350MW超临界循环流化床机组灵活性运行综合优化与实践

350MW超临界循环流化床机组灵活性运行综合优化与实践

刘成成，张亦涛，杨超

（山西京能吕临发电有限公司，山西省 吕梁市 033300）

Comprehensive Optimization and Practice for Flexible Operation of a 350MW Supercritical Circulating Fluidized Bed Unit

Liu Chengcheng, Zhang Yitao, Yang Chao

 (Shanxi Jingneng Lülin Power Generation Co., Ltd., Lüliang, Shanxi 033300)

ABSTRACT:  This paper addresses the flexible operation requirements of a 350 MW supercritical circulating fluidized bed (CFB) unit in the electricity spot market through systematic optimization. The implementation included in-depth optimization of the coordinated control system (introducing adaptive coal quality correction based on real-time energy balance, dynamic load change rate adjustment, etc.), refined operation management (precise coal blending, fan operation optimization), and key equipment retrofits (air distribution plate throttling ring installation, ash cooler upgrade). These measures significantly enhanced unit flexibility. After optimization, the unit achieved a 100% automatic engagement rate within the 25%-100% load range, a 0.65 increase in the frequency regulation performance indicator Kp value, stable deep peak-shaving capability down to 25% of the rated load, and a significant reduction in start-up fuel oil consumption and auxiliary power consumption rate, with annual comprehensive economic benefits exceeding ten million RMB. This study provides successful experience for similar CFB units to achieve safe, economical, and flexible deep peak shaving and rapid response.

Key words: Supercritical Circulating Fluidized Bed; Flexible Operation; Coordinated Control Optimization; Deep Peak Shaving; Coal Quality Correction

摘要：本文针对350MW超临界循环流化床机组在电力现货市场中面临的灵活性运行需求，开展了系统性优化实践。通过实施协调控制系统深度优化（引入基于实时能量平衡的自适应煤质校正、变负荷速率动态调整等策略）、运行管理精细化（精准配煤、风机运行优化）及关键设备改造（布风板节流圈加装、冷渣器升级），显著提升了机组灵活性。优化后，机组在25%-100%负荷范围内自动投入率达100%，调频性能Kp值提升0.65，深度调峰能力稳定至25%额定负荷，启动油耗与厂用电率显著降低，年综合经济效益超千万元。本研究为同类型CFB机组实现安全、经济、灵活的深度调峰与快速响应提供了成功经验。

关键词：超临界循环流化床；灵活性运行；协调控制优化；深度调峰；煤质校正

0 引言

构建新型电力系统是实现“双碳”目标的核心载体，其显著特征是新能源装机占比与发电量的持续快速提升。风电、光伏的随机性、波动性与间歇性，对电力系统的实时平衡提出了前所未有的挑战。在此背景下，作为当前电力供应“压舱石”和灵活调节“稳定器”的传统火电机组，尤其是燃煤机组，其功能定位正发生历史性转变：从追求连续、稳定、满负荷运行的“电量型”电源，转变为提供可靠容量支撑与快速灵活调节服务的“电力型”与“调节型”电源[1]。

循环流化床燃烧技术因其固有的燃料适应性广、低温燃烧氮氧化物原始排放低、负荷调节范围相对较宽等优势，在火电灵活性转型中被寄予厚望[2]。然而，理论优势不等于工程现实。当CFB机组，特别是大容量、高参数的350MW超临界CFB机组，真正投身于现货市场的激烈竞價与频繁的AGC指令响应中时，其运行工况变得异常严苛。启停频次增加、负荷变化速率加快、调峰深度加剧（例如降至25%-30%额定负荷）[3]，这些都对机组的运行控制、设备可靠性、经济性及环保性能构成了全面考验，暴露出诸如控制系统响应滞后[4]、低负荷燃烧不稳、水动力安全性下降、辅机能耗偏高、设备磨损加剧等一系列亟待解决的技术难题。

山西京能吕临发电有限公司直面这些挑战，以其2×350MW超临界CFB机组为平台，开展了一场涵盖管理、控制、运行、检修、改造全链条的综合性、系统性优化实践。本文旨在对这一实践过程进行全面、细致的梳理与总结，不仅呈现优化成果，更着重剖析技术细节与实施路径，以期为行业同仁提供一份具有深度参考价值的技术文献。

1 机组概况与灵活性运行面临的深层挑战

吕临发电350MW超临界CFB机组，核心设备选用国内一流制造厂商产品。锅炉为东方电气集团生产的DG1186/25.31-Ⅱ1型超临界参数变压运行直流炉，采用单炉膛、M型布置、高温冷却式旋风分离器；汽轮机为上海汽轮机厂NZK350-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、直接空冷凝汽式汽轮机；发电机为上海电气QFS2-350-2型双水内冷发电机。机组设计之初即考虑了较强的调峰能力，并于2023年12月成功通过25%THA工况（约87.5MW）深度调峰与AGC性能试验，具备了在25%-100%负荷范围内实现协调控制的硬件基础。

然而，在电力现货市场“一日多价、分时竞價”的运行机制下，机组的运行模式发生了根本性变化，暴露出传统设计与运行管理难以适应的深层次问题：

1.1 控制系统自适应能力不足

原有的协调控制系统及其子系统（给水、燃烧、风量等）逻辑，基于设计煤种和稳态工况整定，无法有效适应煤质频繁波动、负荷快速变化的动态过程。特别是煤质校正环节滞后，导致锅炉侧能量输入与汽轮机侧能量需求长期失配，是造成主汽压力、温度波动大，自动投入率低的根源。

1.2 深度调峰工况下的核心技术瓶颈：

燃烧稳定性：负荷降至30%以下时，炉内床料保有量、床温水平下降，密相区燃烧份额减少，存在着火困难、燃烧不稳甚至灭火的风险。一次风量降低可能导致流化不良，而风量过高又会降低床温，矛盾突出。

水动力安全性：对于超临界直流锅炉，低负荷下工质流量小、压力低，水冷壁各管屏、同屏各管间的流量分配不均问题加剧，存在壁温超限、水动力失稳乃至局部超温爆管的潜在危险。干湿态转换点的控制也至关重要。

环保控制难题：低负荷下炉膛温度水平下降，可能低于SNCR脱硝系统的有效反应温度窗口，导致NOx排放超标。同时，为保流化而相对偏高的一次风量，使得烟气氧量偏高，进一步增加了污染物控制难度。

1.3 辅机系统运行经济性差

部分辅机系统（如高流风机、辅机冷却水泵等）设计冗余度大，在低负荷或非额定工况下仍按传统方式运行，“大马拉小车”现象普遍，厂用电率居高不下，严重影响现货市场下的边际利润。

1.4 设备可靠性面临新考验

频繁的启停、快速的负荷变化、大幅度的参数波动，对锅炉承压部件、汽轮机转子、风机叶轮等关键设备造成了额外的低周疲劳损伤和磨损，传统基于固定周期的检修策略已难以预防由此引发的非计划停运。

2 运行管理精细化：构建灵活性运行的软实力基础

实现机组的灵活性转型，首先需要管理理念与制度的革新。吕临发电将灵活性要求深度融入日常生产管理的每一个环节。

2.1 构建适应性生产管理制度体系

制度是行为的准则。修订并完善了涵盖调度操作、节能管理、设备巡检、技术监督等方面的制度体系，其核心特点在于：

数字化与量化：将灵活性指标（如负荷响应速率、AGC调节精度、深调负荷稳燃时间等）量化，并纳入绩效考核。

责任明确化：明确各部门、各岗位在灵活性运行中的职责与权限，特别是在应对快速负荷指令时的操作规范与决策流程。

标准集成化：将行业标准、技术规范（如《火力发电厂深度调峰技术导则》）与公司的实际设备状况、运行经验相结合，形成更具操作性的内部技术规定。

2.2 实施全流程燃料精准管控

燃料作为CFB锅炉的“食粮”，其品质的稳定性是一切灵活调节的基础。

精准配煤掺烧模型：建立基于热值、硫分、挥发分、灰熔点等多参数的燃煤掺配数学模型，动态优化掺配方案。在确保燃烧稳定和环保达标的前提下，最大化利用低成本的低热值煤（如煤泥、煤矸石）。2024年，公司低热值煤掺烧比例高达40.65%，累计节约燃料采购成本超过3300万元，实现了经济效益与资源利用的双赢。

入炉煤粒径动态优化：认识到粒径对流化、燃烧、传热及磨损的决定性影响，公司将入炉煤粒径控制提升到战略高度。通过持续试验与调整，将10mm以上大颗粒比例严格控制在2%以内。此举不仅彻底解决了高负荷时排渣困难、低负荷时流化不良的顽疾，还有效降低了受热面的冲刷磨损速率，为机组在全负荷区间的稳定运行奠定了基础。通过在原煤仓入口设置临时筛分点进行过程监控，确保了粒径控制的实时性与有效性。

2.3 推行运行方式精益化

运行方式的优化是投入最低、见效最快的“无成本”节能提效手段。

高流风机单台运行优化：通过对返料系统流化风、返料风、松动风特性的深入研究，精确掌握了各风量需求的下限。通过关小松动风门、精细调整流化风与返料风门开度，并将高流风母管压力设定为随负荷变化的函数，成功实现了单台高流风机满足两台炉正常运行。优化后，日均节电9800 kWh，厂用电率降低0.08%，年节约电费94万元，并因运行时间减少而延长了设备寿命，节省了潜在的更换成本（单台120万元）。

辅机冷却水泵运行方式革新：针对辅冷水系统冬季易憋压、夏季需保证冷却效果的矛盾，通过技术论证与分阶段试验，成功将“两用一备”的运行方式优化为“一用两备”。该优化克服了系统隔离、防冻风险等一系列难题，最终在保证各冷却用户需求的前提下，实现了单泵稳定运行，显著降低了厂用电消耗。

3 深度调峰与启动节能：攻克灵活性运行的技术高地

3.1 深度调峰全过程精准控制策略

在25%-30%负荷的深度调峰区间，机组运行如履薄冰，需要一套精细化的操作与控制指南。

燃烧稳控技术：确立了“以床温为核心，以氧量为参考”的调节原则。严格控制降负荷速率不超过2%/min，床温下降速率不超过3℃/min。运行人员需密切监视床温变化趋势，若床温下降过快或氧量超过6%-8%，则立即暂停降负荷，通过微调给煤量“稳燃”，待参数稳定后再继续。实践证明，将床温维持在700℃以上，是保证低负荷不投油稳燃的生命线。

智能配风技术：打破了固定风煤比的概念。低负荷下，在保证密相区最小流化风量的前提下，适当降低一次风率，提高二次风率，以维持炉膛上部燃烧份额和温度水平，这对于保持SNCR脱硝效率至关重要。通过函数曲线或先进算法，实现一、二次风量随负荷的自适应调整。

水动力安全保障体系：针对超临界直流锅炉的特点，将前墙水冷壁的同屏壁温差作为监控水动力稳定性的关键指标，严格控制不超过50℃。通过精确控制煤水比，维持汽水分离器出口2-5℃的微过热度，避免锅炉进入湿态运行，从而确保水动力特性的单一性和稳定性。制定了低负荷下给水流量干预预案，一旦发现壁温差增大或过热度异常，立即干预。

主汽压力与给水系统协同：深入分析了低负荷下主汽压力偏高导致汽动给水泵（汽源为四段抽汽）失稳的机理。优化了汽机主控压力设定值曲线，确保主汽压力与负荷的良好匹配。同时，完善了给水泵汽源切换逻辑，备用好高压汽源，以应对极端工况。

环保参数“保底”控制：面对低负荷脱硝难题，采取了“保床温、优配风”的策略。通过适当降低床压（减少床料存量）和优化一次风量，将床温努力维持在820℃左右，为SNCR反应创造必要条件。同时，精确控制总风量，避免氧量过高造成排放折算值超标。

中调门全开运行优化：认识到中压调门参与调节带来的节流损失与设备损耗，在深调期间创新性地采用中调门全开、由高压调门承担全部调节任务的运行方式。这不仅消除了中调门的频繁动作及相关参数波动，提高了系统稳定性，还因减少了节流损失而降低了机组汽耗。

3.2 启动过程节能技术集成应用

机组启动是能耗集中的过程，对其进行优化对降低全生命周期成本意义重大。

微流化点火与薄床压技术：将点火初期的一次风量控制在略高于临界流化风量（约210 kNm³/h），减少了热损失。同时，将启动床料量从210吨优化至160吨，降低了被加热物料的总热容，实现了快速升温，单次启动可节油2-5吨。

高热值引燃煤与油枪优化：选用低灰、低硫、高热值、高挥发分的优质煤作为引燃煤，确保初期燃烧剧烈稳定。将普通机械雾化油枪更换为超音速雾化油枪，燃油雾化效果更好，燃烧效率更高，耗量从2.15 t/h降至1.6 t/h。

油枪退出时机精准判断：改变了以往依赖固定温度或时间节点退油枪的做法。通过观察投煤后床温的回升速率（2-3℃/min）和氧量的持续下降，综合判断燃煤是否已稳定着火。将油枪安全退出的临界床温从传统的700℃以上适当优化至650℃，并通过加强流化防止结焦，在保证安全的前提下显著缩短了油煤混烧时间。

机组挂闸前提前投入二号高加：此项技术是启动节能的重大突破。通过在二段抽汽管道逆止阀和电动阀气控回路增加外接气源，并在DCS逻辑上配合，实现了在汽轮机未挂闸、无自身抽汽的情况下，利用邻机或锅炉启动初期产生的冷再蒸汽，提前投入二号高加加热给水。此举将锅炉给水温度提升了约50-70℃，带来了多重效益：锅炉升温升压速度加快，冷态启动时间缩短约1小时；分离器排水量减少，节约了除盐水和热量；实现了提前并网。经核算，单次冷态启动可节煤50吨、节油约3吨、节除盐水300吨、节厂用电1.3万kWh，节约成本约4.98万元。按2024年启动21次计算，年节约成本超过100万元。

4 协调控制系统深度优化：打造机组的“智能中枢”

针对原CCS系统的固有缺陷，进行了从理念到逻辑的全面重构。

4.1 能量平衡核心模型重构

精准负荷-能量对应：摒弃了沿用设计煤耗的静态曲线，通过对海量历史运行数据进行回归分析，建立了符合机组当前实际性能的“负荷-总煤量”动态基准模型，从根本上消除了系统的稳态偏差。

自适应BTU校正算法：创新性地采用“多参数融合能量平衡法”。在设定的短周期内（如5-10分钟），同步累计锅炉侧输出的总能量（通过主蒸汽、再热蒸汽的流量、压力、温度精确计算）和该周期内的总给煤量，通过“输出能量/总煤量”反算出当前煤质的实际发热量，并与设计值比对，实时生成精准的BTU校正系数。该算法有效克服了单一热量信号易受蓄热影响和测量噪声干扰的问题，实现了对煤质变化的前馈式、自适应的快速补偿，极大抑制了因燃料侧扰动引起的系统振荡。

4.2 子系统协同控制策略升级

锅炉主控与给水前馈强化：锅炉主控指令引入经过BTU校正的能量需求前馈。给水控制系统则大幅增强了基于负荷指令变化率的前馈作用，使其能提前响应锅炉蓄热、蓄水量的变化，有效解决了主汽压力调节的滞后性。

风量控制系统智能化：一次风量指令与代表总能量需求的锅炉主控指令强关联，确保流化风量快速跟踪燃烧需求。二次风量控制则引入了“压力偏差”和“氧量变化率”的微分前馈，使风量能在负荷变化初期即做出“预见性”调整，而非被动等待氧量反馈，显著减少了风机动叶的频繁动作，提高了燃烧经济性。

4.3 ACE模式下的变负荷速率自适应

充分利用CFB锅炉蓄热能力大的特点，设计了基于压力偏差及其变化率的变负荷速率动态调整策略。当压力偏差小、工况有利时，自动提高负荷速率，让汽机侧快速响应负荷指令；当压力偏差大或变化剧烈时，则自动降低速率，优先保证锅炉侧参数的稳定。该策略实现了“小波动由锅炉蓄热消化，大变化平滑过渡”的最佳协调状态，显著提升了机组在AGC模式下的调节品质和Kp值。

优化效果验证：优化后，机组在90-350MW负荷范围内所有子系统自动投入率达到100%。稳态及变负荷过程中，主汽压力、温度波动范围缩小50%以上。Kp值由优化前低于对比机组0.4，转变为反超0.25，平均提升0.65，调频收益预计提升18.7%。主要运行参数（主汽压力、温度、再热汽温）在不同负荷率下均有0.5-3℃不等的提升，风机总耗电率降低0.07%，年节电576 MWh。

5 关键设备适应性改造：夯实灵活性运行的硬件根基

5.1 锅炉布风板阻力特性优化

低负荷下，原有布风板阻力偏低，易导致流化不均。通过在有代表性的风帽入口加装不同孔径的节流圈，并对部分边角区域进行封堵，提高了整个布风板的阻力特性。这使得在低风量运行时，布风板仍能维持均匀的气流分布，有效改善了低负荷流化质量，为25%深度调峰的稳定燃烧提供了至关重要的硬件保障。

5.2 冷渣器系统性能升级

原冷渣器出力不足且调节性能差，无法满足快速变负荷时对床压精确控制的要求。将其更换为SGPL-35/40型双管排模块式冷渣机，新设备出力更大、调节范围更宽、可靠性更高。改造后，床压控制更为精准及时，有力地支持了机组的快速负荷响应，同时降低了维护频次与成本。

5.3 高幅筛清堵技术革新

针对湿粘煤导致筛网堵塞、筛分效率低（仅50%）的问题，创新性地在筛网下方加装了“笼式弹性清堵装置”。该装置内部填充高弹性橡胶棒，随筛体振动而持续跳跃，对筛网产生高频、低幅的击打力，有效剥离粘附物料，使筛分效率恢复并稳定在70%以上。这不仅保证了入炉煤粒度的均匀性，使锅炉燃烧效率提升约0.3%，还因系统运行顺畅而降低了输煤耗电率0.03%，年创造经济效益385万元。

6 实施效果与经验启示

通过上述系统性、全方位的优化与改造，吕临发电350MW CFB机组的灵活性运行能力实现了质的飞跃：

调节范围与自动化水平：稳定实现25%-100%负荷范围内AGC投入率100%，深度调峰能力达到国内同类型机组先进水平。

经济性：Kp值提升带来可观的调频收益，厂用电率持续下降，燃料成本有效控制，启动能耗大幅降低，年综合经济效益超过千万元。

安全与可靠性：通过“点检定修”和“逢停必检”策略，结合劣化趋势分析，成功预警并处理了多起重大设备隐患（如引风机叶柄轴承损坏、锅炉浇注料脱落等），确保了机组在苛刻工况下的长周期安全稳定运行。

核心经验启示：

系统性思维：灵活性转型非单一技术所能解决，必须是管理、控制、运行、设备、检修“五位一体”的协同推进。

数据驱动决策：从燃料掺配到控制优化，再到设备状态评估，都应建立在详实的数据分析与挖掘基础之上。

技术创新与应用：敢于突破传统规程，如提前投高加、中调门全开、自适应变负荷等，是获取超额效益的关键。

精准化防控：面对远超设计预期的启停频次和负荷变化，必须建立基于设备薄弱点清单和劣化分级管理的精准检修与防控体系，才能有效驾驭风险。

7 结论与展望

山西京能吕临发电有限公司在350MW超临界CFB机组上开展的灵活性运行综合优化实践，成功地将一台传统意义上的“基荷电源”改造为能够适应新型电力系统要求的“灵活调节资源”。实践表明，这一转型过程虽然在技术和管理上充满挑战，但通过系统性的规划与精准的实施，是完全可行且经济效益显著的。

本实践所形成的一整套技术方案与管理经验，包括但不限于基于实时能量平衡的自适应控制策略、深度调峰全过程安全经济控制方法、启动节能集成技术、关键设备适应性改造方案以及精准化的设备状态管理体系，对于推动我国存量大型CFB机组乃至其他类型火电机组的灵活性改造与转型升级，具有极高的借鉴价值和推广意义。

展望未来，随着人工智能、数字孪生、先进传感等技术的发展，CFB机组的灵活性运行将向着更加智能化、自适应、可预测的方向演进。下一步，吕临发电将继续探索将大数据分析、机器学习算法应用于负荷预测、燃烧优化、设备寿命预测等领域，致力于将机组打造成为更高效、更灵活、更可靠的智慧能源节点，为构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同的新型电力系统贡献更大力量。

参考文献

[1]  舒印彪， 张丽英， 张运洲等. 中国电力系统转型与可再生能源消纳挑战[J]. 中国电机工程学报，2022, 42(1)1-23.
[2]  李星，陆陆，杨海瑞等. 大型循环流化床锅炉灵活性调峰技术研究[J]. 洁净煤技术，2021，27(1): 132-138.
[3]  田亮，刘鑫屏，曾德良等. 燃煤发电机组协调控制系统优化技术研究综述[J]. 热力发电，2019，48(1): 1-8. 

作者简介：

刘成成（1989-），男， 山西省吕梁市人，中级工程师，大学本科，山西京能吕临发电有限公司发电部副部长。

张亦涛（1991-），男， 山西省运城市人，中级工程师，大学本科，山西京能吕临发电有限公司值长。

杨超（1992-），男，山西省吕梁市人，助理工程师，大学本科，山西京能吕临发电有限公司学习值长。