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適應燃煤電廠靈活調峰的安全改造技術探討
在化石燃料逐漸枯竭和環境問題不斷突顯的雙重壓力下，可再生能源發電成為了電力系統zui有前景的選擇。然而，可再生能源發電的迅速發展與原燃煤電廠的兼容性問題越來越引起人們的關注。為滿足可再生能源的應用與發展，對燃煤電廠的靈活調峰能力要求越來越高。
本文分別從低負荷穩燃、快速啟停和快速升降負荷三個方面介紹靈活調峰過程中所帶來的運行安全問題以及相應的安全改造技術。zui后對安全性技術的發展進行展望，希望能夠對今后燃煤電廠靈活調峰技術的優化提供參考。
關鍵詞：燃煤電廠;低負荷穩燃;快速啟停;快速升降負荷
能源是人類社會生存和發展的重要保障[1]。當今人類社會不僅面臨著能源匱乏問題，同時也面臨著生態不斷惡化的困境。為應對能源危機和環境污染的雙重壓力，社會一致認為可再生能源的應用是人類社會能源轉型的必然選擇[2]。在未來電力系統的能源規劃中，可再生能源發電占據了較高的比例。
例如，歐洲、美國和中國分別提出到2050年將實現100%、80%和60%可再生能源電力系統的藍圖[3]。對于中國來說，風電和太陽能發電裝機容量將分別達到2396GW和2696GW發電量，包括水電等其它可再生能源在內的發電量將達到總量的85.8%[4]。中國的十二五和十三五兩個五年計劃中也明確表示將加大可再生能源的利用[5]。
這些可再生能源包括：水力發電、風電、太陽能發電和核電。從國民經濟和社會發展的中長期規劃來看，可再生能源的發展具有一定的戰略價值和現實意義[6]。
風電作為典型的可再生能源具有儲量豐富、可再生、廣泛分布和*等優點，截至到2011年，中國風電總裝機容量達到62.4GW，占據世界總量的1/4[7]。近年來，由于“三北”地區冬季供暖期的需要，多數“以熱定電”的火電機組出力大幅上升，進而留給風電的上網空間非常有限，導致了中國嚴重的棄風現象。
在2016年上半年，甘肅棄風率高達47%，新疆棄風率為45%[8]。對于風電發展的問題在于發電源和消耗端的不匹配，三北地區風電多，而用電端主要在東南地區[9]。其它可再生能源的發展也受到了類似的制約。除了大中型水電具有較好的調節性能外，風電、太陽能發電的可控性較差，可再生能源發電的波動性和隨機性給電力系統帶來了較多的不確定性[10]。
火電機組相比于可再生能源發電具有較強的可操作性。為解決新能源的消納問題，提升燃煤發電機組靈活性是我國乃至世界能源發展的必經之路[11-12]。預計到2020年非化石燃料的比例達到15%。燃煤發電的功率為50GW-100GW。在不考慮環境影響因素的前提下，燃煤發電的裝機容量達到200GW[13]。
為了保證可再生能源的應用以及其發電能力不受限制，燃煤電廠的靈活調峰勢在必行[14]。本文分別從低負荷穩燃、快速啟停和快速升降負荷三個方面介紹靈活調峰過程中容易出現的安全性問題，并總結了當前相應的技術措施以及對后續靈活調峰安全性問題預防的展望，希望對今后靈活調峰技術的發展提供幫助。
1靈活調峰的目標與安全風險
提升燃煤電廠調峰的靈活性主要包括低負荷穩燃、快速啟停以及快速升降負荷能力。隨著可再生能源發電比例的加大，對這三方面能力的要求更為嚴格，同時在靈活調峰過程中也出現的相應的安全性問題。
1.1低負荷穩燃
為適應可再生能源發電比例的增加，燃煤電廠zui低負荷要從額定負荷的40%降低到20%的超低負荷。鍋爐在低負荷下運行時，火焰在爐內的充滿程度會比高負荷時差，這將導致爐膛熱負荷的不均勻。當機組負荷降低到一定程度時，由于爐內溫度下降，導致煤粉氣流的著火距離增大，同時火焰對爐壁輻射損失相對增加，所以就容易出現燃燒的不穩定。
爐膛內燃燒工況的不穩定，對煤火檢信號有較強的干擾，嚴重時將造成磨煤機的跳閘，甚至鍋爐熄火。鍋爐側良性水循環的前提是需要水冷壁能夠得到充分的冷卻，其中重要的標志就是與管壁接觸的工質是循環流動的水，而不是緩慢流動的蒸汽[15]。在低負荷運行過程中，機組的運行參數將偏離設計值。
長時間低負荷的運行會由于汽壓降低水動力不足等原因導致換熱不均[16]。當水冷壁的熱量不能被工質及時帶走，將導致水冷壁溫度持續上升，傳熱惡化后不僅會出現水冷壁的局部膜化沸騰，甚至會出現超溫爆管。另外，熱應力頻繁作用時，水冷壁的焊縫位置也容易產生裂紋，對機組的壽命損耗較大。
低負荷運行使得蒸汽溫度過低，進而增加了排汽濕度，蒸汽中的小水滴對葉片的沖蝕作用明顯加大。當汽流在動葉片根部和靜葉柵出口頂部出現汽流脫離，形成倒渦流區時，便形成了水蝕。水蝕會造成葉柵的氣動性能惡化，水沖蝕葉片留下的凸凹不平的邊緣易形成應力集中。
這種水蝕作用不僅能夠引起葉片截面變小以及強度下降，甚至會引發裂紋和斷裂。另外，低負荷運行對輔機也帶來不利的影響。低負荷運行過程中，除氧器壓力較低,造成汽前泵入口壓力較低,有效汽蝕余量偏低,易造成汽前泵汽蝕。給水量減少，再加上由于汽蝕造成給水對汽前泵內壁作用力的改變，引起汽前泵軸向推力變化，易造成串軸現象。
鍋爐廠給定的zui低負荷是根據設定煤種來確定的，中國主要采用劣質煤作為動力用煤。在低負荷運行過程中，實際值與設計值具有很大的偏差，這對給粉系統提出了更高的要求[17]。此外，在極低負荷運行時，大幅開啟或關小減溫水量導致主蒸汽和再熱蒸汽溫度大幅波動及過熱器再熱器管壁溫劇變引起氧化皮脫落
1.2快速啟停
燃煤電廠靈活調峰對快速啟停能力的要求從4h減到2h。機組的每次啟停都會造成換熱器內壓力和溫度場迅速變化，進而對元件疲勞應力有很大沖擊[19]。機組的快速啟停使得機組各部件冷熱狀態交替，這種部件內的大溫差容易造成膨脹或者收縮不暢。汽輪機是一種高速旋轉設備，各國對機組振動也有嚴格要求。
由于蒸汽對不同部件以及相同部件的不同位置加熱程度的差異，將導致汽缸和轉子在徑向和軸向產生較大溫差，容易導致熱變形。盡管汽輪機具有嚴格的運行規程和限制排汽缸超溫的措施。但是由于機組的快速啟停，排汽溫度隨之變化也將引起汽輪機的熱變形。
一般電除氧器是設計在較高負荷范圍內的定壓運行,在機組啟停時為滑壓運行方式。負荷的大幅度變化將使除氧器殼體出現較大的內外壁溫差和熱應力，在快速啟停過程中，除氧器殼體和水箱也將隨之承受著交變應力。加上腐蝕介質作用導致的腐蝕疲勞，將帶來除氧器和水箱壽命的損耗[20]。
1.3快速升降負荷
提高快速升降負荷能力是燃煤電廠靈活調峰的一項重要內容，目前快速升降負荷能力要求從2%MCB/min提高到5%MCB/min。汽輪機在快速升降負荷時，轉子和氣缸都會隨著蒸汽溫度大范圍的增加而出現明顯的膨脹或者收縮。因此，熱膨脹問題就成為了靈活調峰時一個重要的限定因素。
的膨脹過大會增加機組的震動，進而需要降低負荷變化速率。由于機組按照基本負荷設計的動靜間隙比按調峰要求的機組間隙要小得多，過大的相對膨脹(脹差)容易造成機組振動突增、彎軸、動靜部分損壞等嚴重事故。影響機組脹差的主要因素包括蒸汽溫度、蒸汽溫度變化速率、軸封供汽溫度、真空度、汽缸、法蘭和螺栓等裝置。
2應對技術
2.1低負荷穩燃技術
根據燃燒理論可知，實現低負荷下的穩定著火需要保證合適的煤粉火焰傳播速度。對于控制爐內穩定燃燒的應對措施[21]包括：1)采用新型低負荷穩燃燃燒器;2)適當降低一次風速;3)提高一次風中煤粉質量分數;4)提高煤粉細度;5)提高磨煤機出口溫度;6)提高各燃燒器風粉分配均勻性;7)采用集中火嘴對于對燃燒鍋爐;8)等離子助燃技術;9)投入鍋爐zui低層油槍助燃;10)煤粉/生物質混燒低負荷穩燃技術。
目前，在低負荷穩燃燃燒器方面的研究取得了顯著的進展，下面對一些低負荷穩燃燃燒器的工作原理進行介紹。低負荷穩燃燃燒器包括：微油燃燒器、大功率等離子燃燒器、富氧燃燒器和煤粉生物質混燒燃燒器。微油燃燒器采用少量的油引燃濃縮的煤粉，使揮發分提前吸出，強化著火性能。
如圖1所示，微油點火穩燃燃燒器[22]由彎頭、油燃燒室、煤粉一級燃燒室、煤粉二級燃燒室、煤粉三級燃燒室等組成，能夠通過高能氣化油槍逐級點燃煤粉，達到節油的目的。其工作原理為高溫油氣火焰與高濃度的煤粉氣流在一級燃燒室內發生強烈的化學反應，并為后續二級燃燒室和三級燃燒室內的煤粉點燃提供能量，實現能量的逐級放大，zui終在燃燒器出口產生的煤粉火焰能夠達到1200℃左右。
如圖2所示，富氧微油燃燒器[23]是將具有較強霧化能力的富氧與燃油混合燃燒，產生的高溫油火焰引入濃相煤粉燃燒區實現極短時間內迅速著火燃燒，著火后再與稀相煤粉混合并點燃。大功率等離子燃燒器是采用大功率等離子槍產生高溫電弧，使揮發分提前吸出，強化著火。
圖3呈現了等離子發生器的工作原理[24]。首先，設定電源的工作輸出電流，在冷卻水和壓縮空氣均滿足要求后，直線發動機推動陰極與陽極接觸，工作電流穩定后，直線電動機推動陰極向后移動。再陰極離開陽極的瞬間，電弧產生。在空氣動力和磁場雙重作用下，能夠產生穩定的電弧進行放電，生成高溫等離子體。
等離子體產生的高溫能夠使煤粉氣流深度裂解，產生更多的揮發分并迅速點燃，形成穩定的煤粉火焰。富氧燃燒器是在一次風噴嘴體內噴入適量的氧氣，提高一次風的氧濃度，降低著火熱，從而強化著火。圖4為美國AirLiquide公司[25]開發的同軸射流氧氣分級純氧燃燒器結構圖，其中燃料被內側一次氧氣和外側二次氧氣包裹。
通過改變一次氧氣量能夠實現火焰長度的靈活條件，能夠適應不同熱負荷和不同燃料種類。圖5給出了清華大學和哈爾濱鍋爐廠聯合研發的煤粉/生物質混燒旋流燃燒器。其中一次風攜帶煤粉進入爐膛，生物質是通過中心風攜帶進入爐膛。
另外，穩燃器保證了環形內部煤粉分布均勻。一次風管道內的錐形煤粉濃縮器將大量的煤粉濃縮于內環，使得煤粉燃燒器出口形成風包粉狀態。經濃縮作用后的一次風和旋流內二次風、旋流外二次風調節協同配合，達到逐級配風的效果，實現低負荷穩燃的作用。
2.2水冷壁安全防護技術
水冷壁安全防護技術用于適應快速啟停。維持良性的水循環需要的監測與有效的措施雙重手段來實現，目前主要的有效措施包括：1)實時監測水冷壁溫度的變化;2)實時監測汽包上下壁溫及溫差、汽包與水冷壁溫差等參數及其變化;3)保持兩臺汽泵運行，保證汽源滿足需求。另外，核算管間偏差、核算水循環安全性、設置必要的壁溫測點也具有重要的作用。
2.3快速升降負荷安全性技術
在快速負荷升降過程中，對于超臨界技術需要注意以下幾點：1)關注分離器工質過熱度。注意給水泵與磨煤機之間需協調密切，確保煤水比合理。2)避免省煤器工質汽化。在機組運行時應注意控制變負荷速度，鍋爐壓力及省煤器出口過冷度，防止汽化。
對于亞臨界技術需要做到：1)定壓運行，有利于控制壓力波動對鍋筒飽和溫度的影響，盡可能減少壓力波動對汽水水位的影響，有利于控制鍋筒水位。2)關注鍋筒內外壁溫差，嚴格控制上下、內外溫差，確保鍋筒安全。3)避免省煤器工質汽化。采用較高壓力定壓運行，應注意控制變負荷速度、鍋爐壓力及省煤器出口過熱度，防止汽化。
3結論與展望
隨著電廠靈活調峰需要的不斷增加，燃煤電廠在降低負荷運行方面進行了不斷的嘗試。盡管燃煤電廠靈活調峰在消納新能源電力方面取得了顯著的成績，但靈活調峰過程對燃煤電廠自身的運行也帶來了不可忽視的沖擊。本工作分別從低負荷穩燃、快速啟停和快速升降負荷三個方面展開分析了靈活調峰帶來的安全性問題。
zui主要的是低負荷的穩定燃燒以及各部件換熱不均對元件帶來的損耗，甚至是引發的事故。對于靈活調峰技術的發展，可能在鍋爐側穩定著火方面引入新的技術進一步地改進，對各部件實時監測能力要增強，并且增加相應的局部調節措施。
另外，靈活調峰的熱應力沖擊對金屬元件的壽命損耗更值得關注，在各金屬材料的選擇上，需要在進一步的優化。總之，引進新進技術、提升監測能力和相應的校核計算可能是適應燃煤電廠進一步靈活調峰的發展方向。