經(jīng)驗介紹:生物質(zhì)發(fā)電機組停機制約因素及優(yōu)化研究
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作者：胡曉慧
本文從生物質(zhì)發(fā)電機組熱力系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備的選型、安裝調(diào)試到運行調(diào)整及燃料控制等環(huán)節(jié)進行分析，提出問題所在，指明了今后生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的研究方向，為生物質(zhì)發(fā)電廠的長周期滿負(fù)荷穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。
1生物質(zhì)發(fā)電廠機組運行現(xiàn)狀與問題的提出
1.1機組設(shè)備參數(shù)
鍋爐型式：鍋爐由無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)，型號為UG-75/9.8-J,高溫、高壓秸稈直燃鍋爐，采用自然循環(huán)、單汽包、平衡通風(fēng)、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架。
鍋爐設(shè)計燃料為棉花秸稈，校核燃料為樹木枝條，但實際燃料輔料主要為板皮、樹枝條、玉米稈、花生殼、麥秸稈等。鍋爐采用水冷振動爐排的燃燒方式，鍋爐汽水系統(tǒng)采用自然循環(huán)，在爐膛外布置了集中下降管；鍋爐煙氣流向采用四回程“M”型，爐膛和過熱器通道采用全封閉的膜式水冷壁：過熱器采用三級布置，并布置了二級噴水減溫器：尾部豎井內(nèi)布置了單級省煤器和單級空氣預(yù)熱器，一、二次風(fēng)平行進入各自的空氣預(yù)熱器，出空氣預(yù)熱器后分別進入爐排下一次風(fēng)管和爐排上二次風(fēng)管，再進入爐膛；煙氣由引風(fēng)機引入除塵、凈化設(shè)備，凈化處理合格后，經(jīng)煙囪排人大氣。
鍋爐設(shè)計參數(shù)：額定蒸發(fā)量為75 t/h，額定蒸汽壓力（表壓）為9.8 MPa,額定蒸汽溫度為540℃，給水溫度為210℃，排污率為2%，鍋爐熱效率為88%。汽輪機型號為C15-8.83/0.98，由青島汽輪機廠生產(chǎn)，它與型號為QFW-15-2A的空冷發(fā)電機配套成整臺發(fā)電機組。
1.2問題的提出
某2x15 MW生物質(zhì)發(fā)電廠自機組投產(chǎn)3a以來，經(jīng)歷了眾多的事故停機事件，2012—2014年各個月份的停機次數(shù)見圖1。
由圖1所示，2012年機組停機次數(shù)高達(dá)59次，其中，機組最長連續(xù)穩(wěn)定運行時間不超過3個月，安全生產(chǎn)工作根本無法有效進行。從2012~2014年，機組停機次數(shù)逐年減少。該生物質(zhì)發(fā)電廠機組3a停機原因如表1所示。
由表1可知，3 a中該生物質(zhì)發(fā)電機組因水冷壁泄漏和爐排故障停機14次，省煤器泄漏和積灰停機10次，上料系統(tǒng)堵料停機26次，燃料不足停機13次，電網(wǎng)沖擊停機14次。
2機組安全運行制約因素分析
2.1振動爐排鍋爐的水冷壁爆管問題
水冷振動爐排是專門為秸稈直燃鍋爐而開發(fā)的一個新型燃燒設(shè)備，水冷振動爐排與水平面呈一定夾角，爐排下為一次風(fēng)室和出渣斗，可以通過調(diào)節(jié)爐排振動的頻率，滿足秸稈燃燒和出渣要求。爐排的振動由水平推桿提供動力，用混凝土基礎(chǔ)支持振動源。水冷振動爐排與水冷屏進行組裝后出廠。爐排下部水冷壁與鍋爐前、后墻水冷壁用柔性結(jié)構(gòu)水管相連，以吸收爐排振動的位移量，保證水冷壁的安全。水冷振動爐排有足夠的面積，保證燃燒完全。爐排與側(cè)墻靠側(cè)密封連接，防止漏風(fēng)，爐排管材全部采用合金鋼15CrMoG。
爐排振動的振動時間、間隔時間及振動幅度可根據(jù)鍋爐負(fù)荷和爐排渣層厚度進行調(diào)節(jié)。振動爐排鍋爐運行期間，為了保證燃料燃燒完全，爐排下一次風(fēng)必須穿透爐排上灰渣層，與燃料充分接觸并提供燃燒所需的氧量。一般滿負(fù)荷時爐排的振動為間隔150 s振動一次，一次振動時間為6s左右，振動幅度為80。爐排振動時，整個鍋爐水冷壁跟隨一起振動，尤其是爐排與水冷壁連接彎管處受力較大，最易產(chǎn)生脆性斷裂而導(dǎo)致鍋爐爆管，發(fā)生停爐停機事件。并且，振動爐排本身一旦發(fā)生設(shè)備故障，長時間無法處理，也會面臨停爐停機的風(fēng)險。
2.2鍋爐尾部煙道磨損積灰問題
一方面，生物質(zhì)燃料與煤相比，鈉和鉀等堿性化合物在高溫時反應(yīng)性很高，生成的氧化物與水蒸氣生成強堿，強堿與二氧化硫等反應(yīng)生成熔點較低的凝結(jié)性硫酸鹽會牢固的粘附在受熱面上，造成受熱面的大量積灰。另一方面，生物質(zhì)燃料含有的氯元素較多，氯元素在一定條件下生成氯化氫會在受熱面上產(chǎn)生很強的氯腐蝕，從而促進了積灰結(jié)焦的產(chǎn)生。
生物質(zhì)燃料中含有20%~40%的水分，機組一般運行兩個月后，各個過熱器受熱面積灰嚴(yán)重。尾部煙道會發(fā)生嚴(yán)重積灰，直接導(dǎo)致兩個問題：第一是省煤器彎頭處受熱不均，長期受煙氣沖刷而發(fā)生泄漏，第二是爐膛傳熱效果嚴(yán)重下降，鍋爐排煙損失大，鍋爐熱效率較低，影響了發(fā)電機組的經(jīng)濟性，而且，主蒸汽溫度偏低，影響汽輪機的安全，所以不得不在運行3個月左右將機組停運，對各受熱面進行清灰后再次啟動。
該生物質(zhì)發(fā)電機組積灰主要表現(xiàn)在兩個方面：玻璃狀熔融物質(zhì)在過熱器表面的沉積和飛灰在省煤器以及空預(yù)器的沉積（圖3）。
2.3電氣系統(tǒng)薄弱，電網(wǎng)沖擊影響大
201 2年及201 3年該生物質(zhì)發(fā)電機組運行受系統(tǒng)沖擊影響情況如表2和表3所示。
因考慮成本問題，生物質(zhì)發(fā)電廠未配置柴油發(fā)電機組和保安電源，在電網(wǎng)位置中處于系統(tǒng)末端，出線為35 kV電壓等級，大部分為民用負(fù)荷，系統(tǒng)運行極不穩(wěn)定，受雷雨天氣、農(nóng)網(wǎng)故障率高等因素的影響，機組會頻繁受到?jīng)_擊，給主機設(shè)備帶來非常大的安全隱患。該生物質(zhì)發(fā)電廠兩臺機組自投產(chǎn)以來，據(jù)不完全統(tǒng)計，2012年受到電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊12次，2013年受到電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊5次，其中電網(wǎng)沖擊導(dǎo)致停爐停機次數(shù)約14次。
2.4因燃料不足發(fā)生的停機問題
一個2x15 MW機組la如有10個月的滿負(fù)荷時間（除去兩個月的設(shè)備檢修停機時間），計算發(fā)電量應(yīng)為21 600萬kWh，利用小時數(shù)為7 200 h．統(tǒng)計該發(fā)電廠連續(xù)3a的發(fā)電量及利用小時數(shù)：2012年發(fā)電量為13 253.85萬kWh，利用小時數(shù)為4 418 h：2013年發(fā)電量為20 330萬kWh,利用小時數(shù)為6 700 h;2014發(fā)電量為17 227萬kWh，利用小時數(shù)為5 789 h。按照la平均供電料耗為15 t/萬kWh．2012年燃料缺口將近12.5萬t。生物質(zhì)燃料收購的不穩(wěn)定性，使每季度都會發(fā)生因燃料不足而停機的事件。
2.5因上料系統(tǒng)堵料發(fā)生的停機問題
該生物質(zhì)發(fā)電機組上料流程如圖3所示：地下料坑一料庫螺旋卸料機一皮帶輸送機一雙螺旋輸送機一勻料器一爐前料倉一料倉螺旋卸料機一防火門一爐前雙螺旋給料機一爐膛。由于生物質(zhì)燃料尺寸較長，且燃料中石頭、鐵塊、棍棒等雜物較多，經(jīng)常會發(fā)生堵料而導(dǎo)致上料中斷，如果處理不及時就會發(fā)生停爐停機事件。尤其是雙螺旋輸送機（圖中11）處發(fā)生堵料，不能及時恢復(fù)，只能停爐。而其他上料系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生異常時則有備用可以切換。
3機組安全運行制約因素優(yōu)化
3.1振動爐排鍋爐的水冷壁爆管問題的優(yōu)化
該生物質(zhì)發(fā)電廠3a中因水冷壁泄漏發(fā)生的停機次數(shù)為8次，因爐排故障停機次數(shù)為6次，其后進行了設(shè)備改造和優(yōu)化，利用機組檢修機對鍋爐振動爐排柔性彎管進行整體更換，具體措施如下。
①根據(jù)振動受力情況對彎管的安裝角度進行了調(diào)整，減少振動時管道的受力，并在彎管上安裝防護鐵板。
②對柔性彎管材質(zhì)升級，南原來的15CrlMoG材質(zhì)升級為12CrMoVG，并且對振動爐排內(nèi)部易磨損部位進行定期檢查。
③運行方面也將爐排的振動方式做出了一些調(diào)整，由原來振動頻率80 Hz降低到70 Hz。
經(jīng)過該措施的實施，明顯地降低了爆管次數(shù)。2012～2014年，停機次數(shù)出現(xiàn)遞減趨勢，其中．2014年水冷壁僅泄漏1次，爐排故障1次。同時建議從設(shè)計上考慮振動爐排對鍋爐整體安全性的影響，考慮好鍋爐本體隨爐排振動的受力和位移問題；設(shè)計安裝時考慮爐排柔性彎管的角度與受力關(guān)系，彎管部位應(yīng)選用合適的金屬材質(zhì)。
3.2鍋爐尾部煙道磨損積灰問題的優(yōu)化
該生物質(zhì)發(fā)電機組3a中因省煤器泄漏和積灰發(fā)生的停機次數(shù)為10次，其后進行了設(shè)備改造和優(yōu)化，具體的優(yōu)化措施如下。
①針對省煤器泄漏問題，對鍋爐省煤器整體進行改造，加裝規(guī)格為半圓形長1 000 mm的不銹鋼防磨瓦和規(guī)格為800 mmx200 mm的導(dǎo)流板。在每組省煤器的迎風(fēng)面南北側(cè)彎頭處加裝導(dǎo)流板，對形成煙氣走廊、磨損量較大部位的管道及彎頭加裝防磨瓦�？傆嫾友b防磨瓦500余m，導(dǎo)流板480余m。
②每次機組停運時對鍋爐受熱面進行清灰和金屬探傷，發(fā)現(xiàn)問題提前處理。2014年鍋爐連續(xù)正常運行8個月，未發(fā)生省煤器泄漏事件。
③對原設(shè)計安裝的蒸汽吹灰器進行跟槍觀察，發(fā)現(xiàn)吹灰效果不明顯。將尾部煙道吹灰器改造為聲波吹灰器，經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)積灰情況明顯減少。
經(jīng)過優(yōu)化，明顯地降低了停機次數(shù)。從2012年非停5次到2014年非停2次，停機次數(shù)出現(xiàn)遞減趨勢。此外，建議結(jié)合生物質(zhì)鍋爐燃料特性及燃燒室動力場對生物質(zhì)鍋爐積灰問題進行專題研究：對比各類吹灰器對生物質(zhì)鍋爐的效果，選擇合適的吹灰方式，可考慮在生物質(zhì)燃料中增加催化劑，以減少尾部煙氣中飛灰含量。
3.3電網(wǎng)沖擊的優(yōu)化
該生物質(zhì)發(fā)電廠3a中共發(fā)生電網(wǎng)沖擊14次，其后對電氣系統(tǒng)增加了保安電源，并對相關(guān)的保護定值進行了修改，具體措施如下。
①兩臺發(fā)電機組增加零功率保護，不考慮系統(tǒng)保護聯(lián)跳．
②增加柴油發(fā)電機，考慮保安負(fù)荷的分配、保安段的接線方式和柴油發(fā)電機的容量等，保證機組能安全停機，不考慮黑啟動。
③保護方案和電網(wǎng)定值配合，了解35 kV線路變電站其他出線過流或距離2段時間定值，在系統(tǒng)沖擊時，本電廠保護躲過系統(tǒng)故障時間。
④低頻減載應(yīng)針對負(fù)荷用戶，征求電網(wǎng)意見，將電廠兩條出線低頻保護定值由目前的49 Hz降至48.5 Hz。對所有變頻器參數(shù)的低壓定值及其他保護進行排查，降低低壓定值為可允許的最低值。有缺相保護的時間設(shè)定為3s，躲過系統(tǒng)沖擊的影響。
⑤結(jié)合大小修對發(fā)電機組及其附屬設(shè)備做預(yù)防性試驗，掌握發(fā)電機定轉(zhuǎn)子健康狀況。
經(jīng)過優(yōu)化后明顯地減少了沖擊停機次數(shù)。2012～2014年，停機次數(shù)出現(xiàn)遞減趨勢，其中，2014年未發(fā)生因電網(wǎng)沖擊導(dǎo)致的機組非停。此外，建議今后從設(shè)計上對生物質(zhì)發(fā)電廠增加保安電源，在主變高壓側(cè)增加電抗器，降低系統(tǒng)沖擊時電流對發(fā)電機的影響。根據(jù)沖擊電流情況可重新整定發(fā)變組保護定值；電網(wǎng)選址上統(tǒng)籌考慮生物質(zhì)機組的安全性，盡量避免農(nóng)網(wǎng)末端；生物質(zhì)發(fā)電機組也可考慮增加啟備變。以電網(wǎng)波動理由和電網(wǎng)協(xié)商走大工業(yè)用戶，從其他變電站另拉一條線路作高壓備用電源，正常運行可由啟備變提供廠用電。
3.4燃料不足的優(yōu)化
該生物質(zhì)發(fā)電機組3a中因燃料不足停機13次，其中，2011年9次，其后對燃料采購進行重點籌劃，具體的優(yōu)化措施如下。
①尋找和開發(fā)新的料源及料種，該生物質(zhì)發(fā)電廠設(shè)計燃料為棉花秸稈，經(jīng)過燃燒試驗后，可大量摻燒其他燃料品種。
②擴大料場面積，廠區(qū)增加燃料堆積區(qū)域，以便在燃料旺季多存料，應(yīng)對燃料淡季的低峰期。
③充分利用政府的幫扶政策，發(fā)揮政府職能，最大限度地將本區(qū)域的生物質(zhì)燃料集中起來為電廠所用。
經(jīng)優(yōu)化后，在2013年和2014年，停機次數(shù)得到有效改善，因該原因產(chǎn)生的停機次數(shù)僅為2次。建議在生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計方面進一步考慮多種混雜摻配燃燒工況，以期徹底解決該問題。
3.5上料系統(tǒng)堵料的優(yōu)化
該生物質(zhì)發(fā)電機組3a中因上料系統(tǒng)堵料發(fā)生的停機次數(shù)為26次，占總停機次數(shù)的30%，其后進行了設(shè)備改造和運行調(diào)整，具體措施如下。
①將上料系統(tǒng)雙螺旋輸送機直接取消，設(shè)置一個傾斜角度使皮帶上燃料自然落下至料倉，并加裝勻料器使料倉內(nèi)燃料分布均勻。
②積極開展上料系統(tǒng)堵料事故演練，提高運行人員應(yīng)對鍋爐斷料的事故處理水平，減少因鍋爐斷料導(dǎo)致機組停機事故的發(fā)生。
經(jīng)優(yōu)化后明顯地降低了停機次數(shù)。從2012年停機16次減少到2014年停機4次。為了進一步減少上料系統(tǒng)堵料的發(fā)生，建議取消雙螺旋輸送機，簡化生物質(zhì)上料系統(tǒng)的設(shè)計，每減少一個設(shè)備，就減少了一個堵料的危險點；深度研究料倉內(nèi)部燃料分布不均問題，改善勻料裝置的效果。
4結(jié)論與討論
從生物質(zhì)發(fā)電廠15 MW機組多年運行經(jīng)驗，通過全方面分析總結(jié)，主要得出如下結(jié)論。
①制約生物質(zhì)發(fā)電機組停機的主要因素：振動爐排水冷壁連接彎管泄露；受熱面積灰磨損；上料系統(tǒng)堵料；電網(wǎng)沖擊；燃料不足。
②各個因素中，上料系統(tǒng)堵料所占比重最大，約為30%，水冷壁泄漏及爐排故障所占比例約為15%,電網(wǎng)沖擊所占比例約為15%，燃料不足所占比例約為14%，省煤器泄漏和積灰所占比例約為10%。
③針對各個因素提出具體解決方案后，停機次數(shù)大大降低，效果顯著，其中，上料系統(tǒng)堵料停機減少12次，燃料不足停機減少7次，水冷壁泄漏停機減少4次，省煤器泄漏停機減少3次，電網(wǎng)沖擊停機減少14次。
無論是生物質(zhì)機組還是燃煤機組，長周期的安全穩(wěn)定運行是保證企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)盈利的根本，生物質(zhì)發(fā)電廠由于設(shè)備系統(tǒng)的特殊性和技術(shù)不成熟性，難以像大型火電機組一樣長周期運行，但是經(jīng)過系統(tǒng)改造和設(shè)備治理，以及運行人員的精心調(diào)整，事故停機數(shù)量得到明顯地降低，該電廠從2012～2014年，生產(chǎn)安全已經(jīng)得到極大改善，經(jīng)營效益也逐步提高。
5摘要：
針對生物質(zhì)機組運行周期短的問題及生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)安全生產(chǎn)薄弱的現(xiàn)狀，結(jié)合15 MW機組多年運行經(jīng)驗，總結(jié)了生物質(zhì)機組頻繁停機的制約因素，并根據(jù)近3a的機組運行試驗提出了優(yōu)化措施及優(yōu)化建議。結(jié)果表明：①制約生物質(zhì)發(fā)電機組安全運行的主要因素有上料系統(tǒng)堵料( 30%)、振動爐排水冷壁連接彎管(15%)、電氣系統(tǒng)易受電網(wǎng)沖擊( 15%)、燃料不足(14%)、省煤器泄漏和積灰(10%)等；②針對各個因素提出通過設(shè)備治理、系統(tǒng)優(yōu)化、改良操作等具體解決方案后，停機次數(shù)大大降低，其中，堵料停機減少12次，燃料不足停機減少7次，水冷壁泄漏停機減少4次，省煤器泄漏停機減少3次，電網(wǎng)沖擊停機減少14次。
