深度调峰工况锅炉主要辅机运行安全性分析

李伟，蔡勇，张晓磊，朱建平，景雪晖

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.华电新疆发电有限公司昌吉分公司，新疆 昌吉 831100)

近年来，国家发改委和能源局陆续发布了相关文件，如《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》和《可再生能源调峰机组优先发电试行办法》等，要求对煤电机组参与深度调峰并提出了具体要求：对于热电联产机组，最小技术出力降至额定容量的40%～50%；对于纯凝机组，最小技术出力达到额定容量的30%～35%；对于部分具备改造条件的机组，要求其在纯凝工况下调峰深度达20%～25%额定负荷。

当前，对火电机组灵活性深度调峰的研究较多，国际上尤其是丹麦、德国在灵活性深度调峰上的研究和应用最早。国内目前已有中电联组织的团队去丹麦和德国调研，也开展了一些研究工作。某机构对国内几十家发电公司在低负荷运行情况下开展了调研，燃用3种不同煤种的锅炉低负荷情况与预期对比结果见表1。

表1 3种主要燃烧煤种类型的锅炉低负荷情况Tab.1 Low load conditions of three main combustion types of boilers

从表1可见：燃用褐煤的机组因为其干燥无灰基挥发分大，相对易燃的特点，其低负荷的幅度更大。目前国内各区域电网参与深度调峰的燃煤机组主要是300 MW亚临界机组、600 MW亚临界机组和600 MW超临界机组。基于不同的深度调峰技术改造，我国燃煤机组的调峰深度可达30%～40%额定负荷，部分先进机组可达20%额定负荷[1-2]。而W火焰锅炉低负荷运行水平相对较弱，可调峰范围较窄，相关文献与现场运行经验[3-7]表明，不同技术流派的W火焰锅炉低负荷水平均在50%额定负荷左右，少数能达到40%额定负荷。一些学者对低负荷下相关技术进行了尝试和研究，比如朱樱雅[8]对三汽包余热锅炉调峰机组汽水品质控制方法进行了研究，使得在调峰汽轮机的快速启停和机组并网性能得到了优化；黄力森[9]对某燃气蒸汽联合循环机组的真空系统节能改造进行了研究，提出了利用罗茨真空泵与水环真空泵组成高效真空泵组的方法，让原有的水环真空泵仅作为启动和故障时备用，从而使机组真空泵在深度调峰期间耗电量大幅降低；沈利[10]对超临界大容量机组深度调峰对锅炉的影响进行了研究，当锅炉主蒸汽流量为最大连续蒸发量的25%～27%时，分离器蒸汽干态往湿态转换，从安全性、经济性和环保性3个方面论证了稳燃、脱硝、脱硫和除尘的影响；陈志刚[11]对某350 MW机组的辅机进行了低负荷运行热工优化研究，对给水泵、三大风机在48%额定负荷及以下进行了控制策略改进，并对锅炉主控制器和低负荷前馈回路进行了改造，达到了预期的目的；焦庆丰[12]对某600 MW机组的滑压曲线和协调控制进行了优化，最低稳燃负荷在43%锅炉额定蒸发量，机组自动发电控制性能较好，达到了预期目的；孙海彦[13]对1 000 MW超超临界机组深度调峰进行了研究和实践，结果表明，1 000 MW对冲燃烧方式锅炉深度调峰期间最低稳燃负荷可以达到250 MW，同时可以保证脱硝、脱硫、除尘设备的正常运行。

上述的研究有一定普遍性，但是针对深度调峰低负荷下辅机运行安全方面的研究尚不多见，本文基于某300 MW机组锅炉，重点针对磨煤机和三大风机在超低负荷下运行存在的问题进行了研究，提出了针对性的技术措施。

1 辅机运行现状与问题分析

1.1 中速磨

制粉系统的一个重要前提是应保证磨煤机能根据锅炉负荷的需要，连续、均匀、有调节地供应炉膛质量合格的煤粉。这一性质使磨煤机及制粉系统与锅炉的运行紧密地联系在一起，其低负荷下的运行性能必须综合考虑锅炉运行的要求，在燃煤机组低负荷运行的情况下必须减少磨煤机运行的台数。为了保证锅炉安全稳定运行，电厂规定磨煤机最少运行台数为3台，而低负荷情况属于特殊运行情况，有可能降低到2台或者1台(配备旋流燃烧器机组可实现单台磨稳燃)。当锅炉最少运行3台磨煤机，分配到每台磨煤机的燃料量降低。对于中速磨涉及到最低出力、最低通风量、风粉浓度、分离器出口温度、煤粉细度4个方面的问题，即：

a)一般中速磨最低能降低到额定出力的40%而维持运行。低于最小出力运行时，由于磨盘上煤层过薄，会造成碾磨部件金属间的直接接触，导致强烈磨损和振动等异常情况的发生。

b)最低通风量取决于2个条件：①防止煤粉在水平管段尤其是带弯头的水平管段沉积；②保持最低的风环风速，防止石子煤量骤增及保证必要的煤粉细度。

c)随着磨煤机出力下降，风煤比增大，煤粉浓度下降。

d)给煤量降低导致分离器出口温度升高，当燃用褐煤或部分优质烟煤时，单台磨分离器出口温度会飙升至90 ℃以上，若长时间这样运行，便存在一定的安全隐患。

图1是本文所研究的某300 MW亚临界机组在低负荷运行时磨煤机的运行参数。

由图1中可以看出：随着负荷从165 MW降低至90 MW，C磨的给煤量从36 t/h逐渐降低至21 t/h，此过程热风挡板开度从90%逐步关小至65%，磨分离器出口温度逐步飙升，从73 ℃升高到82 ℃的过程中，磨冷风挡板不断开大以控制磨分离器出口温度，冷风挡板最大开度达到100%。这是典型的低负荷磨煤机运行主要参数的走势。该机组锅炉燃用褐煤，磨分离器出口温度是重要的安全指标之一，该温度继续升高会带来安全隐患。

图1 低负荷下中速磨常见的运行参数Fig.1 Common operating parameters of medium speed mill under low load

1.2 钢球磨

中间仓储式制粉系统由于带有粉仓，靠给粉机投运台数和单台转速来调整负荷，其磨煤机的运行影响较小，故该小节主要针对直吹式的双进双出磨煤机进行分析。

当负荷降低时，双进双出钢球磨中煤量减少，磨煤机筒内料位降低，正常运行时球磨机压差料位维持在400～600 Pa内，低负荷运行时，压差料位下降至200～300 Pa内[14]。同时，钢球与钢球之间直接碰撞，会发生较大噪声。

双进双出钢球磨煤机低负荷运行时煤粉均匀性较中速磨好，运行期间煤粉细度稳定，利于锅炉低负荷稳燃。正常运行时风煤比较低，一般为1.4～1.7，低负荷时可达1.35[15-16]，而且在钢球装载量不变时，磨煤机提高负荷运行能降低磨煤机电耗。另外钢球磨低负荷运行时应重点关注以下几个方面：①合理控制煤粉细度；②尽量提高煤粉浓度；③提高磨煤机出口温度；④合理控制磨煤机料位；⑤合理控制磨煤机启停顺序。

1.3 三大风机

机组风机在低负荷下的稳定运行主要取决于通过风机的流体流量、风机所受的系统阻力和风机性能这3种因素。在机组低负荷运行时可能会由于流量与系统阻力的不匹配，导致风机偏离设计工况进入失速区，破坏叶轮内部流场，产生额外气动载荷，严重时可能诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂问题，导致机组非计划停运。

对于三大风机，由于应满足制粉系统对燃料干燥和输送的要求，低负荷下的一次风压不能过低，很多情况下40%额定负荷或以下的一次风量已经满足了锅炉的过量空气需求，再加上送风机的空气就可能导致氧量过高，这种情况下的送风机风量会很小。

机组长时间在低负荷下运行时，条件允许的机组可考虑将风机单列运行[17]，一方面防止单台风机流量过小而发生失速、喘振、抢风等现象，另一方面可降低厂用电率[18]。但是，不建议在升降负荷过程中频繁变换风机的单双列运行方式。

1.3.1 一次风机

当机组采用单台磨煤机运行方案时，不论是一次风机双列或单列运行，由于磨煤机本体和送粉管道阻力较大，导致风机运行工况点处于临界变化的边缘，容易诱发喘振，通常在机组启动的时候更容易出现单侧风机、单磨运行的风机喘振现象[19-20]。风机发生喘振的示意如图2，其中A、B、C、D、E、F、K为风机工作点；QA、QB、QC、QD、QE、QF、QK分别为相应点的流量；pA、pB、pC、pD、pE、pF、pK分别为相应点的压力；p、Q分别为压力和流量；O为坐标原点。

图2 风机喘振示意图Fig.2 Kicking vibration of fan

喘振是风机和管路的压力与流量特性耦合而发生的现象。图2中，风机负荷越低，K点就越低，发生喘振的可能性增大,具体包括以下几点：

a)若有微小扰动使得管路压力升高(如：磨入口热风挡板开度快速关闭幅度过大)，此时一次风机动叶开度不变，则根据风机特性曲线，工作点向左移接近K点。

b)当管路压力pA大于风机正向输送的最大压力pK时，工作点即改变至B点(与A点等压)，风机抵抗管路压力产生的倒流而做功，管路中的气体向2个方向输送，一方面供给负荷需要，另一方面倒送给风机，故压力迅速降低。

c)至C点时停止倒流，风机增加流量。但是由于风机流量小于管路流量，即QC

1.3.2 送风机

机组在低负荷情况下，由于送风量降低，分配到单台送风机上的风量更少，导致单台送风机动叶开度过小，为保证送风机运行安全，通常在热工控制逻辑中对送风机动叶开度具有最小值限制，通常为5%。此时一旦负荷波动，送风机的运行安全性就存在风险。图3是300 MW亚临界机组锅炉典型的送风机动叶开度逐步关小的过程，当负荷到90 MW时，单台送风机动叶开度约6%。

送风机单列运行方式对炉内燃烧的影响较小，其经济性高于双侧送风机运行工况，且原有风机振动、空预器漏风状况也有明显改善[21]，但为进一步提高锅炉运行的安全性仍需采取防止温风倒流等安全措施。

图3 低负荷下送风机动叶开度Fig.3 Moving blade opening of second air fan under low load

1.3.3 引风机

轴流式风机的叶片通常呈机翼流线型，当其冲角为零或小于临界冲角时，它的阻力主要为表面摩擦力，绕翼型的气流保持流线形状；当冲角增加到某一临界值时，气流在叶片背部的流动就会遭到破坏，尾部涡流变宽，升力减小，阻力急剧增加，进而使叶道阻塞，导致风压急剧降低，这种现象就是失速，如图4所示。

图4 风机失速示意图Fig.4 Stall of fan

本文以某300 MW机组为研究对象，当负荷处于100 MW时，引风机发生了如图5所示的B侧失速，A侧抢风的现象。

图5 B引风机失速运行参数Fig.5 Operating parameters of induced draft fan B under stall condition

造成上述引风机单侧失速的主要原因是：在100 MW负荷下，炉膛烟气充满度减小，四角切圆燃烧方式下A/B侧烟气流量偏差增大；进入尾部烟道后，再通过空预器时，各段行程阻力偏差进一步加大，烟气流量低的一侧，其引风机运行工况点接近安全边界线；此时若该风机的叶片安装角有局部存在图4所述的问题，则该叶片首先发生失速，进而叶片之间相互影响，最终导致整个风机失速，主要烟气量由另一侧风机承担。

2 辅机运行安全措施

针对第2章的问题，可优先考虑运行优化方案，若仍难以满足低负荷要求，则考虑技术改造方案。

2.1 磨煤机

磨煤机运行优化方案及技术改造方案包括：

a)运行优化方案包括：①进一步减少运行磨煤机台数，将3台磨煤机运行方式调整为2台磨煤机运行，并制订相应的安全备用措施；②适当降低施加的碾磨压力，既有利于减少磨煤机的振动，又会将煤粉细度适当增大；③改变磨煤机内固定式分离器折向挡板开度或旋转式分离器的旋转速度以调整煤粉特性。

b)技术改造方案为：若最少投运台数为3台磨，则需要针对锅炉现有烟风系统和冷热一次风道系统进行分析计算，以降低冷一次风阻力和增大冷一次风份额为目的，对磨煤机进行冷风母管增粗或者单台磨煤机冷风支管增粗的技改工作，实现增加冷风量和降低单台磨出口温度的目标。

2.2 三大风机

在运行优化的同时及时采取以下针对三大风机的改造措施：

a)烟风道整流。低负荷时烟风道中流体充满度较小，局部易产生涡流或回流的现象，建议对烟风道中易产生涡流或回流的部位采取整流措施，降低风机产生失速喘振的可能性。

b)风机电机工频改变频。工频风机采用挡板或叶片角度调节方式，节流阻力较大；而变频控制的风机电机电流较低，调节平稳且范围较宽泛，动态响应性能好。但工频改变频的投资较大，投资回报率较低,同时要注意变频改造的可靠性。

c)优化风机沿程各系统，实现减小阻力目标。优化阻力较大的燃烧系统、制粉系统、空预器、脱硫系统等系统阻力以降低风机的总阻力，可使风机运行点适当下移，有效防止风机进入失速区。

d)风机本体改造。低负荷下建议采取风机压力不变、改变流量的方案,即更换新的风机叶片和叶轮处机壳(主体风筒)，对进气箱集流器出口和扩散器入口进行改制以适应新的风机叶轮规格。

e)加装风机在线监测系统。在风机风道中加装精密流量测点，实时监测风机运行工作点及风机效率，进行风机运行指导，防止风机进入不稳定区，风机在线监测系统如图6所示。

1—压力变送器组；2—橡皮管；3—风机入口动压测量元件；4—热电偶；5—数据采集仪；6—风机入口；7—风机出口静压测量元件；8—风机出口；9—风机入口静压测量元件。

图6 风机在线监测系统示意图
Fig.6 On-line monitoring system of fan

该监测系统实时采集风机运行数据，然后全部打包、传送并进行数据处理，计算后将得到的结果绘制在如图7所示的风机特性曲线上，实时标出风机运行点、不同运行工况下的喘振、失速边界，达到对风机运行特性的实时监测和提供实时预警的效果。一次风机动压测量网格点现场安装如图8所示。

图7 2台一次风机的实际运行特性曲线Fig.7 Actual operatingcharacteristic curves of two primary fans

图8 就地一次风机流量一次测量元件布置图Fig.8 Layout of primary measuring elements for primary fan in situ

3 结论

本文针对现阶段锅炉磨煤机与三大风机在低负荷下的运行情况进行了现状综述，提出了先进行优化运行，后进行技术改造的技术方案，即：

a)由于单台磨的给煤量减少，中速磨低负荷下导致磨分离器出口温度飙升，建议采取2台磨运行或增大冷风管的技术改造；钢球磨在磨低负荷下运行时煤粉细度变细，电耗降低，可以采取对钢球级配优化、衬板改造等技术手段。

b)三大风机可能会进入不稳定工作区，应采取运行优化和相关的技术改造。同时加装风机在线监测装置，实时监测风机运行工作点及风机效率，进行风机运行指导，及时防止风机进入不稳定区。