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技术规范《大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范》(JB/T 10440—2004)和《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》(DL/T 831—2002)推荐切圆与墙式燃烧方式的煤粉锅炉的BMLR值如表1和表2所示[8-9],主要影响因素只考虑煤的干燥无灰基挥发分(Vdaf),并且BMLR最低值为30% BMCR。
表 1 JB/T 10440煤粉锅炉BMLR推荐值
Table 1. Recommended value of BMLR of JB/T 10440 pulverized coal boiler
Vdaf/% 8—12 12—20 20—25 25—30 30—40 BMLR/% 65—55 56—45 46—40 42—35 35—30 表 2 DL/T 831煤粉锅炉BMLR推荐值
Table 2. Recommended value of BMLR of DL/T 831 pulverized coal boiler
Vdaf/% 10—15 15—20 20—25 25—30 >30 BMLR/% 60—50 55—45 48—40 40—35 35—30 在未要求灵活性运行前,一些机组的实测数据[10-11]与技术规范给出的趋势一致,但存在一定偏差,也未提出低于30%的BMLR约定值。提出深度调峰要求后,实际有不少机组运行中能做到比技术规范更低的稳燃负荷[12-14],BMLR已经达到18%~25%BMCR,明显超出表1和表2中推荐的范围,也超出了DL/T 831—2002附录中图G.1[9]的计算范围。
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从工程应用角度考虑,输入参数越容易获取,计算越简单,越有利于推广使用。部分文献[8-9,16]以煤的分析数据Vdaf作为输入参数,证明是可行的。Vdaf作为煤的常规分析参数,通常也很容易获取。
各类的煤都是析出的挥发分首先着火或者挥发分与固定碳同时着火[18],当挥发分着火释放的热量达到整体着火的最小能量后,便可持续稳燃。不同的煤稳燃负荷不同,宏观趋势是挥发分越高的煤的稳燃负荷越小。这是因为挥发分由煤热裂解出来的易燃小分子物质组成,输入同样质量流量的煤,高挥发分煤种能析出更多的易着火物质,因此较小的燃煤输入量就能提供足够的易着火物质以满足稳燃。
煤的Vdaf与最小点火能量之间关联,需要寻找一个函数来表达,先对两者之间关系进行分析以实现简化计算。可知Vdaf的数值越大,析出的易燃物质越多,在同样最小点火能量需求下,Vdaf越大煤粉越容易点火和稳燃,即Vdaf数值与燃煤中热解析出的发热值成正比。寻找Vdaf与最小点火能量的关联函数,就可以使最小点火能量的影响也归结为Vdaf的影响。可以用已有项目的资料作为统计数据,通过逆向运算拟合,统计最小点火能量的代表值,再分析Vdaf与最小点火能量的关系,使反映锅炉稳燃的参数归结为容易测量的Vdaf。
单一的Vdaf参数不能体现设备结构的影响,无法全面反映煤粉着火与稳燃因素。从近20年的锅炉设备投标文件和行业技术规范[8-9]中分析,配置直吹式制粉系统的锅炉通常认为燃烧器的层数配置是影响指标的重要参数。如果设置了燃烧器备用层,备用引起的出力裕量系数会影响计算结果,因此考虑把燃烧器出力裕量作为另一个关联参数。
简单分析可知,燃烧器总配置层数和锅炉100%负荷投入的层数(扣除备用层)两者之间的比值,其实质是单层燃烧器具备的出力裕量。而燃烧器的最低负荷决定锅炉的最低稳燃负荷的绝对值,当燃烧器具备出力裕量时,还需要换算为锅炉额定出力下的相对负荷率。例如直吹式系统对应N层燃烧器,备用层为m层,即N–m层就可以带满锅炉100%负荷;则对应锅炉100%BMCR的最低负荷率为:
$$ {\rm{BMLR}}={{\rm{BR}}_{{\rm{min}}}}\dfrac{N}{N-m} $$ (1) 式中:
BMLR ——锅炉最低稳燃负荷(%);
BRmin ——燃烧器最低负荷(%);
N ——锅炉燃烧器总层数;
M ——锅炉备用燃烧器层数。
可以定义
$ \varphi $ 为燃烧器出力裕量系数:$$ \varphi=\dfrac{N}{N-m} $$ (2) 通过分析,选取煤的分析指标Vdaf、燃烧器出力裕量系数φ作为主要参数,对BMLR进行测算和拟合。
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参考多个项目设备投标文件的设计数据与一些文献资料,结合假定条件进行数据处理。由于涉及到多个变量,因此拟合结果以曲线图方式表达。
国内主流的燃煤机组容量为300~1 000 MW,其中300~350 MW机组通常配置5台中速磨,其中1台磨备用;600~1 000 MW机组通常配置6台中速磨,其中1台磨备用;如果配置双进双出钢球磨时,也可以不设备用磨。磨煤机数量通常与燃烧器层数对应,因此主流机组的φ值为1.0~1.25。依次按无备用磨,即φ=1.0;6台磨其中1台备用磨,即φ=1.2,5台磨其中1台备用磨,即φ=1.25进行拟合,分别得到BMLR的关联曲线,如图1所示。
曲线中选取的输入参数包括Vdaf、φ,均可在项目资料中获取,需输入的参数较少,因此工程上应用也比较方便。
图1不仅反映了Vdaf与BMLR的关系,还提出了燃烧器出力裕量系数φ对这种关系的影响。拟合得到的结果与技术规范[9]给出的直线关系不同,在多种因素影响下,BMLR与Vdaf的关系为曲线。
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按照图1的曲线得到的BMLR,计算结果的区域比技术规范JB/T 10440—2004和DL/T 831—2002更宽,在同样的Vdaf区间,规范给出的BMLR结果结果为30%~60%,图1的BMLR的计算结果为15%~62.5%,拓宽了评估应用范围,尤其计算结果的下限值更符合燃煤机组灵活性运行和深度调峰的发展趋势,而且与工程实践经验范围相符[19]。
应注意,本文计算的BMLR结果是最低稳燃负荷与锅炉最大连续蒸发量(BMCR)的比值,而有些文献给出的最低负荷是机组最低发电负荷与汽轮发电机组铭牌功率(Pe)的比值,两者之间换算系数约为1.15~1.2。例如最小发电(发电机侧)负荷30% Pe,换算到BMLR为25%~26% BMCR。
采用新的数据对曲线的计算结果进行精度验证,对比一些高挥发分煤种的试验和运行数据,按图1计算得到的结果略低于实际数据,这是因为一些项目受SCR脱硝的限制[10-11,16],即使存在继续降低锅炉负荷的可能,但烟气温度不能满足脱硝运行条件要求,而无法再尝试降低锅炉负荷。
在验证中低挥发分煤种时,锅炉的理论BMLR值较高,就不会受到SCR脱硝运行条件的限制,可以相对准确地测试锅炉最低稳燃负荷。对比烧贫煤的350 MW燃煤机组,入炉煤Vdaf=17.9%,稳燃试验结果为35% BMCR[20]。该电厂制粉系统配置5台中速磨,按图1中φ=1.25曲线进行计算,结果为34.9%BMCR,理论曲线推测与试验结果几乎一致。
为了避免锅炉最低稳燃负荷试验受SCR脱硝运行条件限制,再选取文献中高挥发分煤种的数值模拟结果进行对比,在理想的边界条件下,对30.23%~38.54%挥发分的烟煤,锅炉最低稳燃负荷模拟值为12%~19.04%[21],而曲线的计算值为15.6%~19.8%,两者计算结果比较接近。
近年若干项目签订设备技术合同时,也参考了曲线的计算值,提出了锅炉稳燃性能保证指标要求,新建项目仍用高挥发分烟煤的机组,根据不同的Vdaf数值分别提出锅炉稳燃负荷为20%~25%,这些技术要求已得到设备制造厂的认可。
Estimation Method of Boiler Minimum Combustion Stable Load Rate of Coal-Fired Power Plant
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摘要:
目的 项目实施前需要预评价燃煤电厂灵活性运行的性能,其中包括锅炉最低稳燃负荷技术指标的预测。原有的经验和算法不能满足电厂灵活性评价需求,需结合目前设备能达到的性能指标,拟定新的锅炉最低稳燃负荷的半经验计算曲线。 方法 结合文献资料与工程经验,选取与稳燃指标关联性强的参数,采用统计和回归的方法,拟合出半经验计算曲线。 结果 以煤的挥发分Vdaf、燃烧器总出力裕量系数φ作为自变量,并结合最小点火能量的统计分析值,可得到锅炉最低稳燃负荷的理论指标。 结论 新的计算曲线以工程资料可获得的已知参数作为输入,可相对精确地测算出不同条件下锅炉最低稳燃负荷的理论值,与实际运行试验数据吻合,可作为工程设计的工具。 Abstract:Introduction Before the project implementation, it is required to pre-evaluate the degree of flexible operation of coal-fired power plants, including the prediction of the technical index of boiler minimum combustion stable load rate. Since the existing experience and algorithms cannot meet the flexibility evaluation requirements of power plants, it is necessary to draw up a new semi-empirical calculation curve of the boiler minimum combustion stable load rate in combination with the performance index that the current equipment can achieve. Method Based on the literature data and engineering experience, the parameters with strong correlation with stable combustion index were selected, and statistical and regression methods were used to fit the semi-empirical calculation curve. Result With Vdaf (volatile matter of coal) and φ (total output margin coefficient of the burner) as independent variables, combined with the statistical analysis value of minimum ignition energy, the theoretical index of boiler minimum combustion stable load rate can be obtained. Conclusion The new calculation curve takes the known parameters available from the engineering data and can accurately calculate the theoretical value of boiler minimum combustion stable load rate under different conditions, which is consistent with the actual operation test data and can be used as tool for engineering design. -
表 1 JB/T 10440煤粉锅炉BMLR推荐值
Tab. 1. Recommended value of BMLR of JB/T 10440 pulverized coal boiler
Vdaf/% 8—12 12—20 20—25 25—30 30—40 BMLR/% 65—55 56—45 46—40 42—35 35—30 表 2 DL/T 831煤粉锅炉BMLR推荐值
Tab. 2. Recommended value of BMLR of DL/T 831 pulverized coal boiler
Vdaf/% 10—15 15—20 20—25 25—30 >30 BMLR/% 60—50 55—45 48—40 40—35 35—30 -
[1] 袁家海, 张凯. “碳中和”目标下, 新型电力系统中常规煤电退出路径研究 [J]. 中国能源, 2021, 43(6): 19-26+66. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2355.2021.06.003. YUAN J H, ZHANG K. Coal power phase-out pathway in the new power system under carbon neutral target [J]. Energy of China, 2021, 43(6): 19-26+66. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2355.2021.06.003. [2] 李星梅, 钟志鸣, 阎洁. 大规模风电接入下的火电机组灵活性改造规划 [J]. 电力系统自动化, 2019, 43(3): 51-57. DOI: 10.7500/AEPS20180213007. LI X M, ZHONG Z M, YAN J. Flexibility reformation planning of thermal power units with large-scale integration of wind power [J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(3): 51-57. DOI: 10.7500/AEPS20180213007. [3] 段士伟, 杨修宇, 柴仁勇, 等. 大规模风电接入的灵活性资源优化配置方法 [J]. 东北电力大学学报, 2020, 40(6): 45-51. DOI: 10.19718/j.issn.1005-2992.2020-06-0045-07. DUAN S W, YANG X Y, CHAI R Y, et al. Optimal configuration method of flexibility resources of high-penetration renewable energy [J]. Journal of Northeast Electric Power University, 2020, 40(6): 45-51. DOI: 10.19718/j.issn.1005-2992.2020-06-0045-07. [4] 侯玉婷, 李晓博, 刘畅, 等. 火电机组灵活性改造形势及技术应用 [J]. 热力发电, 2018, 47(5): 8-13. DOI: 10.19666/j.rlfd.201803043. HOU Y T, LI X B, LIU C, et al. Flexibility reform situation and technical application of thermal power units [J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(5): 8-13. DOI: 10.19666/j.rlfd.201803043. [5] 陈永辉, 李志强, 蒋志庆, 等. 基于电锅炉的火电机组灵活性改造技术研究 [J]. 热能动力工程, 2020, 35(1): 261-266. DOI: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2020.01.039. CHEN Y H, LI Z Q, JIANG Z Q, et al. Research on flexible transformation technology of thermal power unit based on electric boiler [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2020, 35(1): 261-266. DOI: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2020.01.039. [6] 苏鹏, 王文君, 杨光, 等. 提升火电机组灵活性改造技术方案研究 [J]. 中国电力, 2018, 51(5): 87-94. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201701049. SU P, WANG W J, YANG G, et al. Research on the technology to improve the flexibility of thermal power plants [J]. Electric Power, 2018, 51(5): 87-94. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201701049. [7] 张广才, 周科, 鲁芬, 等. 燃煤机组深度调峰技术探讨 [J]. 热力发电, 2017, 46(9): 17-23. DOI: 10.3969/j.issn.1002-3364.2017.09.017. ZHANG G C, ZHOU K, LU F, et al. Discussions on deep peaking technology of coal-fired power plants [J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(9): 17-23. DOI: 10.3969/j.issn.1002-3364.2017.09.017. [8] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器 性能设计规范: JB/T 10440—2004 [S]. 北京: 机械工业出版社, 2004. National Development and Reform Commission. Performance design standard for furnaces and burners of large-capacity pulverized-coal-fired boilers: JB/T 10440-2004 [S]. Beijing: China Machine Press, 2004. [9] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. 大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则: DL/T 831—2002 [S]. 北京: 中国电力出版社, 2002. Economic and Trade Commission. Guide on selection of furnace characteristic parameters for large pulverized coal fired power boilers: DL/T 831-2002 [S]. Beijing: China Electric Power Press, 2002. [10] 张绪辉, 杨兴森, 辛刚, 等. 燃煤火电机组深度调峰运行试验 [J]. 洁净煤技术, 2022, 28(4): 144-150. DOI: 10.13226/j.issn.1006-6772.21081904. ZHANG X H, YANG X S, XIN G, et al. Experimental study on deep peak regulation operation of coal-fired thermal power unit [J]. Clean Coal Technology, 2022, 28(4): 144-150. DOI: 10.13226/j.issn.1006-6772.21081904. [11] 张鹏威, 何建乐. 300 MW亚临界燃煤机组非助燃最低稳燃负荷试验研究 [J]. 环境与发展, 2020, 32(3): 123-125. DOI: 10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.070. ZHANG P W, HE J L. Experimental research on the non fuel oil auxiliary minimum stable combustion load of 300 MW subcritical coal-fired power plant [J]. Environment and Development, 2020, 32(3): 123-125. DOI: 10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.070. [12] 孙海彦, 高炜, 刘润华, 等. 1 000 MW超超临界机组深度调峰研究与实践 [J]. 上海电力学院学报, 2017, 33(6): 559-562. DOI: 10.3969/j.issn.1006-4729.2017.06.009. SUN H Y, GAO W, LIU R H, et al. Exploration and practice of deep peaking of 1 000 MW ultra supercritical unit [J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2017, 33(6): 559-562. DOI: 10.3969/j.issn.1006-4729.2017.06.009. [13] 雷霖, 焦庆丰, 张栋梁. 煤质对超临界600 MW机组调峰特性影响的试验研究 [J]. 热力发电, 2013, 42(8): 55-58. DOI: 10.3969/j.issn.1002-3364.2013.08.055. LEI L, JIAO Q F, ZHANG D L. Experimental study on effects of coal property on peak load regulation characteristics of a supercritical 600 MW unit [J]. Thermal Power Generation, 2013, 42(8): 55-58. DOI: 10.3969/j.issn.1002-3364.2013.08.055. [14] 周俊波, 刘茜, 张华, 等. 典型燃煤锅炉低负荷及变负荷运行控制特性分析 [J]. 热力发电, 2018, 47(9): 34-40. DOI: 10.19666/j.rlfd.201803071. ZHOU J B, LIU X, ZHANG H, et al. Control characteristic analysis of typical coal-fired boilers during low load or variable load running [J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(9): 34-40. DOI: 10.19666/j.rlfd.201803071. [15] 李军, 周怀春, 柳朝晖, 等. 电站燃煤锅炉最低无油稳燃负荷预测 [J]. 中国电机工程学报, 2000, 20(2): 73-77. DOI: 10.3321/j.issn:0258-8013.2000.02.017. LI J, ZHOU H C, LIU Z H, et al. Prediction of the minimum load of operation for utility pulverized coal-fired boilers [J]. Proceedings of the CSEE, 2000, 20(2): 73-77. DOI: 10.3321/j.issn:0258-8013.2000.02.017. [16] 刘综绪, 张营帅, 石峰, 等. 600 MW四角切圆燃烧锅炉深度调峰试验调整及优化 [J]. 锅炉技术, 2022, 53(3): 67-74. DOI: 10.3969/j.issn.1672-4763.2022.03.012. LIU Z X, ZHANG Y S, SHI F, et al. Adjustment and optimization of deep peak regulation test in 600 MW tangential combustion boilers [J]. Boiler Technology, 2022, 53(3): 67-74. DOI: 10.3969/j.issn.1672-4763.2022.03.012. [17] 焦庆丰, 雷霖, 李明, 等. 国产600 MW超临界机组宽度调峰试验研究 [J]. 中国电力, 2013, 46(10): 1-4+34. DOI: 10.3969/j.issn.1004-9649.2013.10.001. JIAO Q F, LEI L, LI M, et al. Testing on domestically-made 600 MW supercritical units in broad peak-regulation of power grids [J]. Electric Power, 2013, 46(10): 1-4+34. DOI: 10.3969/j.issn.1004-9649.2013.10.001. [18] 徐通模, 惠世恩. 燃烧学 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2011 XU T M, HUI S E. Combustion science [M]. Beijing: China Machine Press, 2011. [19] 马达夫, 张守玉, 何翔, 等. 煤粉锅炉超低负荷运行的技术问题和应对措施 [J]. 动力工程学报, 2019, 39(10): 784-791+803. MA D F, ZHANG S Y, HE X, et al. Technical problems occurring in ultra-low load operation of pulverized coal-fired boilers and the solutions [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2019, 39(10): 784-791+803. [20] 刘建浩, 李战国, 马乐乐, 等. 贫煤锅炉灵活性调峰优化调整研究 [J]. 热能动力工程, 2022, 37(1): 124-131. DOI: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2022.01.017. LIU J H, LI Z G, MA L L, et al. Study on optimization and adjustment of flexible peak regulation of lean coal boiler [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2022, 37(1): 124-131. DOI: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2022.01.017. [21] 穆延非, 史绍平, 段正, 等. 利用火焰推举距离判定燃煤锅炉低负荷稳燃性能的研究 [J]. 热能动力工程, 2019, 34(12): 54-61. DOI: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2019.12.008. MU Y F, SHI S P, DUAN Z, et al. Determination of stabilization performance of coal-fired boilers by using flame push distance [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2019, 34(12): 54-61. DOI: 10.16146/j.cnki.rndlgc.2019.12.008.