摘要：为了响应国家新能源发展的战略布局，提升电源深度调峰能力已成为发展必然趋势。本文就某电厂现有600MW火电机组为例，通过对锅炉燃烧结构和多次低负荷灭火案例分析，结合对深度调峰关键参数的安全要求，通过燃烧器改造和增设少油系统达到低负荷情况下燃烧器能稳定燃烧的目标，为机组安全经济运行提供了保障。
关键词：锅炉；低负荷稳燃；分析；试验
一、引言
目前，我国部分地区出现了严重的弃风、弃光问题，新能源的消纳已成为制约风电及光伏发展的关键因素。为了响应国家新能源发展的战略布局，开展火电机组灵活性改造，提升电源深度调峰能力可有效破解风电、光伏消纳问题，某电厂就现有600MW火电机组进行低负荷稳燃能力探索，为实现机组深度调峰提供技术参考。
二、系统概况
某电厂锅炉是由上海锅炉有限公司制造的亚临界压力一次中间再热强制循环汽包炉。型号为SG-2093/17.5-M919，采用摆动式燃烧器调温，四角布置、切向燃烧，正压直吹式制粉系统、单炉膛、固态排渣、全钢架结构、平衡通风。锅炉的制粉系统采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统。
炉膛宽19558mm，深16940.5mm，高度73200mm，深宽比为1:1.1545，汽包中心线标高74200mm，炉顶大板梁底标高81700mm，水冷壁下水包标高为7730mm，炉顶管中心标高为73000mm，锅炉炉顶采用金属全密封结构。并设有大罩壳。炉膛由Φ51×6mm膜式水冷壁组成，炉底冷灰斗角度55°，炉底密封采用水封结构，炉膛上部布置了分隔屏、后屏及屏式再热器，前墙及两侧墙前部均设有墙式辐射再热器。水平烟道深度为8548mm，由水冷壁延伸部分和后烟井延伸部分组成，内部布置有末级再热器和末级过热器。后烟井深度3908mm，内设有低温过热器和省煤器。炉膛内24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。
本工程设计煤种为晋东南贫煤。
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锅炉在投产后，在低负荷阶段的稳燃较差。只要存在一点较大的波动，如给煤机断煤等情况，极易造成锅炉灭火。就其原因，主要是该炉型是上海锅炉有限公司第一次设计制造的烧贫煤600MW的锅炉，在设计上与烟煤的炉子没有太大差别，炉型与设计煤种不匹配。
三、历次低负荷灭火分析
1、2008年6月30日2时。
机组负荷300MW，机组处于AGC控制方式，由于煤质较差，湿度大，总煤量150吨（一般120吨），#41、#42、#43、#44磨煤机运行。2时19分10秒，#42磨煤机发“加载油压低”信号保护掉闸，其它三台磨煤机出力分别自动增加至58吨/小时，炉膛负压波动增大，火焰变暗，2时19分40秒，炉膛火焰突然完全消失，“全炉膛灭火”MFT信号动作，汽机发电机组掉闸解列。
由于汽包水位低，三台炉水循环泵掉闸；经过调整，2时25分，锅炉开始吹扫，2时31分，锅炉点火，但由于多支油枪、微油枪因故障卡涩或火检信号等原因不能及时投运，主、再热汽温持续降低，汽轮机无法及时冲转，3时6分汽轮机转速到零，投入盘车运行。
7时40分，汽机挂闸冲转，8时51分，机组并网。
原因分析：
（1）、煤质差、发热量低特别是水分偏高，是造成锅炉稳燃能力降低和抗干扰能力差的主要原因。故障前，磨煤机热风门开度都增大至85%以上，冷风门基本全关，但磨煤机出口温度仍偏低。
（2）、#42磨煤机故障掉闸给锅炉燃烧造成较大扰动是造成锅炉灭火的直接原因。由于掉闸前#42磨煤机出力较大，而机组负荷较低只有300MW，因此#42磨煤机掉闸后，锅炉热负荷快速降至大约210MW，炉膛温度快速降低。
（3）、#42磨煤机掉闸后，燃料自动大幅增加其它三台磨煤机出力、同时其热风门快速全开，大量水分较大的煤粉混合物迅速进入炉膛后，剧烈吸收着火热，进一步加剧了炉膛温度的快速降低，使得煤粉气流失去稳燃能力，进而不能正常连续着火，锅炉火焰检测装置检测不到火焰而发出“全炉膛灭火”MFT信号。
（4）、#42磨煤机掉闸原因分析：
①、经过：6月30日1时14分，#42磨油站控制柜内“信号回路”空开跳闸，加载油压上升至15.2MPa并维持不变。2时16分，加载油压异常降至9.5MPa，运行人员切至定载方式运行，2时19分，加载油压低于2MPa，#42磨保护掉闸。
②、原因分析：由于安装不当加之磨本体振动大，排渣门反馈信号电缆与3.5米平台防护栏反复摩擦致电缆破损接地，#42磨煤机油站就地控制箱“信号回路”电源开关过流跳闸，比例溢流阀失电全关，变加载压力为15.2MPa（相关于20mA对应的压力）。约1小时后，油系统油压异常下降，并随后低于保护定值2MPa，#42磨跳闸。
③、处理：油压异常下降原因已联系厂家来人分析处理。
3、2009年2月6日4时30分
#4机组处于AGC控制方式（中调投入ACE控制方式），负荷在300～335MW之间频繁调整，总煤量在150～130t/h左右波动，#43、#44、#45磨煤机运行。
4时34分，#4机组负荷由307MW升至330MW，煤量增至154t/h；4时38分，负荷降至308MW，煤量降至132t/h。4时38分43秒，炉膛压力突然增大至678Pa，立即投CD层#1、#2、#4角油枪，此时炉膛压力又急剧下降，炉膛负压低二值保护触发锅炉MFT动作（油枪指令发出，但油角阀未开），汽机跳闸，发电机跳闸。
5时2分，#4锅炉点火；6时35分，机组并网；7时55分，升负荷至350MW，机组恢复正常方式。
原因分析
（1）近期煤场存煤较少（截止2月5日煤场可烧煤4.4万吨且包括铺底煤2万吨），入炉煤种多变且每天还要掺配劣质煤（发热量2000-3000卡）1500吨左右，燃煤发热量波动幅度大、水分偏高，磨煤机频繁断煤，磨煤机热风门开度比正常开度大，冷风门基本全关。
煤质不稳定是造成锅炉稳燃能力降低和抗干扰能力差的原因之一。
（2）锅炉在低负荷运行工况下，机组处于ACE控制方式，负荷波动频繁（5分钟之内负荷由300MW升至330MW又降至308MW），也是造成锅炉稳燃能力降低和抗干扰能力差的原因之一。
（3）机组投产后，锅炉几次因为磨煤机断煤、掉闸等扰动发生灭火，说明锅炉抗干扰能力较差。
（4）在锅炉燃烧稳定性较差的情况下，炉内发生掉焦（就地检查右侧冷灰斗附近炉后侧地面有少量渣水溅出），给锅炉燃烧造成较大扰动，是导致此次#4锅炉灭火的直接原因。
四、低负荷稳燃能力差的分析
从上述两次锅炉灭火情况来看，扰动大都出现在低负荷时，最终导致炉内燃烧不稳造成灭火。此锅炉在烧设计煤种低负荷时炉膛负压也多次出现较大的波动。充分说明该型锅炉在低负荷时的着火和稳燃能力较差，其主要原因仍是锅炉在设计上存在问题：
1、炉膛设计容积过大，炉膛容积热负荷较小。炉膛容积热负荷是衡量煤粉在炉内停留时间的尺度，如其较低则意味着炉膛出口设计烟温较低，这也是该锅炉在烧设计煤种时主、再热汽温偏低的一个主要原因。
2、炉膛截面热负荷设计较小。炉膛截面热负荷是反映烟气流速的，表征炉膛截面的燃烧强度，如数值较低则意味着燃烧器中心温度水平较低。实际测量炉膛温度也说明了此问题。在烧设计煤种时，该锅炉满负荷时的炉膛温度用高温仪测量也只能达到1320℃左右，与同是烧贫煤的一期锅炉带满负荷时的炉膛温度相比，低了约400℃。低负荷时测量甚至低至1000℃左右，严重影响锅炉着火。
3、给上海锅炉厂发传真提出锅炉设计中存在的问题。至今未见书面回复。说明上海锅炉厂也默认了其设计上存在的问题。
4、国内部分600MW锅炉炉膛设计数据的对比分析：
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从上表中可以明显的看出，锅炉在设计上炉膛容积热负荷和炉膛截面热负荷过低，甚至低于部分烧烟煤的锅炉。这样就导致烧设计煤种带低负荷时不利于煤粉气流的着火，甚至稍有扰动就造成锅炉灭火。
5、锅炉在低负荷条件下，由于炉内温度较低，煤粉气流的着火距离增大，早期燃烧变差，特别是挥发份的燃烧放热量降低，导致单位质量的煤粉空气混合物的燃烧放热量随负荷的降低而逐渐下降，同时由于炉内温度的下降，火焰对炉壁辐射损失也相对增大。这两个原因将导致燃烧稳定性逐渐下降，但在一定负荷以上（约360MW），煤粉气流能主要依靠自身的卷吸维持着火，并在着火以后进入炉内切圆火焰环保持稳定燃烧，此时整个炉内的燃烧工况是稳定的。
随着负荷的进一步降低，煤粉气流将逐渐由以依靠本身卷吸回流维持着火为主，过渡到以依靠上游邻角火焰点燃为主。此时煤粉气流的着火距离增加很大，进入炉内切圆火焰环时的气流温度较低。如四角煤粉气流火焰配合稍有不当，如摆角动作不一致、给煤机断煤、煤质突变等，就有可能发生灭火事故。
五、低负荷稳燃灵活性改造
为了保证低负荷锅炉稳燃，制定下发了一系列低负荷稳燃措施，并且在燃料方面掺配了烟煤，而且对燃烧器对锅炉B、C层燃烧器进行了改造，同时安装一层少油点火及稳燃系统。
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上图为250MW工况下运行参数
改造的主要内容如下：
1）主燃烧器区喷口管屏不改动，燃烧器喷口与水冷壁开孔的密封方式不变，不拆改现有水冷壁；
2）原有B、C层一次风燃烧器分别进行燃料分级燃烧器改造，用煤粉分级转换器将顶部一路煤粉燃料分为纯浓纯淡两路，保证高效、低氮燃烧；
3）采用先进的垂直超浓淡风煤粉燃烧技术，并采用喷口强化燃烧措施，有效降低NOx排放，强化劣质煤的燃烧稳定性，保证高效燃烧，并拓宽燃料适应性，防止结渣和高温腐蚀；
4）高浓缩比、低阻力新一代煤粉浓缩技术，确保煤粉及时着火，加强燃尽效果，燃料适应性变宽；
5）采用延迟混合型一、二次风以及周界风偏置的喷口设计，一次风采用多钝体+稳燃齿强化燃烧，确保NOx大幅度减排；
6）采用一次风燃烧器高温耐磨浓淡燃烧技术，保证燃烧器的超长稳定运行周期；
7）少油点火稳燃系统改造方案：将C层浓煤粉喷口布置4只少油点火油枪并增设少油点火系统。
少油点火系统的主要参数设计值：
点火油枪出力（单只）：120kg/h；
辅助油枪出力（单只）：170kg/h。
油压：0.5～0.8MPa
气压：0.5～0.8MPa
一次风管风速：在油枪投运状态18～25m/s；
改造后低负荷锅炉运行情况：锅炉负荷250MW稳定4h，主蒸汽量927t/h,期间发现#2磨煤机#3角火检摆动，投运#3角少油系统，火焰电视观察火焰稳定，火检信号稳定后撤#3少油，锅炉各项参数稳定，就地巡检炉膛测温最低温度960摄氏度。
通过上诉试验，参考锅炉在250MW火检信号、炉膛负压波动、炉膛测温情况，可以判定该锅炉改造后在250MW负荷具备不投油稳燃能力。
六、采取的低负荷稳燃措施
通过分析机组近年来低负荷运行情况，结合锅炉灵活性改造试验的结果，制定了以下低负荷稳燃措施，主要内容如下：
1负荷稳定250MW后，维持省煤器出口氧量5%。
2关于少油系统投运规定
1）锅炉主蒸汽流量≤900t/h，投运少油系统
2）末级再热器出口烟温应＞600℃，否则投入少油系统油枪。
3）在降负荷过程中，如果发现某个燃烧器火检摆动，投运对应发电运行部专业技术措施角少油系统主、辅油枪油枪。
4）少油系统退出后，关闭少油系统供油总手动门。
3以下情况下应及时投入相应油枪助燃：
（1）制粉系统及燃烧器断煤、堵煤、跳闸等原因失去稳燃层时必须及时投运相应层油枪助燃。
（2）由于炉膛汽水内漏、大量漏风造成炉膛温度突降，燃烧明显不稳定时。
（3）由于单台送风机、一次风机掉闸、失速、出力突变等原因发生一、二次风压突降现象，以及掉焦塌灰致使炉内动力场发生严重变化时。
（4）投运少油系统后，燃烧器火焰模拟量信号和炉膛压力剧烈波动时。
4异常工况下，锅炉火焰电视图像发暗、炉膛负压剧烈波动幅度超过±500Pa不能稳定或无法判断炉内燃烧工况时，应判断为濒临灭火，严禁投油助燃。
5低负荷深度调峰过程中，禁止进行锅炉本体吹灰及其他影响锅炉燃烧的工作。
6低负荷深度调峰过程中，炉膛燃烧恶化，达紧停条件时，严格执行紧停规定，按照停炉不停机事故处理预案进行处理。严禁用关风爆燃的方法来引燃已灭火或可能已灭火的锅炉。
7、如达到投油助燃规定，而相应油枪不能及时投运，导致运行燃烧器间隔超过3层喷口（包括一、二次风喷口），应及时停运失去稳燃能力的燃烧器。
8、如燃烧器火检保护因未投入或发生错误而拒动时，必须先及时停运相应制粉系统，进行适当时间的炉膛通风后，方可投入其相邻层油枪助燃；
七、结论
经过燃烧分析和灵活性改造，实现了机组在250MW负荷下不投油稳定燃烧，提高了机组的调峰能力，保证了机组在低负荷条件下的安全运行。少油系统的改造，使得机组在不投大油枪的情况下可以进一步向下降低负荷，依然可以保证炉内燃烧稳定，在经济性上也有重要的意义。
参考文献
[1]国家能源局.国家能源局综合司关于下达火电灵活性改造试点项目的通知
[2]中国电力网.电力发展十三五规划（2016-2020年）
[3]闫维平,闫顺平,王军.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，2008
[4]《电站锅炉性能试验规程》GB/T10184-2015
[5]《锅炉启动调试导则》（DL/T852-2016）
论文作者:王建山
论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/22
标签：炉膛论文; 锅炉论文; 负荷论文; 机组论文; 燃烧器论文; 系统论文; 火焰论文; 《电力设备》2020年第1期论文;