具有火电灵活性调节功能的四角切圆锅炉及其调节方法与流程

本发明涉及具有火电灵活性调节功能的四角切圆锅炉及其调节方法，特别涉及四角切圆锅炉领域。

背景技术：

近年来,我国风电和光伏装机规模迅猛增长,在役及在建装机容量均已位居世界第一。一方面,风电和光伏等新能源为我们提供了大量清洁电力,另一方面,其发电出力的随机性和不稳定性也给电力系统的安全运行和电力供应保障带来了巨大挑战。

从目前的情况来看,我国电力系统调节能力难以完全适应新能源大规模发展和消纳的要求，部分地区出现了较为严重的弃风、弃光和弃水问题。2015年,全年弃风电量高达339亿千瓦时,“三北”部分地区弃风和弃光率超过20%。而造成这种严重弃风、弃光和弃水问题的主要原因还是在于现有煤电机组灵活性不足，无法满足新能源高速发展对电力系统调节能力的要求。为了保证新能源能够得到充分的运用,国家于2016年7月颁布了政策来促进电厂进行火电灵活性的改进，其提高火电灵活性的主要内容有：

1）提高运行灵活性：指提高煤电机组（包括纯凝与热电）调峰能力、爬坡速度以及降低启停时间，为消纳更多波动性可再生能源，灵活参与电力市场创造条件。

2）提高燃料灵活性：指能掺烧/混烧秸秆、木屑等生物质，实现生物质原料的清洁利用，减少大气污染。

但是，在实际运行中，燃煤火力发电厂在灵活性方面存在如下的不足：

1）调峰能力一般维持在设计值40%-50%额定负荷，不能进行低于40%额定负荷的深度调峰，或在深度调峰过程中，炉膛温度下降，煤粉着火困难，火焰稳定性差，易熄火，存在炉膛灭火放炮的重大事故隐患；

2）在低负荷调峰过程中，烟气温度达不到脱硝系统的要求，使得脱硝效果下降，进而采取开启或安装省煤器旁路方法使烟温达到要求，由此牺牲了锅炉效率；

3）在锅炉调峰完成升负荷或锅炉启动过程中，为了保证炉内燃烧稳定，不能快速投运煤粉，减弱了机组的爬坡速度，延长了启动时间；

4）在低负荷调峰过程中，炉内燃烧不稳定，不能适应燃料变化，易造成炉内正负压波动严重。

技术实现要素：

针对以上的缺陷，本发明需解决四角切圆锅炉在提高灵活性方面的相关问题。

为达到以上目的，本发明的方案为：

具有火电灵活性调节功能的四角切圆锅炉，燃烧器按安装位置的水平标高高低分为上部燃烧器、中部燃烧器和下部燃烧器，其特征在于：所述上部燃烧器是从锅炉顶部往下数第一层和第二层的燃烧器，其中任意一层或两层为调峰燃烧器；所述下部燃烧器是从锅炉底部往上数第一层和第二层的燃烧器，其中任意一层或两层为调峰燃烧器，所述调峰燃烧器为内燃式燃烧器，该燃烧器内部能点燃煤粉，并稳定燃烧，其他的燃烧器为普通燃烧器，普通燃烧器是内燃式燃烧器或外燃式燃烧器。

采用上述结构，在四角切圆锅炉的上部和下部调峰燃烧器，该调峰燃烧器是的内燃式，使用内燃式燃烧器可以保证一次风煤粉在燃烧器内提前着火稳定燃烧，并保持主动燃烧状态进入炉膛并立即放热，保证整个锅炉煤粉不会因为炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火，实现锅炉不停炉超低负荷（20%额定负荷）调峰，增强火电机组深度调峰能力，且保证了煤粉燃烧完全，不牺牲锅炉效率。由于上部调峰燃烧器的投运，抬高了煤粉火焰中心，使烟温达到脱硝系统有效运行的要求。

进一步，内燃式燃烧器中设有可以输送纯氧的氧气管道。

采用上述结构，利用氧气强化煤粉挥发份燃烧的同时，并强化煤粉中固碳的燃烧——降低煤粉中固碳的着火温度，提高燃烧过程反应速度，提高燃烧过程温度，从而实现对燃料挥发份含量不做要求，有效提高锅炉煤种适应性；确保在任意工况下引燃一次风煤粉，使煤粉以主动燃烧状态进入炉膛，维持炉膛稳定燃烧，从而实现能够燃烧烟煤、贫煤、无烟煤以及掺烧生物质能源（秸秆、木屑等）的目的，达到提高机组燃料灵活性的目的。

具有火电灵活性调节功能的四角切圆锅炉的调节方法，其特征在于：使用具有火电灵活性调节功能的四角切圆锅炉，并采用断层燃烧方式进行锅炉深度调峰、增加锅炉负荷以及启停锅炉，所述断层燃烧方式是指只投运锅炉上部的一层或多层燃烧器和下部一层或多层燃烧器，不投运锅炉中部的燃烧器，所述断层燃烧方式投运的燃烧器为调峰燃烧器，其他燃烧器为普通燃烧器。

采用上述方法，当需要深度调峰时，只投运锅炉上部的一层或多层调峰燃烧器和下部一层或多层调峰燃烧器；不投运锅炉中部的燃烧器，保证锅炉能够达到深度调峰的低负荷需求。保证了炉膛燃烧稳定、受热均匀，在保证炉内燃烧安全的前提下，实现增加单位时间内的入炉煤量，确保机组快速提升负荷，大幅提升火电机组爬坡速率；在增加锅炉负荷时，通过增加只投运锅炉上部的一层或多层调峰燃烧器和下部一层或多层调峰燃烧器中的一次风粉，也可以快速投运其他普通燃烧器，达到快速爬坡的效果。在启停锅炉时，也可根据工况需求灵活调整入炉煤量，可实现快速增/减投煤量，从而达到降低锅炉启/停时间的目的。

进一步，具体通过断层燃烧进行锅炉深度调峰的步骤如下：

（1）、在锅炉负荷小于50%的额定负荷时，投运锅炉上部和下部的调峰燃烧器；

（2）、根据深度调峰的目标负荷，逐渐降低普通燃烧器的一次风煤粉量，并直至降低为零或接近零；将目标负荷所需燃烧的一次风煤粉量全部分给锅炉上部和下部的调峰燃烧器；或将目标负荷所需燃烧的一次风煤粉量的绝大部分分给锅炉上部和下部的调峰燃烧器，剩余的小部分分给中部燃烧器；

（3）、根据步骤2所投运的一次风煤粉量计算配风量，配风方式为二次风、三次风或燃尽风中的一种或多种。

采用上述方法，在锅炉深度调峰时，利用内燃式燃烧器使煤粉以提前主动燃烧状态进入炉膛，且不受煤质波动的影响，提高炉膛温度，保证整个锅炉煤粉不会因为炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火，实现锅炉不停炉超低负荷（20%额定负荷）调峰，增强火电机组深度调峰能力。

进一步，步骤2中逐渐降低普通燃烧器的一次风煤粉量的具体方法是：由上至下依次逐层降低一次风煤粉量，且每一层中应以对角同时降低。

采用上述方法，可以是炉膛温度降低得更加均衡，保证受热平衡，不失调，从而保证锅炉燃烧安全，提高炉膛的使用寿命。

进一步，步骤2所述目标负荷所需燃烧的一次风煤粉量=（目标负荷/额定负荷）*额定负荷投煤量。

进一步，步骤3所述配风量=（目标负荷/额定负荷）*额定负荷投煤量*单位煤量燃烧所需空气量*锅炉设计空气余量系数。

进一步，其特征在于：通过断层燃烧方式进行增加锅炉负荷的步骤如下：

（1）、在锅炉由低负荷向高负荷上升时，保持或增加锅炉上部和下部的调峰燃烧器的一次风煤粉量；

（2）、根据上升的目标负荷投运一次风煤粉，先投运与锅炉上部和下部的调峰燃烧器相邻的普通燃烧器，再投运与已投运的普通燃烧器相邻的普通燃烧器，直至所有燃烧器全部投运；

（3）、根据步骤2所投运的一次风煤粉量计算配风量，配风方式为二次风、三次风或燃尽风中的一种或多种。

采用上述方法，可以同时投运多个普通燃烧器，加快爬坡速度。

进一步，通过断层燃烧方式进行冷态启动锅炉的燃烧器投运步骤如下：

（1）、投运一次风煤粉给锅炉上部和下部的调峰燃烧器；

（2）、投运一次风煤粉给与锅炉上部和下部的调峰燃烧器相邻的普通燃烧器；

（3）、投运一次风煤粉给与已投运的普通燃烧器相邻的普通燃烧器；

（4）、反复步骤3直至所有燃烧器全部投运。

采用上述方法，可同时投运多个调峰燃烧器，也可同时投运多个普通燃烧器，这样可以加快冷态启动锅炉的速度。

进一步，通过断层燃烧方式进行关停锅炉的燃烧器投运步骤如下：

（1）、投运一次风煤粉给锅炉上部和下部的调峰燃烧器；

（2）、关停与锅炉上部和下部的调峰燃烧器相邻的普通燃烧器；

（3）、关停与已关停的普通燃烧器相邻的普通燃烧器；

（4）、反复步骤3直至所有普通燃烧器全部关停；

（5）、关停锅炉上部和下部的调峰燃烧器。

采用上述方法，可以稳定的快速的关停锅炉燃烧器。

本发明的特点在于：锅炉内部断层设置的调峰燃烧器可以使一次风煤粉在任意工况下呈主动着火燃烧状态进入炉膛，保证断层投入的煤粉连续稳定燃烧，确保提高炉膛温度，从而保证整个锅炉煤粉不会因为炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火，实现锅炉不停炉超低负荷调峰，大幅提升火电锅炉调峰灵活性。本方法对锅炉深度调峰能力改进突出，可实现锅炉＜20%额定负荷调峰，远远超越目前国际≥40%额定负荷调峰目标，操控简单、运行安全、稳定，负荷响应速迅速，且满足各负荷运行时环保达标的要求。其具体优势如下：

（1）保证锅炉超低负荷调峰过程中机组运行的安全性，能点燃烟煤、贫煤、无烟煤等所有的煤种，不会出现炉内爆燃现象，不会因为炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火；

（2）提高调峰能力，实现不停炉20%额定负荷下调峰，从而减少停炉经济损失及锅炉启停费用，降低汽轮机转子、锅炉汽包、阀门等寿命损耗，从而减少维护工作量与维护费用；

（3）能根据需要，灵活调整负荷爬坡及启/停时间，可实现锅炉快速带上满负荷，享受优先上网权，满足国家提高火电灵活性的政策要求；

（4）确保调峰过程脱硝装置入口烟温达到投运要求，确保调峰燃烧器内一次风煤粉以着火状态进入炉膛，维持炉膛稳定燃烧的同时，断层的投运可确保调峰过程脱硝装置入口烟温满足投运要求，全程安全、高效投运。

（5）整套系统工艺成熟，冗余设置，该技术在实际运行过程中系统稳定，无故障产生，零维护。

附图说明：

图1 为实施例一的燃烧器排布示意图；

图2为实施例二的燃烧器排布示意图；

图3为实施例三的燃烧器排布示意图；

具体实施方案：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例一、结合图1可以看出，本实施例的四角切圆锅炉一共包括6层燃烧器，其中A1、A2层为下部燃烧器，B1、B2层为中部燃烧器，C1、C2层为上部燃烧器，上部燃烧器中任意一层或两层为调峰燃烧器；下部燃烧器中任意一层或两层为调峰燃烧器，所述调峰燃烧器为内燃式燃烧器，该燃烧器内部能点燃煤粉，并稳定燃烧，其他的燃烧器为普通燃烧器，普通燃烧器是内燃式燃烧器或外燃式燃烧器。本发明所指的四角切圆锅炉，可以是直接由生产厂家生产出来的具有以上结构的锅炉，也可以是由普通燃烧器组成的普通锅炉，通过燃烧器改造而成，即按本发明的结构将部分普通燃烧器改造成调峰燃烧器。本发明的调峰燃烧器为内燃式燃烧器，普通燃烧器为内燃式燃烧器或外燃式燃烧器，也就是说本发明的锅炉可以全部燃烧器都设置为内燃式燃烧器，此时可以让普通燃烧器只投放一次风煤粉，而不在燃烧器内点火。内燃式燃烧器主要指煤粉在燃烧器内部通过分级燃烧被主动点燃的燃烧器。四角切圆锅炉每一层当中的四个棱角上都设有燃烧器。

本实施例中可以有多种方式进行燃烧器布置，至少包括如下几种：

第一种，C2、A1为调峰燃烧器，A2、B1、B2、C1为普通燃烧器；

第二种，C2、A2为调峰燃烧器，A1、B1、B2、C1为普通燃烧器；

第三种，C1、A1为调峰燃烧器，A2、B1、B2、C2为普通燃烧器；

第四种，C1、A2为调峰燃烧器，A1、B1、B2、C2为普通燃烧器；

第五种，C2、C1、A1为调峰燃烧器，A2、B1、B2为普通燃烧器；

第六种，C2、C1、A2为调峰燃烧器，A1、B1、B2为普通燃烧器；

第七种，C2、A1、A2为调峰燃烧器，B1、B2、C1为普通燃烧器；

第八种，C1、A1、A2为调峰燃烧器，B1、B2、C2为普通燃烧器；

以下用第四种方式进行举例，

内燃式燃烧器中设有可以输送纯氧的氧气管道。利用氧气强化煤粉挥发份燃烧的同时，并强化煤粉中固碳的燃烧——降低煤粉中固碳的着火温度，提高燃烧过程反应速度，提高燃烧过程温度，从而实现对燃料挥发份含量不做要求，有效提高锅炉煤种适应性；确保在任意工况下引燃一次风煤粉，使煤粉以主动燃烧状态进入炉膛，维持炉膛稳定燃烧，从而实现能够燃烧烟煤、贫煤、无烟煤以及掺烧生物质能源（秸秆、木屑等）的目的，达到提高机组燃料灵活性的目的。

采用断层燃烧方式进行锅炉深度调峰、增加锅炉负荷以及启停锅炉，所述断层燃烧方式是指只投运锅炉上部的一层或多层燃烧器和下部一层或多层燃烧器，不投运锅炉中部的燃烧器，本实施例中当中指只投运锅炉上部C1层调峰燃烧器和下部A2层调峰燃烧器，不投运A1、B1、B2、C2层的普通燃烧器。

具体通过断层燃烧进行锅炉深度调峰的步骤如下：

（1）、在锅炉负荷小于50%的额定负荷时，投运锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2；

（2）、根据深度调峰的目标负荷，逐渐降低普通燃烧器A1、B1、B2、C2的一次风煤粉量，并直至降低为零或接近零；将目标负荷所需燃烧的一次风煤粉量全部分给锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2；或将目标负荷所需燃烧的一次风煤粉量的绝大部分分给锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2，剩余的小部分分给中部燃烧器A1、B1、B2、C2；

（3）、根据步骤2所投运的一次风煤粉量计算配风量，配风方式为二次风、三次风或燃尽风中的一种或多种。

步骤2中逐渐降低普通燃烧器的一次风煤粉量的具体方法是：由上至下依次逐层降低一次风煤粉量，且每一层中应以对角同时降低。即从上至下C2、B2、B1、A1的顺序逐层降低，当降低每一层时，燃烧器每一层上的四个棱角上均带有燃烧器，每次都将对角的两个燃烧器一起降低。

上述步骤2中提到的目标负荷所需燃烧的一次风煤粉量=（目标负荷/额定负荷）*额定负荷投煤量，也可以根据实际需要自行确定和调整。步骤3所述配风量=（目标负荷/额定负荷）*额定负荷投煤量*单位煤量燃烧所需空气量*锅炉设计空气余量系数，也可根据实际需要自行确定和调整。在锅炉深度调峰时，利用内燃式燃烧器使煤粉以提前主动燃烧状态进入炉膛，且不受煤质波动的影响，提高炉膛温度，保证整个锅炉煤粉不会因为炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火，实现锅炉不停炉超低负荷（20%额定负荷）调峰，增强火电机组深度调峰能力。

通过断层燃烧方式进行增加锅炉负荷的步骤如下：

（1）、在锅炉由低负荷向高负荷上升时，保持或增加锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2的一次风煤粉量；

（2）、根据上升的目标负荷投运一次风煤粉，先投运与锅炉上部和下部的调峰燃烧器相邻的普通燃烧器C2、B1，再投运与已投运的普通燃烧器相邻的普通燃烧器B2、A1，直至所有燃烧器全部投运；此时优先投运已投运燃烧器上方的燃烧器，可以为上方燃烧燃烧器提供点火源。

（3）、根据步骤2所投运的一次风煤粉量计算配风量，配风方式为二次风、三次风或燃尽风中的一种或多种。

实现炉膛燃烧稳定、受热均匀，避免传统逐个投运导致的升负荷慢、主蒸汽温度及压力不能同步增长或增长较慢等问题，在保证炉内燃烧安全的前提下，可实现增加单位时间内的入炉煤量，确保机组快速提升负荷，大幅提升火电机组爬坡速率。

通过断层燃烧方式进行冷态启动锅炉的燃烧器投运步骤如下：

（1）、投运一次风煤粉给锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2；

（2）、投运一次风煤粉给与锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2相邻的普通燃烧器C2、B1；

（3）、投运一次风煤粉给与已投运的普通燃烧器C2、B1相邻的普通燃烧器B2、A1；

（4）、反复步骤3直至所有燃烧器全部投运。

利用本发明的断层布置进行燃烧器投运，相当于在炉内安装了多个点火层，可根据工况需求灵活调整入炉煤量，可实现快速增加投煤量，确保炉内受热更为均匀，燃烧稳定，炉膛火焰充满度高，从而达到降低锅炉冷态启动锅炉时间的目的。

通过断层燃烧方式进行关停锅炉的燃烧器投运步骤如下：

（1）、投运一次风煤粉给锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2；

（2）、关停与锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2相邻的普通燃烧器C2、B1；

（3）、关停与已关停的普通燃烧器C2、B1相邻的普通燃烧器B2、A1；

（4）、反复步骤3直至所有普通燃烧器全部关停；

（5）、关停锅炉上部和下部的调峰燃烧器C1、A2。

一次风煤粉在调峰燃烧器中内提前主动燃烧，利用断层布置进行燃烧器投运，相当于在炉内安装了多个点火层，可根据工况需求灵活调整入炉煤量，可实现快速减少投煤量，确保炉内受热更为均匀，燃烧稳定，保证锅炉安全性，且富氧煤粉火焰延展性好，炉膛火焰充满度高，从而达到降低锅炉关停时间的目的。

实施例二，如图2所示实施例二和实施例一的锅炉结构基本相同，不同之处在于本实施例的四角切圆锅炉一共包括5层燃烧器，其中A1、A2层为下部燃烧器，B1层为中部燃烧器，C1、C2层为上部燃烧器，上部燃烧器中任意一层或两层为调峰燃烧器；下部燃烧器中任意一层或两层为调峰燃烧器，

本实施例中可以有多种方式进行燃烧器布置，至少包括如下几种：

第一种，C2、A1为调峰燃烧器，A2、B1、C1为普通燃烧器；

第二种，C2、A2为调峰燃烧器，A1、B1、C1为普通燃烧器；

第三种，C1、A1为调峰燃烧器，A2、B1、C2为普通燃烧器；

第四种，C1、A2为调峰燃烧器，A1、B1、C2为普通燃烧器；

第五种，C2、C1、A1为调峰燃烧器，A2、B1为普通燃烧器；

第六种，C2、C1、A2为调峰燃烧器，A1、B1为普通燃烧器；

第七种，C2、A1、A2为调峰燃烧器，B1、C1为普通燃烧器；

第八种，C1、A1、A2为调峰燃烧器，B1、C2为普通燃烧器；

实施例二的锅炉控制方法和实施例一基本相同，在此不赘述。

实施例三，如图3所示实施例三和实施例一的锅炉结构基本相同，不同之处在于本实施例的四角切圆锅炉一共包括4层燃烧器，其中A1、A2层为下部燃烧器，B1层为中部燃烧器，C1层为上部燃烧器，上部燃烧器为调峰燃烧器；下部燃烧器中任意一层或两层为调峰燃烧器，

本实施例中可以有多种方式进行燃烧器布置，至少包括如下几种：

第一种，C1、A1为调峰燃烧器，A2、B1为普通燃烧器；

第二种，C1、A2为调峰燃烧器，A1、B1为普通燃烧器；

第三种，C1、A1、A2为调峰燃烧器，B1为普通燃烧器；

实施例三的锅炉控制方法和实施例一基本相同，在此不赘述。

以上的实施，仅仅是对本专利的一般描述，并非对本专利的范围进行限定，在不脱离本专利设计精神的前提下，任何人对本专利的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本专利的权利要求书确定的保护范围内。