火电灵活性改造趋势下燃煤机组深度调峰技术探讨

在低负荷运行条件下，通过调节该加热器入口压力不变来维持给水温度不变，这样提高了低负荷下省煤器的入口水温，升高了低负荷下省煤器出口烟温（SCR入口烟温），保证了SCR脱硝系统在低负荷下的高效运行。

上海成套院也相应的提出了给水置换式省煤器系统技术方案，采用给水置换式省煤器系统，提高实际进入省煤器的给水温度，减少省煤器的吸热量。该系统改造前后省煤器流量不发生变化，不牺牲高负荷下锅炉经济性，改造后可提高脱硝设备入口烟气温度达30℃，满足SCR催化剂的运行条件，抑制ABS的冷凝腐蚀。

1.3辅机设备安全性

燃煤发电机组在低负荷下长时间运行时，各辅机设备（包括风机和给水泵）均偏离了原来的设计工况，这将直接影响辅机系统的做功效率，可能引发风机的抢风和失速，进而导致喘振、跳闸等一系列安全问题。针对这一问题，目前主流技术是采用变频运行，该运行方式有助于提升燃煤机组在低负荷运行下的效率[7,16]。

上海外高桥电厂3#机组则采取了一种新型的集中式变频总电源技术，该机组在主汽轮机之外单独设置了一个转速可调的小型汽轮机，该汽轮机可带到一个发电机发电[17]。通过改变该小型汽轮机的转速，来调节与之相连的发电机的输出电流频率，就可以为连接在同一母线上的所有辅机提供变频动力电源，以此来实现辅机系统在负荷变化下的变频控制。除此之外，Goerner[18]的研究中还指出可以使用超导元件来解决这一问题，但该技术没有得到推广应用，目前还处于研究发展阶段。

1.4其它技术路线

对于热电机组来说，增加储热装置实现“热电解耦”是一种行之有效的调峰方式。目前常见的储能蓄热技术主要有蒸汽蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变材料蓄热技术以及固体材料蓄热技术等。

蒸汽蓄热技术主要以水作为蓄存热能的载体，通过蓄热容器内蒸汽和水之间的热交换来热能的存储与释放。当负荷下降时，锅炉产生的多余蒸汽可以以热能形式通过充热装置充入软水中进行存储，使得蓄热容器内水的压力、温度均上升，并形成一定压力下的饱和水；当负荷上升，锅炉供汽不足时，蓄热容器内的饱和水随着压力的下降成为过热水而产生自蒸发，向外供汽。通过该技术的应用，可以实现热电机组的低负荷运行。

以丹麦Avedøre电厂250MW供热机组为例，该电厂建有两个50米高的，容量为44000m3的储热罐，在冬季供热期期间其最小出力可以低至15%-20%。

熔盐蓄热技术主要采用熔盐作为传热蓄热介质，由于熔盐热容量大、适应温度范围广、黏度低、相对密度大，在传热的过程中通过熔盐温度的上升或下降就可以实现热能的储存或释放。该技术蓄热原理简单、技术成熟、成本低廉，目前该技术的大规模商业应用主要是与太阳能发电结合。

美国SolarReserve公司在内达华的110MW塔式太阳能电站也同样采用熔盐技术来进行蓄热，可在不具备太阳能发电的条件下继续发电10小时。然而，针对燃煤机组的独立的熔盐蓄热电站目前还未见报道。

相变材料蓄热技术的蓄热介质主要是一些相变材料，主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三类。这些相变材料均有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，通过物质状态的改变来实现潜热的储存与释放。该技术目前主要应用于太空太阳能动态发电系统(DSP)储热、地面太阳能的直接热利用、建筑物围护结构储热、工业余热废热回收系统储热等领域。

比如说，美国的管道系统公司采用CaCl2˙6H2O作为相变材料制成储热管,用来储存太阳能和进行工业余热回收。而在大型发电机组领域，该蓄热技术还处于商业试用阶段。

固体材料蓄热技术的蓄热介质一般都具有比热大、密度大、耐高温等特点，常见的固体蓄热介质有耐高温固体合金材料、MgO含量为90%以上的压缩砖等。在低负荷条件下，该技术可以通过加热蓄热介质将多余的电能转化为热能进行储存，并在高负荷下利用热交换技术，将热能有效的导出。目前该技术主要用于一些小型的工业锅炉，在大型发电机组领域，该蓄热技术还处于示范阶段。

2上海成套院深度调峰技术

2.1一炉两机技术

一炉两机深度调峰技术是指利用一台锅炉运行，产生蒸汽供两台蒸汽轮机发电的全厂系统集成技术，间接满足电网对单元机组超低负荷运行需要，并克服锅炉低负荷运行难题。该系统整合了传统单元机组的系统配置模式，在传统一炉一机单元机组的配置方式中，水蒸汽遵循朗肯循环，锅炉与汽轮机之间的介质交换采用单根管连接，各单元机组之间相互独立，互相不受负荷变化的影响。

而一炉两机通俗来讲，即介质母管制，包括主给水、主蒸汽、再热蒸汽冷端、再热蒸汽热端。原则上，只需要将两台发电机组之间的主蒸汽管道、再热蒸汽管道、给水管道连接起来，就可实现灵活性运行。

2.2煤气化技术

煤气化深度调峰技术是指利用煤粉气化工艺，先将一部分电厂燃料用煤粉气化，转化为以CO、H2为主的煤气，将煤气送入锅炉炉膛，通过煤气的燃烧来辅助煤粉燃烧，改善煤粉的着火特性，使燃烧器在极低负荷稳定燃烧，满足机组宽负荷调整。经核算投入20%煤气后，在理论上是可以实现煤粉在低负荷下彻底的不投油稳燃。

2.3制粉及燃烧系统综合改造技术

燃煤机组在超低负荷运行时，一次风量、一次风温度、一次风煤粉浓度（风煤比）的选取决定着锅炉能否实现稳定燃烧的关键。因此，需要在保证磨煤机安全、输粉管内不堵粉的前提下，尽量减少一次风量、降低一次风速、提高煤粉细度、提高磨煤机出口风温。这样当煤粉气流进入燃烧器后，加热空气所需的热量就会有所减少，煤粉气流着火所需要的热量也会有所降低。

在相同的卷吸对流换热量和辐射换热量下，煤粉气流能够达到更高的温度，能够起到加速和稳定着火的作用。

因此，成套院从燃烧基础理论出发，首先针对制粉系统进行改造，主要包括磨煤机加装动态分离器，提高煤粉细度和均匀性，强化煤粉吸热量；在磨煤机出口增设一个带旋风分离装置的煤粉仓，高负荷分离部分煤粉到粉仓备用，低负荷直接从粉仓供粉，这样一方面可以保证磨煤机安全，另一方面提高了煤粉浓度降低了一次风量，有利于降低煤粉着火热；同时，采用热风送粉技术，提高送粉介质温度，降低煤粉气流着火热。

另一方面，锅炉低负荷运行时，由于投入燃料量少，炉膛温度低，燃烧工况相对来说比较恶劣。此时单个燃烧器的实际燃煤量与设计燃煤量存在明显的不匹配，单只燃烧器的设计热功率偏大，燃烧器出口一、二次风的气流厚度在低负荷下会有所增大；另一方面，低负荷下炉膛温度降低，单只燃烧器出口煤粉气流在着火热没变的条件下，从炉膛中获取的对流换热量和辐射换热量均有所降低，这不利于煤粉气流着火和稳燃。，

为此，成套院针对燃烧系统提出了相应的改造技术思路。考虑将最上层燃烧器改为两层布置，降低单只燃烧器功率，增加燃烧器的数量。此时，单只燃烧器的给煤量降低，单位时间内煤粉气流着火所需要的着火热也大幅降低，在相同的炉膛温度下煤粉气流更容易着火。

改造后同等流量的燃料被分为两份送入两层燃烧器内，相比于一层燃烧器，改为两层燃烧器后煤粉气流的总表面积增大，意味着煤粉气流的吸热面积增大，且相邻火炬之间的相互支持可以有效的减少火炬在相向侧的散热损失，更有利于煤粉气流的着火和稳定燃烧。

3结语

燃煤机组在进行深度调峰改造时，机组的最低稳定负荷主要受锅炉的燃烧稳定性、环保及辅机系统的安全性等因素的制约。针对热电联产机组，国外主要采用加装蓄热罐的方式来进行灵活性改造，包括蒸汽蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变材料蓄热技术以及固体材料蓄热技术等。

针对纯凝机组的灵活性改造还鲜见报道，目前的技术手段主要是针对磨煤机、燃烧器、送粉管道等系统来进行改造，以达到降低煤粉着火热，强化煤粉换热、提高SCR入口温度等目的，本文分别在燃烧稳定性、环保设备安全性、辅机设备安全性三个方面对其进行了介绍。

针对纯凝机组，上海成套院先后提出了一炉两机、煤气化、制粉及燃烧系统改造等技术思路。其中一炉两机技术是指利用一台锅炉运行，产生蒸汽供两台蒸汽轮机发电的全厂系统集成技术，间接满足电网对单元机组超低负荷运行需要；

煤气化技术是指利用煤粉气化工艺，先将一部分煤粉气化，转化为以CO、H2为主的煤气，将煤气送入锅炉炉膛，通过煤气的燃烧来辅助煤粉燃烧；制粉及燃烧系统综合改造技术是指利用制粉系统和燃烧系统的一系列优化技术手段，以降低煤粉气流着火热、强化煤粉气流传热，并最终实现机组低负荷稳定运行。

(来源：微信公众号“清洁高效燃煤发电”ID：redianjishu)

延伸阅读：

火电灵活性改造技术研讨会

热电机组整体灵活性技改方式浅析

火电厂机组灵活性改造锅炉侧方案研究

华润首阳山热控灵活性改造典型案例分析