生物质发电机组停机制约因素及优化研究

生物质发电机组停机制约因素及优化研究邵庆林;杨珍;邵庆军【摘要】针对生物质机组运行周期短的问题及生物质发电技术安全生产薄弱的现状结合15MW机组多年运行经验，总结了生物质机组频繁停机的制约因素，并根据近3a的机组运行试验提出了优化措施及优化建议.结果表明:①制约生物质发电机组安全运行的主要因素有上料系统堵料(30%)、振动炉排水冷壁连接弯管(15%)、电气系统易受电网冲击(15%)、燃料不足(14%)、省煤器泄漏和积灰(10%)等;②针对各个因素提出通过设备治理、系统优化、改良操作等具体解决方案后，停机次数大大降低，其中，堵料停机减少12次，燃料不足停机减少7次，水冷壁泄漏停机减少4次,省煤器泄漏停机减少3次，电网冲击停机减少14次.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷)，期】2015(033)010【总页数】6页(P1553-1558)【关键词】生物质发电;机组停机;制约因素;优化【作者】邵庆林;杨珍;邵庆军【作者单位】河南省邓州市大唐邓州生物质能热电有限责任公司，河南邓州474150;河南省邓州市大唐邓州生物质能热电有限责任公司，河南邓州474150;武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079【正文语种】中文【中图分类】TK6;S216;TU47生物质发电技术在欧美发达国家研究颇多，在我国，这种新型的能源发电技术仍处于起步阶段[1]~[3]。众多生物质发电厂从机组的设计安装，到调试投产，均是借鉴了大型燃煤火电厂的经验[4]，并没有形成一套完整的生物质发电技术理论体系,这直接给生物质发电厂在后期的安全生产运行带来严重的隐患。另外，国家对可再生能源发电技术的优惠政策，使生物质发电厂有优先上网的权利,不受电网调峰影响[7]。也就是说，只要机组设备状况良好，燃料充足，就可以无限期的满负荷运行，鉴于此，也就不会出现大量的生物质发电厂面临持续亏损，甚至停产倒闭的困境。据行业分析，一个2x15MW机组1a的运行时间达到7200h时，就能扭转亏损局面，而目前大多数生物质发电机组还达不到这个标准。本文从生物质发电机组热力系统的设计、设备的选型、安装调试到运行调整及燃料控制等环节进行分析，提出问题所在，指明了今后生物质发电技术的研究方向，为生物质发电厂的长周期满负荷稳定运行提供技术支撑。1.1机组设备参数锅炉型式：锅炉由无锡华光锅炉股份有限公司生产，型号为UG-75/9.8-J,高温、高压秸秆直燃锅炉，采用自然循环、单汽包、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架。锅炉设计燃料为棉花秸秆，校核燃料为树木枝条，但实际燃料辅料主要为板皮、树枝条、玉米秆、花生壳、麦秸秆等。锅炉采用水冷振动炉排的燃烧方式，锅炉汽水系统采用自然循环，在炉膛外布置了集中下降管；锅炉烟气流向采用四回程“M”型，炉膛和过热器通道采用全封闭的膜式水冷壁；过热器采用三级布置，并布置了二级喷水减温器；尾部竖井内布置了单级省煤器和单级空气预热器，一、二次风平行进入各自的空气预热器，出空气预热器后分别进入炉排下一次风管和炉排上二次风管，再进入炉膛；烟气由引风机引入除尘、净化设备，净化处理合格后，经烟囱排入大气。锅炉设计参数：额定蒸发量为75t/h，额定蒸汽压力（表压）为9.8MPa,额定蒸汽温度为540°C，给水温度为210°C，排污率为2%，锅炉热效率为88%。汽轮机型号为C15-8.83/0.98，由青岛汽轮机厂生产，它与型号为QFW-15-2A的空冷发电机配套成整台发电机组。1.2问题的提出某2x15MW生物质发电厂自机组投产3a以来，经历了众多的事故停机事件，2012-2014年各个月份的停机次数见图1。由图1所示，2012年机组停机次数高达59次，其中，机组最长连续稳定运行时间不超过3个月，安全生产工作根本无法有效进行。从2012-2014年，机组停机次数逐年减少。该生物质发电厂机组3a停机原因如表1所示。由表1可知，3a中该生物质发电机组因水冷壁泄漏和炉排故障停机14次，省煤器泄漏和积灰停机10次，上料系统堵料停机26次，燃料不足停机13次，电网冲击停机14次。2.1振动炉排锅炉的水冷壁爆管问题水冷振动炉排是专门为秸秆直燃锅炉而开发的一个新型燃烧设备，水冷振动炉排与水平面呈一定夹角，炉排下为一次风室和出渣斗，可以通过调节炉排振动的频率，满足秸秆燃烧和出渣要求。炉排的振动由水平推杆提供动力，用混凝土基础支持振动源。水冷振动炉排与水冷屏进行组装后出厂。炉排下部水冷壁与锅炉前、后墙水冷壁用柔性结构水管相连，以吸收炉排振动的位移量，保证水冷壁的安全。水冷振动炉排有足够的面积，保证燃烧完全。炉排与侧墙靠侧密封连接，防止漏风，炉排管材全部采用合金钢15CrMoG。炉排振动的振动时间、间隔时间及振动幅度可根据锅炉负荷和炉排渣层厚度进行调节。振动炉排锅炉运行期间，为了保证燃料燃烧完全，炉排下一次风必须穿透炉排上灰渣层，与燃料充分接触并提供燃烧所需的氧量。一般满负荷时炉排的振动为间隔150s振动一次［8］，一次振动时间为6s左右，振动幅度为80。炉排振动时，整个锅炉水冷壁跟随一起振动，尤其是炉排与水冷壁连接弯管处受力较大，最易产生脆性断裂而导致锅炉爆管，发生停炉停机事件。并且，振动炉排本身一旦发生设备故障，长时间无法处理，也会面临停炉停机的风险。2.2锅炉尾部烟道磨损积灰问题一方面，生物质燃料与煤相比，钠和钾等碱性化合物在高温时反应性很高，生成的氧化物与水蒸气生成强碱，强碱与二氧化硫等反应生成熔点较低的凝结性硫酸盐会牢固的粘附在受热面上，造成受热面的大量积灰。另一方面，生物质燃料含有的氯元素较多［9］，氯元素在一定条件下生成氯化氢会在受热面上产生很强的氯腐蚀，从而促进了积灰结焦的产生。生物质燃料中含有20%~40%的水分，机组一般运行两个月后，各个过热器受热面积灰严重。尾部烟道会发生严重积灰，直接导致两个问题：第一是省煤器弯头处受热不均，长期受烟气冲刷而发生泄漏，第二是炉膛传热效果严重下降，锅炉排烟损失大，锅炉热效率较低，影响了发电机组的经济性，而且，主蒸汽温度偏低，影响汽轮机的安全，所以不得不在运行3个月左右将机组停运，对各受热面进行清灰后再次启动。该生物质发电机组积灰主要表现在两个方面：玻璃状熔融物质在过热器表面的沉积和飞灰在省煤器以及空预器的沉积（图3）。2.3电气系统薄弱，电网冲击影响大2012年及2013年该生物质发电机组运行受系统冲击影响情况如表2和表3所示。因考虑成本问题，生物质发电厂未配置柴油发电机组和保安电源，在电网位置中处于系统末端，出线为35kV电压等级，大部分为民用负荷，系统运行极不稳定，受雷雨天气、农网故障率高等因素的影响，机组会频繁受到冲击，给主机设备带来非常大的安全隐患。该生物质发电厂两台机组自投产以来，据不完全统计，2012年受到电网系统冲击12次，2013年受到电网系统冲击5次，其中电网冲击导致停炉停机次数约14次。2.4因燃料不足发生的停机问题—个2x15MW机组1a如有10个月的满负荷时间（除去两个月的设备检修停机时间），计算发电量应为21600万kWh，利用小时数为7200h。统计该发电厂连续3a的发电量及利用小时数：2012年发电量为13253.85万kWh，利用小时数为4418h;2013年发电量为20330万kWh，利用小时数为6700h;2014发电量为17227万kWh，利用小时数为5789^按照1a平均供电料耗为15t/万kWh,2012年燃料缺口将近12.5万t。生物质燃料收购的不稳定性，使每季度都会发生因燃料不足而停机的事件。2.5因上料系统堵料发生的停机问题该生物质发电机组上料流程如图3所示：地下料坑一料库螺旋卸料机一皮带输送机一双螺旋输送机一匀料器一炉前料仓一料仓螺旋卸料机一防火门一炉前双螺旋给料机一炉膛。由于生物质燃料尺寸较长，且燃料中石头、铁块、棍棒等杂物较多，经常会发生堵料而导致上料中断，如果处理不及时就会发生停炉停机事件。尤其是双螺旋输送机（图中11）处发生堵料，不能及时恢复，只能停炉。而其他上料系统设备发生异常时则有备用可以切换。3.1振动炉排锅炉的水冷壁爆管问题的优化该生物质发电厂3a中因水冷壁泄漏发生的停机次数为8次，因炉排故障停机次数为6次，其后进行了设备改造和优化，利用机组检修机对锅炉振动炉排柔性弯管进行整体更换，具体措施如下。根据振动受力情况对弯管的安装角度进行了调整，减少振动时管道的受力，并在弯管上安装防护铁板。对柔性弯管材质升级，由原来的15Cr1MoG材质升级为12CrMoVG,并且对振动炉排内部易磨损部位进行定期检查。运行方面也将炉排的振动方式做出了一些调整，由原来振动频率80Hz降低到70Hz。经过该措施的实施，明显地降低了爆管次数。2012-2014年，停机次数出现递减趋势，其中，2014年水冷壁仅泄漏1次，炉排故障1次。同时建议从设计上考虑振动炉排对锅炉整体安全性的影响，考虑好锅炉本体随炉排振动的受力和位移问题;设计安装时考虑炉排柔性弯管的角度与受力关系，弯管部位应选用合适的金属材质。3.2锅炉尾部烟道磨损积灰问题的优化该生物质发电机组3a中因省煤器泄漏和积灰发生的停机次数为10次，其后进行了设备改造和优化，具体的优化措施如下。针对省煤器泄漏问题，对锅炉省煤器整体进行改造，加装规格为半圆形长1000mm的不锈钢防磨瓦和规格为800mmx200mm的导流板。在每组省煤器的迎风面南北侧弯头处加装导流板，对形成烟气走廊、磨损量较大部位的管道及弯头加装防磨瓦。总计加装防磨瓦500余m,导流板480余m。每次机组停运时对锅炉受热面进行清灰和金属探伤，发现问题提前处理。2014年锅炉连续正常运行8个月，未发生省煤器泄漏事件。对原设计安装的蒸汽吹灰器进行跟枪观察，发现吹灰效果不明显。将尾部烟道吹灰器改造为声波吹灰器，经过对比，发现积灰情况明显减少。经过优化，明显地降低了停机次数。从2012年非停5次到2014年非停2次，停机次数出现递减趋势。此外，建议结合生物质锅炉燃料特性及燃烧室动力场对生物质锅炉积灰问题进行专题研究；对比各类吹灰器对生物质锅炉的效果，选择合适的吹灰方式，可考虑在生物质燃料中增加催化剂，以减少尾部烟气中飞灰含量。3.3电网冲击的优化该生物质发电厂3a中共发生电网冲击14次，其后对电气系统增加了保安电源，并对相关的保护定值进行了修改，具体措施如下。两台发电机组增加零功率保护，不考虑系统保护联跳。增加柴油发电机，考虑保安负荷的分配、保安段的接线方式和柴油发电机的容量等，保证机组能安全停机，不考虑黑启动。保护方案和电网定值配合，了解35kV线路变电站其他出线过流或距离2段时间定值，在系统冲击时，本电厂保护躲过系统故障时间。低频减载应针对负荷用户，征求电网意见，将电厂两条出线低频保护定值由目前的49Hz降至48.5Hz。对所有变频器参数的低压定值及其他保护进行排查，降低低压定值为可允许的最低值。有缺相保护的时间设定为3s，躲过系统冲击的影响。结合大小修对发电机组及其附属设备做预防性试验，掌握发电机定转子健康状况。经过优化后明显地减少了冲击停机次数。2012-2014年，停机次数出现递减趋势，其中，2014年未发生因电网冲击导致的机组非停。此外，建议今后从设计上对生物质发电厂增加保安电源，在主变高压侧增加电抗器，降低系统冲击时电流对发电机的影响。根据冲击电流情况可重新整定发变组保护定值；电网选址上统筹考虑生物质机组的安全性，尽量避免农网末端；生物质发电机组也可考虑增加启备变。以电网波动理由和电网协商走大工业用户，从其他变电站另拉一条线路作高压备用电源，正常运行可由启备变提供厂用电。3.4燃料不足的优化该生物质发电机组3a中因燃料不足停机13次，其中，2011年9次，其后对燃料采购进行重点筹划，具体的优化措施如下。寻找和开发新的料源及料种，该生物质发电厂设计燃料为棉花秸秆，经过燃烧试验后，可大量掺烧其他燃料品种。扩大料场面积，厂区增加燃料堆积区域，以便在燃料旺季多存料，应对燃料淡季的低峰期。充分利用政府的帮扶政策，发挥政府职能，最大限度地将本区域的生物质燃料集中起来为电厂所用。经优化后，在2013年和2014年，停机次数得到有效改善，因该原因产生的停机次数仅为2次。建议在生物质锅炉的设计方面进一步考虑多种混杂掺配燃烧工况，以期彻底解决该问题。3.5上料系统堵料的优化该生物质发电机组3a中因上料系统堵料发生的停机次数为26次，占总停机次数的30%，其后进行了设备改造和运行调整，具体措施如下。将上料系统双螺旋输送机直接取消，设置一个倾斜角度使皮带上燃料自然落下至料仓，并加装匀料器使料仓内燃料分布均匀。积极开展上料系统堵料事故演练，提高运行人员应对锅炉断料的事故处理水平，减少因锅炉断料导致机组停机事故的发生。经优化后明显地降低了停机次数。从2012年停机16次减少到2014年停机4次。为了进一步减少上料系统堵料的发生，建议取消双螺旋输送机，简化生物质上料系统的设计，每减少一个设备，就减少了一个堵料的危险点；深度研究料仓内部燃料分布不均问题，改善匀料装置的效果。从生物质发电厂15MW机组多年运行经验，通过全方面分析总结，主要得出如下结论。制约生物质发电机组停机的主要因素：振动炉排水冷壁连接弯管泄露；受热面积灰磨损；上料系统堵料；电网冲击；燃料不足。各个因素中，上料系统堵料所占比重最大，约为30%，水冷壁泄漏及炉排故障所占比例约为15%，电网冲击所占比例约为15%，燃料不足所占比例约为14%，省煤器泄漏和积灰所占比例约为10%。针对各个因素提出具体解决方案后，停机次数大大降低，效果显著，其中，上料系统堵料停机减少12次，燃料不足停机减少7次，水冷壁泄漏停机减少4次，省煤器泄漏停机减少3次，电网冲击停机减少14次。无论是生物质机组还是燃煤机组，长周期的安全稳定运行是保证企业能够实现盈利的根本，生物质发电厂由于设备系统的特殊性和技术不成熟性，难以像大型火电机组一样长周期运行，但是经过系统改造和设备治理，以及运行人员的精心调整，事故停机数量得到明显地降低，该电厂从2012-2014年，生产安全已经得到极大改善，经营效益也逐步提高。【相关文献】吴金卓，马琳，林文树.生物质发电技术和经济性研究综述[J].森林工程，2012,28(5):102-106.WuJinzhuo,MaLin,LinWenshu.Literaturereviewonbiomasspowergenerationtechnologyandeconomicfeasibility[J].ForestEngineering,2012,28(5):102-106.赵振宇，闫红，令文君.我国生物质发电产业SWOT分析[J].可再生能源，2012,30(1):127-132.ZhaoZhenyu,YanHong,LingWenJun.SWOTanalysisonthebiomasspowergenerationindustryinChina[J].RenewableEnergyResources,2012,30(1):127-132.胡婕，贾冰，许雪记.江苏省生物质发电产业现状问题及解决对策研究[J].可再生能源,2015,33(2):283-288.HuJie,JiaBing,XuXueji.StudyoncurrentproblemsandcountermeasuresforbiomasspowerindustryinJiangsuProvince[J].RenewableEnergyResources,2015,33(2):283-288.李静，余美玲，方朝君，等.基于中国国情的生物质混燃发电技术[J].可再生能源，2011,29(1):124-128.LiJing,YuMeiling,FangZhaojun,etal.StudyofbiomasscofiringpowergenerationtechnologybasedonChinesesituation[J].RenewableEnergyResources,2011,29(1):124-128.严鑫，吴明峰.生物质发电及能源化综合利用[J].山西电力，2014(6):52-55.YanXin,WuMingfeng.Biomasspowergenerationandcomprehensiveenergyutilization[J].ShanxiElectricPower，2014(6)：52-55.蒋大华，孙康泰，元伟，等.我国生物质发电产业现状[J].可再生能源，2014，32