循環流化床機組AGC系統優化及應用

童紅政， 程應冠， 裴建軍， 常東武， 由長福

(1. 浙江浙能嘉華發電有限公司， 浙江平湖 314201；2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240；3. 清華大學 能源與動力工程系， 北京 100084)

循環流化床鍋爐具有燃料適應性廣，調峰性能比煤粉爐好，且可以高效脫硫、低氮排放的特點，近年來得到快速發展。但是目前國內多數火電廠存在著煤質偏離設計煤種、配煤摻燒、機組運行工況變化等問題，導致運行參數不合理，作為核心的燃燒控制系統自動投入率較低且效果不理想。同時，隨著電力系統自動化水平的不斷提高，電網對大型火力發電機組的自動發電控制(AGC)負荷響應能力的要求也越來越嚴格。協調控制系統調節效果較差，主蒸汽壓力和負荷偏離目標值較大，很難滿足電網AGC性能考核要求，同時也不利于機組長周期安全、穩定、經濟運行。

筆者結合風量響應特性，對床溫和主蒸汽壓力控制特性進行分析，并優化了燃燒控制系統及AGC系統，對同類型機組AGC系統優化工作有借鑒意義。

1 影響因素

1.1 機組概況

某電廠2號機組是330 MW亞臨界循環流化床(CFB)鍋爐發電機組。鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環、緊身封閉、平衡通風、全鋼架懸吊結構的CFB鍋爐，有3個旋風分離器，蒸汽的額定壓力為17.5 MPa、額定溫度為541 ℃。汽輪機為單軸雙缸雙排汽的汽輪機，發電機為330 MW水氫氫冷卻汽輪發電機。機組熱工控制為單元制，采用機、爐、電集中控制方式和MACSV-5型分散控制系統(DCS)。

1.2 影響因素分析

1.2.1 床溫的影響因素

床溫是監視CFB鍋爐運行的重要參數之一，隨著床溫不斷升高，NOx排放質量濃度也在增加。然而，當床溫過低時會導致爐膛出口CO質量濃度和飛灰含碳量增加，造成不完全熱損失，同時導致鍋爐N2O的排放量增加，影響鍋爐燃燒效率和運行安全[1-2]。合適的床溫可以有效地避免爐床的結焦、提高燃燒效率和脫硫效率，因此床溫一般控制在850～900 ℃, 可以保證鍋爐的安全連續運行、提高鍋爐脫硫效果和降低NOx的排放量[3-4]。

從CFB鍋爐的控制參數耦合特性看，影響床溫的因素較多，主要有一次風體積流量、二次風體積流量、燃料量和石灰石量；但是如果采用改變燃料量調節床溫，在床溫調節的同時必然引起鍋爐主蒸汽壓力波動，而改變石灰石量則會引起床壓的波動及降低污染物的排放效果。因此，通常通過調節一、二次風體積流量進行控制。

1.2.2 主蒸汽壓力的影響因素

主蒸汽壓力是關系機組安全穩定運行的關鍵參數之一，而鍋爐主蒸汽壓力的穩定主要取決于鍋爐的燃燒特性，即合適的風煤配比[5-6]。

在鍋爐變負荷運行時，一、二次風體積流量及燃料量的協調配合使鍋爐主蒸汽壓力快速響應且穩定運行，從而提高機組負荷響應性。

2 動態響應特性分析

筆者進行了一、二次風擾動對床溫及主蒸汽壓力影響的試驗，并分析了其影響，試驗中的一次風和二次風的斜坡變化均為25 m3/h。

2.1 一次風擾動的影響

一次風擾動試驗結果見圖1。

圖1 一次風擾動試驗結果

隨著一次風體積流量的增加，會使供應氧量增加，從而使密相區內的燃燒份額上升，但密相區燃燒份額的增加遠低于一次風增加的比例。在床溫較高的情況下，一次風帶走的熱量大于燃燒份額增加的熱量，出現了床溫下降現象。因此，一次風體積流量增加短時間內增強了床料的燃燒，床溫略有上升或基本不變，約70 s后才隨著一次風體積流量的增加而降低，床溫最終降低了3.4 K。因此，床溫的變化與一次風體積流量的變化不是單調關系。

一次風體積流量的加大使爐膛下部密相區的氣泡上升速度迅速增加，大量的揮發分和CO將被帶到稀相區去燃燒，密相區的燃燒強度減小，稀相區的燃燒強度增加，上部稀相區的溫度隨著一次風體積流量的增大而升高，從而使機組主蒸汽壓力升高，最終使主蒸汽壓力升高了0.16 MPa。

2.2 二次風擾動的影響

二次風擾動試驗結果見圖2。二次風的主要作用是補充爐內燃燒所需要的氧量，使爐內燃燒成為富氧燃燒，并使得爐膛內稀相區的煙氣和細顆粒物料可以較強烈地混合攪拌，防止局部的煙氣溫度過高，調整整個爐膛內溫度的均勻分布，使稀相區的細顆粒能夠充分燃燒。因此，二次風體積流量的增加對床溫影響較小，通過均勻稀相區燃燒，床溫增加較少，僅為1.2 K，主蒸汽壓力升高了0.16 MPa。

圖2 二次風擾動試驗結果

3 控制優化

3.1 床溫控制

一次風體積流量變化對床溫影響比較大，二次風體積流量對床溫的影響不大。當一次風體積流量增加時，由于短時間內增強了床料的燃燒，但同時也帶走了燃燒熱量，所以床溫在一次風體積流量增加初期床溫基本不變，而后隨著一次風體積流量的增加而降低，因此床溫隨一次風體積流量的變化不是單調關系，如果用床溫的閉環來修正一次風體積流量，燃燒控制系統是不穩定的。

因此，采用一次風調節成為控制床溫的主要手段，同時調節一、二次風配比，在采用一次風控制床溫的同時，相應改變二次風體積流量，保證鍋爐的總風量不變，維持煙氣氧量的恒定和床溫在合理范圍內。

3.2 主蒸汽壓力控制

3.2.1 風煙系統

一次風體積流量對床溫和主蒸汽壓力的影響均比較大，二次風體積流量對床溫的影響不大但對主蒸汽壓力的影響較大。在原設計控制系統中，二次風機控制進入爐膛的總風量，而總風量包括一次風量和播煤風量。在該控制系統中，當一次風體積流量變化時總風量隨之變化，二次風就要同步調節，加強了一、二次風間的耦合關系，使控制系統更為復雜且擾動頻繁。

將送風機控制系統設計為僅控制二次風，簡化了二次風的控制，減少了相互間擾動。同時，在二次風指令回路中，增加了功率指令與實際負荷偏差的動態前饋，加快了二次風指令的變化率，使得在變負荷時二次風體積流量可以快速變化，從而提高機組協調控制系統的響應性。

3.2.2 燃料前饋控制系統

由于CFB鍋爐是一個熱慣性大的燃燒對象，對于該類被控對象，在整定好風煙系統的控制特性后，重要的是考慮系統的動態前饋控制。在原設計中機組指令對燃料的動態前饋信號取自于限速后的功率信號，該控制方式在動態前饋的前饋增益一定的情況下，運行人員設定的變化率越慢，動態所增燃料的時間就越長，系統的穩定性與機組指令變化率有關，往往造成動態過程中燃料變化太多，使得動態過程中不能滿足汽輪機對鍋爐燃燒的需求，造成壓力偏差過大，變負荷后由于動態所變燃料過多造成穩定時間過長，影響了系統的穩定性。

筆者將功率偏差信號轉換成燃料信號作為AGC系統鍋爐主控的動態前饋，將機組實際負荷指令轉換為燃料指令作為鍋爐主控的靜態前饋，同時調整了前饋系數，在滿足環保參數的前提下，提高機組變負荷的響應性。

4 優化效果

在對系統進行優化后，進行協調變負荷試驗(見圖3)。

圖3 協調控制下負荷變化曲線

負荷變化率均為6 MW/min。負荷從280 MW增加到330 MW時，主蒸汽壓力最大偏差為-0.16 MPa；當負荷從330 MW變化到250 MW時，主蒸汽壓力最大偏差為-0.5 MPa；當負荷從254 MW變化到228 MW時，主蒸汽壓力最大偏差為-0.16 MPa；當負荷從240 MW變化到210 MW時，主蒸汽壓力最大偏差量為-0.2 MPa。以上參數表明優化后滿足了協調控制要求。

機組進行AGC性能測試的結果見表1。機組從滿負荷(330 MW)降負荷到230 MW，再從230 MW升負荷到滿負荷，各項重要監視參數均滿足控制要求，且試驗負荷變化率均大于4.62 MW/min，達到了3.3 MW/min的調度要求考核速率。

表1 AGC試驗參數記錄表

5 結 語

對330 MW CFB鍋爐完成了一、二次風擾動下床溫和主蒸汽壓力的特性試驗，通過試驗結果得到了一、二次風擾動對床溫、主蒸汽壓力響應特性的影響。在單項擾動試驗的基礎上，通過對機組實際運行情況的觀察，對機組的一、二次風控制系統進行控制策略及參數優化。同時對協調控制系統增加了鍋爐主控的前饋，實現了機組變負荷過程中燃料的快速響應。對機組的協調控制系統進行優化后，投入機組AGC方式，通過擾動試驗優化了參數，使機組滿足協調控制及AGC性能考核要求。