适应燃煤电厂灵活调峰的安全改造技术探讨

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。

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