适应燃煤电厂灵活调峰的安全改造技术探讨

在化石燃料逐渐枯竭和环境问题不断突显的双重压力下，可再生能源发电成为了电力系统最有前景的选择。然而，可再生能源发电的迅速发展与原燃煤电厂的兼容性问题越来越引起人们的关注。为满足可再生能源的应用与发展，对燃煤电厂的灵活调峰能力要求越来越高。
本文分别从低负荷稳燃、快速启停和快速升降负荷三个方面介绍灵活调峰过程中所带来的运行安全问题以及相应的安全改造技术。最后对安全性技术的发展进行展望，希望能够对今后燃煤电厂灵活调峰技术的优化提供参考。
能源是人类社会生存和发展的重要保障[1]。当今人类社会不仅面临着能源匮乏问题，同时也面临着生态不断恶化的困境。为应对能源危机和
环境污染的双重压力，国际社会一致认为可再生能源的应用是人类社会能源转型的必然选择[2]。在全球未来电力系统的能源规划中，可再生能源发电占据了较高的比例。
例如，欧洲、美国和中国分别提出到2050年将实现100%、80%和60%可再生能源电力系统的蓝图[3]。对于中国来说，风电和太阳能发电装机容量将分别达到2396GW和2696GW发电量，包括水电等其它可再生能源在内的发电量将达到总量的85.8%[4]。中国的十二五和十三五两个五年计划中也明确表示将加大可再生能源的利用[5]。
这些可再生能源包括：水力发电、风电、太阳能发电和核电。从国民经济和社会发展的中长期规划来看，可再生能源的发展具有一定的战略价值和现实意义[6]。
风电作为典型的可再生能源具有储量丰富、可再生、广泛分布和零污染等优点，截至到2011年，中国风电总装机容量达到62.4GW，占据世界总量的1/4[7]。近年来，由于“三北”地区冬季供暖期的需要，多数“以热定电”的火电机组出力大幅上升，进而留给风电的上网空间非常有限，导致了中国严重的弃风现象。
在2016年上半年，甘肃弃风率高达47%，新疆弃风率为45%[8]。对于风电发展的问题在于发电源和消耗端的不匹配，三北地区风电多，而用电端主要在东南地区[9]。其它可再生能源的发展也受到了类似的制约。除了大中型水电具有较好的调节性能外，风电、太阳能发电的可控性较差，可再生能源发电的波动性和随机性给电力系统带来了较多的不确定性[10]。
火电机组相比于可再生能源发电具有较强的可操作性。为解决新能源的消纳问题，提升燃煤发电机组灵活性是我国乃至世界能源发展的必经之路[11-12]。预计到2020年非化石燃料的比例达到15%。燃煤发电的功率为50GW-100GW。在不考虑环境影响因素的前提下，燃煤发电的装机容量达到200GW[13]。
为了保证可再生能源的应用以及其发电能力不受限制，燃煤电厂的灵活调峰势在必行[14]。本文分别从低负荷稳燃、快速启停和快速升降负荷三个方面介绍灵活调峰过程中容易出现的安全性问题，并总结了当前相应的技术措施以及对后续灵活调峰安全性问题预防的展望，希望对今后灵活调峰技术的发展提供帮助。
1灵活调峰的目标与安全风险
提升燃煤电厂调峰的灵活性主要包括低负荷稳燃、快速启停以及快速升降负荷能力。随着可再生能源发电比例的加大，对这三方面能力的要求更为严格，同时在灵活调峰过程中也出现的相应的安全性问题。
1.1低负荷稳燃
为适应可再生能源发电比例的增加，燃煤电厂最低负荷要从额定负荷的40%降低到20%的超低负荷。锅炉在低负荷下运行时，火焰在炉内的充满程度会比高负荷时差，这将导致炉膛热负荷的不均匀。当机组负荷降低到一定程度时，由于炉内温度下降，导致煤粉气流的着火距离增大，同时火焰对炉壁辐射损失相对增加，所以就容易出现燃烧的不稳定。
炉膛内燃烧工况的不稳定，对煤火检信号有较强的干扰，严重时将造成磨煤机的跳闸，甚至锅炉熄火。锅炉侧良性水循环的前提是需要水冷壁能够得到充分的冷却，其中重要的标志就是与管壁接触的工质是循环流动的水，而不是缓慢流动的蒸汽[15]。在低负荷运行过程中，机组的运行参数将偏离设计值。
长时间低负荷的运行会由于汽压降低水动力不足等原因导致换热不均[16]。当水冷壁的热量不能被工质及时带走，将导致水冷壁温度持续上升，传热恶化后不仅会出现水冷壁的局部膜化沸腾，甚至会出现超温爆管。另外，热应力频繁作用时，水冷壁的焊缝位置也容易产生裂纹，对机组的寿命损耗较大。
低负荷运行使得蒸汽温度过低，进而增加了排汽湿度，蒸汽中的小水滴对叶片的冲蚀作用明显加大。当汽流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出现汽流脱离，形成倒涡流区时，便形成了水蚀。水蚀会造成叶栅的气动性能恶化，水冲蚀叶片留下的凸凹不平的边缘易形成应力集中。
这种水蚀作用不仅能够引起叶片截面变小以及强度下降，甚至会引发裂纹和断裂。另外，低负荷运行对辅机也带来不利的影响。低负荷运行过程中，除氧器压力较低,造成汽前泵入口压力较低,有效汽蚀余量偏低,易造成汽前泵汽蚀。给水量减少，再加上由于汽蚀造成给水对汽前泵内壁作用力的改变，引起汽前泵轴向推力变化，易造成串轴现象。
锅炉厂给定的最低负荷是根据设定煤种来确定的，中国主要采用劣质煤作为动力用煤。在低负荷运行过程中，实际值与设计值具有很大的偏差，这对给粉系统提出了更高的要求[17]。此外，在极低负荷运行时，大幅开启或关小减温水量导致主蒸汽和再热蒸汽温度大幅波动及过热器再热器管壁温剧变引起氧化皮脱落[18]。
1.2快速启停
燃煤电厂灵活调峰对快速启停能力的要求从4h减到2h。机组的每次启停都会造成换热器内压力和温度场迅速变化，进而对元件疲劳应力有很大冲击[19]。机组的快速启停使得机组各部件冷热状态交替，这种部件内的大温差容易造成膨胀或者收缩不畅。汽轮机是一种高速旋转设备，各国对机组振动也有严格要求。
由于蒸汽对不同部件以及相同部件的不同位置加热程度的差异，将导致汽缸和转子在径向和轴向产生较大温差，容易导致热变形。尽管汽轮机具有严格的运行规程和限制排汽缸超温的措施。但是由于机组的快速启停，排汽温度随之变化也将引起汽轮机的热变形。
一般电除氧器是设计在较高负荷范围内的定压运行,在机组启停时为滑压运行方式。负荷的大幅度变化将使除氧器壳体出现较大的内外壁温差和热应力，在快速启停过程中，除氧器壳体和水箱也将随之承受着交变应力。加上腐蚀介质作用导致的腐蚀疲劳，将带来除氧器和水箱寿命的损耗[20]。
1.3快速升降负荷
提高快速升降负荷能力是燃煤电厂灵活调峰的一项重要内容，目前快速升降负荷能力要求从2%MCB/min提高到5%MCB/min。汽轮机在快速升降负荷时，转子和气缸都会随着蒸汽温度大范围的增加而出现明显的膨胀或者收缩。因此，热膨胀问题就成为了灵活调峰时一个重要的限定因素。
绝对的膨胀过大会增加机组的震动，进而需要降低负荷变化速率。由于机组按照基本负荷设计的动静间隙比按调峰要求的机组间隙要小得多，过大的相对膨胀(胀差)容易造成机组振动突增、弯轴、动静部分损坏等严重事故。影响机组胀差的主要因素包括蒸汽温度、蒸汽温度变化速率、轴封供汽温度、真空度、汽缸、法兰和螺栓等装置。
2应对技术
2.1低负荷稳燃技术
根据燃烧理论可知，实现低负荷下的稳定着火需要保证合适的煤粉火焰传播速度。对于控制炉内稳定燃烧的应对措施[21]包括：1)采用新型低负荷稳燃燃烧器;2)适当降低一次风速;3)提高一次风中煤粉质量分数;4)提高煤粉细度;5)提高磨煤机出口温度;6)提高各燃烧器风粉分配均匀性;7)采用集中火嘴对于对冲燃烧锅炉;8)等离子助燃技术;9)投入锅炉最低层油枪助燃;10)煤粉/生物质混烧低负荷稳燃技术。
目前，在低负荷稳燃燃烧器方面的研究取得了显著的进展，下面对一些低负荷稳燃燃烧器的工作原理进行介绍。低负荷稳燃燃烧器包括：微油燃烧器、大功率等离子燃烧器、富氧燃烧器和煤粉生物质混烧燃烧器。微油燃烧器采用少量的油引燃浓缩的煤粉，使挥发分提前吸出，强化着火性能。
如图1所示，微油点火稳燃燃烧器[22]由弯头、油燃烧室、煤粉一级燃烧室、煤粉二级燃烧室、煤粉三级燃烧室等组成，能够通过高能气化油枪逐级点燃煤粉，达到节油的目的。其工作原理为高温油气火焰与高浓度的煤粉气流在一级燃烧室内发生强烈的化学反应，并为后续二级燃烧室和三级燃烧室内的煤粉点燃提供能量，实现能量的逐级放大，最终在燃烧器出口产生的煤粉火焰能够达到1200℃左右。
如图2所示，富氧微油燃烧器[23]是将具有较强雾化能力的富氧与燃油混合燃烧，产生的高温油火焰引入浓相煤粉燃烧区实现极短时间内迅速着火燃烧，着火后再与稀相煤粉混合并点燃。大功率等离子燃烧器是采用大功率等离子枪产生高温电弧，使挥发分提前吸出，强化着火。
图3呈现了等离子发生器的工作原理[24]。首先，设定电源的工作输出电流，在冷却水和压缩空气均满足要求后，直线发动机推动阴极与阳极接触，工作电流稳定后，直线电动机推动阴极向后移动。再阴极离开阳极的瞬间，电弧产生。在空气动力和磁场双重作用下，能够产生稳定的电弧进行放电，生成高温等离子体。
等离子体产生的高温能够使煤粉气流深度裂解，产生更多的挥发分并迅速点燃，形成稳定的煤粉火焰。富氧燃烧器是在一次风喷嘴体内喷入适量的氧气，提高一次风的氧浓度，降低着火热，从而强化着火。图4为美国AirLiquide公司[25]开发的同轴射流氧气分级纯氧燃烧器结构图，其中燃料被内侧一次氧气和外侧二次氧气包裹。
通过改变一次氧气量能够实现火焰长度的灵活条件，能够适应不同热负荷和不同燃料种类。图5给出了清华大学和哈尔滨锅炉厂联合研发的煤粉/生物质混烧旋流燃烧器。其中一次风携带煤粉进入炉膛，生物质是通过中心风携带进入炉膛。
另外，稳燃器保证了环形内部煤粉分布均匀。一次风管道内的锥形煤粉浓缩器将大量的煤粉浓缩于内环，使得煤粉燃烧器出口形成风包粉状态。经浓缩作用后的一次风和旋流内二次风、旋流外二次风调节协同配合，达到逐级配风的效果，实现低负荷稳燃的作用。
2.2水冷壁安全防护技术
水冷壁安全防护技术用于适应快速启停。维持良性的水循环需要精准的监测与有效的措施双重手段来实现，目前主要的有效措施包括：1)实时监测水冷壁温度的变化;2)实时监测汽包上下壁温及温差、汽包与水冷壁温差等参数及其变化;3)保持两台汽泵运行，保证汽源满足需求。另外，核算管间偏差、核算水循环安全性、设置必要的壁温测点也具有重要的作用。
2.3快速升降负荷安全性技术
在快速负荷升降过程中，对于超临界技术需要注意以下几点：1)关注分离器工质过热度。注意给水泵与磨煤机之间需协调密切，确保煤水比合理。2)避免省煤器工质汽化。在机组运行时应注意控制变负荷速度，锅炉压力及省煤器出口过冷度，防止汽化。
对于亚临界技术需要做到：1)定压运行，有利于控制压力波动对锅筒饱和温度的影响，尽可能减少压力波动对汽水水位的影响，有利于控制锅筒水位。2)关注锅筒内外壁温差，严格控制上下、内外温差，确保锅筒安全。3)避免省煤器工质汽化。采用较高压力定压运行，应注意控制变负荷速度、锅炉压力及省煤器出口过热度，防止汽化。
3结论与展望
随着电厂灵活调峰需要的不断增加，燃煤电厂在降低负荷运行方面进行了不断的尝试。尽管燃煤电厂灵活调峰在消纳新能源电力方面取得了显著的成绩，但灵活调峰过程对燃煤电厂自身的运行也带来了不可忽视的冲击。本工作分别从低负荷稳燃、快速启停和快速升降负荷三个方面展开分析了灵活调峰带来的安全性问题。
最主要的是低负荷的稳定燃烧以及各部件换热不均对元件带来的损耗，甚至是引发的事故。对于灵活调峰技术的发展，可能在锅炉侧稳定着火方面引入新的技术进一步地改进，对各部件实时监测能力要增强，并且增加相应的局部调节措施。 另外，灵活调峰的热应力冲击对金属元件的寿命损耗更值得关注，在各金属材料的选择上，需要在进一步的优化。总之，引进新进技术、提升监测能力和相应的校核计算可能是适应燃煤电厂进一步灵活调峰的发展方向。更多环保技术，请关注
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