何韬 黄亮 王映磊
国家能源集团重庆恒泰发电有限公司
摘要：由于我国新能源发电的迅猛发展，以及煤电产能的过剩，火电机组灵活性改造及深度调峰优化研究势在必行。本项目针对超低负荷深度调峰问题进行试验研究，从机组深度调峰锅炉燃烧的安全性、经济性角度对燃烧器进行重新设计并改造，通过机组深度调峰优化调整，保证机组在超低负荷下燃烧的稳定性和经济性，同时降低炉膛出口的NOx浓度，达到环保达标排放要求。本项目的研究成果值得在火力发电厂大力推广应用。
关键词 富氧 燃烧 灵活性 调峰
1 引言
2016年国家发改委和能源局发布的电力发展“十三五”规划中明确表示要充分挖掘现有系统调峰潜力，着力增强系统尤其是火电机组的灵活性。由于我国新能源发电的迅猛发展，以及煤电产能的过剩，火电机组灵活性改造及深度调峰优化研究势在必行。目前国内企业及研究机构已开展了很多的燃烧技术开发研究工作并取得了丰硕的成果。本项目是在这些研究的基础上，针对超低负荷深度调峰问题进行试验研究，从机组深度调峰锅炉燃烧的安全性、经济性角度对燃烧器进行重新设计并改造，通过长期机组深度调峰优化调整，保证机组在超低负荷下燃烧的稳定性和经济性，同时降低炉膛出口的NOX浓度，达到环保达标排放要求。重庆火电装机利用小时仍旧维持在较低水平，同时重庆电网的特点是峰谷差较大，网内执行水电不弃水，清洁能源保上网，外购电不参与调峰的调度原则，由火电机组承担调峰任务，调峰最低负荷亦由2015年以前50%降到40%（预计以后会更低），即深度调峰，甚至在调峰难度大的情况下安排火电机组轮流启停调峰。2016-2019年，恒泰公司两台300MW火电机组完成深度调峰次数不少于150次/年，深度调峰时长不少于1000小时/年；机组启停机次数不少于25次/年，机组深度调峰和启停机调峰已成为一种新常态。为更好的适应火电新常态和重庆电网结构特点，提高火电机组深度调峰能力、实现快速启停、加快爬坡到达所需负荷速率，提升火电机组调节灵活性，必将成为公司未来成长发展的核心任务。
通过近几年对火电机组深度调峰研究及运行经验积累，国家能源集团重庆恒泰发电有限公司两台300MW火电机组基本能承担最大不低于40%额定负荷深度调峰长时间运行，但深度调峰期间机组SCR催化剂温度偏低、不同煤种适应性及能耗水平较高等一系列问题仍需要进一步解决，离重庆电网未来低于30%额定负荷深度调峰需求还有一定差距，同时2019年重庆电网出台新的调峰补偿管理办法，为了争取“两项细则”更大政策补偿，提升利用小数“三同”对标水平，提高火电机组灵活性运行及提升深度调峰能力将成为恒泰公司发展必然的选择。
2 现状
国家能源集团重庆恒泰发电有限公司2×300MW国产亚临界燃煤发电机组，配套锅炉为东方锅炉(集团)股份有限公司设计制造的 DG-1025/18.2-II4 型亚临界压力、中间一次再热、自然循环汽包炉，采用四角切园燃烧方式，锅炉采用传统的#0轻柴油点火和低负荷投油助燃方式，锅炉设计安装3层（12支）空气雾化点火油枪，出力0.8吨/小时。由于油价的长期高涨，启动点火和低负荷稳燃的燃料成本极大地影响着发电厂经济效益，而且在这种方式下冷炉启动初期由于电除尘不能及时投入而造成了烟尘对环境的污染，另外由于助燃不足煤粉燃烬率也较低，机组深度调峰锅炉难以满足稳定燃烧，因此有必要对燃烧系统进行改造，寻求一种既可保证在锅炉点火过程中和深度调峰中稳燃耗油量少，又可以保护火电厂周边生态环境无污染的燃烧系统，以满足电力生产日益提高的节能、环保要求。2015年我们对#1、2炉进行了A层燃烧器富氧燃烧改造工作，在锅炉点火、深度调峰、锅炉稳燃方面效果明显，锅炉冷态点火一次耗油在5吨以下，耗油量小，节能明显，油燃烧完全，避免了油煤混烧所造成的对电除尘器、脱硫、脱硝等环保装置被污染、催化剂中毒等问题；经过长期试验摸索，已经实现机组在40%额定负荷以内的调峰安全稳定运行。近三年来，通过完善富氧点火系统的逻辑和运行参数，保障深度调峰期间的安全稳定性问题；通过增设富氧增压泵提高油压，采用耐高温高效雾化小油枪喷嘴技改提升富氧燃烧技术的灵活性和经济性，增强机组深度调峰能力。通过燃烧调整、配风优化、配煤优化及制粉系统运行方式优化，持续进行机组深度调峰优化试验。但是如需再降低机组负荷及实现全富氧燃烧机组启动，则必须继续进一步研究试验。主要存在以下问题：（1）在机组深度调峰在30%额定负荷以下运行，脱硝入口烟气温度不能满足脱硝SCR运行要求（≥307℃），低于脱硝催化剂最低喷氨温度，脱硝自动退出运行，NOx超标，影响环保排放。（2）锅炉的飞灰大渣的含碳量高，锅炉效率低；（3）锅炉的主蒸汽和再热蒸汽温度低，汽轮机的效率的低，全厂的供电煤耗高。因此,需要进一步开展基于富氧燃烧技术的火电灵活性调峰研究工作。
3 富氧燃烧技术的机理及系统组成
（1）点火原理
锅炉点火启动时，利用燃油在纯氧条件下充分燃烧所产生的火焰，使穿过该火焰的已呈富氧状态的煤粉流得到快速热解燃烧，进而该部分煤粉燃烧所产生热量，引燃喷入的一次风煤粉，实现“以煤代油，以氧助燃”，达到以微油燃烧直接点燃煤粉流，在冷态、热态时启动锅炉，节约锅炉点火用油。
（2）稳燃原理
锅炉运行炉内燃烧呈不稳定状态时，仅需在燃烧器喷口处通入与此时一次风粉温度大致一致的氧气流，从而使在氧气流流经区域的煤粉，着火热显著降低，燃烧温度明显提高，燃烧速度大大加快，保证了一次风粉在不加油时的正常燃烧，达到一次风粉的稳燃状态，实现无油稳燃，节约锅炉稳燃用油。
（3）降氮原理
富氧低氮燃烧技术有机地结合了空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术以及投放NH3还原剂（富氧低氮燃烧技术是产生CO还原剂）还原氮氧化物技术的特点，同时视为更深度的空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、火焰内还原技术的结合。其反应式为：
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注：结合分子活化能理论，就还原NOx而言，CO还原能力比NH4的还原能力更强、更活跃。
在进行富氧低氮燃烧时，一次风粉进入富氧低氮燃烧器，通过富氧低氮燃烧器内浓淡分离的作用，使一次风粉到达深度的燃料分级和空气分级的效果，然后使用极少的燃油（或天然气）和氧气分级点燃一次风煤粉，确保了一次风煤粉在富氧低氮燃烧器内提前着火燃烧，该煤粉的燃烧处于深度缺氧的环境中，产生大量的CO。
1）该CO量在富氧低氮燃烧器内大幅度抑制和还原了氮氧化物。
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2）该CO量进入炉膛后，低空气余量系数的主燃区、还原区及高空气余量的燃尽区在炉膛中的全方位布置，在炉膛中又形成新的燃料分级和空气分级，CO在炉内进一步大幅度抑制和还原炉内的氮氧化物。
（4）系统组成
富氧燃烧技术由以下几大部分组成：
自动供氧装置——保证富氧燃烧技术在实施中氧气的供应；
自增压平衡装置——保证富氧燃烧技术在实施中氧气供应的安全性；
燃油预处理装置——保证富氧燃烧技术在实施中燃油供应及时、清洁、稳定、安全；
集成设备 ——保证富氧燃烧技术在实施中锅炉煤粉安全、有效燃烧，从而达到锅炉节能环保运行的装置；
系统控制软件包——保证富氧燃烧技术在实施中各设备（装置）安全运行的控制软件系统；
自动化硬件集成系统设备——保证富氧燃烧技术在实施中各设备（装置）安全运行的控制电气仪表等硬件系统。
4 改造方案
在2019年9月，我们选在#1锅炉燃烧器的D层做了改造试验，目的是在机组启停阶段A层作为主点火层稳燃，D层作为辅助主再热温度调节使用，实现机组深调及启动初期阶段A、D层断层燃烧，抬高火焰中心，缩短火焰中心到炉膛出口的距离，从而烟气在炉膛出口的温度较高，以提升烟温及在机组启动初期控制主、再热汽温，同时满足超低负荷深度调峰SCR系统入口烟气温度需求，确保SCR系统正常投入。
将原锅炉D层主燃烧器（#1～#4角一次风喷口）从法兰至喷口段（2m左右）拆除，更换上设计的富氧低氮煤粉燃烧器。相对应的在锅炉D层#1～#4角富氧低氮煤粉燃烧器上，各安装一支富氧微油气化油枪。油枪出力80±10kg/h。安装供氧和供油管道，提供点火用氧和用油。
（1）富氧低氮燃烧器
试验时燃烧器如下图布置
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改造后的富氧低氮燃烧器的主要运行原理：
1）在深度调峰方面——根据小空间主动控制燃烧原理，将燃油和氧气通过特殊的方式引入富氧低氮燃烧器小空间内，运用分级燃烧方式使整个一次风煤粉流以稳定着火燃烧状态进入炉膛，逐渐调节锅炉所需的低负荷，保证炉膛不会因为热负荷过低燃烧不稳而熄火，在确保锅炉整体安全、稳定运行的前提下，实现机组≤30%额定负荷的深度调峰。从而保证机组满足调峰阶段灵活性的要求。
2）在降低锅炉出口氮氧化物方面——运行富氧低氮燃烧器，将燃油和氧气通过特殊的方式引入富氧低氮燃烧器小空间内，利用小空间主动控制燃烧原理，通过一次风煤粉在富氧低氮燃烧器分级燃烧过程中多段分级配风，调控富氧低氮燃烧器内过量空气系数，提高一次风煤粉流在富氧低氮燃烧器内深度缺氧燃烧效率，产生还原性物质在富氧低氮燃烧器内抑制还原氮氧化物；不完全燃烧的煤粉和在该燃烧状态下产生的还原性物质进入炉膛后，调控炉内配风状态，形成全方位的空气分级燃烧，在炉内整体空间内进一步抑制还原氮氧化物。
5改造效果
2019年9月，我们利用#1炉扩大性C修，在#1锅炉D层燃烧器做了富氧低氮燃烧器改造试验，通过近几个月的运行以及委托第三方做性能试验，锅炉在深度调峰期间，机组负荷90MW时投入D层富氧低氮燃烧器运行，锅炉效率有所升高，升高了0.58%；主蒸汽和再热蒸汽温度提高明显，主蒸汽温度为530℃，再热蒸汽温度为509℃，远高于锅炉对应负荷的设计值；脱硝入口烟气温度为313℃，满足脱硝SCR运行要求（≥307℃）,解决了脱硝SCR系统在机组负荷90MW时不能运行问题、炉膛出口NOx有所降低。
6 结论
针对超低负荷深度调峰燃烧稳定性及烟气温度偏低进行试验研究，从机组深度调峰锅炉燃烧的安全性、经济性角度对燃烧器进行重新设计并改造，通过调控燃烧系统油、氧参数，利用氧气强化燃油燃烧，产生高温火焰引燃一次风煤粉，确保调峰期间富氧燃烧系统内煤粉提前着火主动燃烧状态进入炉膛，在维持炉膛稳定燃烧的同时，断层、错层或断层+错层富氧调峰燃烧系统的投运，抬高火焰中心，缩短火焰中心到炉膛出口的距离，可确保烟气温度满足SCR投运要求，燃烧全过程安全、高效，锅炉主蒸汽和再热蒸汽温度提高明显、锅炉的效率提高、同时通过燃烧风量分级配比可降低炉膛出口NOx浓度，锅炉点火、稳燃、深度调峰调期间耗油量少。可以满足电网深度调峰，实现经济效益和社会效益双丰收，其成果值得在火力发电厂大力推广应用。
参考文献：
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1 《DG1025/18.2－II4锅炉说明书》，东方锅炉（集团）股份有限公司2004.01
2 范从振，《锅炉原理》，北京，水利电力出版社，1986
3 李青，《火力发电厂节能和指标管理技术》，北京，中国电力出版社，2006.02
作者简介：何韬，男，55岁，国家能源集团重庆恒泰发电有限公司锅炉首席师、2019年全国首届“优秀创新工匠”获得者、锅炉主管 、高级技师，重庆大学热能动力专业毕业，从事锅炉脱硫脱硝技术工作。