循環流化床鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式及應用

洪 烽， 高明明， 劉吉臻， 牟 犇， 伯運鶴

(1. 華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室， 北京 102206；2. 臨渙中利發電有限公司， 安徽淮北 235039)

我國一直提倡煤炭洗選和提質加工，推行煤炭能源低碳發展。近年來，煤炭入選比重逐年提高，洗選煤泥產量大幅增加，煤泥的綜合利用已成為亟須解決的問題。煤泥是煤洗選過程中的副產品，具有粒度細、持水性高、黏度較大、灰分含量高和發熱量低等特點[1]。煤泥的堆放、貯存和運輸都比較困難，目前國內煤泥年產量已超過4×108t，若不妥善處理會浪費寶貴的煤炭資源，造成嚴重的環境污染[2]。

煤泥資源大量回收利用的途徑之一是循環流化床(CFB)燃燒技術。如何兼顧電廠運行的安全穩定、經濟效益以及環保要求成為摻燒煤泥的CFB鍋爐機組運行控制研究的主要方向。劉彥鵬等[3]以某300 MW CFB鍋爐為研究對象，分析了大比例摻燒煤泥后機組床溫、排煙溫度和鍋爐效率等運行參數的波動情況。黃中等[4]利用一臺135 MW CFB鍋爐的煤泥添加系統完成了大比例摻燒煤泥試驗，結果表明，大比例摻燒煤泥后鍋爐整體運行穩定，最大煤泥摻燒比例可達70%。

目前，對CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的運行控制研究主要集中在試驗上。試驗過程中機組的運行條件優良，干擾因素較少，往往不能代表實際連續運行過程中的復雜性，因此難以形成有效、可持續、穩定的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制策略。

筆者以使用最廣泛的煤泥泵送系統為研究對象，從運行和控制2個角度分析了CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的特征，揭示了實際連續運行過程中對煤泥燃燒控制的最大限制因素，提出了CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式，利用鍋爐蓄能來優化能量變遷過程，并將該運行控制模式應用在某300 MW CFB鍋爐上。

1 摻燒煤泥運行特性

1.1 運行角度

從運行角度分析，目的是確定CFB鍋爐摻燒煤泥的比例上限。相同發熱量的煤泥價格要比煤價便宜很多，煤泥摻燒比例越大，電廠的經濟效益越明顯。然而由于煤泥高水分、高灰發分的特性，大比例摻燒煤泥給機組的穩定運行帶來挑戰，會導致一些參數偏離適宜的區間，引發事故，存在較大的安全隱患。從運行角度而言，不同機組摻燒煤泥的比例上限受到許多因素的影響，如煤泥摻燒方式、機組容量和煤泥入口等，通?？紤]從安全性和經濟性2方面來確定機組摻燒煤泥的比例上限，如圖1所示。

床溫作為CFB鍋爐運行過程中的重要參數，其數值大小直接反映了爐內燃燒情況：床溫偏高，會影響脫硫效果，造成爐內燃料結焦，影響后繼設備的運行；床溫偏低，導致燃燒不充分，嚴重時甚至會出現低溫熄火等事故。合理的床溫是CFB 鍋爐經濟、穩定運行的重要保障。隨著煤泥摻燒比例的增大，密相區上部、中部、下部床溫均下降。因此，床溫是制約煤泥摻燒比例上限的評價參數之一。

圖1 CFB鍋爐摻燒煤泥的運行特性

底渣含碳量反映了爐內燃燒狀況，底渣含碳量高是降低鍋爐效率的主要原因。煤泥從進入爐膛到參與燃燒需要經過蒸發吸熱、煤泥團爆裂、揮發分著火和焦碳燃燒等一系列過程。隨著煤泥摻燒量的增加，未能爆裂參與燃燒的煤泥團也會大幅增加，若這部分煤泥從冷渣器出口排出，會導致底渣含碳量增加，甚至造成冷渣器入口煤泥團堆積、堵塞，影響機組安全運行。

排煙溫度是氣體離開鍋爐時的溫度，排煙溫度越高，說明帶走的熱量越多，鍋爐效率就會越低；排煙溫度過低，尾部受熱面的腐蝕就會加劇。煤泥本身灰分和含水量高，故燃燒后飛灰量也會升高，進入到尾部煙道攜帶部分能量，在一定程度上會改變尾部煙道中的熱負荷分配；煤泥灰分的黏度大，容易引起尾部煙道受熱面積灰，排煙溫度升高。

煤泥的含水量很高，水分蒸發，體積受熱膨脹，總煙氣量增加，引風機電流增大。隨著煤泥摻燒量的增加，引風機的電流呈近似線性規律增長，這會導致機組的風機電耗成本增加，廠用電升高。

通過試驗的方法得到煤泥摻燒量增加對不同參數的影響，以機組的安全性為主要約束、鍋爐效率等經濟性為次要約束確定CFB鍋爐摻燒煤泥的比例上限。目前，對CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的運行控制研究絕大多數都集中在這個層面。

1.2 控制角度

在機組連續控制運行中，煤泥的摻燒比例通常遠小于由試驗得到的上限。從控制角度分析，機組經濟性的目的是形成有效、穩定的控制策略，使CFB鍋爐的煤泥摻燒比例達到或接近由試驗得到的上限。

CFB鍋爐大比例摻燒煤泥使用最廣泛的是煤泥泵送方式[5]，煤泥倉內的煤泥經倉底滑架和卸料螺旋送至混合料斗，由水分調節系統調整煤泥含水率，經柱塞式煤泥泵加壓后送至煤泥槍噴射進入爐膛燃燒。

在理想情況下，煤泥泵每一泵的煤泥含水量都是恒定的，只需要進行試驗便可得到煤泥摻燒量和含水量的比例，將入爐煤泥燃燒釋放熱量減去煤泥中水分蒸發等過程需要吸收的熱量，可以得到鍋爐輸入能量。因此理論上鍋爐運行過程中輸入能量變化較小，燃燒自動控制是比較容易實現的。但在實際運行中煤泥攪拌主要在料斗中進行，料斗及輸送過程中一直有水進入，入爐的煤泥含水量波動較大。極端工況下煤泥落下將水濺到料位計上，料位計顯示不準，出現高報，卸料螺旋停止工作，造成打空泵。因此煤泥摻燒量與含水量比例不均，導致鍋爐輸入能量的波動性較大。

圖2給出了一個穩態負荷下煤泥泵送的典型過程。其中①過程代表正常的煤泥泵工作過程，煤泥摻燒量與含水量比例正常。由于煤泥中存在水分，燃燒過程中一部分能量被水分吸收，因此摻燒煤泥的混合煤提供的總能量要高于相同負荷條件下普通煤提供的總能量，即鍋爐需求能量。②過程代表含水量高于正常值的煤泥泵工作過程，混合煤提供的總能量要低于正常泵，而水分消耗的能量要比正常泵高，給煤輸入凈能量要低于鍋爐需求能量，此時需要釋放鍋爐蓄能來補償輸入能量的不足，才能使鍋爐運行穩定。③過程代表含水量低于正常值的煤泥泵工作過程，混合煤提供的總能量要高于正常泵，而水分消耗的能量要比正常泵低，給煤輸入凈能量高于鍋爐需求能量，此時需要通過鍋爐蓄能積蓄來消耗過量輸入能量，穩定鍋爐參數。該過程揭示了摻燒煤泥的CFB鍋爐輸入能量波動的原因。

圖2 煤泥泵送運行中存在的能量波動

在負荷變化的動態過程中，鍋爐需求能量波動，由于CFB鍋爐滯后、大遲延特性，需要利用部分鍋爐蓄能來平抑能量需求。因此，用鍋爐蓄能來補償由摻燒煤泥導致能量波動的空間更小，控制難度要更大。

2 運行控制模式

2.1 蓄能理論

由CFB鍋爐摻燒煤泥的運行特性可知，要實現運行過程中長期、穩定大比例摻燒煤泥，控制好機組能量變遷是關鍵。

CFB鍋爐中燃燒放熱大部分來自存在于床料中并不斷循環的未燃盡碳[6-7]，而不像煤粉爐能量釋放全部來自瞬時加入的燃料。因此，CFB鍋爐的蓄能很大，這也是其適應于摻燒煤泥的原因。

通過軟測量手段，挖掘鍋爐蓄能、即燃碳等與控制變量的關系，對爐膛內部的能量變遷進行量化，據此形成控制策略，以及時解決煤泥摻燒運行中出現的能量波動問題。

根據質量守恒定律，可得到爐膛內即燃碳量[6]：

qm,z(t)·wCar1-qm,L(t)·wCar2

(1)

式中：mB(t)為即燃碳量，kg；qm(t)為燃料質量流量，kg/s；wCar為燃料收到基碳質量分數，%；qm，L(t)為飛灰質量流量，kg/s；Rc為碳總體燃燒反應速率，kg/s；qm,z(t)為排渣量，kg/s；wCar1為排渣含碳質量分數，%；wCar2為飛灰含碳質量分數，%，根據工程經驗，一段時間內wCar和wCar1為常數。

即燃碳的燃燒反應速率Rc為：

(2)

式中：Mc為碳的摩爾質量，kg/kmol；co2為氧氣的濃度，kmol/m3；dc為顆粒平均直徑，m；ρc為碳顆粒的密度，kg/m3；kc為燃燒速率常數。

kc與爐膛床溫T有關：

kc=0.513Texp(-9 160/T)

(3)

設氧氣濃度與總風量qV(t)成比例：

co2(t)=ko2qV(t)

(4)

式中：ko2為氧氣濃度與總風量的相關系數。

由式(1)～式(4)可得即燃碳燃燒釋放熱量：

QB(t)=RcH(t)=K(t)qV(t)mB(t)

(5)

式中：QB(t)為即燃碳燃燒釋放熱量，MJ/s；H(t)為即燃碳發熱量，MJ/kg；K(t)為熱量模型總系數。

煤中揮發分主要成分包括CH4、H2、CO、焦油(CH0.689O0.014)、CO2和H2O，其中前4種為可燃物質，在析出揮發分總量中的質量分數可按下式[8]計算：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：wV為燃料的揮發分質量分數，%。

揮發分燃燒釋放熱量為：

QV(t)=qm(t)·∑wiHi

(10)

式中：QV(t)為揮發分燃燒釋放熱量，MJ/s；Hi為各可燃物質熱值，取CH4燃燒熱為50.016 MJ/kg，H2燃燒熱為124.237 5 MJ/kg，CO燃燒熱為10.077 MJ/kg，焦油燃燒熱為37.0 MJ/kg。

爐膛總放熱量Q(t)為：

Q(t)=QB(t)+QV(t)

(11)

燃料側蓄能可表示為：

(12)

利用量化的爐膛總放熱量與燃料側蓄能，結合汽包蓄能[9]，能精確計算鍋爐蓄能分配，優化能量變遷[6]，在滿足變負荷要求下通過風煤的合理配比和控制減小摻燒煤泥導致的能量波動，實現鍋爐蓄能的有效利用，提高煤泥摻燒量。

2.2 CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式

采用煤泥泵送方式的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式如圖3所示。針對某一機組，從運行角度可通過試驗分析得到機組煤泥摻燒比例上限。從控制角度，基于蓄能理論得到爐膛總放熱量與燃燒側蓄能，計算鍋爐蓄能分配，提煉易于優化控制的中間控制量及子過程，設計控制策略，優化控制風煤配比等，充分利用蓄能，減小主要被控參數和蓄能的波動，降低燃料成本。

圖3 CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式

該運行控制模式適應電廠實際，通過試驗、機理分析和控制策略優化完成，不用增加其他的硬件設備，節約成本，給CFB鍋爐大比例摻燒煤泥提供了一種新思路。

3 應用

3.1 機組介紹

某電廠2號機組300 MW CFB鍋爐采用自然循環、單汽包、單爐膛、雙布風板，配有4個高溫絕熱旋風分離器和4個外置式換熱器。鍋爐摻燒煤泥系統由德國PUTZMEISTER公司設計、制造，方式為典型的煤泥泵送系統，由煤泥倉、倉底滑架、沖洗水加壓泵及4條煤泥泵送管線組成。

煤泥槍布置在距布風板2.6 m高的位置，鍋爐左、右兩側墻各2支，水平對稱布置。煤泥槍主要由槍體、球閥、閘板閥和安全閥等組成。煤泥槍運行時通過壓縮空氣霧化煤泥，便于使煤泥燃盡，為避免槍頭被燒壞設有墻盒密封風。

鍋爐設計燃料由選煤廠洗選副產物煤泥、矸石和洗中煤組成，其煤質分析見表1。

表1 機組應用時間段的煤質分析

2號機組已進行了煤泥摻燒試驗[3]，綜合考慮機組運行安全、穩定，煤泥摻燒量上限為60 m3/h左右。然而在實際運行過程中，由于煤泥泵送方式導致能量波動，該機組的燃燒自動控制難以投運，基本靠人工手動調節。CFB鍋爐具有較大的熱慣性，運行人員調節滯后，機組運行性能不理想，煤泥摻燒量遠低于試驗所得上限。

3.2 控制策略

根據所提出的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式，建立了2號機組燃燒釋放熱量及蓄能量化邏輯，設計了優化控制系統邏輯方案[6,10]，基本框架如圖4所示。

3.3 運行效果

圖4 CFB鍋爐摻燒煤泥運行控制方案

表2 優化系統投運前后機組的主要參數及性能1

圖5和圖6分別給出了優化系統投運前后機組動態跟負荷過程，其中4條煤泥線的煤泥摻燒量一致，圖中只顯示其中2條煤泥線的煤泥摻燒量。

如圖5所示的時間段后半段，即使在自動發電控制(AGC)指令波動不大的情況下，主汽壓力仍然存在較大幅值的波動，從15.68 MPa降至12.74 MPa，運行情況不理想。

如圖6所示，AGC指令在250 MW附近頻繁波動，機組實際負荷能快速跟蹤AGC指令，且偏差小，跟蹤效果好。實際的主汽壓力變化平穩，其變化率小，平均變化率為0.01 MPa/min。在此時間段內，主汽壓力實際值與設定值的最大偏差為1 MPa。

表3 優化系統投運前后機組的主要參數及性能2

圖5 優化系統投運前系統運行過程

圖6 優化系統投運后系統運行過程

3.4 經濟性分析

對該機組應用CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式后進行經濟性測算。由電廠數據可知，2號機組年發電量約1×109kW·h，年小時利用數約4 200 h。根據電廠發電部數據統計，優化系統投運后煤泥摻燒平均增量為13 m3/h。機組摻燒煤泥的平均密度為1.212 t/m3，則全年能多摻燒煤泥66 175.2 t。入爐煤平均熱值為15.46 MJ/kg，煤泥發熱值為8.93 MJ/kg，按煤價300 元/t，煤泥價格60元/t，系統自動投入率85%計算，全年可以節省的燃料成本為：(66 175.2×8.93/15.46×300-66 175.2×60)×0.85=637.2萬元。

雖然2號機組此前煤泥摻燒量比較可觀，但優化系統投運后仍能節約燃料成本約637.2萬元/a，此外，機組自動控制水平提升后有利于降低煤耗。

4 結 論

(1) 提出了CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運行控制模式，利用鍋爐蓄能平抑輸入能量波動，優化能量變遷過程，形成了合理的控制策略。

(2) 所提出的運行控制模式應用在某電廠300 MW CFB鍋爐中，結果表明優化系統投運后有利于減小參數波動，改善能量變遷過程，提升機組控制水平，增加煤泥摻燒量，降低燃料成本。

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