引言近年来，我国水电、风电、光伏等可再生能源装机容量有较大幅度的增长，但现有电力系统负荷调节仍存在问题。现阶段我国的主力电源仍是火电机组，开展燃煤机组灵活性改造技术研究具有重要意义。CFB锅炉具有煤质适应性广、燃烧效率高、污染物排放低等特点，在我国得到快速发展[1]。目前国内多使用350 MW超临界机组[2-3]。以山西某350 MW超临界CFB锅炉作为研究对象，研究分析常规350 MW超临界CFB锅炉灵活性改造技术。1锅炉改造方案1.1锅炉改造设计参数改造设计方案依托山西某350 MW超临界CFB锅炉项目。锅炉采用单布风板、M型布置、单炉膛、平衡通风、带一次中间再热、循环流化床燃烧方式，采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离。锅炉整体呈左右对称布置，支吊在锅炉钢架上[4]。350 MW超临界CFB锅炉主视图如图1所示。锅炉原蒸汽参数如表1所示。锅炉燃用煤质如表2所示。锅炉设计煤及校核煤均为高挥发分、低水分、高灰分、低热值的矸石。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.010.F001图1350 MW超临界CFB锅炉主视图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.010.T001表1350 MW超临界CFB锅炉主要蒸汽参数蒸汽参数BMCR工况BRL工况高过出口处蒸汽流量/（t/h）1 1501 053压力/MPa（g）25.425.4温度/°C571571低再入口处蒸汽压力/MPa（g）4.364.18温度/°C320317高再出口处蒸汽流量/（t/h）936894压力/MPa（g）4.143.97温度/°C569569省煤器进口处给水温度/°C28628310.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.010.T002表2350 MW超临界CFB锅炉煤质参数项目设计煤质校核煤质全水分/%6.45.6空气干燥基水分/%4.343.66收到基灰分/%46.5150.09干燥无灰基挥发分/%44.3344.67收到基碳/%33.8130.87收到基氢/%2.352.41收到基氮/%0.590.5收到基氧/%10.059.57全硫/%0.30.96收到基低位发热量/（kJ/kg）12 64011 4701.2锅炉灵活性改造应对方案火电机组灵活性深度调峰运行是一个系统工程，机组整体的灵活性运行与锅炉、汽机及辅机等设备之间的协调运行相关，本改造方案从锅炉侧灵活性改造技术方面考虑。通常灵活性改造实施至少应分为前期摸底试验、中期改造实施和后期调试优化及监控等过程。在内容方面，CFB锅炉灵活性调峰改造是一个涵盖调峰工况下燃烧、受热面安全、环保、锅炉寿命、辅机安全可靠性及经济性等诸多方面的问题[5]。本改造方案从锅炉灵活性改造的燃烧稳定性、安全性、环保性等方面进行分析，提出锅炉侧灵活性改造方案，主要考虑以下几个方面：（1）确定CFB锅炉当前条件下的稳燃条件，需重点考虑风煤比、炉膛温度降低等影响稳定性的重要因素。（2）机组在低负荷工况下，水动力系统不稳定及流量减小、压力降低、过热器、再热器等受热面易发生超温，需考虑受热面管运行安全性。（3）机组在低负荷工况下，风煤比增大，导致NOx原始排放增加，同时炉内温度降低，无法通过炉内投入石灰石脱硫以及通过SNCR脱硝，需采取措施控制污染物排放，提高调峰运行环保性。2灵活性改造技术分析2.1低负荷稳燃技术循环流化床锅炉由于燃料适应性较广，且采用高温固体颗粒物料的循环流化燃烧方式，炉内的温度分布相对均匀，燃烧室内存有大量高温固体颗粒物料，炉内热容量很大，所以循环流化床锅炉本身就具有较好的负荷调节性能。低负荷稳燃是深度调峰的关键，提高机组稳燃能力是深度调峰要解决的重要任务。在低负荷时，风煤比增大、炉膛温度降低等因素都会影响锅炉炉内燃料的稳燃。当机组参与深度调峰低负荷时，仍具备一定的稳燃特性，为增强低负荷时的稳燃能力，一方面考虑进一步改善优化燃料粒度；另一方面提高低负荷床温也有利于炉内燃烧，通过低负荷投入暖风器提高风温。投入烟气再循环系统，可低氧燃烧降低NOx原始排放的情况，提高低负荷工况下流化风量，提高流化均匀性。2.2受热面安全评估机组深度调峰负荷运行时，机组负荷低，水动力系统更容易发生不均匀性流动，使局部水冷壁容易发生超温。另外低负荷下，锅炉运行氧量高，炉膛吸热量小，过热器、再热器的吸热量增加，导致受热面也容易超温。需要评估深度调峰负荷工况下易超温受热面的安全性。可从几个方面考虑：（1）水冷壁安全校核。东方锅炉超临界CFB锅炉采用低质量流速技术。计算和试验结果表明，采用此技术及结构的水冷壁工质流量分配呈现正流量特性，即管子吸热增大时管内工质流量也相应增大的自补偿特性。常规运行负荷范围内，水冷壁水动力安全、稳定。结果表明，当锅炉低负荷工况运行时，流动偏差加大，管间壁温偏差增大，水动力存在动态不稳定性风险。通过对质量流速低、热负荷大和复杂布置的管组做动态稳定性计算，热负荷最大管组存在动态不稳定，当扰动增加，导致水动力失稳。通过参数调整，该回路能够适应一定的扰动，水动力能够恢复稳定。深度调峰负荷到30%BMCR负荷以下时，锅炉处于湿态运行，水冷壁出口工质为汽水混合物。从水动力计算结果看，壁温不存在超温问题，但需控制锅炉的升降负荷速率，升降负荷速率过快可能导致流动不稳定，危及水冷壁安全运行，同时加速厚壁元件产生疲劳应力。快速升降负荷中应加强受热面管子和厚壁元件的壁温监控，确保锅炉各部件安全运行。锅炉长期低负荷时，应对运行参数进行调整，避免出现水动力不稳定的问题。（2）增加炉水循环泵。参与深度调峰的超临界机组，当调峰深度达到20%BMCR时，机组转湿态运行。此时部分机组高低加无法正常投入，或投入后给水加热不足，给水温度低。给水温度低造成锅炉产汽量小，大量工质通过减温减压后排入疏水扩容器，同时从疏水扩容器排出大量蒸汽，带来工质损失。如需较长时间深度调峰运行，应配置炉水循环泵，可减少热量和工质损失，同时也有利于保证水冷壁安全，对锅炉启动和快速升负荷都有好处。将汽水分离器分离下来的疏水送回省煤器入口，储水罐返回省煤器入口的工质直接加热省煤器入口工质，有利于提高省煤器入口给水温度，也同步提高水冷壁入口给水温度。炉膛出口产汽量增加、炉内受热面流量增大、过热器超温等问题得到有效缓解，快速升负荷运行对高温受热面冲击将有所减少。（3）增加受热面壁温测点改造。针对低负荷深度调峰运行的要求，随着锅炉负荷降低，烟气侧和工质侧偏差加大，高温受热面壁温偏差有增大趋势。为提升机组深度调峰负荷下受热面安全性，加强壁温监控是保证受热面安全的重要手段。针对壁温计算结果，屏式过热器、屏式再热器均是易超温部件，需进行重点关注。需增加屏式过热器、屏式再热器的壁温测点，加强低负荷及升降负荷过程中受热面壁温监测。（4）增设厚壁部件在线寿命监测改造。锅炉深度调峰和快速启停，改变原设计运行条件。为保证锅炉运行安全性，适量增加壁温监测测点，加大对厚壁部件的壁温差监控力度，特别是厚壁承压部件的寿命损耗监测。系统实时监测主要厚壁承压部件的壁温/壁温差状况、应力状况，并对其寿命在线监测和管理，对超限参数及时报警、存储，优化锅炉运行策略，为电厂运行和检修提供实时的状态信息和维修决策建议。全面系统地对锅炉厚壁承压部件进行管理，为锅炉部件的运行、维修、更换等提供可靠的状态信息，为电厂的安全、经济运行提供必要保障。（5）受热面结构优化及材料升级改造。深度调峰低负荷运行时，受烟气侧流场及温度和工质侧流量分配不均匀等因素的影响，炉内受热面的壁温偏差存在加大趋势。结合受热面的壁温情况，对中温过热器高温区进行材料升档优化，提高炉内壁温允许偏差值。同时针对炉内屏式受热面的管屏弯头处进行结构优化，解决负荷频繁波动造成的炉内屏式受热面弯头处应力疲劳问题。2.3污染物控制技术深度调峰低负荷运行时，锅炉炉内烟气温度较低，SNCR脱硝效率低，甚至出现烟温达不到SNCR反应温度，SNCR投入后仍无法满足超低排放的要求。可从降低原始NOx排放浓度、提高低负荷时炉内烟气温度满足SNCR反应温度要求等方面进行改造。（1）二次风分级燃烧改造。为强化分级燃烧，可将原上二次风口提高到炉膛下部拐点以上，增大还原区高度，进一步降低NOx原始生成量，同时利于增强上二次风的穿透性和扰动性，提高燃烧效率。上二次风口以下还原区域高度较常规炉膛提高，提高低氧量持续时间。因上二次风布置在炉膛稀相区，锅炉密相区均为欠氧环境，抑制NOx的氛围区域相对于常规二次风系统更广。同时，上二次风的上移能够提高炉膛出口温度，有利于深度调峰SNCR脱硝反应。（2）烟气再循环。低负荷时为保证炉膛床料的良好流化，炉底一次风需维持流化所需最小风量，这就导致低负荷时炉底一次风量远大于燃烧所需的一次风量，难以达到降低NOx排放要求的低氧燃烧。另外低负荷下炉膛出口烟温偏低，SNCR脱硝效率低，NOx原始排放高，难以达到NOx超低排放要求。为解决这些问题，可采用烟气再循环方案。将引风机出口的洁净烟气引回锅炉一次风系统，引回的烟气含氧量很小，经过增压后作为炉底一次风用。不降低流化质量的情况下，可以有效降低氧量，实现低氧燃烧，降低NOx生成，减小低负荷下脱硝系统的压力。高负荷下烟气再循环系统将切除。烟气再循环只在低负荷下运行，而且只是替代空气作为流化风用，所以它不会带来烟气量的增加，对炉内烟气流速不产生影响，也就不会带来额外磨损问题。由于再循环烟气中含有灰尘和酸性气体，长期运行可能会对一次风系统产生磨损和腐蚀，故应定期对一次风系统进行检查维护。（3）分离器入口烟道吹灰改造。深度调峰低负荷运行时，分离器入口烟道因烟速降低可能造成积灰严重。可在分离器入口烟道下部加装吹灰风帽。采用压缩空气吹灰，通过适当调整吹灰的频次，能够达到有效吹扫，减少分离器入口烟道积灰对SNCR喷枪雾化效果的影响，使得SNCR脱硝经济性得到提高。（4）SCR脱硝改造。为满足低负荷下NOx超低排放的要求，可增加SCR的脱硝方案，确保在深度调峰低负荷时（SNCR脱硝效率降低或不能满足排放指标时）投入SCR系统。通过对尾部烟道内的省煤器进行改造，将省煤器分为上、下两级，SCR脱硝反应器布置于锅炉两级省煤器之间，将下级省煤器向下移动，布置脱硝催化剂。通过采取以上措施，可提高锅炉在深度调峰工况下的安全运行和可靠性，同时确保污染物排放尤其是NOx满足目前环保排放要求。3结语通过分析锅炉深度调峰低负荷稳燃、水动力、壁温等影响因素，针对对应问题提出了技术优化可行措施。在环保方面采取锅炉改造降低原始NOx生成、尾部增设SCR脱硝等措施，实现深度调峰时NOx排放控制的灵活性。深度调峰灵活性改造涉及电厂锅炉、汽机和辅机等众多设备的系统工程，需要锅炉厂家、设计院、电厂、各主辅机厂家相互合作，共同为我国实现“双碳”目标做出努力。