度调峰工况下的控制要求。

  超超临界CFB锅炉采用以中间点焓值修正、水跟煤为主的给水控制策略。为满足深度调峰要求，给水控制管理系统设计时可增加其他给水量加速或者修正指令，该指令可采用由压力偏差信号计算得出的信号和考虑减温水量修正的信号等形式，从而加快给水控制管理系统的响应速度，提升给水控制管理系统的控制效果。在机组低负荷运行时给水控制管理系统采用PID变参数、修正函数随着机组负荷或其他参数进行修正，确保机组给水系统的安全可靠运行。

  超超临界CFB锅炉在汽温控制管理系统中选择了随锅炉负荷变化的主、副控制器的变参数逻辑，同时结合机组主蒸汽温度控制管理系统大滞后、非线性的特性，分别对主、副调节回路的设定值以及输出指令增加了修正及前馈回路，确保机组低负荷工况下主蒸汽温度控制性能和响应速度。

  从图8中能够准确的看出，超超临界CFB锅炉燃用设计煤种时，20%及以上锅炉负荷时设计床温达到780℃以上，可维持锅炉的稳定燃烧，因此超超临界CFB锅炉不投油最低稳燃负荷可达到20%～30%。

  从表4中能够准确的看出，不同负荷下水冷壁出口工质温度分布较均匀，水冷屏出口相邻回路工质温度最大偏差仅为7℃。当锅炉负荷低于25%负荷时，锅炉炉水循环泵开始运行，维持水冷壁内工质流量基本不变，因此锅炉深度调峰工况下水动力安全性可得到一定效果保证。

  表5给出了20%及以上负荷锅炉环保性能。从表5中能够准确的看出，采用炉内低氮燃烧设计技术，辅以SNCR脱硝，可保证锅炉宽负荷脱硝能力。

  目前在役超临界CFB锅炉运行实践表明，机组在深度调峰时变负荷速率可达到1.1%/Min～1.7%/Min。

  图9给出了超超临界CFB机组最大变负荷速率预测情况。超超临界CFB锅炉通过逐步优化锅炉本体结构和耐磨耐火材料性能、快速控制变负荷期间炉内床存量、提升机组控制管理系统性能等技术措施，有望实现CFB机组变负荷速率逐步提升，即50%～100%负荷工况下机组变负荷速率预计达到2%/Min，30%～50%负荷工况下变负荷速率预计达到1.5%/Min，30%负荷工况下变负荷速率预计达到1%/Min。

  （1）超超临界CFB锅炉正常工况下可维持较高的床温，最低稳燃负荷可达到20%～30%，此时床温仍接近800℃。通过采用低质量流率的二次上升水冷壁系统、设置炉水循环泵、优化床温床压均匀性、二次风深度分级及控制较低的锅炉运行氧量等措施，可保证锅炉低负荷水动力安全性，同时逐步降低NOx原始排放浓度，实现宽负荷脱硝目的。

  （2）超超临界CFB锅炉通过耐磨耐火材料性能提升、变负荷期间快速控制炉内床存量、机组协调控制管理系统与给水汽温控制逻辑优化等措施，可明显提升机组变负荷速率，有望实现CFB锅炉变负荷速率的逐步提升，在30%负荷及以上工况变负荷速率预计达到1.5%/Min～2%/Min，30%负荷以下工况变负荷速率预计达到1%/Min。

  （3）超超临界CFB锅炉技术是未来CFB锅炉大型化主要发展趋势，正在建设的660MW超超临界CFB锅炉集成了在役超临界CFB锅炉几乎所有的先进设计理念和最新研究成果，深度调峰性能好，可较好地适应“双碳”目标下燃煤机组灵活性运行需求，具有较强的可行性和广泛的应用推广前景。

  葛宪福,张建生,辛胜伟等.超超临界循环流化床锅炉深度调峰技术可行性探讨[J].锅炉技术,2022,53(06):34-40.

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