小容量CFB機組孤島運行的研究及實施

代增麗 柳振波 劉海亭

摘要：截止2018年11月，統(tǒng)計在冊的電力工程公司總計達32565家，隨著國內(nèi)電力市場的飽和，實施“走出去”戰(zhàn)略成為唯一、正確的選擇。印度尼西亞人口眾多，受制于島國的特殊地形，孤島運行方式成為常見運行方式，小容量循環(huán)流化床機組占比非常高，但是該國屬于欠發(fā)達國家，業(yè)主投資普遍偏低，但是對自動化條件下的FCB功能有著非常迫切的需求，因此，在小容量機組自動化水平不高的情況下，實現(xiàn)簡單、實用的非人工干預(yù)的孤島運行功能，可以形成對印尼市場的投標優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：小容量;CFB;孤島運行;低成本投資;高自動化

中圖分類號：TM771 文獻標識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0?引言

印度尼西亞是東南亞人口最多的國家，目前統(tǒng)計人口已經(jīng)超過了2.7億，且當?shù)鼐哂胸S富的煤炭資源，截止2017年底，人均裝機容量僅0.33千瓦，約為中國的1/4.2，西方國家的1/16，在印尼非中心地帶的居民，基本每家每戶配置小型柴油發(fā)電機，說明電網(wǎng)的不穩(wěn)定及供電量的缺乏，由此可見電力市場需求巨大，況且印尼電力市場門檻低，吸引著越來越多的中國電力工程公司進行市場開發(fā)。但是印尼島嶼眾多，號稱千島之國，特殊的地理形態(tài)影響了島嶼之間的大電網(wǎng)連接，長期以來僅有爪哇-巴厘-馬都拉電網(wǎng)，其他的大部分地區(qū)不能形成較大電網(wǎng)，區(qū)域性孤網(wǎng)運行成為主要模式，限制了大容量機組的發(fā)展，因此，小容量機組需求旺盛，小容量機組中，循環(huán)流化床鍋爐調(diào)峰能力最強，因此小容量CFB機組成為最受歡迎的機組類型。

印尼屬于發(fā)展中國家，業(yè)主財力有限，實現(xiàn)高自動化條件下的孤島運行功能，必須提高小機組的自動化水準，這樣會增加EPC的總投資，降低了中標優(yōu)勢及合同利潤，而國內(nèi)小容量CFB機組多數(shù)屬于自備電廠或供熱電廠，自動化程度普遍偏低，高度自動化在這類機組不易實現(xiàn)，更何況自動化條件的孤島模式了。基于這類機組投資成本低、自動化程度低的實際狀況，實現(xiàn)自動化、非人工干預(yù)的自動孤島模式，成為吸引印尼市場的關(guān)鍵，更能體現(xiàn)一個EPC工程公司的技術(shù)水準，我公司承建的印尼馬拉扎瓦2×27.5MW機組經(jīng)過多次前期的技術(shù)研究，順利圓滿完成了孤島功能試驗，在印尼當?shù)匾鹆藰O大的反響。

1?試驗前期技術(shù)分析

CFB機組孤島運行方式是指在外網(wǎng)解列的情況下，發(fā)電機瞬間帶廠用負荷，高旁瞬間打開并配合PCV閥的能量釋放維持主蒸汽壓力，防止安全門動作，鍋爐快速降低燃燒熱負荷，并與發(fā)電負荷匹配，隨著鍋爐蒸發(fā)量的降低及壓力實際變化，高旁逐步降低開度，逐步由負荷急劇波動的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，甩負荷過程中通過汽輪機調(diào)速汽門調(diào)節(jié)，控制汽輪機轉(zhuǎn)速在合格范圍之內(nèi)，確保廠用電頻率穩(wěn)定，防止廠用輔機設(shè)備跳閘。 在設(shè)計階段，針對本項目的孤島功能，高旁容量、PCV閥容量、汽機調(diào)速系統(tǒng)及通信方式響應(yīng)已經(jīng)考慮，也屬于通用火電機組成熟設(shè)計，且在進行甩負荷試驗過程中，已經(jīng)得到了初步驗證，鍋爐的燃燒控制成為試驗成敗的關(guān)鍵點。

小容量循環(huán)流化床鍋爐（CFB）要實現(xiàn)孤島運行模式，要充分利用該類型機組的優(yōu)點，規(guī)避自身缺點造成的風(fēng)險，并基于小容量機組投資成本低的實際情況，充分利用FCB的燃燒特點，采取簡單的、可靠的控制優(yōu)化，實現(xiàn)孤島功能，循環(huán)流化床鍋爐實施孤島存在以下特點：

優(yōu)點1：鍋爐燃燒配風(fēng)要求相對煤粉爐低，存在高溫床料不容易滅火，在孤島實施過程中可以大幅度降低風(fēng)量、煤量;

優(yōu)點2：CFB最低穩(wěn)燃負荷可以降低至20%以下，而煤粉鍋爐穩(wěn)燃負荷一般不低于35%，形成的結(jié)果是孤島過程中，CFB可以第一時間快速降低負荷至45%，而煤粉鍋爐一般快速降低至60%左右，鑒于此，F(xiàn)CB可以在孤島模式下，使用更小的高旁開度帶負荷，減少蒸汽的無用損失;

優(yōu)點3：CFB在降低熱負荷的過程中，由于存在床料的蓄熱，輻射強度下降遠遠低于煤粉鍋爐，因此，快速降低負荷過程中，汽溫下降的速度相對平緩，可以降低汽溫低造成汽機跳閘的風(fēng)險。

缺點1：CFB密相區(qū)存在大量的儲熱物料及澆注料，孤島發(fā)生時降負荷的惰性較大，鍋爐降低蒸發(fā)量速率變慢;

缺點2：印尼馬拉扎瓦項目使用的煤質(zhì)接近于褐煤，灰分5%左右，為了滿足物料平衡，需要向鍋爐連續(xù)加石英砂的密度遠遠大于熟床料，在快速降低鍋爐負荷、降低一次風(fēng)的情況下，很容易發(fā)生“塌床”事故，造成鍋爐流化惡化而滅火，甚至結(jié)焦;

缺點3：由于一次風(fēng)對流化床的意義重大，為了滿足高密度床料的流化質(zhì)量（石英砂），降風(fēng)比重遠遠小于二次風(fēng)，二次風(fēng)如果降低過量，由于二次風(fēng)口處于正壓區(qū)，很容易造成二次風(fēng)管失壓，形成高溫?zé)煔夥蹈Z，造成二次風(fēng)噴嘴燒損，但是如果二次風(fēng)量降低量過小，鍋爐床溫會急劇下降，存在鍋爐床溫低滅火風(fēng)險。

另外，在試驗前，通過鍋爐主控、機組CCS的運行特點，鍋爐自動方面還存在以下問題：

問題1：由于受到鍋爐惰性的影響，CCS條件下鍋爐降低負荷速度明顯緩慢，如果增加升降負荷速率值，風(fēng)量與煤量匹配嚴重失調(diào)，爐膛負壓擺動范圍較大，甚至造成引風(fēng)機自動解除，不能滿足孤島期間快速降低負荷的要求;

問題2：鍋爐上、下二次風(fēng)均為手動蝶閥，分級燃燒的設(shè)計理念不能在快速降低負荷過程中實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整;

問題3：一次風(fēng)量測點安裝直段長度不足，風(fēng)量顯示波動較大，不能滿足鍋爐主控自動調(diào)節(jié)的要求;

問題4：二次風(fēng)機在低負荷時，如果二次風(fēng)管壓力低于0.25KPa后，容易發(fā)生氣流激振，導(dǎo)致風(fēng)道振動及噪音大，升降負荷過程中必須借助A、B側(cè)二次風(fēng)電動總調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)母管風(fēng)壓;

問題5：在甩負荷試驗過程中隨著一次風(fēng)的降低，回料器壓力迅速下降、床壓迅速升高、左右側(cè)床壓偏差達50%以上，且局部床溫開始下降，已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的“塌床”現(xiàn)象，流化開始惡化;

問題6：由于使用了石英砂補充物理平衡，高密度物料流化質(zhì)量變差，加沙運行后料平試驗照片，可以看出床料平整性差。

2?技術(shù)措施

2.1模擬孤島終端負荷特性

根據(jù)本項目廠用電估算，預(yù)計廠用負荷約占12%，因此初步定出鍋爐目標負荷為35%額定熱負荷，并在機組啟動過程中在鍋爐達到30%、35%、40%、45%、55%負荷時，進行燃燒優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后的主要參數(shù)進行記錄，包括負荷、總給煤量、一次風(fēng)量及風(fēng)門開度、二次風(fēng)量及風(fēng)門開度、氧量、床壓、床溫，通過主要參數(shù)試驗評價，得出本項目鍋爐可以在40%額定負荷穩(wěn)定燃燒，且安全余量充足，并該負荷對應(yīng)的總給煤量、一次風(fēng)量及風(fēng)門開度、二次風(fēng)量及風(fēng)門開度、氧量、床壓、床溫作為孤島觸發(fā)后的執(zhí)行目標值。

2.2控制方式

針對CFB優(yōu)缺點及印尼馬拉扎瓦項目存在的問題，觸發(fā)孤島時，CCS自動解除，轉(zhuǎn)化為鍋爐燃燒主控進行控制，一次風(fēng)、二次風(fēng)按照預(yù)設(shè)目標以一定的速率降低風(fēng)量，引風(fēng)機投入爐膛負壓自動，給煤機迅速降低給煤量至目標值。PCV閥根據(jù)壓力設(shè)定值自動啟閉，高旁根據(jù)孤島出發(fā)前的蒸汽流量、高旁特性曲線計算出開度并快開至計算值后自動進入壓控模式自動調(diào)整。鍋爐側(cè)孤島觸發(fā)時的技術(shù)控制路線如下：

（1）針對FCB燃燒床料床料中含有一定比重燃煤的實際情況，且床料也是熱量的儲備池，孤島觸發(fā)時給煤機直接從當前煤量減至目標煤量，在次過程中允許床溫小幅度下降;

（2）一次風(fēng)機入口調(diào)節(jié)風(fēng)門開度按照一定的速率減至目標數(shù)值，減風(fēng)速率適當放緩，適應(yīng)高密度床料的流化特性，防止“塌床”及“流化惡化”，一次風(fēng)量降低量約為25%，降風(fēng)幅值遠遠低于煤粉鍋爐及使用低密度床料的循環(huán)流化床鍋爐水準;

（3）一次風(fēng)機出力下降幅值小，為了維持床溫，必須大幅度降低二次風(fēng)總量，二次風(fēng)減風(fēng)速率略高于一次風(fēng)，直至二次風(fēng)量達到目標風(fēng)量。

（4）在100%負荷運行中，對上、下二次風(fēng)手動蝶閥通風(fēng)特性進行試驗，目的是消除鍋爐廠二次風(fēng)噴嘴截面積的余量，并增加噴嘴流速，增強二次風(fēng)的穿透能力。通過測試，上層二次開度85%，下層開度75%即可滿足鍋爐滿負荷的需求，且不會發(fā)生二次風(fēng)壓的急劇升高，防止二次風(fēng)口“失壓”返火，燒損金屬噴嘴;

（5）在快速降低風(fēng)量的過程中，由于CFB流化高度降低，回料器至爐膛接口處風(fēng)壓下降，立管料位下降，瞬間大量返料灰進入爐膛，使返料風(fēng)量急劇增加，造成返料溫度下降，因此，返料風(fēng)至一次風(fēng)道聯(lián)絡(luò)門自動進行開啟調(diào)整，維持返料風(fēng)壓量與返料溫度的匹配關(guān)系;

（6）快速降低負荷過程中，床壓急劇上升，冷渣器轉(zhuǎn)速自動增加，考慮冷卻水量不足的現(xiàn)狀，變頻器開度升至35%后閉鎖，當床壓低于5KPa，冷渣器轉(zhuǎn)速降低至最低，維持CFB的物料需求。

（7）通過以上措施后，通過試驗前的測試，預(yù)計床溫控制在870-880℃，床壓5.0KPa左右，氧量5.5%左右，鍋爐蒸發(fā)量約為額定蒸發(fā)量的40%，高旁開度穩(wěn)定在15%-20%之間。如果外網(wǎng)故障恢復(fù)時間長，需要長時間低負荷運行，考慮經(jīng)濟運行因素，運行1小時后，運行人員可以根據(jù)實際參數(shù)手動繼續(xù)降低負荷，關(guān)小甚至關(guān)閉高旁，減少無用燃料成本。

3 實施結(jié)果

在我國由于電網(wǎng)容量大且非常穩(wěn)定，孤島運行實施的必要性不大，但是印尼處于島國，本地業(yè)主迫切需求具備孤島功能，尤其是在低投資成本、低自動化水平的小容量FCB機組中實現(xiàn)，意義重大：

（1）統(tǒng)計在冊的100MW以下機組實現(xiàn)孤島功能的僅有南加2×65MW項目，而我公司實施印尼馬拉扎瓦項目機組容量為27.5MW，在印尼市場50MW以下容量等級首次實現(xiàn)孤島運行功能;

（2）鍋爐快速降低熱負荷至40%額定負荷且燃燒穩(wěn)定，而目前國內(nèi)比較容易接受的數(shù)值為60%，可以每小時節(jié)約20%額定負荷左右的燃煤，兼顧了經(jīng)濟效益;

（3）根據(jù)印尼當?shù)赝饩W(wǎng)故障概率估計，每年平均外網(wǎng)故障造成的停電次數(shù)大約9次，按此計算，節(jié)約黑啟動柴發(fā)用油約35噸/年，節(jié)約鍋爐重新點火用油90噸/年，按照7000元/噸計算，每年節(jié)約燃油成本87萬元;另外機組恢復(fù)供電時間估計縮短6小時，按此估算，每年增加發(fā)電量300萬KWh，按照2角/KWh發(fā)電利潤計算，發(fā)電增收約60萬元 。

4 結(jié)語

小容量CFB機組受到投資成本的限制，閥門的線性差，而且在實際運行過程中CCS調(diào)節(jié)品質(zhì)也遠遠低于高參數(shù)、大容量機組，因此實現(xiàn)孤島運行的調(diào)試難度高。通過印尼馬拉扎瓦項目孤島的研究，充分利用CFB的優(yōu)點，有節(jié)奏的快速減煤、降風(fēng)，克服了該類型鍋爐的燃燒惰性，又巧妙的規(guī)避了自身缺點及問題，利用“簡化卻又實用”的控制策略，使用較低的成本，高標準的完成了本項目的孤島測試試驗，且經(jīng)過多次外網(wǎng)故障考驗，可靠性高。

印尼馬拉扎瓦項目是公司細心培育、開發(fā)印尼市場的開端，在特殊的地理環(huán)境下，以確保公司工程收益為提前，實現(xiàn)業(yè)主迫切需求的特殊功能，是公司作為負責(zé)任承辦商的行為縮影，提高了公司的品牌戰(zhàn)略及影響，為后續(xù)項目開發(fā)打下了堅實基礎(chǔ)。印尼當?shù)毓戮W(wǎng)電廠運行方式比較普遍，比較依賴孤島功能，后續(xù)項目推廣的前景廣闊，意義深遠。

收稿日期：2019-07-18

作者簡介：代增麗（1973—），女，山東平度人，本科，高級工程師，研究方向：電力工程調(diào)試技術(shù)。