超临界循环流化床锅炉深度调峰技术研究与应用
时间：2023-03-02 22:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王 虎，范浩东，辛胜伟，张 缦，王君峰，邬万竹，杨海瑞，张 鹏
(1.国家能源集团循环流化床技术研发中心，陕西 西安 710065；
2.清华大学 能源与动力工程系，北京 100084；
3.太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024；
4.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000)
电力行业的脱碳对实现《巴黎协定》的减排目标至关重要，近年来，国内外学者对中国电力行业深度减排开展了很多研究，普遍结论是需要大力发展非化石能源发电技术[1-2]。可再生能源大规模发展，实现其大比例消纳亟需燃煤发电提供灵活调峰服务，支撑能源结构平稳转型。
循环流化床(CFB)燃烧技术具有燃料适应性广、污染控制成本低、适合深度调峰等特点[3]，在我国目前能源转型中扮演重要角色，我国在役CFB发电机组中，超临界参数装机容量占20%以上，而超临界机组深度调峰过程中除亚临界机组面临的低负荷工况布风板的稳定流化、氮氧化物控制难题外，还涉及水动力的安全性问题。
王鹏程等[4]以某电厂350 MW超临界CFB锅炉为例，在分析机组深度调峰过程中遇到的锅炉稳燃及流化、水动力安全、汽动给水泵控制和污染物控制等一系列问题的基础上，提出相应的控制策略和技术措施。蔡晋等[5]分析超临界350 MW机组CFB锅炉变负荷时各参数的变化趋势，发现负荷调节通过控制给煤量、风量等外部操作条件来实现。在变负荷过程中通过控制排渣量可调节床温，床温过高时需适当减小排渣量，从而保证锅炉运行安全。合理控制床温和风煤比，可以使NOx原始排放质量浓度较低。
为研究超临界CFB锅炉深度调峰特性，笔者以某350 MW超临界CFB锅炉为研究对象，分析超临界CFB锅炉深度调峰过程中的流化稳定性、超低负荷氮氧化物控制以及水动力安全特性，提供适应该炉型的调峰控制方法，为同类型超临界或超超临界机组提供借鉴。
CFB锅炉本身具有低负荷稳燃的优点，对于绝大多数锅炉，可实现30% BMCR负荷不投油稳定运行，而在国家消纳新能源、火电机组用于调峰的背景下，应进一步降低火电负荷，实现机组的深度调峰，其核心难题包括超低负荷的流化稳定、超低负荷氮氧化物控制以及水动力的安全性问题，针对上述问题开展研究，形成如下核心技术。
1.1 超低负荷的流化稳定
流化床锅炉深度调峰最大的难点是如何实现低负荷的流化稳定，特别是对大容量锅炉，布风板截面大，一旦流化出现问题，会造成床层结渣、污染物排放增加等问题[6-7]。工程上为保证低负荷的稳定流化，当负荷低于50%时，锅炉总风量维持不变、一次风量不变，对低负荷而言，燃料处于富氧状态，导致氮氧化物升高，因此，要进一步降低锅炉的稳燃负荷，应进一步降低锅炉低负荷时一次风量(图1)，在减小锅炉厂用电的同时，有效抑制深调工况NOx排放。而CFB锅炉风量的分配与炉内燃烧份额密切相关，风量调整的同时炉内燃烧份额分布需相应调整。
图1 锅炉风量随负荷的变化Fig.1 Variation of boiler air volume with load
根据CFB流态重构理论，其核心是减小床料粒度，颗粒终端流化速度减小(图2)，临界流化风速降低[8]，保证稳定流化所需的风量减小，此外，随着床料粒度减小，沿炉膛高度燃烧份额分布发生变化，相较于传统流化床锅炉，流态重构后炉膛上部燃烧份额增加，下部燃烧份额减少[9]，如图3所示，此时满负荷工况设计的临界流化风速降低，对应布风板面积减小，在改善深度调峰工况稳定流化的同时减少氮氧化物生成[10]。
图2 粒度对临界流化风速的影响Fig.2 Effect of particle size on critical fluidization wind speed
图3 粒度对燃烧份额分布的影响Fig.3 Effect of particle size on combustion fraction distribution
1.2 超低负荷氮氧化物控制
1.2.1 炉内流态重构
床料平均粒度和循环流率对CFB还原性气氛的影响至关重要，在炉膛下部密相区，燃料颗粒处于乳化相，床料平均粒度降低，使炉膛下部密相区气泡相向乳化相的传质阻力增大，强化了燃料颗粒的局部还原性气氛，同时循环物料的粒度变小，强化了炉膛上部物料的团聚，而燃料颗粒处于颗粒团中，形成了与炉膛下部密相区类似的局部还原性气氛[11]，如图4所示。CFB燃烧主要是燃料型NOx，即燃料燃烧过程中含氮化合物氧化生成NOx，其转化率受燃烧气氛的强烈影响，在还原性气氛下转化率急剧降低。因此燃料颗粒的反应气氛决定了NOx的原始排放[12]。CFB上部快速床区燃烧中的焦炭及CO对已生成的NOx有还原降解作用。因此上部燃烧气氛同样强烈影响NOx的还原能力[13]。
图4 密相区和稀相区焦炭颗粒表面的局部还原性气氛Fig.4 Local reducing atmosphere on the surface of coke particles in dense and thin phase regions
降低床料平均粒度抑制NOx生成理论在工程实现的核心是开发高效分离器、高通量低能耗回料阀等关键部件，满足床料平均粒度降低的要求[14]。通过提高分离器进口段的颗粒加速能力及调整回料阀内部颗粒流化形态为负压差黏性滑移流状态，可最终实现循环物料中位粒径从传统CFB的150～250 μm 减至90～100 μm[15]。
1.2.2 炉内氧量和温度的均匀性
由于350 MW超临界流化床锅炉炉膛空间进一步增大，炉内氧量和温度分布的均匀性对氮氧化物的原始生成也至关重要，局部高温和局部富氧必然导致氮氧化物增加[16]。图5为不同负荷、不同高度的炉膛温度分布。
图5 不同负荷和高度的炉膛温度分布Fig.5 Furnace temperature distribution at different loads and heights
因此，在锅炉设计上采用相应的方法，如水冷风室的进风从后墙4点均匀给入，避免两侧进风导致炉内流场不均匀；
炉前多点给煤，后墙多点排渣，采用双路回料阀，尽量使循环灰返料点在炉膛后墙均匀布置；
此外，设计时还应抑制多分离器并联的气固偏流，抑制同床波动、偏床等现象，可有效改善炉内氧量和温度均匀性[17]。
采用上述设计，在某350 MW超临界CFB锅炉上应用，发现不同负荷和高度的炉膛温度偏差很小，如图5所示，357 MW满负荷时炉内温度同层偏差在±20 ℃ 以内，60%负荷时炉内同层温度偏差在±25 ℃以内，30%负荷时炉内同层温度偏差在±30 ℃以内。此外，在锅炉从启动到满负荷以及变负荷运行过程中，3个旋风分离器入口烟温的温度偏差始终在±10 ℃以内，且随负荷变化没有明显差别[18]。
通过以上运行数据，进一步说明沿炉膛水平断面温度场非常均匀，3个旋风分离器之间温度偏差也很小，为氮氧化物的控制提供了有力保障[19]。
1.3 超低负荷水动力安全性
CFB锅炉由于其特殊的燃烧方式，炉膛内物料浓度高，为防止受热面磨损，只能采用垂直管圈布置，为降低炉膛高度，需在炉膛内布置水冷屏，补充水冷壁受热面，因此，国内外超临界CFB锅炉水冷壁设计的主流技术是采用贯穿整个炉膛高度的水冷中间隔墙与水冷壁并联布置，质量流速较低，约550 kg/(m2·s)，较低的质量流速导致低负荷水动力安全性变差，中隔墙壁温偏差增加，运行一段时间出现受热面变形[20]。图6为二次上升管水冷壁布置方式，水冷壁回路划分如图7所示(括号内数字为水循环回路编号)。
图6 二次上升水冷壁Fig.6 Secondary rising water wall
图7 水冷壁回路划分Fig.7 Water wall circuit division
通过研究超临界流体的传热恶化判别方法，确定垂直管圈水冷壁质量流速的优选范围，某350 MW超临界CFB锅炉开发了垂直管圈二次上升水冷壁工质流程结构，即水冷壁出口工质经下降管再进入水冷屏的工质流程，水冷壁回路划分如图7所示，使水冷壁和水冷屏内工质形成较高的低质量流速，通过建立水冷壁系统的水动力计算模型，预测该系统的水动力特性，100% BMCR负荷汽温偏差约±18 ℃，75% BMCR负荷最大偏差约±10 ℃，30% BMCR负荷最大偏差约±1 ℃。分析各水冷壁回路受炉膛水冷壁结构差异和热负荷分布特点影响，各回路出口工质温度存在一定偏差，随负荷降低，水冷壁出口越接近大比热区，使各水冷壁回路的工质温度偏差较小，尤其在低负荷30% BMCR左右时，水冷壁出口处于饱和工质状态，使工质温度几乎没有偏差，偏差为±1 ℃，图8为水冷壁温度预测值[20]。
图8 水冷壁温度预测值Fig.8 Predicted water wall temperature
确定垂直管圈水冷壁质量流速的优选范围，不但可减小工质热偏差、提高低负荷水动力安全性，还避免了中隔墙结构导致的受热面变形问题，具有更好的变负荷适应性[20]。
此外，对于超临界锅炉，机组在深度调峰过程中，考虑到锅炉水动力的安全性，应尽可能避免干湿态转换，然而在机组超低负荷运行时，炉内流动不均匀导致干湿态频繁转换，蒸汽参数波动剧烈，此外，超低负荷给煤控制困难，易导致水煤比失调，从而引起干湿态频繁转换。同时，超低负荷水冷壁质量流速降低，可能造成流动不稳定。针对上述难点，通过解决炉内流动不均匀性、优化控制系统、精准控制给煤量以及采用二次上升水冷壁结构，保证直流管圈自补偿特性前提下，适当提高质量流速,保证超低负荷水动力安全[21]。
某电厂350 MW超临界CFB锅炉采用单布风板、单炉膛、M型布置、平衡通风、一次中间再热、高温冷却式旋风分离器进行气固分离。锅炉整体支吊在锅炉钢架上。锅炉主要由膜式水冷壁炉膛，3台冷却式旋风分离器和由汽冷包墙包覆的尾部竖井3部分组成，锅炉总体布置如图9所示。采用不带再循环泵的内置式启动循环系统。炉膛四周水冷壁采用光管，中隔墙水冷壁采用内螺纹管。炉膛内前墙布置6片中温过热器管屏、6片高温过热器管屏、6片高温再热器管屏以及5片隔墙水冷壁。锅炉共布置10个给煤口，全部布置于炉前，在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置。
图9 锅炉总体布置示意Fig.9 General layout of boiler
炉膛底部是由水冷壁管弯制围成的水冷风室，水冷风室两侧布置一次热风道，风室两侧进风，空预器一、二次风出口均在两侧。尾部采用双烟道结构，前烟道布置3组低温再热器，后烟道布置2组低温过热器和2组一级中温过热器，向下前后烟道合成一个，在其中布置 H 型鳍片管式省煤器和卧式空气预热器。
锅炉采用CFB燃烧，在控制氮氧化物原始生成的基础上，设有SNCR装置，在分离器入口烟道喷尿素作为氮氧化物还原剂。锅炉设计燃料为矸石和中煤的混煤，混合后燃料分析见表1，锅炉主要设计参数见表2。图10为锅炉设计燃料粒度筛分曲线。
表1 锅炉实际燃料分析Table 1 Actual fuel analysis for boiler
表2 锅炉主要设计参数Table 2 Main design parameters of boiler
图10 锅炉实际燃料粒度筛分曲线Fig.10 Actual fuel particle size screening curves of boiler
采用上述关键技术，锅炉可以实现20% BMCR工况长期稳定运行，以下对影响深度调峰的关键参数进行分析。
3.1 床温
燃料分析表明，虽然挥发分含量较高，但燃料氮大部分存在于焦炭中，因此，相较于同等挥发分燃料，氮氧化物原始生成量不高，锅炉设计时，选取较高的床温930 ℃，以保证燃料燃尽，锅炉运行值与设计值相当，由于不设置外置式换热器，因此运行过程中床温随锅炉负荷的升高而增加，图11为CFB锅炉运行床温随负荷变化趋势。
图11 CFB锅炉运行床温随负荷变化趋势Fig.11 Variation trend of operating bed temperature of CFB boiler with load
3.2 锅炉运行氧量
通过炉内流态优化，提高炉膛上部燃烧份额，减小锅炉满负荷一次风比例，减小布风板面积，使锅炉深度调峰过程中运行氧量较传统设计明显降低，为低负荷氮氧化物的控制提供有利条件，图12为省煤器出口氧量随锅炉负荷的变化。在50%负荷以下时，为保证炉内充分流化，需维持总风量不变，因此负荷越低氧量越高。高于50%负荷时正常设计氧量不变，运行中由于各种原因运行氧量会有所波动。
图12 CFB锅炉运行氧量随负荷变化趋势Fig.12 Variation trend of operating oxygen content of CFB boiler with load
3.3 水冷壁温度
由于使用二次上升水冷壁工质流程，水冷壁工质获得较高的低质量流速，水冷壁出口壁温测点显示值表明，水冷壁在满负荷时壁温偏差在16 ℃以内，20%超低负荷运行时，最大壁温偏差为17 ℃(图13)，保证了锅炉的安全运行。
图13 20% BMCR工况不同管子水冷壁出口温度Fig.13 Outlet temperature of water wall of different pipes under 20% BMCR conditions
3.4 氮氧化物排放
通过优化分离回料系统性能，降低了床料及循环灰的平均粒度，通过给煤、排渣、送风等均匀布置，使该锅炉炉内温度和氧量分布十分均匀，同时由于满负荷设计床温较高，超低负荷炉膛出口烟温满足SNCR脱硝反应温度窗口，结合炉内低氮燃烧技术，最终实现了锅炉全负荷氮氧化物的超低排放。锅炉不同负荷脱硝剂用量及对应的氮氧化物排放值如图14所示。
图14 不同负荷下脱硝剂用量及对应NOx排放趋势Fig.14 Agent dosage and corresponding NOx emission trend under different loads
1)通过降低床料粒度，实现炉内流态重构，减小炉膛下部燃烧份额，同时床料粒度降低，低负荷时稳定流化所需最小流化风量减小，保证深度调峰工况的稳定流化。
2)通过提高分离器进口段颗粒的加速能力，调整回料阀内部颗粒流化形态为负压差黏性滑移流状态，使循环物料中位粒径从传统CFB的150～250 μm降至90～100 μm，较细的物料强化了气泡相向乳化相的扩散阻力，进而降低NOx生成。此外，通过供风、给煤、排渣和返料等的均匀布置，避免了大床面非均匀性导致的NOx排放高的问题。
3)通过垂直管圈二次上升水冷壁设计，水冷壁在满负荷时最大壁温偏差在16 ℃以内，20%超低负荷运行时，最大壁温偏差为17 ℃，为深度调峰提供了保障。
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