200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程控制策略分析

萬太浩 張金生 梁華 張秋生

【摘要】該文以神華集團重點科研項目200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程為研究基礎，對富氧燃燒燃燒技術概念及發展該技術的必要性描述，文中著重對富氧燃燒鍋爐與常規燃煤鍋爐的控制技術加以對比分析，研究并提出針對富氧燃燒具備特殊性的熱工控制系統的主要控制策略要點，機爐協調、送風系統自動調節、氧量調節、氧濃度自動調節及空氣向富氧燃燒模式切換過程控制等模擬量控制系統（BMCS）調節的方法，為富氧燃燒碳捕獲工程示范項目的建設推進和發展奠定技術基礎。

【關鍵詞】富氧燃燒 控制策略 模擬量控制系統

中圖分類號： TF636

隨著科學問題認識的逐漸加深人們越來越認識到了氣候的變化對人類生存環境和社會經濟發展的危害，化石燃料利用致使大氣中以二氧化碳為主的溫室氣體的濃度大量增加，導致了溫室效應的增強，從而使得全球氣候的變暖。富氧燃燒技術是用純氧代替空氣進入燃煤鍋爐進行燃燒并對燃燒后的二氧化碳氣體進行壓縮純化并收集實現化石燃燒燃燒的環保處理，一種新型清潔、高效的燃煤發電技術。

1 200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程概述及系統工藝分析

1.1 200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程系統介紹

鑒于該技術有別于常規燃煤電廠固有技術，其自動控制策略及調節方法許重新進行分析研究。依托神華集團重點科研項目200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程為研究基礎，對富氧燃燒鍋爐與常規燃煤鍋爐的控制技術加以對比分析，研究并提出針對富氧燃燒具備特殊性的熱工控制系統的主要控制策略要點及模擬量控制系統（BMCS）調節的方法，以保證富氧燃燒碳捕獲工程示范項目的穩步推進及富氧燃燒技術的持續發展。

本系統選用中速磨煤機正壓冷一次煙氣再循環風機（冷一次風機）直吹式系統，配富氧燃燒鍋爐（四角切圓爐或前后墻對沖爐）。配有2臺離心式二次煙氣再循環風機、2臺離心式引風機、2臺離心式一次煙氣再循環風機、1臺增壓風機、2臺密封風機（一運一備），運行期間，再循環煙氣正壓送入爐膛，煙氣負壓排出爐膛。

鍋爐順序控制主要包括：引風機順控、送風機順控、一次風機順控、空預器順控順控、鍋爐大連鎖、鍋爐疏水順控、制氧系統順控、一次風投切順控、二次風投切順控。其中引風機順控、空預器順控、鍋爐疏水順控和普通煤粉爐是一樣的。送風機和一次風機順控富氧和普通煤粉的區別在于：啟動時需在順控最前增加開啟入口空氣閥、關閉煙氣再循環閥的步序，停機在順控末端增加開啟入口空氣閥、關閉煙氣再循環閥的步序，其余的同普通煤粉爐的順控。

1.2 制氧系統

制氧系統順控原則上應納入鍋爐BSCS系統進行管理，制氧系統是否具備件決定著鍋爐是否能切換到富氧工況。但是因為制氧工藝的不同，其控制方案差別很大，詳細的邏輯應尋求制氧設備廠家協助提供。

1.3 一次煙氣再循環系統

一次煙氣再循環系統可兼顧空氣燃燒的一次風系統，其主要作用為輸送及干燥煤粉用。一次煙氣再循環風機向磨煤機提供一次煙氣（風）以及向給煤機、磨煤機、鍋爐本體提供密封煙氣（風）。每臺風機入口裝有電動插板門和電動調節風門；在每臺風機入口的另一支路裝有消音器、電動插板門、電動調節風門，用于機組啟動及穩定運行初期的空氣燃燒工況。每臺風機出口裝有電動擋板風門。

1.4 二次煙氣再循環系統

二次煙氣再循環系統可兼顧空氣燃燒的二次風系統，本系統主要提供鍋爐燃燒用風。富氧燃燒鍋爐排出的煙氣，經過脫硝裝置（SCR）脫硝、電除塵器除塵、煙氣換熱裝置（GGH）、脫硫裝置（FGD）脫硫、增壓風機、煙氣冷卻器脫水、再經由GGH加熱至80℃（干循環）的部分煙氣，注入純氧后，由二次煙氣再循環風機送至爐膛。

空氣燃燒工況時，為防止空預器的冷端腐蝕，二次冷風采用暖風器加熱至20℃（BMCR工況），進入空預器加熱至329℃（BMCR工況），空預器出口熱風，按鍋爐燃燒要求從爐墻左右兩側進入鍋爐的二次風箱。

富氧燃燒工況時，二次煙氣再循環風機入口的煙氣經GGH加熱至80℃，風機出口的暖風器停用。

1.5 密封煙氣系統

磨煤機密封煙氣系統設置二臺增壓離心式密封風機，每臺容量各為100%，一臺運行，一臺備用。磨煤機密封風從冷一次煙氣聯絡母管上引出經密封風機增壓后進入磨煤機。密封風機入口設有電動調節門（風機廠配供），當一臺運行時另一臺入口調節門應關閉。兩臺密封風機出口設有自動換向擋板。每磨密封風支管上裝有電動風門。給煤機密封風分別從冷一次風聯絡母管直接引出，每臺給煤機密封風支管上設電動關斷門。

2模擬量控制系統（BMCS）

機組模擬量控制主要包括：機組協調控制方式、爐跟機方式、機跟爐方式、汽包水位調節、燃油壓力調節、氧量校正、送風調節、爐膛負壓調節、一次風壓調節、熱蒸汽溫度調節、再熱器事故噴水控制、連排水位調節、一次風注氧濃度控制、二次風注氧濃度控制等，其中機跟爐方式、汽包水位調節、燃油壓力調節、爐膛負壓調節、一次風壓調節、過熱蒸汽溫度調節、再熱器事故噴水控制、連排水位調等和普通煤粉是一致。本節主要討論機組協調控制、爐跟機控制、送風調節、氧量校正、注氧濃度控制幾部分。

2.1機組協調控制

普通煤粉爐協調控制主要是機、爐、電的協調，富氧燃燒鍋爐因為加入了制氧系統，在進行協調控制時必須加入制氧系統的協調控制，制氧系統制氧量應接受鍋爐輸入指令信號（BID）的控制，當制氧系統自動故障時，整個協調控制切換到鍋爐燃料主控狀態，整個機組升降負荷速率限制除受機、爐、電設備升降負荷速率限制外，也受到制氧系統負荷升降速率的限制。

2.2爐跟機協調控制

富氧燃燒對爐跟機的控制的影響和協調控制基本一樣，當制氧系統自動故障時，整個控制系統切換到手動控制模式。

2.3送風系統自動調節

當富氧燃燒鍋爐一次風和二次風運行在定氧濃度方式時，富氧燃燒的送風調節和普通煤粉爐基本相同，風量跟蹤機組燃料量，供氧量跟蹤鍋爐風量。主要區別在于鍋爐在富氧工況下風量發生了很大的變化，在富氧工況下用于配風控制的PID參數和空氣燃燒的PID參數會存在較大的差異，因此實際運行時應在DCS建立和調試獨立的配風控制邏輯，并在富氧工況的投切過程中實現二者的無換切換控制。另外在鍋爐升降負荷時，除了風煤互鎖外，還應當設計氧量閉鎖；當供氧母管壓力低、風量低、配氧濃度低時，閉鎖風量增，同時閉鎖鍋爐增燃料量。

2.4氧量校正

氧量校正的邏輯對于普通煤粉爐和富氧燃燒鍋爐基本一樣，都是用于鍋爐的配風校正，不同的是普通煤粉爐設計氧量校正值為6%，富氧燃燒鍋爐推薦值為3%氧濃度。

2.5注氧濃度控制

配氧濃度控制為單回路PID控制，被調量為一、二次風中煙氣的氧濃度，供氧量跟蹤循環煙氣量。

2.6定氧濃度配風存在局限性

富氧燃燒鍋爐一次風和二次風運行在定氧濃度控制方案時，機組風量跟蹤燃料量，修改為供氧量跟蹤機組燃料量，循環煙氣量跟蹤機組負荷。高負荷時，減少循環煙氣倍率，二次風量處理較高氧濃度下運行，低負荷時，提高循環煙氣量，二次風量處理低氧濃度下運行。改進后的配風方式有利于解決富氧燃燒低負荷下煙氣量過低的問題。

2.7空氣燃燒工況向富氧工況切換時控制

當系統處于空氣燃燒空況，煤粉燃燒器投入運行，負荷穩定，具備切換到富氧燃燒運行條件時，系統可進行切換。為了保證系統切換時對鍋爐燃燒的影響減到最少，切換時控制時系統還應當具備以下條件：鍋爐配風和氧量校正自動完好，并在自動狀態，一次風和二次風配氧濃度控制狀態完好，具備自動投入條件，鍋爐處于燃料主控，煤料供應處于穩定狀態。

3結語

富氧燃燒技術的控制策略和普通燃煤電廠的控制策略總體方案基本相同，通過本文對富氧燃燒鍋爐與常規燃煤鍋爐的控制技術加以對比分析，研究并提出針對富氧燃燒熱工控制系統特有的主要控制策略要點及模擬量控制系統（BMCS）調節的方法，為富氧燃燒碳捕獲工程示范項目的穩步推進及富氧燃燒技術的持續發展提供技術保障。

參考文獻

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