在化石燃料逐漸枯竭和環(huán)境問題不斷突顯的雙重壓力下，可再生能源發(fā)電成為了電力系統(tǒng)zui有前景的選擇。然而，可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展與原燃煤電廠的兼容性問題越來越引起人們的關(guān)注。為滿足可再生能源的應(yīng)用與發(fā)展，對燃煤電廠的靈活調(diào)峰能力要求越來越高。

本文分別從低負(fù)荷穩(wěn)燃、快速啟停和快速升降負(fù)荷三個方面介紹靈活調(diào)峰過程中所帶來的運行安全問題以及相應(yīng)的安全改造技術(shù)。zui后對安全性技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，希望能夠?qū)窈笕济弘姀S靈活調(diào)峰技術(shù)的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠;低負(fù)荷穩(wěn)燃;快速啟停;快速升降負(fù)荷

能源是人類社會生存和發(fā)展的重要保障[1]。當(dāng)今人類社會不僅面臨著能源匱乏問題，同時也面臨著生態(tài)不斷惡化的困境。為應(yīng)對能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力，社會一致認(rèn)為可再生能源的應(yīng)用是人類社會能源轉(zhuǎn)型的必然選擇[2]。在未來電力系統(tǒng)的能源規(guī)劃中，可再生能源發(fā)電占據(jù)了較高的比例。

例如，歐洲、美國和中國分別提出到2050年將實現(xiàn)100%、80%和60%可再生能源電力系統(tǒng)的藍(lán)圖[3]。對于中國來說，風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機容量將分別達(dá)到2396GW和2696GW發(fā)電量，包括水電等其它可再生能源在內(nèi)的發(fā)電量將達(dá)到總量的85.8%[4]。中國的十二五和十三五兩個五年計劃中也明確表示將加大可再生能源的利用[5]。

這些可再生能源包括：水力發(fā)電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電和核電。從國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的中長期規(guī)劃來看，可再生能源的發(fā)展具有一定的戰(zhàn)略價值和現(xiàn)實意義[6]。

風(fēng)電作為典型的可再生能源具有儲量豐富、可再生、廣泛分布和*等優(yōu)點，截至到2011年，中國風(fēng)電總裝機容量達(dá)到62.4GW，占據(jù)世界總量的1/4[7]。近年來，由于“三北”地區(qū)冬季供暖期的需要，多數(shù)“以熱定電”的火電機組出力大幅上升，進(jìn)而留給風(fēng)電的上網(wǎng)空間非常有限，導(dǎo)致了中國嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。

在2016年上半年，甘肅棄風(fēng)率高達(dá)47%，新疆棄風(fēng)率為45%[8]。對于風(fēng)電發(fā)展的問題在于發(fā)電源和消耗端的不匹配，三北地區(qū)風(fēng)電多，而用電端主要在東南地區(qū)[9]。其它可再生能源的發(fā)展也受到了類似的制約。除了大中型水電具有較好的調(diào)節(jié)性能外，風(fēng)電、太陽能發(fā)電的可控性較差，可再生能源發(fā)電的波動性和隨機性給電力系統(tǒng)帶來了較多的不確定性[10]。

火電機組相比于可再生能源發(fā)電具有較強的可操作性。為解決新能源的消納問題，提升燃煤發(fā)電機組靈活性是我國乃至世界能源發(fā)展的必經(jīng)之路[11-12]。預(yù)計到2020年非化石燃料的比例達(dá)到15%。燃煤發(fā)電的功率為50GW-100GW。在不考慮環(huán)境影響因素的前提下，燃煤發(fā)電的裝機容量達(dá)到200GW[13]。

為了保證可再生能源的應(yīng)用以及其發(fā)電能力不受限制，燃煤電廠的靈活調(diào)峰勢在必行[14]。本文分別從低負(fù)荷穩(wěn)燃、快速啟停和快速升降負(fù)荷三個方面介紹靈活調(diào)峰過程中容易出現(xiàn)的安全性問題，并總結(jié)了當(dāng)前相應(yīng)的技術(shù)措施以及對后續(xù)靈活調(diào)峰安全性問題預(yù)防的展望，希望對今后靈活調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展提供幫助。

1靈活調(diào)峰的目標(biāo)與安全風(fēng)險

提升燃煤電廠調(diào)峰的靈活性主要包括低負(fù)荷穩(wěn)燃、快速啟停以及快速升降負(fù)荷能力。隨著可再生能源發(fā)電比例的加大，對這三方面能力的要求更為嚴(yán)格，同時在靈活調(diào)峰過程中也出現(xiàn)的相應(yīng)的安全性問題。

1.1低負(fù)荷穩(wěn)燃

為適應(yīng)可再生能源發(fā)電比例的增加，燃煤電廠zui低負(fù)荷要從額定負(fù)荷的40%降低到20%的超低負(fù)荷。鍋爐在低負(fù)荷下運行時，火焰在爐內(nèi)的充滿程度會比高負(fù)荷時差，這將導(dǎo)致爐膛熱負(fù)荷的不均勻。當(dāng)機組負(fù)荷降低到一定程度時，由于爐內(nèi)溫度下降，導(dǎo)致煤粉氣流的著火距離增大，同時火焰對爐壁輻射損失相對增加，所以就容易出現(xiàn)燃燒的不穩(wěn)定。

爐膛內(nèi)燃燒工況的不穩(wěn)定，對煤火檢信號有較強的干擾，嚴(yán)重時將造成磨煤機的跳閘，甚至鍋爐熄火。鍋爐側(cè)良性水循環(huán)的前提是需要水冷壁能夠得到充分的冷卻，其中重要的標(biāo)志就是與管壁接觸的工質(zhì)是循環(huán)流動的水，而不是緩慢流動的蒸汽[15]。在低負(fù)荷運行過程中，機組的運行參數(shù)將偏離設(shè)計值。

長時間低負(fù)荷的運行會由于汽壓降低水動力不足等原因?qū)е聯(lián)Q熱不均[16]。當(dāng)水冷壁的熱量不能被工質(zhì)及時帶走，將導(dǎo)致水冷壁溫度持續(xù)上升，傳熱惡化后不僅會出現(xiàn)水冷壁的局部膜化沸騰，甚至?xí)霈F(xiàn)超溫爆管。另外，熱應(yīng)力頻繁作用時，水冷壁的焊縫位置也容易產(chǎn)生裂紋，對機組的壽命損耗較大。

低負(fù)荷運行使得蒸汽溫度過低，進(jìn)而增加了排汽濕度，蒸汽中的小水滴對葉片的沖蝕作用明顯加大。當(dāng)汽流在動葉片根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)汽流脫離，形成倒渦流區(qū)時，便形成了水蝕。水蝕會造成葉柵的氣動性能惡化，水沖蝕葉片留下的凸凹不平的邊緣易形成應(yīng)力集中。

這種水蝕作用不僅能夠引起葉片截面變小以及強度下降，甚至?xí)l(fā)裂紋和斷裂。另外，低負(fù)荷運行對輔機也帶來不利的影響。低負(fù)荷運行過程中，除氧器壓力較低,造成汽前泵入口壓力較低,有效汽蝕余量偏低,易造成汽前泵汽蝕。給水量減少，再加上由于汽蝕造成給水對汽前泵內(nèi)壁作用力的改變，引起汽前泵軸向推力變化，易造成串軸現(xiàn)象。

鍋爐廠給定的zui低負(fù)荷是根據(jù)設(shè)定煤種來確定的，中國主要采用劣質(zhì)煤作為動力用煤。在低負(fù)荷運行過程中，實際值與設(shè)計值具有很大的偏差，這對給粉系統(tǒng)提出了更高的要求[17]。此外，在極低負(fù)荷運行時，大幅開啟或關(guān)小減溫水量導(dǎo)致主蒸汽和再熱蒸汽溫度大幅波動及過熱器再熱器管壁溫劇變引起氧化皮脫落

1.2快速啟停

燃煤電廠靈活調(diào)峰對快速啟停能力的要求從4h減到2h。機組的每次啟停都會造成換熱器內(nèi)壓力和溫度場迅速變化，進(jìn)而對元件疲勞應(yīng)力有很大沖擊[19]。機組的快速啟停使得機組各部件冷熱狀態(tài)交替，這種部件內(nèi)的大溫差容易造成膨脹或者收縮不暢。汽輪機是一種高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，各國對機組振動也有嚴(yán)格要求。

由于蒸汽對不同部件以及相同部件的不同位置加熱程度的差異，將導(dǎo)致汽缸和轉(zhuǎn)子在徑向和軸向產(chǎn)生較大溫差，容易導(dǎo)致熱變形。盡管汽輪機具有嚴(yán)格的運行規(guī)程和限制排汽缸超溫的措施。但是由于機組的快速啟停，排汽溫度隨之變化也將引起汽輪機的熱變形。

一般電除氧器是設(shè)計在較高負(fù)荷范圍內(nèi)的定壓運行,在機組啟停時為滑壓運行方式。負(fù)荷的大幅度變化將使除氧器殼體出現(xiàn)較大的內(nèi)外壁溫差和熱應(yīng)力，在快速啟停過程中，除氧器殼體和水箱也將隨之承受著交變應(yīng)力。加上腐蝕介質(zhì)作用導(dǎo)致的腐蝕疲勞，將帶來除氧器和水箱壽命的損耗[20]。

1.3快速升降負(fù)荷

提高快速升降負(fù)荷能力是燃煤電廠靈活調(diào)峰的一項重要內(nèi)容，目前快速升降負(fù)荷能力要求從2%MCB/min提高到5%MCB/min。汽輪機在快速升降負(fù)荷時，轉(zhuǎn)子和氣缸都會隨著蒸汽溫度大范圍的增加而出現(xiàn)明顯的膨脹或者收縮。因此，熱膨脹問題就成為了靈活調(diào)峰時一個重要的限定因素。

的膨脹過大會增加機組的震動，進(jìn)而需要降低負(fù)荷變化速率。由于機組按照基本負(fù)荷設(shè)計的動靜間隙比按調(diào)峰要求的機組間隙要小得多，過大的相對膨脹(脹差)容易造成機組振動突增、彎軸、動靜部分損壞等嚴(yán)重事故。影響機組脹差的主要因素包括蒸汽溫度、蒸汽溫度變化速率、軸封供汽溫度、真空度、汽缸、法蘭和螺栓等裝置。

2應(yīng)對技術(shù)

2.1低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)

根據(jù)燃燒理論可知，實現(xiàn)低負(fù)荷下的穩(wěn)定著火需要保證合適的煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣?。對于控制爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒的應(yīng)對措施[21]包括：1)采用新型低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器;2)適當(dāng)降低一次風(fēng)速;3)提高一次風(fēng)中煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù);4)提高煤粉細(xì)度;5)提高磨煤機出口溫度;6)提高各燃燒器風(fēng)粉分配均勻性;7)采用集中火嘴對于對燃燒鍋爐;8)等離子助燃技術(shù);9)投入鍋爐zui低層油槍助燃;10)煤粉/生物質(zhì)混燒低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)。

目前，在低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器方面的研究取得了顯著的進(jìn)展，下面對一些低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器的工作原理進(jìn)行介紹。低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器包括：微油燃燒器、大功率等離子燃燒器、富氧燃燒器和煤粉生物質(zhì)混燒燃燒器。微油燃燒器采用少量的油引燃濃縮的煤粉，使揮發(fā)分提前吸出，強化著火性能。

如圖1所示，微油點火穩(wěn)燃燃燒器[22]由彎頭、油燃燒室、煤粉一級燃燒室、煤粉二級燃燒室、煤粉三級燃燒室等組成，能夠通過高能氣化油槍逐級點燃煤粉，達(dá)到節(jié)油的目的。其工作原理為高溫油氣火焰與高濃度的煤粉氣流在一級燃燒室內(nèi)發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，并為后續(xù)二級燃燒室和三級燃燒室內(nèi)的煤粉點燃提供能量，實現(xiàn)能量的逐級放大，zui終在燃燒器出口產(chǎn)生的煤粉火焰能夠達(dá)到1200℃左右。

如圖2所示，富氧微油燃燒器[23]是將具有較強霧化能力的富氧與燃油混合燃燒，產(chǎn)生的高溫油火焰引入濃相煤粉燃燒區(qū)實現(xiàn)極短時間內(nèi)迅速著火燃燒，著火后再與稀相煤粉混合并點燃。大功率等離子燃燒器是采用大功率等離子槍產(chǎn)生高溫電弧，使揮發(fā)分提前吸出，強化著火。

圖3呈現(xiàn)了等離子發(fā)生器的工作原理[24]。首先，設(shè)定電源的工作輸出電流，在冷卻水和壓縮空氣均滿足要求后，直線發(fā)動機推動陰極與陽極接觸，工作電流穩(wěn)定后，直線電動機推動陰極向后移動。再陰極離開陽極的瞬間，電弧產(chǎn)生。在空氣動力和磁場雙重作用下，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧進(jìn)行放電，生成高溫等離子體。

等離子體產(chǎn)生的高溫能夠使煤粉氣流深度裂解，產(chǎn)生更多的揮發(fā)分并迅速點燃，形成穩(wěn)定的煤粉火焰。富氧燃燒器是在一次風(fēng)噴嘴體內(nèi)噴入適量的氧氣，提高一次風(fēng)的氧濃度，降低著火熱，從而強化著火。圖4為美國AirLiquide公司[25]開發(fā)的同軸射流氧氣分級純氧燃燒器結(jié)構(gòu)圖，其中燃料被內(nèi)側(cè)一次氧氣和外側(cè)二次氧氣包裹。

通過改變一次氧氣量能夠?qū)崿F(xiàn)火焰長度的靈活條件，能夠適應(yīng)不同熱負(fù)荷和不同燃料種類。圖5給出了清華大學(xué)和哈爾濱鍋爐廠聯(lián)合研發(fā)的煤粉/生物質(zhì)混燒旋流燃燒器。其中一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入爐膛，生物質(zhì)是通過中心風(fēng)攜帶進(jìn)入爐膛。

另外，穩(wěn)燃器保證了環(huán)形內(nèi)部煤粉分布均勻。一次風(fēng)管道內(nèi)的錐形煤粉濃縮器將大量的煤粉濃縮于內(nèi)環(huán)，使得煤粉燃燒器出口形成風(fēng)包粉狀態(tài)。經(jīng)濃縮作用后的一次風(fēng)和旋流內(nèi)二次風(fēng)、旋流外二次風(fēng)調(diào)節(jié)協(xié)同配合，達(dá)到逐級配風(fēng)的效果，實現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃的作用。

2.2水冷壁安全防護(hù)技術(shù)

水冷壁安全防護(hù)技術(shù)用于適應(yīng)快速啟停。維持良性的水循環(huán)需要的監(jiān)測與有效的措施雙重手段來實現(xiàn)，目前主要的有效措施包括：1)實時監(jiān)測水冷壁溫度的變化;2)實時監(jiān)測汽包上下壁溫及溫差、汽包與水冷壁溫差等參數(shù)及其變化;3)保持兩臺汽泵運行，保證汽源滿足需求。另外，核算管間偏差、核算水循環(huán)安全性、設(shè)置必要的壁溫測點也具有重要的作用。

2.3快速升降負(fù)荷安全性技術(shù)

在快速負(fù)荷升降過程中，對于超臨界技術(shù)需要注意以下幾點：1)關(guān)注分離器工質(zhì)過熱度。注意給水泵與磨煤機之間需協(xié)調(diào)密切，確保煤水比合理。2)避免省煤器工質(zhì)汽化。在機組運行時應(yīng)注意控制變負(fù)荷速度，鍋爐壓力及省煤器出口過冷度，防止汽化。

對于亞臨界技術(shù)需要做到：1)定壓運行，有利于控制壓力波動對鍋筒飽和溫度的影響，盡可能減少壓力波動對汽水水位的影響，有利于控制鍋筒水位。2)關(guān)注鍋筒內(nèi)外壁溫差，嚴(yán)格控制上下、內(nèi)外溫差，確保鍋筒安全。3)避免省煤器工質(zhì)汽化。采用較高壓力定壓運行，應(yīng)注意控制變負(fù)荷速度、鍋爐壓力及省煤器出口過熱度，防止汽化。

3結(jié)論與展望

隨著電廠靈活調(diào)峰需要的不斷增加，燃煤電廠在降低負(fù)荷運行方面進(jìn)行了不斷的嘗試。盡管燃煤電廠靈活調(diào)峰在消納新能源電力方面取得了顯著的成績，但靈活調(diào)峰過程對燃煤電廠自身的運行也帶來了不可忽視的沖擊。本工作分別從低負(fù)荷穩(wěn)燃、快速啟停和快速升降負(fù)荷三個方面展開分析了靈活調(diào)峰帶來的安全性問題。

zui主要的是低負(fù)荷的穩(wěn)定燃燒以及各部件換熱不均對元件帶來的損耗，甚至是引發(fā)的事故。對于靈活調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展，可能在鍋爐側(cè)穩(wěn)定著火方面引入新的技術(shù)進(jìn)一步地改進(jìn)，對各部件實時監(jiān)測能力要增強，并且增加相應(yīng)的局部調(diào)節(jié)措施。

另外，靈活調(diào)峰的熱應(yīng)力沖擊對金屬元件的壽命損耗更值得關(guān)注，在各金屬材料的選擇上，需要在進(jìn)一步的優(yōu)化?？傊?，引進(jìn)新進(jìn)技術(shù)、提升監(jiān)測能力和相應(yīng)的校核計算可能是適應(yīng)燃煤電廠進(jìn)一步靈活調(diào)峰的發(fā)展方向。