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第l 9 卷 华 中 电 力 2 1 0 0 t h燃煤锅炉燃烧器的改造 周 旭 ( 广 东省粤电集团沙角 c电厂 ， 广东 东莞5 2 3 9 0 6 ) 摘要 ： 在对某电厂3号锅炉数值模拟和冷态试验的基础上， 指出炉内气流实际切圆过大， 气流贴壁现象严重是导致锅 炉运行结渣的直接原因； 对燃烧器改造前后所采用的 wr燃烧器和a e r o t i p 。 m 燃烧器的特点进行分析； 根据改造后冷态 试验及运行结果得出了如下结论： 改造后刷墙现象有很大程度减轻， 能防止结渣， 热效率也得到了提高。 关键词 ： 燃煤锅炉； 结渣； 燃烧器改造 ； 数值模拟 中图分类 号： t k 2 2 3 ， 2 3 ； t k 2 2 7 2 文献标i p r： b 文章编号 ： 1 0 0 6 6 5 1 9 ( 2 0 0 6 ) 0 6 0 0 2 5 0 4 bu r n e r re n o v a t i o n o f 2 1 0 o t h co a l fi r e d b o i l e r zh0u x 某电厂 3号锅炉是美国 a b b - c e公司设计生产 的亚临界、 单汽包 、 中问冉热控制循环锅炉 锅炉最大 连续蒸发量 2 1 0 0 t l 。炉膛 寸为 l 9 5 5 8 1 6 4 3 2 ( 5 7 3 o o 0 宽x 深x 高) ， 设计燃用国产神府东胜煤和澳大利 进门煤， 不投油最低稳燃负荷为 3 0 b mc r 。锅炉为 单炉膛四角双切网燃烧。制粉系统为正压直吹式， 每 个角的燃烧器有 6层一次风喷 u f a、 b、 c 、 d、 e 、 n， 7 层二次风喷u( a a、 a b 、 b c、 c d、 d e、 e f 、 f f ， 其中 a a、 b c、 d e、 f f偏转 2 2 。 ) ， 2层燃尽风f ( j f b和 o f a ) ， 还有 燃料风f 即周界风1 。燃烧器布置示意和配风偏转情况 见图 1 偏转二次风 ( 辅助风 ) 一 次风 ( 燃料风) 图 1燃 烧器布 置 和切 圆安 装 示意 图 自投运以来 ，该炉一直存在不同程度的结渣现 象， 虽从燃烧器、 煤质等方面进行了优化调整 ， 但始终 未能解决结渣问题 。针对这种情况， 本文首先用数值 模拟和冷态试验方法分析了锅炉结渣原因，然后对锅 炉原有的 wr燃烧器和改造后的 a e r o t i p tm燃烧器特 点进行了讨论。 冷态空气动力场试验结果和运行实践表 明 燃烧器改造后炉内气流和燃烧状况有 r 明显改善。 1 计算模型及方法 炉内燃烧过程数值模拟方程和模型包括 ： 气体湍 流方程 、 颗粒运动模型 、 挥发分释放燃烧和焦炭燃烧 模型、 辐射传热模型等。本文采用 k e 双方程模型来 模拟气相湍流输运 ；颗粒的运动采用随机轨道模型； 煤粉颗粒的燃烧分为两部分， 即挥发分在气相的燃烧 和焦碳的燃烧。颗粒的热解采用双平行反应模型， 焦 碳的燃烧采用扩散动力反应模型；使用离散传播法 ( d i s c r e t e t r a n s f e r me t h o d ) 计算辐射传热。 计算网格划分为4 9 ( 深) x 4 9 ( 宽) x 8 3 ( 高1 个 ， 辐射网 格 l 8 ( 深) x 2 00宽) x 4 00高) 个。 将煤粉颗粒按初始尺寸划 分为六组 各组颗粒直径分别为： 2 0 p m , 5 0 p r n , 7 0 ix m , 1 0 0 m， l 5 0 m , 2 0 0 ix m。 各组分所占的质量分数分别 为 ： 2 1 9 。 4 1 1 ， l 5 6 0 0 1 o - 3 ， 5 9 ， 5 2 。 2 数值模拟及冷态试验结果分析 2 1 改造前数值模拟及冷态试验结果分析 影响结渣的因素较多， 一般说来有以下几方ti 4 ： f 1 )煤质特性如灰熔点 、 灰成份 、 灰粘度等； ( 2 ) 炉膛设 汁结构特性如炉膛容积热负荷 、 截面热 负荷 、 喷燃器 热负荷等； ( 3 ) 燃烧器结构特性与布置方式如炉内空气 动力状况， 气流是否偏斜 、 贴壁 、 冲刷水冷壁等 ； ( 4 )锅 炉运行参数如锅炉负荷 ， 煤粉细度， 过剩空气量等。为 解决锅炉结渣问题该厂从煤质和炉膛设汁结构特性 收稿 日期： 2 0 0 6 0 9 2 1 作者简介： 周( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 大学， 锅炉运行专 ， 从事锅炉安全、 经济运行及故障诊断方向的研究 一 25一 童嗣盟墨暖嚣墨圈重 维普资讯 2 0 0 6 年第6 期 华 中 电 力 第1 9 卷 等方面分析了锅炉结渣原因 ， 并在采取加强煤质管 理等办法进行燃烧优化来解决结渣问题， 结渣虽有所 减轻但依然严重。对于四角切圆燃烧锅炉而言， 良好 的空气动力场是防止锅炉结渣的重要原因， 因此决定 用数值模拟方法分析该炉炉内空气动力场。 1 一 周界风通道 2 一 扩流锥 图 2 w r 燃烧 器 示意 图 i l i l l 1 l l 1 l i j x r一一 一 g l l i i i i l l 1 l l l 2 3 4 1 一 隔板 ； 2 一 锥形 尾 翼l 3 - 内缩 的 隅板 ： 4 一 内缩 的煤粉 管 图 3 ae r o t i p tm燃烧器示意 【1 j) f f1 ) 图 4 改造前后燃烧器 区域横截面和纵剖面温度模拟 图 一 2 6一 图 2是改造前该锅炉使用 的 wr型燃烧器 。 图 4 f a 1为改造前燃烧器区域横截面温度场数值模拟 4 f h 1 为改造前燃烧器 域纵剖面温 度场数值 模拟图 从图 4 f a 1 f b 1 中可以看到 ： f 1 1 靠近炉墙的 域温度很高 ， 可能仔存刷墙的 现象。f 2 1 炉膛的实际切圆直径偏大 ， 导致高温区域 不是集中于炉膛的儿何 中心 ， 而是靠近炉墙 。l 3 1 燃 烧器 区域热负荷过大， 使这一区域结渣趋势 分明 显。f 4 1 高温一直延伸至冷灰斗 ， 说明下二次风刚性 不足， 难以托起煤粉颗粒和火焰。 对于切圆燃烧锅炉来说 ， 实际切 圆偏大则易引 起结渣 ， 偏小则影响燃烧稳定性 。实际切 圆相 比炉 膛截面的当量直径范围一般存 0 4 0 8 之 问，综合 考虑煤质特性及稳燃和结渣 问题 埘炯煤或易结渣 煤取偏小值 ， 对无烟煤及难结渣煤取偏犬值。从对 3号锅炉 同t况 f速度场测 试结果看 ， 习惯 况 下锅炉实际切 圆相对直径都大于 0 6 5 。 单投一次风 时实际切圃卡 h 对 直径也在 0 4 5左右 ，且锅炉燃用 的煤质属 巾等结渣或严重结渣倾 向的煤种 显然实 际切 圆过大 ， 因此运行时易造成水冷壁结渣。冷态 试验 巾i s i ， 在炉 内观察轴线上飘带的摆动情况f 如 5所示) ， 发现炉内中心大面积的短飘带都呈下垂状 忿， 而靠近水冷肇的飘带基本是随气流旋转作 水平 方向飘动 ，这说明炉内中央部分气流流动速度很 低， 而近肇面则风速很高。 从纸屑示踪结果看 ， 除 a 层和 f层一次风情况稍好外 ， 其它各层一次风贴壁 均较严重 ， 尤其是 e层一次风贴壁最严重。所以锅 炉运 时就可能结渣， 特别是燃用的煤种灰熔点较 低时很易引起水冷壁结渣。 图 5 改造 前全投一 二次风的速度分布 图 炉内实际切圆直径取决于假想切圆大小和射 流 的偏转程度 ， 为缩小实际切 圆， 在冷态试验 中采 取 提 高一 次 风 速 ， 减 少偏 转 二 次风 的方 法 ， 虽 有 一 定作用 ， 但气流贴壁仍尤法消除。在习惯t况 i 1 维普资讯 第 l 9 卷 2 1 ( ) 0 t h燃煤锅 炉燃烧 器的改造 2 0 0 6 年第6期 一 1 0 0 10 1 o o 一 1 0 f 一 ， l 圈 6改 造 后 全 投 一 二 次 风 的 速 度分 布 图 下并关闭 b c， d e， f f偏转二次风， 从理论上减小 了 气流切向运动动量 ， 则实际切 圆可大大减小 ， 一次 风不应贴壁 ， 事实上一次风仍然贴壁。这说 明假 想切圆过大 ， 应进行改造。从图 1 给出的假想切圃 示意可知 ， 切网属同向双切圆。实际上除偏转二次 风外所有喷 口的假想切 圆都相 同。 切圆直径 口 计算 出约 l 6 8 2 i i l i l l 。对偏转二次风而言 ， 若按气流对一 次风的偏转角2 2 。 计算。 偏转二次风的假想切网直径 约 l l 1 4 2 mi l l 。这种设计 的意图在于想达到风包粉 燃烧的效果。同时， 偏转 二次风 口 吹扫水冷壁使之 清沽 、 有利于辐射传热 ， 而从实 际运行效果看上述 日的并没有达到 ， 反 卅现了严 重结渣现象。由此 可 见，数值模拟 的结果和冷态试验 的结果是吻合 的， 有必要采取措施减小 陔炉假想切圆直径 ， 改善 炉内空气动力场 2 2改造 前后燃 烧 器结构 分 析 3号锅炉原燃烧器为 wr燃烧器f 2 1 该燃烧 器采用煤粉浓淡燃烧技术及利用波纹钝体 产生 炯 气 流 ， 同时在一次风周 同布置怙 j 界风 。该燃烧器 虽具有 良好的煤种适应性及低负荷稳燃性 ， 但在应 用巾却发现其对结渣有负面影响。 由于其钝体产生 同流区的作用 ， 着火点紧靠喷嘴根部 ， 过高的温度 造成喷嘴变形 ，产生紊流破坏了稳定燃烧区域 ， 燃 料着火点移到喷嘴里，造成煤粉在喷 r _ l 里燃烧 ， 烧 坏钝体和燃烧器 ， 造成喷嘴积渣堵塞 ， 摆角被卡死 无法凋整 ， 使 四角切圆不在 同一水平上 ， 且上下层 燃烧器摆动不同步， 恶化 了炉膛燃烧 l况， 加剧 了 炉膛结渣 ： 另一方面 wr燃烧器一次风喷 口h j 口端 有一喇叭口，周界风受喇叭的阻挡后向四面折流 ， 南3 - 扩张角很大 ， 因此煤粉气流 也随之流动 。 过早 与二次 x l 混合 ， 造成煤粉很快贴墙嘲 。 a e r o t i p 州煤粉燃烧器是 c e公 司新研制的直流 燃烧器 ，其喷嘴前端部分见图 3 。a e r o t i p tm煤粉燃 烧器稳燃机理如下 ：利用流线 开 ij 物体稳定火焰 ， 在 喷嘴流道中问设置 2片机翼刭流线板作为火焰稳 定器。高速气流可利用流线型物体稳定火焰 ， 稳定 器越长 ， 最大吹熄速度越低 。该种燃烧器具有 以下 特点 ： ( 1 ) 内罩和导流板尾部均采用翼形设计 ， 可避 免输送煤粉时在喷嘴内产生涡流： 同时二者都被嵌 入喷嘴里， 有利于保护这部分免受炉膛辐射 热。这 种设计减少了煤粉颗粒和喷嘴的接触面积 ， 降低了 传到煤粉的热量 ， 从 而减少了煤粉在喷嘴 内结焦的 可能性。 此外 ， 还有利于控制周界风来调节燃烧。 f 2 ) 分布在内外罩间 的周 界风 n t 用来冷却板片和控制 煤粉气流的着火点。 a e r o t i p tm喷嘴的外罩壳采用球 状设计 ， 可使 喷嘴在上下摆动时能保 护密封 且增 大了通过喷嘴的周界风流量和流速 从而避免煤粉 颗粒的沉积及喷嘴变形 在整个喷嘴摆动角度范围 内都可保证较优的燃烧条件 。 喷燃器 内外罩网角采 用圆弧结构 ， 使其 出 口处燃料风向内收敛 ， 气流扩 张角变小 ， 整个射流速度衰减很慢 ， 气流刚性很强 ， 有利于避免煤粉在喷嘴里堆积。 陔种燃烧器在导流 板前沿采用耐磨材料 ， 增加了分隔板的强度 ， 使煤 粉对进 口处的磨损及腐蚀降到最低。 a e r o t i p m燃烧 器属于 流燃 烧器 ， 中心没有 同流区 ， 稳燃性能 比 wr燃烧 器差 ，但从 以上分析可看 出 ： a e r o t i p 燃 烧 器的喷 门不易烧坏 、 变形或扭曲 ： 西 1 时一次风扩 张角较小 ， 刚性较强 ， 可有效地避免喷嘴前端变形 和过热， 喷嘴 内煤粉结焦等问题 。 使用寿命和长期的 使用性能都有明显改善；冈此从防止炉内结渣的角 度来说 a e r o t i p 燃烧器比 wr燃烧器更好 。 2 3 改造后数值模拟结果和冷态空气动力场分析 从改造后数值模 拟情 况 ( 如 图 4( c ) ( d ) ) 分析 可知 。 f 1 1靠近炉墙的域温度大大降低 刷墙 的叮 能性几乎不存在。f 2 1炉膛的实际切 圆直径明显缩 小 高温区域接 近炉膛的几何 中心 。 不是靠近炉 墙 。 f 3 )燃烧器 域热负荷相对变小 ， 使这 域结 渣趋势 明显减小。f 4 )高温烟气集中在冷厌斗上部 域 ， 说明下二 次风刚性有所增加 ， 可 以托起煤粉 颗粒和火焰 从改造后 的冷怠试验和空气动力速度场测量 结果看 ， a e r o t i p 燃烧器 口一 次j x 【 两侧扩 张角只 有 1 0 。 左右 ， 不 会引起一次l x l jj! 占 壁。采川纸屑示踪 法来观测运动情况， 从实测结 果看 ， 单投 次风时 ， 纸屑都不贴墙 。由于燃烧器为直流燃烧器 ， 扩张角 小 ， 刚性好 。 所以气流不容易偏转 ， 实际切 圆较小。 一 二次风全投时 ， 因为有二次风投入 炉内气流运 一 2 7 0 0 0 0 仰 如 加 0 |。 维普资讯 2 0 0 6 年第6 期 华 中 电 力 第1 9 卷 动情况有所改变 ， 一次风实际切圆也变大 单投一 次风时 一次风实际切圆直径为 7 5 0 0 m m ( 宽方向) 和 9 0 0 0 mm ( 深方 向) 。靠水冷壁处的速度都较低 ， 与纸屑示踪结果相似。单投二次风时。 二次风实际 切 圆直径 1 3 0 0 0 n l i n ( 宽方 向) 和 1 2 0 0 0 h l n l ( 深 方 向1 可见单投二次风时比单投一次风时实际切圆 大得多。全投一二次风时 ， 在速度分布图上呈现两 个峰值 ， 靠炉子中心一侧为一次风 峰值 ， 而靠近水 冷壁的为二次风峰值( 见 图 6 1 。一次风实际切 圆为 1 3 0 0 0 ( 宽方向1 和 1 1 0 0 0 ( 深方 向) 比单投一次风时 大得多。 由图 6町看到( 与图 5相比1 ， 由于改造后燃 烧器取消了中心 回流区且将 口处燃料风向内收 敛 ， 使得气流扩张角变小 ， 整个射流速度衰减很慢 ， 气流刚性显著增强 ：一次风与二次风界限清楚 ， 偏 转二次风和一次风各行其道互不干扰 ： 炉内巾央部 分气流流动速度很低 ， 而近壁面则风速很高 ； 一次风 实际切圆有所减小但还是偏大。一次风贴壁现象基 本不太可能发生， 且气流的稳定性稍差 ； 同时 ， 外侧 二次风刚性略有增强 ， 基本实现了“ 风包粉” 的设想。 2 4改造前后锅炉热平衡试验对比 通过燃烧器改造和合理的运行调整 。 该锅炉燃 烧状况有了明显改善， 表 1为燃烧器改造前后锅炉热 效率试验结果iq f 测试期间机组负荷都稳定在 6 5 0 mw 左右 ， 煤质和煤粉细度前后一致) 。从 表 1可看 ， 燃烧器改造后飞灰可燃物和炉渣可燃物含量均有 较大降低 ， 燃尽程度有所改善 。从锅炉热平衡计算 结果可知 ： 各项散热损失总和有所减小 。 锅炉热效 率提高。 这说明燃烧器改造后炉内煤粉燃烧状况得 到了明显改善。 表 1 燃烧器改造前后锅 炉热 损失和热 效率 3 结 论 综上所述 ， 数值模拟的结果和冷态试验的结果 是吻合的。炉 内气流实际切圆过_人， 贴墙现象严重 是造成 3号锅炉结渣的重要原因 通过对燃烧器改 2 8一 造 ， 将 wr燃烧 器换成 a e r o t i p tm煤粉燃烧器后 ， 炉 内气流状况有了明显改善 。结渣的可能性较小 ， 同 时燃烧效率有所提高。改造后几年来 ， 该锅炉没有 大面积结渣和垮焦现象 机组能长期在满负荷下运 行 。 运行实践充分表明， 燃烧器的改造是成功的。 由 此 我们认为 组织合理而 良好的空气动力场 ， 保持 燃烧中心适 巾， 炉内切圆大小适当， 防止火焰中心偏 斜和贴边是防止或解决结焦的重要手段。 对于切圆燃 烧锅炉 ， 防止或解决结焦问题的主要措施是从改善炉 内的空气动力状况人手， 特别是以下几个主要因素 ： ( 1 1炉内实际切团。炉内实际切圆的大小对炉 膛结渣 、 稳燃及炉膛 口的烟速 、 烟温偏差都有重 要的影响。实际切圃偏大则易引起结渣 ， 实际切圆 偏小则影响燃烧的稳定性。因此 ， 保证适 中的实际 切圆直径非常重要。( 2 )一 ， 二次风射流刚性。刚性 是抗偏转能力的度鼍 它与喷口的结构及射流的动 量有关 ， 细长 喷口射流刚性比矮胖型要弱。 一 、 二 次风射流刚性越小 ， 偏转程度就越大 ， 炉内实际切 圃越大 ， 越易引起结焦。适 当提高一次风速可以推 迟煤粉着火 ，火焰高温 也相应推迟到炉膛 中心 ， 可避免喷口附近结焦。 应注意一次风射流速度的提 高受煤粉着火条件的限制。 下二次风射流刚性的增 大。 有助于防止冷灰斗结渣。 ( 3 )合理的炉内过量空 气系数 仪。一方面 ， 受热面附近为氧化气氛 可减轻 灰熔点降低倾 向， 能显著地减少结渣。屏幕风系统 和风包粉燃烧方式是实现这一思路的良好措施 另 一 力 而 。 当 仪增加时炉膛出 口温度升高， 会引起对 流过热器和再热器积灰 和结渣 ； 随着过量空气系数 的增加 ， 炉膛壁面处 的烟温降低 ， 同时炉膛上 的沉 积物降低 ，炉 内受热面结渣趋势减少 ： 过低易造 成氧量不足 ， 在炉内造成还原性气氛 ， 熔 点较高 的 f e ， o 还原成熔点较低 的 f e o从而使灰熔点大大降 低 这增加了结渣 的可能性 。 因此 必须送人足够 的 氧气 f 4 1四角风粉分配的均匀性。 当炉膛中气流的 温度很 高时 ， 一定要避免火焰直接冲刷受热面。这 首先应在结构设计上予以保证 ， 在运行操作上更应 予 以重视。当燃烧器配风不均匀或锅炉降负荷 燃 烧器缺角或缺对角运行时 ， 炉内火焰中心会发生偏 斜。 炽热 的煤粉气流直接冲刷水冷壁造成局部热负 荷过高 ， 则易引起结渣。 因此 ， 运行时要尽量调平 四 角风量， 而降低负荷时， 则要避免缺角情况。 f 5 )合适 的煤粉细度 煤粉粗时， 火炬拖长， 粗粉会 因惯性作 用直接冲刷受热 面； 其次 ， 粗煤粉燃烧温度 比烟温 ( 下转第 3 l页 ) 维普资讯 第 l 9 卷 华 中电网 5 0 0 k v 系统 多重故障特 点及调 度处理方法 浅析 2 0 0 6 年第6 期 荷， 使系统恢复正常运行 二是对于故障信息的综合分析判断。5 0 0 k v系 统多重故障发生后， 值班调度人员往往在很短时问内 接受到大量有关lf 障的信息和情况汇报。其中， 直接 来源于调度室内诟 j 度自动化系统的故障信息有： 系统 频牢、 电压的突变： 多条线路或多台变压器功率的大 幅变化( 功率突然到零或大幅升高或降低) ： 多台开关 的同时变位等； 来自于厂站运行值班人员汇报内容主 要包括： 次设备状态改变情况和外观检查情况， 继 电保护和安全 自动装置动作情况， 明显的故障象征如 爆炸声 、 火光、 系统振荡以及当地的天气情况等 值班 涮度人员要善于从繁杂的信息中发现主要矛盾 利朋 一 些典型的故障特征及 次设备的跳闸情况， 结合继 电保护和安全自动装置的动作情况 ， 对真正的故障点 和影响的范闱进行准确地判断和分析 这对下- - 步的 事故处 干 恢复是至关重要的 _二是跳闸没备的恢复顺序。 由于多重故障引发的 跳闸设备多， 每个设备的跳闸原因不同， 故障严重情 况不一， 强送时可能对系统产生的冲击严重程度差别 较大， 所以跳闸设备的恢复送电顺序安排是耍特别注 意的 一 个问题。笔者认为， 安排送电顺序时一般应遵 循以下原则 ： ( 1 ) 送电后埘增强电网稳定水平或改善潮 流分郁较明显的设备先送 电， 反之可后送电； ( 2 1 尽量 保持 5 0 0 k v省网内主 架的完整性 ，当省内线路和 省问联络线 时跳闸【 i ，一般应先恢复省内线路 ， 待 省网 5 0 0 k v基本完 后， 再恢复省间联络线 ； ( 3 ) q - 故 障设备先送 电， 故障设备后送电 这主要是考虑如跳 闸设备确无缺陷 直接送电操作时间较短 送电后即 可加强电网结构 如设备确因故障跳闸， 则检查处理 缺陷及送电时间较 k 不利于电网的稳定运行。 叫是关于送 、 受端系统划分的相对性问题。当电 网处于正常运行方式时 尽管受到系统开机力 式和负 荷水平的影响，但 5 0 0 k v系统主芟输电断面潮流方 向是基本确定的 这就容易在值班i j i14 度人员脑海中形 成一个同化的送端和受端系统概念 当系统发生单一 的 5 0 0 k v设备故障时，由于电网结构一般不会发生 较大变化 接通常的送端 、 受端系统概念进行系统潮流 渊整和控制基本上是正确的。 但当系统发乍 5 0 0 k v多 重故障时， 由于电网结构已发生重大变化 ， 卡 日 应的送 端、 受端系统概念都需要值班调度人员重新进行分析 和确认 ，在此基础上再进行系统潮流调整和控制 ， 这 就是送、 受端系统划分的相对性问题。 送 、 受端系统划 分的相对性问题还有另外一个方面， 即一个局部电网 相对某部分电网是受端，但相对于另外一部分电网它 又成为送端 ， 这是进行多重故障处理时要特别注意的。 五是各级调度机构的配合问题 。南于 5 0 0k v系 统多重故障时跳闸设备较多， 故障经常 导致电网结构 发生较大变化 往往会对多级调度机构调度管辖系统 f 含 2 2 0k v系统) 产生影响 ， n 1 i 且f 1 于多重故障的处理 时间一般较长 这期间电网运行情况会经常发生变 化。 此， 在进行 5 0 0 k v系统多重故障处理过程中， 一 方面要按渊度管辖权限划分事敝处理责任 ， 另一方 面要严格执行统调度的原则 各省( 直辖市) 涮应在 网调的统一指挥下进行事故处理 ， 在事故备用容量调 配、 大机组启停 、 负荷限制和电网操作