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火电产业将进入衰退期 灵活性改造面临何种挑战

文章来源:佚名 更新时间:2018年-03月-13日

据中国电力企业联合会预测, 2020年、2030年、2050年是我国火电产业发展的重要节点,未来我国火电产业将进入衰退期。2020年, 火电装机容量占总装机容量61%, 2030年下降到51%, 到2050年进一步下降至38%,而新能源装机占比持续上升, 到2050年, 新能源装机占比已上升至33%。火电装机容量一路下行的数据拐点,无情地证明了火电产业规模逐年递减。

在未来, 火电产业将在产业需求的导向下继续演化。虽说火电产业即将进入衰退,但值得注意的是,在2030年以前, 我国火电产业仍处于成熟阶段, 装机容量占比仍在50%以上。随着我国经济的稳定增长, 电力需求也将进一步扩大, 火电产业仍有为经济增长提供电力保障的需求。在未来十二年内的火电成熟期里, 火电仍是我国的主力电源。

然而不容置疑的是,由于资源枯竭和环境污染等问题日益突出, 火电作为传统高耗能、高污染产业, 亟待转型升级, 来提高能源利用效率, 减少污染物排放。针对当前火电产能严重过剩和电网需对新能源大量吸纳的双重压力下,国家已出台火电运行灵活性的指导意见,并公布了22个电厂作为试点。可见,灵活性运行已成为火电行业的大势所趋,并且显得迫在眉睫。

锅炉燃烧优化——灵活性改造的挑战

火电机组分为热电机组和凝汽机组两大类,欧美多数广泛使用热电联产机组,但其中较大比重为大容量抽凝式机组;国内两类机组都普遍存在,热电机组装机容量大约为火电总装机容量的32%。火电机组灵活性主要包括机组的调峰深度,爬坡能力和启停速度等内容。调峰运行方式的优化和锅炉燃烧系统的优化改造是火电机组灵活性改造的主要手段。

提高火电灵活性, 包括改善机组调峰能力、爬坡速度、启停时间等多个方面。目前, 我国纯凝机组在实际运行中的调峰能力一般为额定容量的50%左右, 典型的抽凝机组在供热期的调峰能力仅为额定容量的20%。通过灵活性改造, 预期将使热电机组增加20%额定容量的调峰能力, 最小技术出力达到40%-50%额定容量;纯凝机组增加15%-20%额定容量的调峰能力, 最小技术出力达到30%-35%额定容量。然而灵活性运行甚至深度调峰将使机组长期处于低负荷状态,而在低负荷运行时,锅炉的燃烧稳定性是首要考虑的问题,其本质也是燃烧的温度问题。

近年来,我国电站锅炉飞速发展,在大型化、高参数的道路上取得了显而易见的成果。大型化方面,已投运的百万机组近百台,阳西二期2x124万机组已在建,平山二期2x135万机组已提上日程。高参数方面,二次再热在六十万机组及百万机组上也已成功运用,主蒸汽最高设计压力达32MPa,再热气温高达620℃。

大型化、高参数能从根本上提高机组的总效率,但由于机组容量及参数一旦确定,就无法轻易改变,若想进一步提高机组的效率,就要靠精细化的燃烧优化调整来实现。事实上,基于当前电厂煤质多变、辅机配置各不相同和运行工况的复杂性,这些特点使得通过运行调整以进一步提高效率面临较多困难,但同时也为此留下了空间。

锅炉燃烧优化在火电的灵活性改造中占有重要的地位。现如今,我国大部分电厂出现了混煤燃烧的情况,在此种形势下,调整与优化锅炉燃烧运行显得非常急迫。在灵活性运行已提上日程的大背景下,燃烧优化运行调整显得更加重要。

锅炉燃烧优化可采取的手段

可以毫不夸张地说,燃烧系统是整个锅炉的心脏,炉膛内部温度场的分布对燃烧优化调整有着重要的参考意义。温度偏高、偏低或不均匀都会对安全、经济运行带来不利影响。温度偏低会导致燃烧不稳定、不充分,同时换热量减少引起蒸发量不足,最终导致锅炉效率下降,此外,锅炉低负荷运行时较低的燃烧温度使机组面临灭火停炉的事故风险。温度偏高,使受热面壁温升高,降低受热面的使用寿命,也会加大结焦、爆管和非计划停炉的风险,温度型NOx升高,还可能使炉膛出口烟温超过SCR脱硝烟温的上限,对低NOx排放带来压力。燃烧温度分布不均,则会直接影响受热面的受热均匀性,使蒸汽出口温度偏差加大,严重时产生水动力问题,同时会引起炉内气流的不均匀,致使火焰冲墙贴壁,加剧受热面的高温腐蚀,为了降低飞灰大渣含碳量而盲目提高总空气量,还可能导致过量空气系数的升高,排烟损失增大,致使锅炉效率下降。

锅炉燃烧情况的好坏对于整个发电机组的运行经济性、安全性具有非常重要的影响。调节燃烧的关键任务在于,顺应外界负荷的需求,在提供合格蒸汽的同时,确保锅炉运行的经济性与安全性。对于普通固态排渣煤粉锅炉,调解燃烧的目标可分成以下方面:确保其正常的汽压、蒸发量和汽温。燃烧稳定,火焰均匀,燃烧器不受损害,避免出现结渣的现象,以此来促进锅炉机组实现最大化的经济性。

燃烧调整的目的是保证燃烧的安全性、稳定性、经济性,确保锅炉的汽温、汽压和蒸发量满足要求,并维持较低的污染物排放水平。燃烧调整的目标主要包括:着火点位置适当,火焰稳定,火球居中不刷墙(这里针对四角切圆炉),火焰充满度高,受热面不结焦,热负荷分配均匀,过/再热汽温偏差小,炉膛出口烟温合理,燃煤燃尽程度高,NOx污染物排放低。

为达到燃烧调整目标可以采取的措施主要包括:煤粉细度的选定;一次风粉的调平;各二次风(包括分离燃尽风、辅助风和燃料风等)的合理分配;一二次风的比例选择;总风量的确定(即确定合适的过量空气系数);燃烧器喷嘴摆角大小;燃烧器的投运层(尤其在低负荷下)。

煤粉细度主要取决于干燥无灰基挥发分,煤粉选取的细有利于着火稳燃,且不易结渣,但会影响磨煤机出力,制粉电耗也会增加。此外,对于确定的磨煤机其细度调节范围十分有限,面对多变的煤种,磨煤机调整煤粉细度将力不从心。

一次风粉调整多是通过调整磨煤机一次风量和煤粉管道上可调缩孔(也称节流圈)来实现。磨煤机中一次风量取决于通风量和干燥量的最小量,不可随意调节,可调缩孔可以实现无级调节,但实际运行中仍然会存在全开的煤粉管道阻力依然很大,而且实践中可调缩孔无操作平台或长期不操作已无法调整,这些都使一次风粉调整的效果大打折扣。

二次风的分配是通过改变每级二次风门的开度实现的,实践中存在的主要问题是风门机械结构卡涩或DCS开度、风门外指示牌开度与实际开度不一致,这些都给现场运行调整造成困难。

一二次风比例的调整很大程度上是燃烧效率与NOx排放量的平衡,二次风过大,有利于低NOx燃烧,但不利于煤粉尤其大颗粒的燃尽,而且可能造成主燃烧区的还原性气氛,导致高温腐蚀和结焦,因此需要综合考虑。

过量空气系数过大,排烟损失q2、NOx排放量及风机电耗增加;过小化学未完全燃烧损失q3及机械未完全燃烧损失q4会加大。因此,一定负荷总对应一个合理的过量空气系数,使q2+q3+q4最小。大量实践表明,使炉膛出口氧量达到3%左右的过量空气系数是合适的。

燃烧器摆角调整范围为一次风上下摆动20°,对应二次风上下摆动30°。上下摆动是通过改变火焰中心位置达到调节再热气温的目的,同时对烟气出口温度有一定的调节作用。运行人员应每班试摆动一次,以使燃烧器根据需要随时可摆动。

磨煤机的不同投运层组合与燃烧器摆角调整类似,同样可以达到改变火焰中心的作用,而且效果更加明显。在机组低负荷运行及煤质较差时,一般采用相邻的几台磨一起运行以提高燃烧稳定性。需要指出,备运磨对应的燃烧器层(尤其是上层燃烧器时)应加强冷却通风,避免煤粉喷嘴烧损。

锅炉运行调整中,在保证安全运行基础上,还要做到经济运行,提高锅炉效率。一般的锅炉机组,效率基本可以达到92%以上,各项损失之和不到8%。最大损失是排烟热损失,一般5——6%,其次是机械未完全燃烧热损失1-1.5%,散热损失和灰渣物理热损失合计1%左右。(对高灰份煤灰渣物理热损失会更大)。从指标量化看,要提高锅炉效率,重点是降低排烟损失和机械未完全燃烧热损失。注意排烟温度的变化,排烟温度过高,影响锅炉效率,过低容易造成空预器的低温腐蚀,所以要求在运行中根据负荷的变化加强调整。在煤质变化比较大或燃料量明显增加时,及时调整总风量和一二次风温。

(1)控制好锅炉总风量

锅炉风量的配给,不仅影响锅炉效率的高低,而且过量的空气量过大还会增加送、引风机的电耗,增加厂用电率,致使供电煤耗攀升。要保持合适的风量可通过观察氧量值,一般在3-4%左右,对于不同煤种在飞灰含碳量不增加的情况下可考虑低氧燃烧,实现降低排烟损失的目的。但要根据锅炉所烧煤种的结渣特性,注意尽量保持锅炉出口烟温低于灰渣的软化温度,以减轻结渣的程度,对于易结渣煤种,可以适当保持氧量高一些,避免出现还原性气氛,减少结渣。

(2)降低排烟温度

a.锅炉吹灰器正常运行,及时吹灰,保证受热面清洁; b.防止空预器堵灰,可从出入口压差判断,当压差增大时就有可能是堵灰,要及时吹灰; c.控制锅炉火焰中心位置,在过热汽温和再热汽温合适的情况下可下调火焰中心,可以通过对上中下各层喷燃器的配风量进行调整, d.要尽量提高进入预热器的空气温度,一般不低于20℃(冬季投入暖风器),以利于强化燃烧。特别是在低负荷阶段,往往出现锅炉氧量过高的情况,既对燃烧不利,也增加了风机单耗。

(3)降低飞灰含碳量 飞灰含碳量是指飞灰中碳的质量百分比(%)。飞灰含碳量越大,损失也越大。影响飞灰碳损失的因素很多,包括:煤可磨性系数,煤粉细度,燃烧动力场,炉膛内温度水平、风煤比、锅炉总用风量、一次风量、一二次风量配比、一次风速、二次风速等,这些因素必须通过反复试验后进行合理配比,实现最佳运行工况,以获得飞灰碳损失最小。 燃煤发热量一般在18000-21000kJ/kg,挥发份30%,灰份20%左右,应确定经济的煤粉细度,其方法为:做出煤粉细度与飞灰曲线、煤粉细度制粉单耗曲线,两曲线的交点所对应的细度就是经济煤粉细度,即煤粉燃烬和制粉耗电率之间的最佳组合。最佳煤粉细度一般维持R90=20%左右。

在锅炉燃烧调整中,一次风的使用应根据煤种特性而定,一次风量的确定原则上应满足燃料中挥发份着火的需要,同时要兼顾磨煤机的干燥出力和通风出力,三者之间寻找一个最佳点。确定适当的风煤比曲线,是保证制粉系统安全、经济运行的重要基础,强调在主燃烧区适当欠氧,在燃尽阶段补充一定的氧量,实现完成燃烧。

综上所述,燃烧优化调整的手段是多方面的,但每种手段的调整效果都直接或间接地反应在燃烧温度场上,燃烧火焰温度场分布既是燃烧调整的依据,也是燃烧优化调整结果优劣的判据。

温度场测量——给锅炉装上眼睛

随着科技的发展及控制技术的发展,为适应锅炉燃烧优化调整的需要,经过技术专家们多年研究和试验,锅炉炉膛燃烧器区域温度场的精准测量技术已经成熟,而且通过一些电厂的实际测试证实是可行可靠可用的。我们称之为燃烧器区域火焰温度场测量系统,该系统利用先进的、稳定的、可靠的测量技术,通过安装在每一只燃烧器附近的温度场探头,针对每一只燃烧器形成的火焰及高温烟气进行温度测量,从而为获得锅炉燃烧器区域的温度场提供了必要的保证。锅炉温度场测量设备就像锅炉的眼睛,实时提供精确可靠的数据,帮助运行人员更好地优化锅炉燃烧,实现火电的节能减排。

通过采集温度场数据,使得炉膛温度场分布在运行人员眼中变得透明可视,为运行人员通过温度场数据判断燃烧工况组织是否合理,是否造成了四角燃烧不均匀、是否存在火焰中心偏斜及火焰刷墙等情况,提供精准可靠的数据支持。同时为运行人员进行燃烧优化调整,优化燃烧器火焰温度场的分布提供必要的支持和保证。基于火焰温度场测量系统的燃烧优化调整最终使得锅炉污染物排放明显下降、煤耗降低、锅炉效率得到提高。

它能实时监测里面温度变化,监督温度场变化,再进行调整,通过系统,一方面帮电厂节能,降低标准煤耗,同时降低污染排放,这是系统带给电厂最大的价值。

可以说,燃烧器区域火焰温度场测量系统对锅炉燃烧优化调整有着不可代替的作用。它既是燃烧调整的依据,也是燃烧优化调整结果优劣的判据。在未来一段时间内,温度场测量系统也必将成为火电灵活性改造的一大趋势。

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