600 MW亚临界机组长时间深度调峰燃烧稳定性研究

图1 锅炉剖面图及二次风门位置

Fig. 1 Boiler profile and location of secondary damper

2 试验工况

机组正常运行期间负荷在50%以上，自动发电控制(automatic generation control，AGC)等各类装置全部投入，磨煤机维持4台及以上，入炉煤热值14.65~16.74 kJ/g，各火检强度维持在98%以上且无波动现象。而15%~20%额定负荷深度调峰试验期间，AGC在严格跟踪基点子模式(base load off-regulated，BLO)下运行，汽轮机高低压旁路关闭，除高加疏水自动退出外，各主要控制回路均投入自动控制，汽机主汽调阀顺阀控制，锅炉采取等离子助燃，AB磨煤机运行，燃用热值和挥发分较高的煤种，禁止锅炉吹灰，试验期间氮氧化物、二氧化硫和烟尘均能达到超低排放的标准，但火检强度会有不同程度的波动。

2.1 磨煤机组合方式及煤质

本次试验共包括3个试验，15%额定负荷稳定工况、20%额定负荷稳定工况和20%额定负荷波动工况，试验时长6~24 h。试验期间均采用AB磨煤机组合方式，15%额定负荷深度调峰期间AB磨煤机燃用高热值准格尔煤(下文简称“高准”)，20%额定负荷深度调峰时段，A磨采用高热值准格尔煤，B磨采用普通准格尔煤(下文简称“普准”)，煤源均是来自准格尔点岱沟煤矿，具体煤质如表1所示。

表1 深度调峰期间燃煤工业分析

Tab. 1 Industrial analysis of coal during the process of deep peak shaving

煤质指标	普准	高准
M_t/%	9.7	10.3
M_ad/%	4.3	4.4
A_ad/%	31.1	23.9
V_ad/%	25.4	27.4
S_t，ad/%	0.5	0.5
H_ad/%	3.8	3.3
Q_net/(kJ/g)	17.7	20.3
R₉₀/%	26	26

注：M_t为全水分质量分数；M_ad为空气干燥基水分质量分数；A_ad为空气干燥基灰分质量分数；V_ad为空气干燥基挥发分质量分数；S_t，ad为空气干燥基全硫质量分数；H_ad为空气干燥基含氢量；Q_net为低位发热量；R₉₀为煤粉细度。

2.2 二次风门控制

深度调峰期间，二次风门燃尽风全关状态，AA、AB、A、B、BC风门均在自动位，20%额定负荷稳定工况和波动工况二次风门开度一致，风门具体开度如表2所示。

表2 二次风门开度统计

Tab. 2 Summary of the secondary damper opening

位置	二次风门开度/%
位置	15%负荷	20%负荷
SOFA1—7层角燃尽风风门位置	0	0
消旋风OFA二次风门位置	0	0
FF层二次风门位置	47	49
F层角周界风门位置	17	10
EF层偏转二次风门位置	20	26
E层周界风门位置	10	10
DE层偏转二次风门位置	13	15
D层周界风门位置	10	10
CD层角偏转油二次风门位置	25	15
C层角周界风门位置	10	10
BC层角启转二次风门位置	50	20
B层角周界风门位置	26	17
AB层偏转油二次风门位置	46	31
A层周界风门位置	28	20
AA层直吹二次风门位置	68	45

2.3 磨煤机风煤比

20%额定负荷波动工况试验过程中控制变荷速率7 MW/min，煤量波动0.5~12 t/MW。表3列出了15%和20%额定负荷稳定工况的负荷、煤量和一次风量波动范围。

表3 稳定工况相关参数统计

Tab. 3 Summary of relevant variables under steady operation conditions

调控指标	15%额定负荷	20%额定负荷
负荷/MW	88.3~92.8	118.1~122.2
A磨煤量/(t/h)	30.1~37.5	37.1~43.6
B磨煤量/(t/h)	24.3~31.7	34.9~44.5
A磨一次风量/(t/h)	69.2~91.2	81.1~88.1
B磨一次风量/(t/h)	74.1~88.3	90.4~98.8

3 燃烧稳定性分析

深度调峰过程中锅炉燃烧稳定性是影响深调幅度的一个关键性指标，长时间连续深度调峰会造成炉膛温度降低，对锅炉的稳燃能力有更高的要求。实际生产过程中，如何判断锅炉燃烧是否稳定，以及定位造成锅炉燃烧不稳定的相关影响因素，及时形成运行指导建议或控制逻辑，将很大程度上避免锅炉的不稳定情况。

3.1 燃烧分析

3.1.1 火焰波动性分析

表征炉膛燃烧状态稳定与否最直接的反映是燃烧火焰，因此火焰检测器(以下简称“火检”)的准确性直接影响锅炉的安全运行。本次研究对象使用的火检是福尼公司生产的火检探头Uniflame P/N 401111-21。

1）均值 $μ$ 。信号的均值用于描述信号的平均变化，代表了信号中的直流分量，它所反映的是所有数据的中心点，对于给定的信号{x_i $|$ i=1, 2,…,n}，其计算公式为

μ = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} x_{i}

(1)

2）标准差 $σ$ 。标准差也称均方差，表示信号的各采样值偏离平均值的程度，代表了信号中的交流分量，本文使用标准差定位异常波动的参数。其计算公式为

σ = \sqrt[]{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (x_{i} {- μ)}^{2}}

(2)

3）标准差变化率θ。标准差变化率θ用于衡量相关参数对于标准稳定工况的变化幅度，正值表示2个参数正相关，负值表示2个参数负相关。其计算公式为

= \frac{σ_{火检 波动} - σ_{火检 正常}}{σ_{火检 正常}}

(3)

3.1.2 火检波动影响因素分析

通过安全仪表系统获取自动发电控制深度调峰期间的火检强度、汽包水位、炉膛负压、等离子发生器电流和电压、一次风量、主燃烧器摆角、磨煤机煤量、磨煤机出入口压差和二次风门开度等与燃烧稳定性相关的96个变量，并对其进行分析，找出主要相关变量，整个分析过程如图2所示，首先设定各参数的分析阈值，如表4所示，剔除小于波动阈值的参数；然后基于滑动窗口，运用标准差分析特定周期内的火检强度波动大于10%(火焰稳定时火检强度均大于99%)工况下的相关参数；最后通过标准差变化率确定主要相关因素，从而找出造成火检波动的原因。

图2

图2 火检波动分析流程图

Fig. 2 Schematic of flame detector fluctuation analyzation

表4 关联因素分析阈值

Tab. 4 Correlation factor analysis thresholds

参数	阈值
炉膛负压/Pa	100
汽包水位/mm	100
磨煤机一次风量/(t/h)	3
磨煤机煤量/(t/h)	2
磨煤机压差/kPa	1
磨煤机加载压力/MPa	1
二次风门开度/%	3
炉膛出口温度/℃	20

3.1.3 燃烧稳定性分析

亚临界汽包炉在生产实践中判断锅炉燃烧稳定的常用指标包括火检、炉膛负压和汽包水位^[10]。火检是作为燃烧是否稳定的最直接的指标，对锅炉煤粉燃烧强度和温度感受灵敏，飞灰和局部微小波动火检也会发生变化。炉膛负压负压会因送风机和引风机出力产生大幅变化。汽包水位会受到给水流量和机组出力影响。因此需要通过这3个指标综合判断锅炉燃烧的稳定性。

3.2 深调工况分析

3.2.1 15%额定负荷稳定工况火检变动情况分析

1）火检波动情况。15%额定负荷稳定工况历时6 h，共采集22 260组数据，如表5和图3、4所示，其间A磨煤机#4火检波动幅度大于10%共计22次，标准差为15.7，B磨煤机#3火检波动幅度大于10%共计120次，标准差为17.1。

表5 15%额定负荷稳定工况火检波动统计

Tab. 5 Flame detector fluctuation statistics of 15% rated load under stable working conditions

参数	A磨煤机	B磨煤机
#1火检变动次数/标准差	0	0
#2火检变动次数/标准差	0	0
#3火检变动次数/标准差	0	120/17.1
#4火检变动次数/标准差	22/15.7	0

图3

图3 15%额定工况A磨火检波动趋势

Fig. 3 Fluctuation trend of flame detector in the A coal-mill at 15% rated load

图4

图4 15%额定工况B磨火检波动趋势

Fig. 4 Fluctuation trend of flame detector in the B coal-mill at 15% rated load

2）造成火检波动原因分析。如表6所示，A4火检和B3火检波动期间，各相关参数的标准差和标准差变化率较正常工况波动情况还有所减少，各相关参数稳定，火检波动无明显相关因素。

表6 15%额定负荷稳定工况关联参数波动统计

Tab. 6 Statistics of correlation parameter fluctuation under stable condition of 15% rated load

参数	A4火检		B3火检
参数	标准差	标准差变化率/%	标准差	标准差变化率/%
炉膛负压	25.63	-32.8	22.14	-12.47
汽包水位	2.54	-6.26	2.08	2.69
A磨煤量	0.48	-47.7	0.52	-45.61
B磨煤量	0.46	-49.9	0.54	-43.85
A磨一次风量	1.79	-83	1.56	-40.29
B磨一次风量	1.13	-139	2.48	-0.9
AA层风门开度	0.82	-14.7	—	—
BC层风门开度	—	—	—	—
CD层风门开度	—	—	—	—
甲侧炉膛出口温度	—	—	3.39	-13
乙侧炉膛出口温度	—	—	2.19	-38

3）火检波动对燃烧稳定性的影响。通过表7可以看出，在A4、B3角火检波动期间，汽包水位和炉膛负压波动区间正常。

表7 15%额定负荷稳定工况汽包水位及炉膛负压

Tab. 7 15% rated load stable working condition drum water level and furnace negative pressure

参数	汽包水位/mm	炉膛负压/Pa
A4火检	-20~20	-60~40
B3火检	-50~10	-120~30

通过上述分析，6 h 15%额定负荷深度调峰期间，虽然个别火检波动，但未造成关键参数的大幅波动，判断15%深度调峰期间燃烧整体稳定。

3.2.2 20%额定负荷稳定工况火检变动情况分析

1）火检波动情况。20%额定负荷稳定工况历时13 h，共采集39 900组数据。各磨煤机火检波动幅度大于10%的次数和标准差如表8所示。通过图5、6可以看出，深度调峰期间火检有较大波动，整个试验过程中A1火检和B3火检共有5次同时波动，其余火检均为独自波动。

表8 20%额定负荷稳定工况火检波动统计

Tab. 8 Flame detector fluctuation statistics of 20% rated load under stable working conditions

参数	A磨煤机	B磨煤机
#1火检变动次数/标准差	510/17.2	0
#2火检变动次数/标准差	379/12.2	300/9.56
#3火检变动次数/标准差	7/3.07	19/22.8
#4火检变动次数/标准差	0	0

图5

图5 20%额定工况A磨火检波动趋势

Fig. 5 Fluctuation trend of flame detector in the A coal-mill at 20% rated load

图6

图6 20%额定工况B磨火检波动趋势

Fig. 6 Fluctuation trend of flame detector in the B coal-mill at 20% rated load

2）造成火检波动原因分析。通过对表9进行分析，A1、B2、B3火检波动期间，煤量、二次风门等各相关参数稳定且波动幅度较正常工况还有所降低，A2火检波动与一次风量的波动呈现相关性，如图7所示，当总风量小于260 t/h，A2火检的波动范围会增大。

表9 20%额定负荷稳定工况关联参数波动统计

Tab. 9 Statistics of correlation parameter fluctuation under stable condition of 20% rated load

参数	A2火检		B3火检
参数	标准差	标准差变化率/%	标准差	标准差变化率/%
炉膛负压	35.14	2.06	40.93	18.9
汽包水位	25.01	33.1	12.47	23.6
A磨煤量	1.02	-26.39	0.97	-30.1
B磨煤量	0.74	-28.4	0.69	-33.3
A磨一次风量	2.47	38.2	0.91	-20.1
B磨一次风量	1.03	14.8	1.09	0.2
AA层风门开度	1.14	-18.1	1.17	-13.4
BC层风门开度	—	—	—	—
CD层风门开度	—	—	—	—
炉膛出口温度	—	—	—	—

图7

图7 20%额定负荷煤量波动对A2火检影响

Fig. 7 Influence of coal rate fluctuation on A2 fire detector at 20% rated load

3）火检波动对燃烧稳定性的影响。如图8和图9所示，A1、A2、B2火检波动次数多，相关参数波动幅度也较大，汽包水位波动范围为-75~70 mm，炉膛负压波动范围为-180~40 Pa(具体数值如表10所示)，比15%额定负荷稳定工况的波动幅度大，正如表9所示，炉膛负压和汽包水位的标准差变化率均有不同程度的增大。A3和B3火检波动次数少且影响也较小。

图8

图8 20%额定负荷A1火检波动时汽包水位和炉膛负压变化情况

Fig. 8 Drum water level and furnace negative pressure when the A1 flame detector fluctuates at 20% rated load

图9

图9 20%额定负荷B2火检波动时汽包水位和炉膛负压变化情况

Fig. 9 Drum water level and furnace negative pressure when the B2 flame detector fluctuates at 20% rated load

表10 20%额定负荷稳定工况汽包水位及炉膛负压

Tab. 10 Fluctuations of relevant variables at 20% rated load

参数	汽包水位/mm	炉膛负压/Pa
A1火检	-60~70	-180~30
A2火检	-60~25	-180~40
A3火检	-10~-25	-90~-60
B2火检	-75~30	-180~-30
B3火检	20~-20	-30~-100

通过分析得出，除去20%额定负荷稳定工况有小时段的轻微堵煤，该工况汽包水位和炉膛负压比15%额定负荷稳定工况波动幅度大、频次多，因其他条件基本相同，分析造成波动大的主要原因是2个工况的煤质偏差大。

3.2.3 20%额定负荷变工况火检变动情况分析

1）火检波动情况。20%额定负荷波动工况历时24 h，共采集75 900组数据。如图10和图11所示，试验期间经历了2次负荷波动，第1次负荷由120 MW升至300 MW，第2次负荷由120 MW升至200 MW，可以看出，负荷波动期间，不论是升负荷还是降负荷，火检波动更加频繁，幅度更大。深度调峰期间火检波动的具体数据见表11。

图10

图10 20%额定负荷波动工况A磨火检波动统计

Fig. 10 A grinding flame detector fluctuation statistics at 20% rated load fluctuation condition

图11

图11 20%额定负荷波动工况B磨火检波动统计

Fig. 11 B grinding flame detector fluctuation statistics at 20% rated load fluctuation condition

表11 20%额定负荷波动工况火检波动统计

Tab. 11 20% rated load fluctuation statistics of flame detector under fluctuating conditions

参数	A磨煤机	B磨煤机
#1火检变动次数/标准差	535/18.8	96/22.8
#2火检变动次数/标准差	737/17.6	737/25.7
#3火检变动次数/标准差	37/15.2	139/17.9
#4火检变动次数/标准差	3/10.3	26/19.9

2）火检波动原因分析。通过对图10、11可以看出，升降负荷阶段火检波动频率和幅度呈增加状态，图12和图13显示了20%额定负荷波动期间煤量、一次风量、二次风门开度、磨煤机液压加载等大幅波动，同时结合表12进行分析，得出负荷变化时磨煤机煤量快速变化，引起磨煤机风煤比、煤粉浓度和空气动力场剧烈变化是火检波动的主要原因。

图12

图12 20%额定负荷波动工况A2火检影响因素

Fig. 12 Influencing factors of A2 flame detector at 20% rated load fluctuation condition

图13

图13 20%额定负荷波动工况B2火检影响因素

Fig. 13 Influencing factors of B2 flame detector under 20% rated load fluctuation

表12 20%额定负荷波动工况关联参数波动统计

Tab. 12 Statistics of associated parameter fluctuation in 20% rated load fluctuation condition

参数	A4火检		B3火检
参数	标准差	标准差变化率/%	标准差	标准差变化率/%
炉膛负压	45.1	23.1	66.1	97.7
汽包水位	25.01	33.1	33.7	63.4
A磨煤量	3.23	37.39	5.91	184.2
B磨煤量	3.19	39.4	5.82	179.2
A磨一次风量	2.04	46	1.71	22.7
B磨一次风量	3.09	123	3.67	160
AA层风门开度	3.88	65.7	3.61	53.5
总一次风量	5.89	117.2	5.63	108.2
BC层风门开度	—	—	—	—
CD层风门开度	—	—	9.86	—
甲侧炉膛出口为温度	18.7	341.4	15.9	275.3
乙侧炉膛出口为温度	12.23	233.7	13.6	272.1
A磨煤机加载力	0.74	220.2	0.49	96.3
B磨煤机加载力	1.31	446	1.32	223.5

3）燃烧稳定性分析。如表13和图14所示，负荷波动期间汽包水位和炉膛负压波动较稳定运行阶段更加剧烈，结合表12综合分析，得出深度调峰期间升降负荷阶段燃烧最不稳定，应该控制变负荷速率、一次风量和煤量，防止燃烧恶化。

表13 20%额定负荷波动工况汽包水位及炉膛负压

Tab. 13 Drum water level and furnace negative pressure for 20% rated load fluctuation condition

参数	负荷稳定期间	第一次变负荷期间	第二次变负荷期间
负荷/MW	120	120~300	120~200
汽包水位/mm	-50~50	-150~100	-150~100
炉膛负压/Pa	-150~30	-430~270	-380~280

图14

图14 20%额定负荷波动工况汽包水位和炉膛负压波动

Fig. 14 Drum water level and furnace negative pressure fluctuation for20% rated load fluctuation condition

3.3 15%与20%额定负荷燃火检变动情况对比分析

3.3.1 15%和20%额定负荷稳定工况燃烧对比分析

将15%额定负荷与20%额定负荷火检波动情况进行对比可以发现，前者的火检强度、汽包水位和炉膛负压的波动要明显小于后者，二者的关键区别在于燃用煤质的不同，前者使用的是高热值、低灰分的准格尔煤，而后者使用的是低热值、高灰分的准格尔煤，2种煤的挥发分基本相同，因此极限深度调峰期间在挥发份相同的情况下，灰分、发热量也是影响燃烧的关键因素。

3.3.2 20%额定负荷波动工况和稳定工况燃烧对比分析

波动工况下燃烧的稳定性明显弱于稳定工况下的燃烧稳定性，尤其是升负荷和降负荷阶段，原因是磨煤机煤量的大幅波动引起各二次风门和磨煤机液压加载力的变化，若叠加一次风流量的波动，会更加影响燃烧的稳定性。因此深度调峰期间升降负荷要严格控制燃煤量变化率，严禁出现煤量的大幅波动。

4 结论

1）煤质是影响深度调峰燃烧稳定性的主要因素，因此深度调峰要加强配煤，尽可能燃用所对应炉型的高热值、高挥发分和低灰分的煤种。优质煤种可以大幅提升锅炉深调幅度。

2）深度调峰期间保证磨煤机一次风量稳定，一次风量降低会影响燃烧稳定性，因此要保证合理风煤比，防止发生磨煤机堵煤。

3）深度调峰期间变负荷工况时，不论是升负荷或将负荷，要保证磨煤机煤量的变化率，防止发生煤量的大幅变化造成燃烧不稳定。

4）深度调峰期间燃烧恶化可以从火检波动数量和强度、汽包水位波动和炉膛负压波动综合判断燃烧的稳定性，不可单纯依据少数火检波动进行判断。

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