600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)探究

莫凡

摘 要：超臨界循環(huán)流化床鍋爐具有燃燒效率高、污染排放低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，但是目前鍋爐控制系統(tǒng)的技術(shù)相對(duì)不完善，對(duì)超臨界循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、煤量控制、風(fēng)量控制以及給水控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，以期為超臨界循環(huán)流化床鍋爐在發(fā)電系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：600MW超臨界 循環(huán)流化床 鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)

1、引言

近些年來(lái)循環(huán)流化床技術(shù)在很多鍋爐控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，具有大容量與高參數(shù)的超臨界循環(huán)流化床是有效降低能源消耗節(jié)約能源的方式之一。目前超臨界技術(shù)以及循環(huán)流化床技術(shù)已經(jīng)相對(duì)較為成熟，使用過(guò)程中所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)不大，超臨界技術(shù)與循環(huán)流化床的結(jié)合有助于節(jié)約成本控制污染且能夠?qū)崿F(xiàn)高效供電，在燃料的成本以及制造成本等諸多方面相對(duì)于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電技術(shù)都具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)前超臨界流化床鍋爐的研究還未成熟且超臨界鍋爐的控制系統(tǒng)的研究也處于摸索的階段。如果要商業(yè)運(yùn)行還必須達(dá)到負(fù)載穩(wěn)定變化的要求，超臨界技術(shù)與流化床技術(shù)在鍋爐上的集中應(yīng)用尚屬首次，當(dāng)前沒(méi)有針對(duì)這種鍋爐的較為成熟的控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)長(zhǎng)期的測(cè)試和研究，投入運(yùn)行的機(jī)組控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)行，但是在機(jī)組負(fù)荷變化期間會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如果在機(jī)組負(fù)荷變化的過(guò)程中保持主要參數(shù)的穩(wěn)定，是保障機(jī)組運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵。由于大型的循環(huán)流化床CFB鍋爐具有燃燒效率高、污染排放低以及能夠?qū)崿F(xiàn)高效供電等一系列的優(yōu)點(diǎn)，但是制約其應(yīng)用的一直是鍋爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣，所以本文以600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)為例進(jìn)行了研究。

2、超臨界循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要是對(duì)鍋爐的慢過(guò)程以及汽輪機(jī)的快過(guò)程中之間的矛盾進(jìn)行協(xié)調(diào)，最大限度的保障汽機(jī)過(guò)程的穩(wěn)定，并且能夠積極的響應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷指令。超臨界鍋爐的煤粉直流鍋爐機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有三個(gè)輸入以及三個(gè)輸出主要的輸入量包括給煤量、給水量以及汽機(jī)閥門的開度，輸出量包括機(jī)組的功率，蒸汽溫度以及蒸汽壓力，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

Figure 1協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為了能夠在負(fù)荷變化的過(guò)程中保障負(fù)荷的速率滿足入網(wǎng)的基本要求，本文提出了基于爐膛內(nèi)的燃碳的能量平衡理論，以機(jī)組的負(fù)荷變化的適應(yīng)性為基礎(chǔ)，利用燃碳的儲(chǔ)蓄熱來(lái)位置負(fù)荷的變化在整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的能量的平衡，因而通過(guò)對(duì)上述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)可以得到如下圖所示的四個(gè)輸入三個(gè)輸出的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的模型：

Figure 2改進(jìn)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

2.2 煤量控制系統(tǒng)

煤量控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的方式是在一定的負(fù)荷下將負(fù)荷指令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的給煤量，從控制系統(tǒng)的角度來(lái)講是將碳的燃燒熱量作為超前校正量對(duì)燃煤使用量進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)燃燒的前饋控制，能夠在一定程度上避免CFB鍋爐由于自身原因所存在的慣性以及延遲等，能夠有效的提高機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)的速度，給煤控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

Figure 3給煤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

給煤控制系統(tǒng)最終的控制過(guò)程和思路為，在一定的負(fù)荷之下將當(dāng)前的負(fù)荷的指令轉(zhuǎn)化為所需的熱量并將其轉(zhuǎn)化為燃煤量，再改基礎(chǔ)上外加目標(biāo)負(fù)荷所需的發(fā)熱了與當(dāng)前燃碳燃燒所發(fā)出熱量的差值的微分對(duì)給煤量進(jìn)行補(bǔ)償，能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)給煤控制的快速的響應(yīng)，能夠快速的跟蹤負(fù)荷的變化并實(shí)現(xiàn)快速的給煤變化。

2.3 風(fēng)量控制系統(tǒng)

風(fēng)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)量的變化能夠?qū)C(jī)組的參數(shù)產(chǎn)生十分顯著的影響，本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量控制的思路如下，當(dāng)負(fù)載升高的時(shí)候增加風(fēng)量，通過(guò)提升燃燒的速率來(lái)降低爐膛內(nèi)存儲(chǔ)的碳量，碳轉(zhuǎn)化為熱量。與此同時(shí)增加燃煤量，碳損耗得到補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)風(fēng)量與煤量的合理的控制能夠有效的保障燃煤的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)負(fù)荷變化過(guò)程中的響應(yīng)的速度以及精度的控制。可以在碳的動(dòng)態(tài)熱量平衡模型中加入風(fēng)量輸入，通過(guò)風(fēng)量實(shí)現(xiàn)超前校正可以明顯改善鍋爐的流化效果，通過(guò)流化床的熱量擴(kuò)散的作用使得主蒸汽壓力的數(shù)值能夠隨著主蒸汽壓力的給定值進(jìn)行變化，控制風(fēng)和煤的比例維持在較為合理的程度進(jìn)而保證爐膛內(nèi)碳的穩(wěn)定，進(jìn)而有效的控制爐膛內(nèi)燃燒的穩(wěn)定，在負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中可以利用負(fù)荷變化所需的熱量與燃碳發(fā)熱量之間差值的微分來(lái)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行修正，風(fēng)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

Figure 4風(fēng)量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.4 給水控制系統(tǒng)

超臨界流化床鍋爐所采用的積水控制系統(tǒng)為三點(diǎn)法，在頭部采用碳構(gòu)造的燃燒發(fā)熱模型進(jìn)行校正，在中間部分采用分離器出口焓值進(jìn)行校正，在尾部采用主蒸汽流量調(diào)節(jié)進(jìn)行校正。給水控制系統(tǒng)的模型如下圖所示：

Figure 5超臨界流化床鍋爐給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)實(shí)踐本文對(duì)給水控制系統(tǒng)對(duì)輸出功率負(fù)荷的變化進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，給水控制系統(tǒng)運(yùn)行了六個(gè)小時(shí)，其中運(yùn)行的工況為600MW到800MW之間，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在機(jī)組的動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)工況期間給水是不穩(wěn)定的其波動(dòng)的范圍在100到150t之間，在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化之后運(yùn)行六小時(shí)機(jī)組的當(dāng)機(jī)組的負(fù)荷從300MW上升到600MW期間，給水量相對(duì)較為穩(wěn)定其波動(dòng)的范圍為5-10t，發(fā)電功率能夠緊隨給定值進(jìn)行快速的響應(yīng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)的工況均較好。

3、控制系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐

在系統(tǒng)優(yōu)化之前負(fù)荷在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中所出現(xiàn)的最大的偏差為30MW，而靜態(tài)過(guò)程中的功率的偏差為1.5MW。主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)偏差的最大值為0.8MPa，而穩(wěn)定之后主蒸汽壓力的偏差穩(wěn)定在0.6MPa以內(nèi)，主蒸汽的溫度控制在正負(fù)5°以內(nèi)，其中流化床的溫度在860°到890°之間。在控制系統(tǒng)優(yōu)化之后，通過(guò)運(yùn)行一段時(shí)間在負(fù)荷上升之前的功率為420MW，目標(biāo)的負(fù)荷功率為540MW，在負(fù)荷上升的過(guò)程中機(jī)組的參數(shù)變化始終保持平穩(wěn)，均為出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象。負(fù)荷在動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中的最大的偏差為8MW，靜態(tài)功率的最大偏差為1.3MW。主蒸汽壓力在負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的最大值為0.5MPa，而穩(wěn)定之后的主蒸汽壓力值控制在0.3MPa以內(nèi)，主蒸汽溫度的偏差控制在正負(fù)2度以內(nèi)，流化床的溫度與改善之前一致，從上述參數(shù)的變化來(lái)看超臨界流化床鍋爐控制系統(tǒng)在優(yōu)化之后有效的控制了負(fù)荷變化過(guò)程中機(jī)組參數(shù)的穩(wěn)定，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超臨界流化床鍋爐控制系統(tǒng)的研究，有針對(duì)性的對(duì)超臨界流化床鍋爐的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)、煤量控制系統(tǒng)以及給水控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了集成測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)優(yōu)化之后的鍋爐控制系統(tǒng)在負(fù)荷發(fā)生變化的過(guò)程中能夠有效的控制輸出功率、蒸汽壓力以及溫度的偏差，達(dá)到了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

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