1 新能源大規(guī)模并網(wǎng)，火電機(jī)組靈活性改造勢在必行

隨著我國經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，火電行業(yè)面臨越來越多的挑戰(zhàn)。如今，新能源的大規(guī)模投入進(jìn)一步壓縮了火電機(jī)組在發(fā)電市場中的份額，電能過剩現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。與此同時(shí)，風(fēng)光發(fā)電的自然屬性決定了其波動性和間歇性，并網(wǎng)消納問題嚴(yán)重影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)、棄光率“雙降”，需要火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造以降低機(jī)組的最低出力極限，隨時(shí)承擔(dān)深度調(diào)峰任務(wù)，為可再生能源騰出發(fā)電空間。國家發(fā)改委和國家能源局印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中指出，力爭到2025年，煤電機(jī)組靈活性改造規(guī)模累計(jì)超過2億千瓦。因此，進(jìn)行火電廠靈活性改造、實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，已成為決定火電企業(yè)生存的必要條件。

2 超低背壓技術(shù)在深度調(diào)峰中的應(yīng)用

在我國北方地區(qū)，70％火電機(jī)組為供熱機(jī)組，而絕大多數(shù)供熱機(jī)組熱網(wǎng)抽汽取自汽輪機(jī)中壓缸排汽，受汽輪機(jī)低壓缸最小冷卻流量限制，為保證供熱量，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷一般需要高于70%，“以熱定電”的模式限制了機(jī)組在供熱期的深度調(diào)峰能力，也是近年來供暖期調(diào)峰困難、棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重的重要原因。因此，要在保證機(jī)組供熱量不變的前提下，降低機(jī)組電出力，就需要打破機(jī)組供熱期的熱電耦合關(guān)系。與此同時(shí)，在富煤缺水地區(qū)，火電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)多采用空冷系統(tǒng)。在冬季小排汽熱負(fù)荷和極寒條件下，空冷系統(tǒng)設(shè)備防凍安全與可靠性也面臨新問題。特別是對于供熱機(jī)組，存在機(jī)組運(yùn)行靈活性與空冷系統(tǒng)最小防凍熱負(fù)荷解耦矛盾，這些問題直接影響著機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

我公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)在深入研究機(jī)組小容積安全運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，配套機(jī)組冷端系統(tǒng)和進(jìn)汽系統(tǒng)改造，引入超低背壓技術(shù)、小冷卻流量“切缸”運(yùn)行技術(shù)，并優(yōu)化系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)切缸運(yùn)行與常規(guī)供熱方式的無擾切換，改善機(jī)組調(diào)峰性能。同時(shí)通過減小傳熱對數(shù)平均溫差，降低背壓，減小凝結(jié)水過冷度，實(shí)現(xiàn)空冷系統(tǒng)防凍要求。

2.1 建立超低背壓運(yùn)行環(huán)境的優(yōu)勢

對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，常用的熱電解耦技術(shù)有高中壓缸旁路供熱、低壓缸切缸供熱、電極鍋爐供熱等。低壓缸切缸供熱方案指的是機(jī)組在供熱期間切除低壓缸進(jìn)汽，僅保持少量冷卻蒸汽，使低壓缸在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行，從而提高機(jī)組供熱能力，減少汽輪機(jī)出力，并消除循環(huán)水冷源損失。低壓缸切缸技術(shù)因其投資小、供熱經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行方式相對靈活等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

然而，供熱汽輪機(jī)在切缸狀態(tài)下，低壓缸處于極低容積流量下運(yùn)行，嚴(yán)重偏離原設(shè)計(jì)工況，將不可避免地給低壓缸末級葉片帶來葉片顫振、鼓風(fēng)摩擦、水蝕加劇等問題，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全。

對汽輪機(jī)組進(jìn)行超低背壓改造，在保證與改造前相同的最小低壓缸體積流量下，增大機(jī)組的中排抽汽能力。在相同的質(zhì)量流量下，排汽壓力越低，蒸汽的比容越大，對應(yīng)的低壓缸最小安全運(yùn)行質(zhì)量流量越小，即滿足末級和次末級葉片的通流量所需蒸汽的質(zhì)量流量越少，使小流量運(yùn)行的末級和次末級葉片處于更安全狀態(tài)。所以，提高機(jī)組的真空度，對低壓缸小流量運(yùn)行起積極作用，并且是確保葉片長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。低壓缸超低背壓運(yùn)行既可滿足供熱需求，又可兼顧機(jī)組調(diào)峰。

表格 1 某135MW供熱機(jī)組在不同背壓下的低壓缸最小流通量

項(xiàng)別	數(shù)值
背壓/kPa	6.9	4.9	4	3	2.2
蒸汽比容/(m3·kg-1)	21.79	28.15	33.94	44.26	58.95
低壓缸最小體積流量/(m3·h-1)	1685180	1685180	1685180	1685180	1685180
低壓缸最小質(zhì)量流量/(t·h-1)	77.35	59.87	49.65	38.08	28.59

2.2 低壓缸超低背壓技術(shù)改造的實(shí)施

實(shí)現(xiàn)超低背壓運(yùn)行，一方面要求主機(jī)與冷端系統(tǒng)的特性匹配，另一方面要求抽真空系統(tǒng)具備足夠的抽吸能力，并與抽真空系統(tǒng)阻力相互匹配。

當(dāng)前，無論是直接空冷系統(tǒng)還是濕冷機(jī)組均反映出在低負(fù)荷下抽真空系統(tǒng)抽吸能力不足的現(xiàn)象。直接空冷機(jī)組多采用水環(huán)式真空泵，其極限抽真空壓力多在3kPa以上，加上抽真空管道、空冷凝汽器、排汽管道等阻力，空冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行能達(dá)到的最低背壓超過6kPa。空冷系統(tǒng)在小熱負(fù)荷、低背壓運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的氣汽混合物容積流量增大，加之空冷系統(tǒng)部分列退出運(yùn)行，更加大了抽真空管路的運(yùn)行阻力。

針對以上問題，我們采取極限抽真空能力更強(qiáng)的羅茨真空泵，以提高系統(tǒng)低背壓下的抽真空能力。羅茨真空泵屬于變?nèi)莘e泵，其利用泵腔內(nèi)一對葉形轉(zhuǎn)子同步、反向旋轉(zhuǎn)的推壓作用移動氣體實(shí)現(xiàn)抽氣，較水環(huán)式真空泵而言具有極限抽真空能力強(qiáng)（可達(dá)到0.5kPa以內(nèi)）、抽空容量大、節(jié)電等技術(shù)特點(diǎn)。羅茨真空泵作為前級泵，在較寬的壓力范圍內(nèi)有較大抽速，可有效降低抽空氣設(shè)備極限抽吸壓力，一方面提高水環(huán)真空泵入口抽吸壓力，另一方面所抽吸不凝結(jié)氣體在級間換熱器冷卻后進(jìn)入水環(huán)真空泵，增強(qiáng)了水環(huán)真空泵抗汽蝕能力，保證水環(huán)真空泵在高效區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖 1 羅茨真空泵

如圖2所示，以超低背壓運(yùn)行改造為核心，在低壓缸本體不做改動的前提下，更換中低壓連通管供熱蝶閥為全密封液壓蝶閥，增加低壓缸進(jìn)汽旁路，可以實(shí)現(xiàn)低壓缸維持較低的進(jìn)汽流量，維持較低背壓運(yùn)行，最大限度地利用抽汽進(jìn)行供熱，提升低負(fù)荷調(diào)峰能力。進(jìn)行低壓缸進(jìn)汽系統(tǒng)改造、冷端系統(tǒng)優(yōu)化改造、熱工控制系統(tǒng)改造三改聯(lián)動。具體實(shí)施方案因廠而異，因機(jī)組特性而不同。該技術(shù)已在多個(gè)電廠的靈活性改造項(xiàng)目中實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了2-4kPa超低背壓安全運(yùn)行，安全經(jīng)濟(jì)效果顯著。

圖 2 超低背壓靈活性改造示意圖

為解決抽汽供熱機(jī)組供熱能力偏低，運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活性差的技術(shù)問題，控制策略采用低壓缸進(jìn)汽參數(shù)與排汽參數(shù)同步匹配控制、運(yùn)行背壓變化與最小冷卻流量協(xié)同控制的靈活性控制方式。也可實(shí)現(xiàn)發(fā)電負(fù)荷及供熱量變化過程中，自動調(diào)整低壓缸進(jìn)汽流量，保證電、熱負(fù)荷匹配性，改善機(jī)組深度調(diào)峰過程中調(diào)峰與調(diào)頻的運(yùn)行性能，滿足電網(wǎng)AGC響應(yīng)要求。

以某330MW供熱機(jī)組切缸改造為例,機(jī)組零出力運(yùn)行時(shí)的電-熱負(fù)荷特性曲線如圖3。改造后，該供熱機(jī)組在供熱負(fù)荷保持不變的前提下，發(fā)電功率可降低50MW以上。

圖 3 供熱抽汽流量與發(fā)電功率關(guān)系曲線

2.3 空冷機(jī)組凍結(jié)問題

空冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生防凍問題：

（1）冷卻管束凍結(jié)。蒸汽提前凝結(jié)在順流管束下部和逆流管束上部都容易出現(xiàn)低溫區(qū)，順流管束下端凝結(jié)水流量增多，出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。雖然逆流管束的上部隨著凝結(jié)過程完成蒸汽量減少，同時(shí)凝結(jié)水量也減少，但不凝氣體含有的水蒸汽凝華仍有可能形成絮狀結(jié)冰，堵塞翅片管，減少流通面積。

（2）空冷散熱器結(jié)冰。當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入空冷散熱器的蒸汽流量太小，散熱負(fù)荷太低，即使風(fēng)機(jī)全部停運(yùn)采用自然通風(fēng)的方式，也很容易造成空冷島空氣流動不均勻，造成局部低溫結(jié)冰。通常逆流單元比順流單元更容易結(jié)冰，空冷島邊緣處單元比內(nèi)部單元更容易結(jié)冰。

（3）空冷系統(tǒng)運(yùn)行中還有一些其它問題，如：夏季背壓高，背壓設(shè)定缺乏根據(jù)，在機(jī)組啟、停過程中以及夜間或低負(fù)荷運(yùn)行等汽輪機(jī)排汽量較少的工況下，空冷系統(tǒng)散熱器易發(fā)生配汽不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致低溫區(qū)結(jié)冰。

高寒地區(qū)冬季環(huán)境溫度通常低于零度，火電機(jī)組受設(shè)計(jì)限制，排汽溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。一般情況下運(yùn)行背壓不低于阻塞背壓，特別是在深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組排氣量較小，凝結(jié)水過冷度大，使空冷系統(tǒng)更容易凍結(jié)。常用的調(diào)節(jié)方法是減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速直至停運(yùn)，個(gè)別風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)回流保暖等，但極限狀態(tài)后無法再調(diào)節(jié)。常用的防凍手段有擋風(fēng)、保暖、退出部分空冷列等。

2.4 超低背壓技術(shù)在空冷系統(tǒng)防凍中的作用

從傳熱方程看，傳統(tǒng)的空冷防凍是通過減小傳熱系數(shù)、保暖、減少換熱面積實(shí)現(xiàn)的。但換熱面積的減小受負(fù)荷變化幅度限制，而保暖、減小傳熱系數(shù)已經(jīng)達(dá)到當(dāng)前能力的極限。因此我們提出采用減小傳熱對數(shù)平均溫差的手段來進(jìn)一步防凍，即降低背壓，減小凝結(jié)水過冷度，減小排汽溫度與環(huán)境溫度的差。

從安全角度上看，機(jī)組深度調(diào)峰需保證汽輪機(jī)各級差壓在合理范圍，各級蒸汽流量需滿足連續(xù)性方程，即蒸汽容積保持在允許的范圍內(nèi)。在此范圍之外，當(dāng)排汽容積大于最大允許值即為阻塞工況，當(dāng)排汽容積小于最小允許值則為排汽鼓風(fēng)。對于抽汽供熱機(jī)組，熱負(fù)荷增加時(shí)，要考慮低壓缸鼓風(fēng)以及中壓缸排汽鼓風(fēng)；熱負(fù)荷減少時(shí)，要考慮低壓缸鼓風(fēng)以及中壓缸排汽超壓；對于純凝機(jī)組，低負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)可能鼓風(fēng)，高負(fù)荷時(shí)背壓阻塞。

通過技術(shù)改造，提高機(jī)組抽真空系統(tǒng)的低背壓抽真空能力，在低環(huán)境溫度下，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行背壓隨負(fù)荷下降而下降。在環(huán)境溫度零度以下，機(jī)組50%負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行背壓可由原10kPa降到5kPa，深度調(diào)峰至30%負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行背壓可下降到3.5kPa。由此，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組冬季調(diào)峰時(shí)降背壓過程運(yùn)行平穩(wěn)，凝結(jié)水過冷度不增加，從而使空冷散熱器溫度場均勻，無局部溫度過低現(xiàn)象，避免結(jié)冰。

2.5 抽真空管路的阻力優(yōu)化改造

進(jìn)行輔助抽真空設(shè)備改造后，系統(tǒng)整體抽真空能力增強(qiáng)，在原抽真空管路尺寸不變的情況下，該管路的沿程阻力會同步增大，所以需要對抽真空支管路進(jìn)行阻力優(yōu)化改造。抽真空支管路擴(kuò)徑改造后，原有手動抽真空隔離閥需同步進(jìn)行改造。同時(shí)，原空冷島平臺水平抽空聯(lián)通母管為逐漸縮徑形式，此段管路需進(jìn)行改造更換為通徑管路，或在空冷平臺增加一根通徑管路，以減小抽真空系統(tǒng)阻力。

結(jié)合汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，從抽真空設(shè)備優(yōu)化改造和空冷島抽真空管道阻力優(yōu)化改造入手，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組在低氣溫、低負(fù)荷下超低背壓運(yùn)行。

針對供熱機(jī)組極端工況下，冷端系統(tǒng)防凍壓力大，運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性差的問題，率先在某電廠開展了直接空冷系統(tǒng)在線監(jiān)測及輔助抽真空系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究，將機(jī)組供熱期間安全運(yùn)行背壓降至3.3kPa，首次實(shí)現(xiàn)了直接空冷機(jī)組超低背壓運(yùn)行，并配套開發(fā)了間接空冷機(jī)組間冷塔、濕冷機(jī)組水塔的防凍技術(shù)研究。

圖 4 某直接空冷機(jī)組在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)

2.6 經(jīng)濟(jì)性分析

新的電力供需形勢下，對機(jī)組深度調(diào)峰能力及運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性提出更高要求，而解決空冷系統(tǒng)防凍難題，實(shí)現(xiàn)超低背壓運(yùn)行，提高機(jī)組調(diào)峰能力及低負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的作用將更加明顯。

目前大多數(shù)直接空冷機(jī)組冬季最低運(yùn)行背壓在8-10kPa左右，嚴(yán)寒地區(qū)實(shí)際運(yùn)行背壓更高，現(xiàn)有抽真空條件下，受最小防凍流量的限制，機(jī)組低負(fù)荷下仍維持較高背壓運(yùn)行，往往采用風(fēng)機(jī)停用、退列、封堵等被動防凍措施來解決空冷系統(tǒng)防凍問題。在低氣溫、低負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)低背壓運(yùn)行的節(jié)能潛力未能得以發(fā)揮。

直接空冷機(jī)組通過提高抽真空系統(tǒng)抽吸能力，降低機(jī)組極限背壓，降低真空系統(tǒng)內(nèi)不凝氣體含量，同時(shí)通過改造抽真空管道系統(tǒng)，優(yōu)化平衡空冷各單元抽氣阻力，減少過冷度分配不均勻的現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，空冷島內(nèi)蒸汽流通更為順暢，解決了逆流單元過冷阻塞的問題。同時(shí)由于運(yùn)行背壓下降，空冷島乏汽與外界空氣的傳熱溫差降低，弱化傳熱，既解決防凍壓力，又提升了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

實(shí)踐表明，超低背壓改造后的機(jī)組冬季運(yùn)行背壓能接近相應(yīng)低壓缸排汽量所對應(yīng)的阻塞背壓。當(dāng)環(huán)境溫度零度以下時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在50%負(fù)荷下，機(jī)組運(yùn)行背壓由10kPa下降到5kPa，供電煤耗下降幅度不小于7g/kWh；在30%負(fù)荷下，機(jī)組運(yùn)行背壓由10kPa下降到3.5kPa，供電煤耗下降15g/kWh以上。

以一臺300MW等級機(jī)組實(shí)施完整超低背壓供熱靈活性改造為例：項(xiàng)目投資約500萬元左右，建設(shè)后一年內(nèi)可節(jié)約燃料收益200萬，參與深度調(diào)峰收益2000萬元，擴(kuò)大供熱收益1000萬元，合計(jì)3500萬元收益。該技術(shù)的應(yīng)用不僅能提升經(jīng)濟(jì)效益，也可減少二氧化碳排放，促進(jìn)可再生能源消納并提高供熱保障能力。

3 原煤倉分倉技術(shù)在深度調(diào)峰中的應(yīng)用

受煤炭資源供應(yīng)日益緊缺、煤炭市場運(yùn)力不足、煤炭價(jià)格波動等諸多因素影響，我國大部分燃煤發(fā)電企業(yè)均采取燃用混煤替代設(shè)計(jì)煤種的措施來提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。配煤摻燒就是在火電廠鍋爐燃煤的過程中，根據(jù)一定的配合比將不同種類不同性質(zhì)的煤種摻配混合完成發(fā)電。通過優(yōu)化配煤，不僅可以降低飛灰含碳量，改善鍋爐結(jié)渣狀況，還能降低污染物排放量，節(jié)約燃煤成本，最大程度上減輕火電廠經(jīng)濟(jì)損耗。

3.1 配煤摻燒的不同方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

國內(nèi)外針對混煤摻燒技術(shù)已開展了多年研究，取得了豐富的成果。目前，國內(nèi)燃煤發(fā)電機(jī)組主要采用“爐前摻配、爐內(nèi)混燒”和“分磨制粉、爐內(nèi)混燒”兩種方式開展混煤摻燒。爐前配煤主要包含煤場配煤、鍋爐輸煤皮帶配煤等；爐內(nèi)摻燒是通過將不同種類的煤質(zhì)投入磨煤機(jī)中，根據(jù)調(diào)整磨煤機(jī)出力，實(shí)現(xiàn)摻燒。

3.1.1 煤場配煤

儲煤場會根據(jù)煤質(zhì)將不同質(zhì)量的煤種分別放置，如優(yōu)質(zhì)煤、一般煤、劣質(zhì)煤、極差煤等。為了實(shí)現(xiàn)配煤摻燒，儲煤場存煤可采用縱堆橫取或橫堆縱取方式，基于儲煤場實(shí)際情況，合理設(shè)置不同煤種堆放場地的長度、高度、寬度，在此基礎(chǔ)上借助堆煤機(jī)，進(jìn)行縱向堆煤或橫向堆煤，取煤過程則是橫向取煤或縱向取煤，如此可以在取煤過程中實(shí)現(xiàn)混摻。煤場配煤有助于燃料的綜合調(diào)度，但是占地面積大，成本過高且缺乏靈活性和實(shí)時(shí)性，無法針對鍋爐需求及時(shí)調(diào)整煤炭比例。

3.1.2 輸煤皮帶配煤

利用雙線縫隙式煤槽、輸煤皮帶、變頻葉輪給煤機(jī)等進(jìn)行煤的混摻。雙線縫隙式煤槽甲乙兩側(cè)分別放置不同的煤種，在進(jìn)行煤推送的過程中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的煤質(zhì)數(shù)據(jù)及鍋爐燒煤要求，啟動變頻葉輪給煤機(jī)，調(diào)整好設(shè)定值，在皮帶上進(jìn)行甲乙兩側(cè)煤的混摻，進(jìn)而通過皮帶傳送到鍋爐進(jìn)行摻煤燃燒。該方式配煤均勻性較差，其混煤比例不易精確控制，而不均勻混煤可能會影響到鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.1.3 分磨制粉，爐內(nèi)摻燒

將不同種類的原煤送入不同的磨煤機(jī)內(nèi)磨制煤粉，然后通過不同層的燃燒器進(jìn)入爐膛摻燒。這種摻燒方式適用于混煤手段和混煤設(shè)備少的電廠，尤其適用于可磨性差異大的煤種。不同種類煤粉的細(xì)度可以完全由不同的磨煤機(jī)控制，可以根據(jù)煤質(zhì)和燃燒特性來選擇送入不同層的燃燒器以及不同的配風(fēng)方式，例如將不易結(jié)渣的煤送入高熱負(fù)荷區(qū)域的燃燒器，有效降低爐膛燃燒器區(qū)域的結(jié)渣傾向。這種摻混方式克服了混煤燃盡特性趨近于難燃盡煤種的缺點(diǎn)，并且避免了爐前摻混不均勻所帶來的燃燒穩(wěn)定性問題。

受煤場條件限制，“分磨制粉、爐內(nèi)混燒”成為燃煤電站鍋爐混煤摻燒的主要方式，該方式具有占地空間小、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但影響機(jī)組運(yùn)行的靈活性。

3.2 煤種切換速度影響機(jī)組升降負(fù)荷速度

當(dāng)機(jī)組設(shè)計(jì)煤質(zhì)為高熱值煙煤時(shí)，若摻燒一定比例的低熱值煤種，則滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)出力增高。當(dāng)超過磨煤機(jī)最大出力時(shí)，出現(xiàn)影響機(jī)組帶負(fù)荷的現(xiàn)象。另外，摻燒低熱值煤還影響機(jī)組升負(fù)荷速率。而近年來隨著我國新能源裝機(jī)規(guī)模不斷增加，電網(wǎng)系統(tǒng)對煤電機(jī)組深度調(diào)峰靈活性運(yùn)行能力要求逐漸提高。煤電機(jī)組不僅要能夠升得高，達(dá)到額定負(fù)荷，還要降得足夠低，達(dá)到30%甚至20%額定負(fù)荷，且負(fù)荷升降的速度要快。在此過程中，入爐煤種特性變得至關(guān)重要，是煤電機(jī)組靈活性運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，提高爐內(nèi)摻燒過程中煤種切換的靈活性對于燃煤發(fā)電機(jī)組靈活運(yùn)行具有重要意義。

通常情況下，一臺原煤倉配備一臺磨煤機(jī)和一臺給煤機(jī)，只存一種煤，只有倉內(nèi)舊煤燒完后才上新煤，煤種混配無法在煤倉進(jìn)行，也無法實(shí)時(shí)切換給煤種類，無法迅速響應(yīng)調(diào)峰需求。

為實(shí)現(xiàn)對燃料的優(yōu)化管理，我公司研發(fā)了基于原煤倉分倉的快速配煤摻燒技術(shù)，通過對現(xiàn)有設(shè)備實(shí)施少量改造，實(shí)現(xiàn)了不同煤種的快速變煤摻燒，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)在線切換煤種，應(yīng)對全天快速變負(fù)荷的調(diào)峰需求，高負(fù)荷燃用高熱值煤，低負(fù)荷燃用低熱值煤，提高負(fù)荷響應(yīng)，同時(shí)增加低熱煤的摻燒量，取得負(fù)荷響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)性的雙重收益，有力提升企業(yè)市場競爭能力。

3.3 原煤倉改造：燃煤企業(yè)靈活性與經(jīng)濟(jì)性的探索實(shí)踐

2021年我公司為某電廠兩臺600MW超臨界直流機(jī)組進(jìn)行改造。鍋爐為Π型布置，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，前后墻各布置3層低NO_x軸向旋流燃燒器，每層各有5只，共30只燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方，前后墻各布置1層燃燼風(fēng)口，每層布置5只，共10只燃燼風(fēng)口，用來補(bǔ)充燃燒后期需要的空氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)分級燃燒。配六臺直吹式中速輥式磨煤機(jī)，每臺磨煤機(jī)有五根出粉管，對應(yīng)一層燃燒器。

3.3.1 煤倉結(jié)構(gòu)

電廠上煤系統(tǒng)為雙路皮帶系統(tǒng)，在煤倉間設(shè)置有10A、10B皮帶，煤倉間帶式輸送機(jī)層采用電動雙側(cè)犁式卸料器，通過選擇啟動A路或B路犁式卸料器的犁刀，兩條皮帶分別可以向兩臺鍋爐12個(gè)原煤倉進(jìn)煤。

原煤倉由主要由上部圓柱形原煤倉、中部圓臺原煤倉和下部雙曲線原煤斗三部分構(gòu)成，另外，給煤機(jī)入口有一段大小頭，連接原煤斗及給煤機(jī)入口。

隨著煤炭市場的變化，該電廠大部分運(yùn)行時(shí)間燃用非設(shè)計(jì)煤種，采用高水分、低熱值煤進(jìn)行摻燒。由于摻燒的煤質(zhì)特點(diǎn)與原設(shè)計(jì)煤種偏差較大，鍋爐運(yùn)行過程容易出現(xiàn)問題，且時(shí)效性不強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性較差。為滿足能源局的深度調(diào)峰要求，避免支付巨額調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)，電廠迫切需要提升機(jī)組的升降負(fù)荷速率。

3.3.2 改造方案

對現(xiàn)有原煤倉實(shí)施改造，在原煤倉內(nèi)區(qū)域加裝隔板，在給煤機(jī)入口上方的煤斗區(qū)域安裝一套新式插板門，分別控制一側(cè)煤流。所有的輸煤設(shè)備（包括犁煤器、落料口等）本體結(jié)構(gòu)不改變，將原煤斗內(nèi)部沿皮帶方向（給煤機(jī)排列方向）進(jìn)行分隔，增設(shè)一個(gè)厚度10mm的不銹鋼板。同時(shí)考慮支撐，從煤斗的下方往上進(jìn)行分隔，根據(jù)所需上煤量確定高度，安裝一組新式插板門。在不對原輸煤及配煤系統(tǒng)做任何變動的情況下，僅通過上述簡單改造，通過分別開啟兩側(cè)的插板門來控制進(jìn)入給煤機(jī)的煤種，實(shí)現(xiàn)快速變換煤種的目的。

為保證改造效果和利用率，在原煤倉頂部增設(shè)防爆照明及視頻監(jiān)控，在原煤倉內(nèi)隔板兩側(cè)增設(shè)導(dǎo)波雷達(dá)設(shè)備測量煤位，倉壁上增設(shè)空氣炮防止堵塞。

在磨煤機(jī)及給煤機(jī)運(yùn)行中，原煤倉隔板的雙向閘板可以任意來回切換，對原煤倉下煤無影響。分隔倉內(nèi)裝不同性質(zhì)的煤種，將插板門均打開，可由 “分磨磨制，爐內(nèi)混燒”，進(jìn)一步變?yōu)椤澳?nèi)混合磨制、爐內(nèi)均勻混燒”的配煤新方式。

分隔后的原煤倉，一半裝好煤，一半裝劣質(zhì)煤，根據(jù)不同負(fù)荷和深度調(diào)峰的需要，自動開啟不同的插板門向給煤機(jī)實(shí)時(shí)提供與負(fù)荷相對應(yīng)的原煤，以適應(yīng)機(jī)組全天快速變負(fù)荷要求，高負(fù)荷燒高熱值煤，低負(fù)荷燒低熱值煤，滿足快速響應(yīng)負(fù)荷要求的同時(shí)提高了劣質(zhì)煤摻煤率。

3.4 原煤倉分倉改造的創(chuàng)新點(diǎn)

在目前大部分火電企業(yè)經(jīng)營效益下降，煤價(jià)持續(xù)上漲的情況下，摻燒低熱值煤是一個(gè)提升企業(yè)效益的有效手段。原煤倉進(jìn)行靈活性分倉改造，可實(shí)現(xiàn)降低經(jīng)營成本、提高企業(yè)經(jīng)營狀況、滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰要求。除在電站鍋爐推廣應(yīng)用外，在其它有使用摻配煤并采用原煤倉儲存化石類燃料的行業(yè)均可應(yīng)用。其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1、靈活性高，快速切換。實(shí)現(xiàn)一個(gè)煤倉一臺給煤機(jī)同時(shí)供應(yīng)兩種不同的煤種，及時(shí)改變鍋爐配煤，滿足鍋爐不同負(fù)荷對煤質(zhì)的要求。改造完成后原煤倉可做兩種煤摻配，也可用于單一煤種。

2、改造工程量小，改造成本低。鍋爐制粉系統(tǒng)變動不大，不需要再增加一個(gè)煤斗倉，也不需增加給煤機(jī)、磨煤機(jī)，特別是上煤系統(tǒng)不用做任何變動。利用現(xiàn)有的原煤倉存儲兩種不同煤種，輔以必要的監(jiān)視手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線變換煤種的目的。

3、操作簡單方便，運(yùn)行安全可靠。可快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化，徹底改變以往配煤過程中時(shí)間滯后、不能及時(shí)變換煤種的弊端。面對負(fù)荷快速變動時(shí)的精準(zhǔn)配煤需求，分倉技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷“高峰頂?shù)蒙�，低谷降得下”，從根本上解決了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)與精準(zhǔn)配煤之間的矛盾。

4、提高劣質(zhì)煤摻燒量，鍋爐燃燒精準(zhǔn)調(diào)整。滿足火電機(jī)組靈活性要求，滿足發(fā)揮機(jī)組輔助服務(wù)的需要，在火電企業(yè)參與電網(wǎng)輔助服務(wù)、調(diào)頻等方面發(fā)揮其優(yōu)勢。靈活應(yīng)對全天快速變負(fù)荷的要求，從燃料側(cè)為企業(yè)增收節(jié)支、提質(zhì)增效提供有力保障，進(jìn)而提升企業(yè)的市場競爭能力。

5、經(jīng)濟(jì)效益顯著。原煤倉進(jìn)行靈活性分倉改造成本低、收益高。以當(dāng)前市場計(jì)算，20.9MJ的高熱值煤價(jià)為1000元/t，15.9MJ的低熱值煤價(jià)為600元/t，每臺給煤機(jī)出力50t/h，以各帶一半負(fù)荷計(jì)，年內(nèi)運(yùn)行小時(shí)按5000h，全年低熱值煤占比50%，分倉運(yùn)行的投入率按40%考慮，年收益為：(50t/h--25t/h)×5000h×(1000元/t-600元/t)×50%×40%=1000萬元。