潘雄峰， 馬素霞， 陳 俊， 潘燕龍， 李凱勇， 劉眾元,

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024; 2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原 030001)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐由于具有燃燒效率高、污染物排放低、燃料適應(yīng)性廣和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。CFB機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍在25%～110%，其低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間比煤粉爐機(jī)組幾乎擴(kuò)展了20%，調(diào)峰潛力巨大。

目前，北方大部分局域電網(wǎng)有2個(gè)顯著特點(diǎn)：一是CFB機(jī)組裝機(jī)容量的比例越來(lái)越大；二是隨著風(fēng)能、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，新能源在電網(wǎng)中所占比例逐漸增加。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電具有間歇性和負(fù)荷不確定性，而國(guó)家又出臺(tái)了一系列限制棄風(fēng)和棄光的政策與措施，造成電網(wǎng)負(fù)荷頻繁波動(dòng)，負(fù)荷調(diào)度矛盾日益突出：一方面，新能源發(fā)電要求電網(wǎng)具有靈活、快速的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力：另一方面，電網(wǎng)中的CFB機(jī)組固有的大熱慣性使得其負(fù)荷響應(yīng)速率慢而制約了電網(wǎng)的調(diào)峰能力，造成電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題越來(lái)越突出，發(fā)電機(jī)組調(diào)度難度越來(lái)越大。山西省幾乎全部的CFB機(jī)組都不能滿足電網(wǎng)自動(dòng)增益控制(AGC)的調(diào)節(jié)要求，且一直未找到切實(shí)可行的技術(shù)措施。這是目前循環(huán)流化床高效發(fā)電面臨的突出問(wèn)題之一。

CFB鍋爐的燃料為0～8 mm的寬篩分顆粒，當(dāng)煤粒進(jìn)入爐膛后，不像煤粉一樣直接充分燃燒，而是發(fā)生一系列復(fù)雜過(guò)程[4-6]，由于CFB鍋爐爐膛溫度較低，一般在850～900 ℃，且爐內(nèi)大量的惰性固體物料阻礙了氧氣的擴(kuò)散，使得密相區(qū)的煤顆粒燃燒處于欠氧狀態(tài)，從而在單位時(shí)間內(nèi)煤粒燃燒釋放的熱量較少，階躍增加的燃煤不能很快轉(zhuǎn)化為熱量，煤顆粒完全燃盡需要約8～10 min，并且釋放的熱量首先去加熱固體物料，然后傳給工質(zhì)，CFB鍋爐的燃燒及熱量傳遞的特點(diǎn)導(dǎo)致其機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)慢。

現(xiàn)有的針對(duì)CFB機(jī)組控制系統(tǒng)的研究大多集中在系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性[7-9]，機(jī)組變負(fù)荷速率約為(0.9%～1.2%)額定負(fù)荷/min，相比于煤粉爐不占優(yōu)勢(shì)。高明明等[10-12]認(rèn)為在負(fù)荷變化初期，負(fù)荷、風(fēng)量和煤量不存在嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)過(guò)量增加風(fēng)量，加快爐膛內(nèi)即燃碳燃燒，過(guò)量增加給煤來(lái)彌補(bǔ)爐膛內(nèi)即燃碳過(guò)量燃燒的損失，在升負(fù)荷中期根據(jù)能量平衡使得鍋爐內(nèi)存儲(chǔ)的即燃碳量回歸到合理范圍，從而達(dá)到提高CFB機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率的目的。

筆者在設(shè)計(jì)思路上與文獻(xiàn)[12]的變負(fù)荷理論有相似之處，都是應(yīng)用過(guò)量調(diào)節(jié)原理，不同之處在于本試驗(yàn)使用高熱值煤粉來(lái)替代過(guò)量增加的給煤，依靠煤粉的快速燃燒來(lái)提高鍋爐負(fù)荷響應(yīng)速率，煤粉燃燒[13-14]與煤粒相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)高熱值煤粉具有更大的比表面積及高揮發(fā)分含量，使得燃燒更為迅速，燃料熱量的轉(zhuǎn)化更及時(shí)；(2)煤粉燃燒后產(chǎn)生的熱量直接釋放到煙氣中參與換熱，避免了與爐膛內(nèi)溫度較低的惰性床料的直接接觸；(3)變負(fù)荷過(guò)程中可以避免給料機(jī)及風(fēng)機(jī)頻率的頻繁波動(dòng)。

基于某220 t/h循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐，筆者提出低熱值煤-高熱值煤粉動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒方式，通過(guò)在二次風(fēng)管或給煤管上設(shè)置煤粉氣力輸送點(diǎn)向爐膛內(nèi)噴入高熱值、高揮發(fā)分的煤粉，借助煤粉的快速燃燒，達(dá)到快速提高CFB機(jī)組變負(fù)荷速率的目的。

1 動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 CFB本體及煤粉輸送系統(tǒng)

試驗(yàn)鍋爐為高溫高壓、單汽包橫置式、單爐膛、自然循環(huán)及全鋼架π型布置的CFB工業(yè)鍋爐，額定蒸發(fā)量為220 t/h。鍋爐前墻布置4路給煤管，前后墻各布置4路二次風(fēng)管，共8路，給煤口距布風(fēng)板約1.8 m，管斜向下傾角約60°；二次風(fēng)口距布風(fēng)板約3 m，管斜向下傾角約45°。

所設(shè)計(jì)的煤粉輸送系統(tǒng)見(jiàn)圖1，煤粉輸送管道分別連接于給煤管及二次風(fēng)管處，煤粉輸送系統(tǒng)只提供少量的輸送風(fēng)，煤粉燃燒所需空氣主要由鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)提供。試驗(yàn)時(shí)，在鍋爐分布式控制系統(tǒng)(DCS)輸入原煤量階躍指令，煤粉階躍量由給料機(jī)變頻電機(jī)配備的變頻器控制，一、二次風(fēng)量階躍指令主要根據(jù)原煤變化量確定，由DCS系統(tǒng)輸入。試驗(yàn)過(guò)程中，隨著原煤燃燒逐漸增強(qiáng)，煤粉量呈階梯形逐漸減少，直至減為零，動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒過(guò)程結(jié)束。此時(shí)，原煤燃燒產(chǎn)生的熱量滿足鍋爐負(fù)荷需求。

1—鼓風(fēng)電機(jī)；2—羅茨風(fēng)機(jī)；3—安全門(mén)；4—就地壓力表；5—緩沖倉(cāng)；6—排空門(mén)；7—煤粉輸送泵；8—給料機(jī)變頻電機(jī)；9—給料機(jī)；10—煤粉倉(cāng)閘閥；11—煤粉倉(cāng)；12—支路蝶閥；13—管道分配器；14—金屬軟管；15—支路截止閥；16—給煤管；17—二次風(fēng)管

圖1 煤粉輸送系統(tǒng)圖

Fig.1 Pulverized coal feeding system

1.2 測(cè)量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程中主蒸汽流量、主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、爐膛內(nèi)各點(diǎn)溫度及爐膛差壓等參數(shù)都由DCS系統(tǒng)讀取，每次試驗(yàn)前進(jìn)行吹灰操作。煙氣分析測(cè)點(diǎn)設(shè)置在尾部煙道空氣預(yù)熱器之前，試驗(yàn)過(guò)程中采用testo 350煙氣分析儀對(duì)煙氣中的主要?dú)怏w成分進(jìn)行分析，試驗(yàn)前已對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，每組試驗(yàn)分別對(duì)試驗(yàn)前、試驗(yàn)中飛灰及底渣進(jìn)行取樣。每次試驗(yàn)前對(duì)鍋爐進(jìn)行吹灰，并調(diào)整鍋爐到穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，以DCS控制系統(tǒng)給煤量階躍指令起點(diǎn)為零點(diǎn)，對(duì)比分析相關(guān)參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

本試驗(yàn)使用的原煤及煤粉的工業(yè)分析、元素分析及熱值見(jiàn)表1，高熱值煤粉熱值為27.17 MJ/kg，R90=10.07%，原煤熱值為17.96 MJ/kg。試驗(yàn)分為3個(gè)工況，分別為單一原煤量階躍燃燒、二次風(fēng)管給煤粉動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒和給煤管給煤粉動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒，每次試驗(yàn)結(jié)束后，調(diào)整鍋爐到初始負(fù)荷。表2給出了3組試驗(yàn)原煤量階躍與煤粉量階躍隨時(shí)間的調(diào)整規(guī)律。

表1 燃料特性

表2 循環(huán)流化床給煤及煤粉量隨時(shí)間的變化

2 結(jié)果與分析

2.1 爐膛各點(diǎn)溫度變化

取試驗(yàn)過(guò)程前5 min鍋爐各點(diǎn)平均溫升速率并繪制成圖(見(jiàn)圖2)。從圖2可以看出，動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒各點(diǎn)溫升速率要高于單一原煤量階躍時(shí)，其中又以二次風(fēng)管給煤粉方式提升速率最快，達(dá)到平均8.8 K/min，給煤管給煤粉方式為6.2 K/min，而單一原煤量階躍為5 K/min。對(duì)比鍋爐不同位置的溫度變化特點(diǎn)，位于稀相區(qū)的沸上溫度和爐膛出口溫度的溫升速率要比位于爐膛下部的料層溫度和沸中溫度的溫升速率高。

圖2 爐膛各點(diǎn)溫升速率

煤粉在進(jìn)入爐膛之后直接懸浮燃燒，并且跟隨煙氣流動(dòng)而不會(huì)落到高溫床料中，產(chǎn)生的熱量直接釋放給煙氣，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒爐膛稀相區(qū)溫升速率要大于爐膛密相區(qū)。3組試驗(yàn)料層溫度溫升速率差異是由鍋爐結(jié)構(gòu)造成的，試驗(yàn)鍋爐二次風(fēng)管及給煤管都以較大傾角斜向下連接鍋爐本體，高速氣流攜帶煤粉首先到達(dá)密相區(qū)然后再與一次風(fēng)混合上升，煤粉在爐膛密相區(qū)燃燒導(dǎo)致動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒料層溫度溫升速率高于單一原煤量階躍燃燒時(shí)的料層溫度溫升速率，沸中溫度由于二次風(fēng)的冷卻作用而偏低。

同為動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒，二次風(fēng)管給煤粉方式與給煤管給煤粉方式的試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，在煤粉量階躍一致的前提下，前者爐膛溫升速率明顯更高。在煤質(zhì)相同的前提下，煤粉在流化床內(nèi)燃燒主要受溫度影響，處于動(dòng)力燃燒區(qū)，二次風(fēng)攜帶煤粉燃燒有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：(1)二次風(fēng)攜帶煤粉以較高速度沿管斜向下噴入爐膛，形式上類(lèi)似于W型火焰爐，煤粉在爐內(nèi)行程較長(zhǎng)，可獲得較長(zhǎng)的爐內(nèi)停留時(shí)間，有助于煤粉的燃盡；(2)二次風(fēng)攜帶煤粉之后質(zhì)量增加，即動(dòng)量增大，增加了二次風(fēng)的穿透力，并輸送煤粉到達(dá)爐膛中心高溫區(qū)燃燒，煤粉更容易著火與燃燒；(3)二次風(fēng)溫度高于給煤溫度，從二次風(fēng)管處送入煤粉，能夠使煤粉得到一定程度的預(yù)熱，有利于煤粉的著火。從圖2可以看出，給煤管給煤粉方式下返料器溫升速率要高于爐膛出口溫度的溫升速率，可認(rèn)為在這種動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒試驗(yàn)條件下分離器內(nèi)可能發(fā)生了再燃現(xiàn)象。

2.2 爐膛稀相區(qū)物料質(zhì)量濃度變化

CFB鍋爐爐膛內(nèi)物料質(zhì)量濃度主要受一、二次風(fēng)影響，物料質(zhì)量濃度隨著總風(fēng)量的增加而增大，CFB鍋爐循環(huán)物料主要以惰性床料及焦炭為主，其中惰性床料占大多數(shù)。試驗(yàn)中煤粉階躍量最大為0.83 kg/s，且煤粉進(jìn)入爐膛之后短時(shí)間內(nèi)就會(huì)劇烈燃燒，并不會(huì)在爐膛內(nèi)累積，預(yù)計(jì)不會(huì)對(duì)爐膛物料質(zhì)量濃度造成較大影響。

爐膛稀相區(qū)平均固體物料質(zhì)量濃度為：

ρp=Δp/(g·Δh)

(1)

式中：ρp為平均固體物料質(zhì)量濃度，kg/m3；Δp為爐膛稀相區(qū)壓降，Pa；g為重力加速度，m/s2；Δh為稀相區(qū)高度，m。

根據(jù)式(1)計(jì)算爐膛稀相區(qū)平均固體物料質(zhì)量濃度，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知，試驗(yàn)初期受一、二次風(fēng)量階躍的影響，3組試驗(yàn)爐膛稀相區(qū)平均固體物料質(zhì)量濃度快速提升，平均升高約為0.5 kg/m3，動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒初期平均固體物料質(zhì)量濃度有小幅波動(dòng)，在0.2 kg/m3左右，之后趨于平穩(wěn)，與試驗(yàn)預(yù)期相符。

圖3 爐膛稀相區(qū)平均固體物料質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

2.3 鍋爐熱負(fù)荷變化規(guī)律

試驗(yàn)CFB鍋爐為工業(yè)鍋爐，本身未配備發(fā)電機(jī)，選取循環(huán)工質(zhì)總吸熱量來(lái)表征鍋爐熱負(fù)荷。鍋爐熱負(fù)荷計(jì)算公式如下：

P=qm,sh(hsh-hfw)

(2)

式中：P為鍋爐熱負(fù)荷，MW；qm,sh為主蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；hsh為主蒸汽焓，kJ/kg；hfw為給水焓，kJ/kg。

根據(jù)公式(2)計(jì)算得到額定工況下鍋爐熱負(fù)荷為169 MW。3組試驗(yàn)蒸汽鍋爐熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，工況二鍋爐熱負(fù)荷增速達(dá)到6.03 MW/min，工況三為4.16 MW/min，工況一僅為2.69 MW/min，在同等燃煤熱量階躍的前提下，動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒負(fù)荷響應(yīng)速率提升巨大，其中二次風(fēng)管給煤粉方式效果最好。

圖4 鍋爐熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化

2.4 尾部煙氣O2體積分?jǐn)?shù)、CO質(zhì)量濃度及灰渣含碳量的影響

圖5給出了3組試驗(yàn)中尾部煙氣O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可知，3條曲線的變化規(guī)律相似，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，O2體積分?jǐn)?shù)首先急劇減小，隨后緩慢增大，最后維持在一個(gè)相比初始值較低的值，此時(shí)燃燒趨于穩(wěn)定。尾部煙氣O2體積分?jǐn)?shù)變化從側(cè)面反映了爐膛燃燒強(qiáng)度的變化，O2體積分?jǐn)?shù)下降越快，數(shù)值越小表示爐膛燃燒越劇烈，2組動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒試驗(yàn)O2體積分?jǐn)?shù)最小值都在300～400 s內(nèi)，而單一原煤量階躍O2體積分?jǐn)?shù)最小值在800 s左右，正好對(duì)應(yīng)圖4中鍋爐熱負(fù)荷變化曲線的最高點(diǎn)。

圖5 尾部煙氣O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

圖6給出了3組對(duì)比試驗(yàn)中尾部煙氣CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可知，試驗(yàn)過(guò)程中，除了工況三在初始階段有小幅上升之外，3條曲線整體都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。CO質(zhì)量濃度下降的主要原因是爐膛溫度升高，化學(xué)未完全燃燒熱損失降低，提高了燃燒效率。

圖7給出了3組試驗(yàn)飛灰及底渣含碳量結(jié)果，并添加穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可燃物檢測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)比。由圖7可知，3組試驗(yàn)中飛灰含碳量相較于穩(wěn)定運(yùn)行都有所增加，單一原煤量階躍飛灰含碳量為6.1%，工況二飛灰含碳量為4.87%，工況三飛灰含碳量為5.8%，底渣含碳量變化不大，都在2.5%左右。

通過(guò)對(duì)比上述3組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雖然同為高熱值煤粉，但是不同的煤粉添加方式給煤粉燃燒帶來(lái)了巨大影響，采用二次風(fēng)管給煤粉方式，煤粉燃燒更為劇烈，燃燒效率更高。

圖6 尾部煙氣CO質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖7 飛灰和底渣含碳量

3 結(jié) 論

(1) 低熱值煤-高熱值煤粉動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒可以有效提升CFB機(jī)組的調(diào)峰性能。在同等燃煤熱量階躍前提下，二次風(fēng)管給煤粉動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒工況的鍋爐蒸汽負(fù)荷增速達(dá)到6.03 MW/min(3.57%額定鍋爐熱負(fù)荷/min)，給煤管給煤粉動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒工況為4.16 MW/min，而單一原煤量階躍時(shí)為2.69 MW/min。動(dòng)態(tài)復(fù)合燃燒的調(diào)峰方式可以打破CFB機(jī)組的負(fù)荷變化速度上限。

(2) 與給煤管給煤粉方式相比，二次風(fēng)管給煤粉具有燃燒效率高、負(fù)荷響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可以有效挖掘CFB機(jī)組的調(diào)峰能力，給煤管給煤粉方式由于煤粉燃燒不充分可能出現(xiàn)返料器再燃現(xiàn)象。

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