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为应对全球气候变化，习近平总书记在2020年9月庄重宣布：“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。按减碳规划路线，燃煤电厂的占比以及利用率将逐步降低[1]，风电、光伏发电等可再生能源装机容量将不断增加，但是可再生能源发电量存在不确定性[2-4]。随社会发展电力需求增长幅度变大，即使加大新能源的开发力度，也难以在短时间实现全部煤电替代。充分挖掘煤电性能潜力，由电量供应角色转换为电力保障和调峰资源，在役煤电应具备灵活性能力已是目前共识。
燃煤电厂灵活性包含调峰和调频（负荷响应）等多个方面，其中调峰能力与多个因素相关，系统配置和设备性能是其中的关键[5-7]。锅炉最低稳燃负荷（BMLR）决定了燃煤电厂相对经济地深度调峰的幅度。
项目实施前需要各方约定主要性能指标作为设计与考核标准，以往项目BMLR由采购方与设备厂协商，约定一个经验指标，未作深入分析和计算，主观性较强。随着燃煤电厂灵活性运行要求的推广，以往的经验值不能支撑新形势下的要求，为了避免盲目制定技术指标，有必要对影响BMLR的因素进行深入分析，重新拟定指标的评估与测算方法，以指导设备选型和运行调整。
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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。
Vdaf/% 8—12 12—20 20—25 25—30 30—40 BMLR/% 65—55 56—45 46—40 42—35 35—30 Table 1. Recommended value of BMLR of JB/T 10440 pulverized coal boiler
Vdaf/% 10—15 15—20 20—25 25—30 ＞30 BMLR/% 60—50 55—45 48—40 40—35 35—30 Table 2. Recommended value of BMLR of DL/T 831 pulverized coal boiler
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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理论和实践经验表明，影响BMLR有多种因素，包括入炉煤质、燃烧方式与燃烧器结构、炉膛特征参数、制粉系统型式、配风参数等。但入炉煤的煤质是最大的影响因素[13-15]，甚至有项目通过混煤掺烧高Vdaf煤种，使BMRL得到改善，优于锅炉单一煤种BMLR的设计值与运行值[16-17]。
DL/T 831—2002附录中图G.1在多台运行机组的调查分析基础上，给出了BMLR的计算图[9]，图中根据燃烧方式给出2条曲线，均以入炉煤的Vdaf作为自变量。已有的经验从侧面证明，煤的Vdaf是煤质因素中影响BMLR最主要的一项。
无论是均相着火理论还是非均相着火理论，均认为煤的热解是初期燃烧的关键因素[18]。假定煤粉着火可调整的条件均满足最低要求，则可认为最小点火能量是与BMLR关联的主要因素。当析出的挥发分燃烧产生的热量高于煤热解析出的吸热量，令煤粉持续燃烧释放热量，就可以达到稳定燃烧的要求[18]。Vdaf为煤中挥发分析出量的表征参数，与最小点火能量密切关联，因此在实践中体现出BMLR与Vdaf关联性最大，理论与工程经验的结论是一致的。
但工程实践中，多燃烧器锅炉在相近条件下所能达到的最低稳燃负荷存在差异。分析其原因，受制粉系统配置影响，锅炉燃烧器备用层数不同，导致含备用层时燃烧器总出力大于锅炉出力，即单只燃烧器出力存在裕量系数。当燃烧器存在裕量系数时，BMLR以锅炉最大出力负荷作为比较基准时，就存在燃烧器裕量系数引起的偏差。
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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。
Figure 1. Theoretical calculation curve of BMLR
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。
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拟合的BMLR计算曲线主要用于项目前期评估，也可以作为运行调试的参照指标。但是计算曲线除输入参数外没有考虑其他影响因素，因此实际运行效果可能会与理论计算值有一定差异。
近年若干项目实践表明，锅炉低负荷工况下一次风率偏高是影响曲线计算精度的主要原因。由于降负荷过程中，磨煤机煤粉输出负荷的降低幅度大于输送风的降低幅度，并且磨煤机风量达到最小通风量限制时，输送风量就不再随煤粉输送量降低而降低。制粉系统磨煤机这种特性，导致低负荷工况下，燃烧器要提供更多热量满足一次风加热，使BMLR实际运行值提高。
选取若干项目的输入条件进行试算，分析一次风率对BMLR的具体影响。在锅炉低负荷工况，一次风率偏高所增加点火热量假定由煤的挥发分燃烧热量提供，对几种煤的试算表明，会对BMLR计算结果造成1%～12%的绝对偏差，折合相对偏差率为3%～20%。挥发分越低的煤，影响幅度越大。
为了使实际运行效果接近理论计算的指标，在设计和运行调整中就需要采取一定措施，需要对锅炉燃烧器和制粉系统进行局部改造[19]，以减小一次风率对锅炉低负荷稳燃造成的不利影响。实际运行情况和数值模拟表明，在低负荷工况采取措施限制一次风率提高，会有利于燃烧稳定[20-21]。
为降低一次风率偏高的影响，近期新建或改造的项目，通常会对锅炉其中的两层燃烧器进行改造，设置煤粉浓淡分离装置，使浓相煤粉的一次风率不大于稳燃需要的初期配风量。通过局部改造，可以使实际的BMLR更接近图1曲线的计算结果。
炉膛整体温度随负荷降低而降低，这个因素在设计中往往受制于煤的结焦问题而不会刻意调整，在运行中也没有办法调节。炉膛温度过低会影响稳燃，即使有些煤种理论计算得到的BMLR较低，但为了运行稳定，建议不要刻意追求低于20% BMCR的技术指标。
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通过分析和验证得知：
1） 采用煤的挥发分分析数据Vdaf、以最小点火能量作为边界条件，结合工程的统计数据，得到的Vdaf-BMLR关联曲线不是直线关系，并且最低BMLR的数值可以达到5% BMCR。
2） 制粉系统磨煤机配置情况不同，燃烧器的出力裕量也相应不同，BMLR计算要考虑燃烧器裕量系数的影响。
3） 如果排除SCR脱硝低负荷运行条件的约束，拟合的曲线的计算结果与试验值或数值模拟结果基本吻合。
4） 锅炉低负荷工况，如果一次风率偏高，会导致实际运行值与理论值存在3%～20%的相对偏差。
5） 锅炉可选择2层燃烧器配置浓淡分离装置，降低这2层燃烧器浓相煤粉的一次风率，可使锅炉实现更低的BMLR指标。
Estimation Method of Boiler Minimum Combustion Stable Load Rate of Coal-Fired Power Plant
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.012
- Received Date: 2022-07-22
- Rev Recd Date: 2022-08-22
- Available Online: 2023-03-13
- Publish Date: 2023-03-25
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Key words:
- flexible operation of power plants /
- boiler minimum combustion stable load rate /
- volatile matter of coal /
- burner /
- calculation curve
Abstract:
| Citation: | HUO Peiqiang, FAN Xiaoru. Estimation Method of Boiler Minimum Combustion Stable Load Rate of Coal-Fired Power Plant[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(2): 86-91. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.012
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