洪 烽， 高明明， 劉吉臻， 牟 犇， 伯運(yùn)鶴

(1. 華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206；2. 臨渙中利發(fā)電有限公司， 安徽淮北 235039)

我國(guó)一直提倡煤炭洗選和提質(zhì)加工，推行煤炭能源低碳發(fā)展。近年來(lái)，煤炭入選比重逐年提高，洗選煤泥產(chǎn)量大幅增加，煤泥的綜合利用已成為亟須解決的問(wèn)題。煤泥是煤洗選過(guò)程中的副產(chǎn)品，具有粒度細(xì)、持水性高、黏度較大、灰分含量高和發(fā)熱量低等特點(diǎn)[1]。煤泥的堆放、貯存和運(yùn)輸都比較困難，目前國(guó)內(nèi)煤泥年產(chǎn)量已超過(guò)4×108t，若不妥善處理會(huì)浪費(fèi)寶貴的煤炭資源，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。

煤泥資源大量回收利用的途徑之一是循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)。如何兼顧電廠運(yùn)行的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)保要求成為摻燒煤泥的CFB鍋爐機(jī)組運(yùn)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(duì)象，分析了大比例摻燒煤泥后機(jī)組床溫、排煙溫度和鍋爐效率等運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)情況。黃中等[4]利用一臺(tái)135 MW CFB鍋爐的煤泥添加系統(tǒng)完成了大比例摻燒煤泥試驗(yàn)，結(jié)果表明，大比例摻燒煤泥后鍋爐整體運(yùn)行穩(wěn)定，最大煤泥摻燒比例可達(dá)70%。

目前，對(duì)CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的運(yùn)行控制研究主要集中在試驗(yàn)上。試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組的運(yùn)行條件優(yōu)良，干擾因素較少，往往不能代表實(shí)際連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中的復(fù)雜性，因此難以形成有效、可持續(xù)、穩(wěn)定的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運(yùn)行控制策略。

筆者以使用最廣泛的煤泥泵送系統(tǒng)為研究對(duì)象，從運(yùn)行和控制2個(gè)角度分析了CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的特征，揭示了實(shí)際連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)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(yùn)行控制模式，利用鍋爐蓄能來(lái)優(yōu)化能量變遷過(guò)程，并將該運(yùn)行控制模式應(yīng)用在某300 MW CFB鍋爐上。

1 摻燒煤泥運(yùn)行特性

1.1 運(yùn)行角度

從運(yùn)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(fā)熱量的煤泥價(jià)格要比煤價(jià)便宜很多，煤泥摻燒比例越大，電廠的經(jīng)濟(jì)效益越明顯。然而由于煤泥高水分、高灰發(fā)分的特性，大比例摻燒煤泥給機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)，會(huì)導(dǎo)致一些參數(shù)偏離適宜的區(qū)間，引發(fā)事故，存在較大的安全隱患。從運(yùn)行角度而言，不同機(jī)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(jī)組容量和煤泥入口等，通?？紤]從安全性和經(jīng)濟(jì)性2方面來(lái)確定機(jī)組摻燒煤泥的比例上限，如圖1所示。

床溫作為CFB鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)，其數(shù)值大小直接反映了爐內(nèi)燃燒情況：床溫偏高，會(huì)影響脫硫效果，造成爐內(nèi)燃料結(jié)焦，影響后繼設(shè)備的運(yùn)行；床溫偏低，導(dǎo)致燃燒不充分，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)低溫熄火等事故。合理的床溫是CFB 鍋爐經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。隨著煤泥摻燒比例的增大，密相區(qū)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(píng)價(jià)參數(shù)之一。

圖1 CFB鍋爐摻燒煤泥的運(yùn)行特性

底渣含碳量反映了爐內(nèi)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(jìn)入爐膛到參與燃燒需要經(jīng)過(guò)蒸發(fā)吸熱、煤泥團(tuán)爆裂、揮發(fā)分著火和焦碳燃燒等一系列過(guò)程。隨著煤泥摻燒量的增加，未能爆裂參與燃燒的煤泥團(tuán)也會(huì)大幅增加，若這部分煤泥從冷渣器出口排出，會(huì)導(dǎo)致底渣含碳量增加，甚至造成冷渣器入口煤泥團(tuán)堆積、堵塞，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

排煙溫度是氣體離開(kāi)鍋爐時(shí)的溫度，排煙溫度越高，說(shuō)明帶走的熱量越多，鍋爐效率就會(huì)越低；排煙溫度過(guò)低，尾部受熱面的腐蝕就會(huì)加劇。煤泥本身灰分和含水量高，故燃燒后飛灰量也會(huì)升高，進(jìn)入到尾部煙道攜帶部分能量，在一定程度上會(huì)改變尾部煙道中的熱負(fù)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(fā)，體積受熱膨脹，總煙氣量增加，引風(fēng)機(jī)電流增大。隨著煤泥摻燒量的增加，引風(fēng)機(jī)的電流呈近似線性規(guī)律增長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的風(fēng)機(jī)電耗成本增加，廠用電升高。

通過(guò)試驗(yàn)的方法得到煤泥摻燒量增加對(duì)不同參數(shù)的影響，以機(jī)組的安全性為主要約束、鍋爐效率等經(jīng)濟(jì)性為次要約束確定CFB鍋爐摻燒煤泥的比例上限。目前，對(duì)CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的運(yùn)行控制研究絕大多數(shù)都集中在這個(gè)層面。

1.2 控制角度

在機(jī)組連續(xù)控制運(yùn)行中，煤泥的摻燒比例通常遠(yuǎn)小于由試驗(yàn)得到的上限。從控制角度分析，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的目的是形成有效、穩(wěn)定的控制策略，使CFB鍋爐的煤泥摻燒比例達(dá)到或接近由試驗(yàn)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(cāng)內(nèi)的煤泥經(jīng)倉(cāng)底滑架和卸料螺旋送至混合料斗，由水分調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)整煤泥含水率，經(jīng)柱塞式煤泥泵加壓后送至煤泥槍噴射進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)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(fā)等過(guò)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(yùn)行過(guò)程中輸入能量變化較小，燃燒自動(dòng)控制是比較容易實(shí)現(xiàn)的。但在實(shí)際運(yùn)行中煤泥攪拌主要在料斗中進(jìn)行，料斗及輸送過(guò)程中一直有水進(jìn)入，入爐的煤泥含水量波動(dòng)較大。極端工況下煤泥落下將水濺到料位計(jì)上，料位計(jì)顯示不準(zhǔn)，出現(xiàn)高報(bào)，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(dǎo)致鍋爐輸入能量的波動(dòng)性較大。

圖2給出了一個(gè)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下煤泥泵送的典型過(guò)程。其中①過(guò)程代表正常的煤泥泵工作過(guò)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(guò)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(fù)荷條件下普通煤提供的總能量，即鍋爐需求能量。②過(guò)程代表含水量高于正常值的煤泥泵工作過(guò)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(shí)需要釋放鍋爐蓄能來(lái)補(bǔ)償輸入能量的不足，才能使鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。③過(guò)程代表含水量低于正常值的煤泥泵工作過(guò)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(shí)需要通過(guò)鍋爐蓄能積蓄來(lái)消耗過(guò)量輸入能量，穩(wěn)定鍋爐參數(shù)。該過(guò)程揭示了摻燒煤泥的CFB鍋爐輸入能量波動(dòng)的原因。

圖2 煤泥泵送運(yùn)行中存在的能量波動(dòng)

在負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，鍋爐需求能量波動(dòng)，由于CFB鍋爐滯后、大遲延特性，需要利用部分鍋爐蓄能來(lái)平抑能量需求。因此，用鍋爐蓄能來(lái)補(bǔ)償由摻燒煤泥導(dǎo)致能量波動(dòng)的空間更小，控制難度要更大。

2 運(yùn)行控制模式

2.1 蓄能理論

由CFB鍋爐摻燒煤泥的運(yùn)行特性可知，要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期、穩(wěn)定大比例摻燒煤泥，控制好機(jī)組能量變遷是關(guān)鍵。

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

通過(guò)軟測(cè)量手段，挖掘鍋爐蓄能、即燃碳等與控制變量的關(guān)系，對(duì)爐膛內(nèi)部的能量變遷進(jìn)行量化，據(jù)此形成控制策略，以及時(shí)解決煤泥摻燒運(yùn)行中出現(xiàn)的能量波動(dòng)問(wèn)題。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可得到爐膛內(nèi)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(zhì)量流量，kg/s；wCar為燃料收到基碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；qm，L(t)為飛灰質(zhì)量流量，kg/s；Rc為碳總體燃燒反應(yīng)速率，kg/s；qm,z(t)為排渣量，kg/s；wCar1為排渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wCar2為飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一段時(shí)間內(nèi)wCar和wCar1為常數(shù)。

即燃碳的燃燒反應(yīng)速率Rc為：

(2)

式中：Mc為碳的摩爾質(zhì)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(shù)。

kc與爐膛床溫T有關(guān)：

kc=0.513Texp(-9 160/T)

(3)

設(shè)氧氣濃度與總風(fēng)量qV(t)成比例：

co2(t)=ko2qV(t)

(4)

式中：ko2為氧氣濃度與總風(fēng)量的相關(guān)系數(shù)。

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(fā)熱量，MJ/kg；K(t)為熱量模型總系數(shù)。

煤中揮發(fā)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(zhì)，在析出揮發(fā)分總量中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按下式[8]計(jì)算：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：wV為燃料的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

揮發(fā)分燃燒釋放熱量為：

QV(t)=qm(t)·∑wiHi

(10)

式中：QV(t)為揮發(fā)分燃燒釋放熱量，MJ/s；Hi為各可燃物質(zhì)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(cè)蓄能可表示為：

(12)

利用量化的爐膛總放熱量與燃料側(cè)蓄能，結(jié)合汽包蓄能[9]，能精確計(jì)算鍋爐蓄能分配，優(yōu)化能量變遷[6]，在滿(mǎn)足變負(fù)荷要求下通過(guò)風(fēng)煤的合理配比和控制減小摻燒煤泥導(dǎo)致的能量波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(yùn)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(yùn)行控制模式如圖3所示。針對(duì)某一機(jī)組，從運(yùn)行角度可通過(guò)試驗(yàn)分析得到機(jī)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(cè)蓄能，計(jì)算鍋爐蓄能分配，提煉易于優(yōu)化控制的中間控制量及子過(guò)程，設(shè)計(jì)控制策略，優(yōu)化控制風(fēng)煤配比等，充分利用蓄能，減小主要被控參數(shù)和蓄能的波動(dòng)，降低燃料成本。

圖3 CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運(yùn)行控制模式

該運(yùn)行控制模式適應(yīng)電廠實(shí)際，通過(guò)試驗(yàn)、機(jī)理分析和控制策略?xún)?yōu)化完成，不用增加其他的硬件設(shè)備，節(jié)約成本，給CFB鍋爐大比例摻燒煤泥提供了一種新思路。

3 應(yīng)用

3.1 機(jī)組介紹

某電廠2號(hào)機(jī)組300 MW CFB鍋爐采用自然循環(huán)、單汽包、單爐膛、雙布風(fēng)板，配有4個(gè)高溫絕熱旋風(fēng)分離器和4個(gè)外置式換熱器。鍋爐摻燒煤泥系統(tǒng)由德國(guó)PUTZMEISTER公司設(shè)計(jì)、制造，方式為典型的煤泥泵送系統(tǒng)，由煤泥倉(cāng)、倉(cāng)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(fēng)板2.6 m高的位置，鍋爐左、右兩側(cè)墻各2支，水平對(duì)稱(chēng)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(yùn)行時(shí)通過(guò)壓縮空氣霧化煤泥，便于使煤泥燃盡，為避免槍頭被燒壞設(shè)有墻盒密封風(fēng)。

鍋爐設(shè)計(jì)燃料由選煤廠洗選副產(chǎn)物煤泥、矸石和洗中煤組成，其煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組應(yīng)用時(shí)間段的煤質(zhì)分析

2號(hào)機(jī)組已進(jìn)行了煤泥摻燒試驗(yàn)[3]，綜合考慮機(jī)組運(yùn)行安全、穩(wěn)定，煤泥摻燒量上限為60 m3/h左右。然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于煤泥泵送方式導(dǎo)致能量波動(dòng)，該機(jī)組的燃燒自動(dòng)控制難以投運(yùn)，基本靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)。CFB鍋爐具有較大的熱慣性，運(yùn)行人員調(diào)節(jié)滯后，機(jī)組運(yùn)行性能不理想，煤泥摻燒量遠(yuǎn)低于試驗(yàn)所得上限。

3.2 控制策略

根據(jù)所提出的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運(yùn)行控制模式，建立了2號(hào)機(jī)組燃燒釋放熱量及蓄能量化邏輯，設(shè)計(jì)了優(yōu)化控制系統(tǒng)邏輯方案[6,10]，基本框架如圖4所示。

3.3 運(yùn)行效果

圖4 CFB鍋爐摻燒煤泥運(yùn)行控制方案

表2 優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)前后機(jī)組的主要參數(shù)及性能1

圖5和圖6分別給出了優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)前后機(jī)組動(dòng)態(tài)跟負(fù)荷過(guò)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(shí)間段后半段，即使在自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)指令波動(dòng)不大的情況下，主汽壓力仍然存在較大幅值的波動(dòng)，從15.68 MPa降至12.74 MPa，運(yùn)行情況不理想。

如圖6所示，AGC指令在250 MW附近頻繁波動(dòng)，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷能快速跟蹤AGC指令，且偏差小，跟蹤效果好。實(shí)際的主汽壓力變化平穩(wěn)，其變化率小，平均變化率為0.01 MPa/min。在此時(shí)間段內(nèi)，主汽壓力實(shí)際值與設(shè)定值的最大偏差為1 MPa。

表3 優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)前后機(jī)組的主要參數(shù)及性能2

圖5 優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)前系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

圖6 優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)后系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)該機(jī)組應(yīng)用CFB鍋爐大比例摻燒煤泥運(yùn)行控制模式后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性測(cè)算。由電廠數(shù)據(jù)可知，2號(hào)機(jī)組年發(fā)電量約1×109kW·h，年小時(shí)利用數(shù)約4 200 h。根據(jù)電廠發(fā)電部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)后煤泥摻燒平均增量為13 m3/h。機(jī)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(fā)熱值為8.93 MJ/kg，按煤價(jià)300 元/t，煤泥價(jià)格60元/t，系統(tǒng)自動(dòng)投入率85%計(jì)算，全年可以節(jié)省的燃料成本為：(66 175.2×8.93/15.46×300-66 175.2×60)×0.85=637.2萬(wàn)元。

雖然2號(hào)機(jī)組此前煤泥摻燒量比較可觀，但優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)后仍能節(jié)約燃料成本約637.2萬(wàn)元/a，此外，機(jī)組自動(dòng)控制水平提升后有利于降低煤耗。

4 結(jié) 論

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

(2) 所提出的運(yùn)行控制模式應(yīng)用在某電廠300 MW CFB鍋爐中，結(jié)果表明優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)后有利于減小參數(shù)波動(dòng)，改善能量變遷過(guò)程，提升機(jī)組控制水平，增加煤泥摻燒量，降低燃料成本。

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