适应燃煤电厂灵活调峰的安全改造技术探讨

北极星环保网讯: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。

关键词：燃煤电厂;低负荷稳燃;快速启停;快速升降负荷

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]。

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