循環(huán)流化床鍋爐甩負(fù)荷試驗(yàn)控制研究

郭萌，黃鈺華，寧華兵，董紅江

(西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所，西安市，710032)

0 引言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)是近年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)高效低污染清潔燃燒技術(shù)，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格和能源價(jià)格的上漲，CFB鍋爐以其燃料適用性廣、燃燒效率高、環(huán)保性能優(yōu)越、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、灰渣便于綜合利用等優(yōu)點(diǎn)在近20年得到快速發(fā)展［1-7］。近年來，國(guó)內(nèi)300 MW 等級(jí)CFB機(jī)組陸續(xù)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，600 MW等級(jí)的超臨界CFB機(jī)組正在建設(shè)中。盡管不同容量的CFB鍋爐的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已比較成熟，但在CFB鍋爐燃燒調(diào)整以及試驗(yàn)方面，還存在著許多不足，往往不能完全發(fā)揮出CFB鍋爐的性能優(yōu)勢(shì)，因此需要從事流化床工作的技術(shù)人員不斷地研究和探索。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，新建機(jī)組需進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)以達(dá)到以下目的:考核CFB鍋爐快速變負(fù)荷特性，深入掌握CFB鍋爐運(yùn)行規(guī)律;考核汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，要求甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)子最高動(dòng)態(tài)飛升轉(zhuǎn)速不使危急保安器動(dòng)作或電超速保護(hù)，且能維持空負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行;檢查機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)品質(zhì);甩負(fù)荷試驗(yàn)同時(shí)檢驗(yàn)機(jī)組、各配套輔機(jī)及系統(tǒng)對(duì)甩負(fù)荷工況的適應(yīng)能力。相對(duì)于常規(guī)煤粉爐，CFB鍋爐的熱慣性大得多，如何保持燃燒穩(wěn)定以及防止超壓、超溫成為該類型機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)過程控制的關(guān)鍵。本文結(jié)合CFB鍋爐調(diào)整試運(yùn)及甩負(fù)荷試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地對(duì)CFB機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)鍋爐控制方案進(jìn)行研究探討，并提出控制原則。有關(guān)大型CFB鍋爐甩負(fù)荷試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)相對(duì)較少，多數(shù)文獻(xiàn)提出的方法值得商榷，因此對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行了很多前期調(diào)研與準(zhǔn)備;在135，200以及300 MW不同類型的CFB機(jī)組試驗(yàn)中，多次進(jìn)行了50%額定負(fù)荷(economical continuous rating，ECR)和100%ECR甩負(fù)荷試驗(yàn)。這些CFB機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)讓我們積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也為同類型機(jī)組甩負(fù)荷提供一定參考依據(jù)。本文針對(duì)甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)鍋爐的燃料系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)的主要參數(shù)負(fù)荷試驗(yàn)變化進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討調(diào)整與控制的原則方法。

1 鍋爐設(shè)備簡(jiǎn)介

因不同機(jī)組配置及結(jié)構(gòu)有所差別，本文以某電廠1號(hào)機(jī)組為例，該鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司首臺(tái)自主開發(fā)生產(chǎn)的DG705/13.8－Ⅱ1型超高壓鍋爐，單汽包，自然循環(huán)，平衡通風(fēng)，CFB燃燒方式。鍋爐主要由1個(gè)膜式水冷壁爐膛，3臺(tái)汽冷式旋風(fēng)分離器和1個(gè)由汽冷包墻包覆的尾部豎井3部分組成。爐膛內(nèi)前墻布置有8片屏式過熱器管屏、6片屏式再熱器管屏，后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏。爐膛與尾部豎井之間布置有3臺(tái)汽冷式旋風(fēng)分離器，其下部各布置1臺(tái)“J”閥回料器，回料器為一分為二結(jié)構(gòu)。尾部采用雙煙道結(jié)構(gòu)，前煙道布置了3組低溫再熱器，后煙道從上到下依次布置有1組高溫過熱器、2組低溫過熱器，向下前后煙道合成1個(gè)，在其中布置有2組螺旋鰭片管式省煤器和臥式光管空氣預(yù)熱器，一二次風(fēng)道分開布置，從爐寬方向雙進(jìn)雙出。過熱器系統(tǒng)中設(shè)有2級(jí)噴水減溫器，再熱器系統(tǒng)中布置有事故噴水減溫器和微量噴水減溫器。

1．1 鍋爐技術(shù)規(guī)范

鍋爐型號(hào) DG705/13.8－Ⅱ1;過熱蒸汽流量705 t/h;過熱蒸汽出口壓力13.8 MPa;過熱蒸汽溫度538℃，再熱蒸汽流量599.9 t/h;再熱蒸汽進(jìn)、出口壓力分別為2.709，2.529 MPa;再熱蒸汽進(jìn)、出口溫度分別為316.5，538℃;給水溫度253.4℃，保證熱效率91.3%;鍋爐排煙溫度135℃。

電廠燃煤煤質(zhì)如表1。

表1 煤質(zhì)特性參數(shù)Tab.1 Coal characteristics parameters

1．2 燃料及點(diǎn)火啟動(dòng)系統(tǒng)

鍋爐采用前墻8點(diǎn)給煤。來自輸煤系統(tǒng)粒徑1～8 mm的煤粒，通過輸煤皮帶送至主廠房除氧煤倉(cāng)間4個(gè)原煤倉(cāng)(2大2小)，再通過8臺(tái)電子計(jì)量式給煤機(jī)，將煤送到爐前8個(gè)給煤口，在來自一次風(fēng)的播煤風(fēng)的吹掃下進(jìn)入爐膛，給煤機(jī)出力2.5～25 t/h。

鍋爐設(shè)置有2臺(tái)床下風(fēng)道燃燒器及6支床上助燃油槍，用于鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)和低負(fù)荷穩(wěn)燃，床下風(fēng)道燃燒器出力約為12%鍋爐最大蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR)負(fù)荷的輸入熱量，床上助燃油槍出力約為18%BMCR負(fù)荷的輸入熱量。風(fēng)道燃燒器布置在兩側(cè)一次風(fēng)道中，采用兩側(cè)進(jìn)風(fēng)的一次風(fēng)布風(fēng)方式，每個(gè)風(fēng)道上配1臺(tái)風(fēng)道燃燒器，每臺(tái)風(fēng)道燃燒器內(nèi)配2支油槍(整臺(tái)鍋爐共設(shè)置4支油槍)。床下單支油槍額定出力約1 500 kg/h，油槍工作壓力3.0 MPa，油槍采用中心回油式機(jī)械霧化。床上助燃油槍布置在爐膛密相區(qū)水冷壁前、后墻，共設(shè)置6支床上助燃油槍。床上單支油槍額定出力約1 500 kg/h，油槍工作壓力3.0 MPa，油槍采用簡(jiǎn)單機(jī)械霧化。

1．3 鍋爐泄壓閥

鍋爐共設(shè)置11個(gè)安全閥，均為CROSBY公司生產(chǎn)的彈簧式安全門，其中汽包3個(gè)、過熱器出口2個(gè)、再熱器入口4個(gè)、再熱器出口2個(gè)。過熱器出口2個(gè)壓力釋放閥(pressure control valve，PCV)。3個(gè)旋風(fēng)分離器上集箱各設(shè)排汽閥1個(gè)，過熱器對(duì)空排汽閥甲乙側(cè)各1個(gè)，再熱器對(duì)空排汽閥甲乙側(cè)各1個(gè)。

2 甩負(fù)荷的方法及特殊性

甩負(fù)荷試驗(yàn)采用電氣人員手動(dòng)斷開發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)，跳滅磁開關(guān)方法，使機(jī)組與電網(wǎng)解列，甩去全部負(fù)荷。根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求，甩負(fù)荷試驗(yàn)按50%及100%額定負(fù)荷2級(jí)依次進(jìn)行。甩負(fù)荷試驗(yàn)前進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)及準(zhǔn)備工作，主要有以下項(xiàng)目:甩50%負(fù)荷時(shí)，試驗(yàn)前20 s開始倒計(jì)時(shí)，將各給煤機(jī)的煤量降低至3 t/h左右，注意調(diào)整床溫，倒計(jì)時(shí)至“4”時(shí)手動(dòng)開啟向空排汽閥，開啟低旁直至全開，倒計(jì)時(shí)至“0”時(shí)由電氣人員斷開發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)，根據(jù)鍋爐壓力情況決定是否開啟及關(guān)閉PCV閥。甩100%負(fù)荷時(shí)，試驗(yàn)前120 s開始倒計(jì)時(shí)，將各給煤機(jī)的煤量降低至3 t/h左右，同時(shí)注意調(diào)節(jié)風(fēng)量，倒計(jì)時(shí)至“6”時(shí)開啟向空排汽電動(dòng)門，倒計(jì)時(shí)至“2”時(shí)，開啟低旁直至全開約50%(提前開啟5%暖管)，倒計(jì)時(shí)至“0”時(shí)由電氣人員斷開發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)，手動(dòng)開啟PCV閥。盡可能維持床溫不低于鍋爐的投煤溫度點(diǎn)750℃，以便在隨后的并網(wǎng)過程中，鍋爐隨時(shí)可投煤升負(fù)荷。

3 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備及調(diào)整

首先在邏輯方面，解除機(jī)爐電大聯(lián)鎖，因正常保護(hù)設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)解列時(shí)會(huì)造成汽機(jī)跳閘、鍋爐滅火保護(hù)動(dòng)作，甩負(fù)荷試驗(yàn)前需臨時(shí)解除機(jī)爐電大聯(lián)鎖，保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。甩負(fù)荷過程對(duì)鍋爐各參數(shù)擾動(dòng)極大，主汽壓力變化可能引起汽包水位較大范圍的波動(dòng)，導(dǎo)致主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)保護(hù)動(dòng)作，切除鍋爐水位MFT保護(hù)、爐膛壓力MFT保護(hù)等，只投一次風(fēng)機(jī)全停、引風(fēng)機(jī)全停、高壓流化風(fēng)機(jī)全停MFT保護(hù)。

其次檢查床下燃油系統(tǒng)及油槍投運(yùn)條件，確保油槍能夠遠(yuǎn)控切停投運(yùn)，處于備用狀態(tài);啟動(dòng)另一臺(tái)給水泵作熱備用，避免試驗(yàn)過程中運(yùn)行給水泵跳閘導(dǎo)致補(bǔ)水不及時(shí);因試驗(yàn)過程中汽機(jī)進(jìn)汽量很小甚至中斷，各段抽汽壓力均無法保證，試驗(yàn)前將輔汽聯(lián)箱汽源切為啟動(dòng)鍋爐或者臨機(jī)供給，將軸封汽源、除氧器汽源切為輔助蒸汽聯(lián)箱供給;同時(shí)為確保甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中廠用電源可靠，甩負(fù)荷前廠用電必須切至啟備變供電。如機(jī)組設(shè)計(jì)有高低壓旁路系統(tǒng)，甩負(fù)荷前將其置于手動(dòng)位置。

在甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，因一二次風(fēng)量的大幅度調(diào)整，爐內(nèi)循環(huán)減弱，大量細(xì)灰可能沉降至床面，增加床料厚度，而且床料過厚會(huì)增加鍋爐蓄熱，因此床料不宜過厚，因此甩負(fù)荷試驗(yàn)前10 min左右，進(jìn)行1次排渣，將床料維持在正常范圍內(nèi)，為600～800 mm。

4 甩負(fù)荷時(shí)的控制及主要參數(shù)的變化

甩負(fù)荷過程中鍋爐的運(yùn)行工況擾動(dòng)極大，鍋爐的各主要參數(shù)如主汽壓力、再熱汽壓力、汽包水位、主再熱汽溫、一次流化風(fēng)量、燃料量、床溫、床壓及爐膛負(fù)壓等均會(huì)產(chǎn)生極大波動(dòng)，如控制不當(dāng)，甚至導(dǎo)致鍋爐壓力過高安全門動(dòng)作，過熱器、再熱器嚴(yán)重超溫，鍋爐床溫急劇下降而無法投煤，爐內(nèi)流化不良結(jié)焦而緊急停爐等。

4．1 主汽壓力的控制

循環(huán)流化床鍋爐熱慣性比常規(guī)煤粉爐大得多，主要是以下2個(gè)方面的緣故:首先是爐內(nèi)床料、循環(huán)灰及澆注料的蓄熱量很大，其次是大量未燃盡的碳顆粒通過旋風(fēng)分離器分離后返回爐內(nèi)再燃燒。甩負(fù)荷時(shí)，汽機(jī)高中壓調(diào)節(jié)門在0.2 s內(nèi)關(guān)閉，在高壓旁路不開的情況下主汽壓力在甩負(fù)荷瞬間有較大的飛升，導(dǎo)致鍋爐安全門動(dòng)作，甚至引起鍋爐超壓。針對(duì)這種情況，甩負(fù)荷試驗(yàn)采取在甩負(fù)荷前60～120 s降低各給煤線給煤量至2～3 t/h，利用鍋爐熱慣性維持電負(fù)荷不變。具體操作將在燃料控制中詳細(xì)探討。

鑒于循環(huán)流化床鍋爐熱慣性大的特點(diǎn)，為確保甩負(fù)荷后鍋爐不超溫超壓，一般根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的泄壓手段及其閥門開啟速度合理安排。對(duì)于50%甩負(fù)荷試驗(yàn)，主汽壓力參數(shù)7.48 MPa本身遠(yuǎn)低于額定參數(shù)13.7 MPa，鍋爐本身具備一定的升壓裕量，可不開啟高旁幫助泄壓。盡管如此，最先開啟過熱器對(duì)空排汽，倒計(jì)時(shí)至“6”，開啟過熱器2組向空排汽電動(dòng)門;倒計(jì)時(shí)至“2”，手動(dòng)開啟過熱器2個(gè)PCV閥;甩負(fù)荷后，根據(jù)實(shí)際情況逐步開啟低旁直至20% ～50%(可提前開啟3%暖管)。試驗(yàn)過程中主汽壓力變化見圖1，主汽壓力在并網(wǎng)時(shí)逐漸升至10.64 MPa。對(duì)于100%甩負(fù)荷試驗(yàn)，主汽壓力參數(shù)12.11 MPa，接近額定參數(shù)13.7 MPa，鍋爐本身的升壓裕量很小，倒計(jì)時(shí)至“6”，最先開啟過熱器2組向空排汽電動(dòng)門;倒計(jì)時(shí)至“4”，開啟低旁直至 20% ～50%;倒計(jì)時(shí)至“2”，手動(dòng)開啟過熱器2個(gè)PCV閥;甩負(fù)荷后，主汽壓力迅速上升至13.74 MPa，見圖2。開啟高旁至10%幫助泄壓，在并網(wǎng)時(shí)壓力達(dá)到12.81 MPa。對(duì)于再熱汽壓，試驗(yàn)時(shí)主汽流量的大幅下降以及低壓旁路的提前開啟，甩負(fù)荷后均大幅度降低，不必采取額外的措施，僅作為監(jiān)視參數(shù)即可。

甩負(fù)荷后，待汽機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，盡快并網(wǎng)并帶負(fù)荷，利用機(jī)組快速帶負(fù)荷來消耗鍋爐蓄能，達(dá)到吸收穩(wěn)定鍋爐壓力的效果。一般能夠控制在3～5 min內(nèi)恢復(fù)并網(wǎng)，10～20 min內(nèi)機(jī)組負(fù)荷帶至穩(wěn)定燃燒工況，然后逐步調(diào)整各參數(shù)至正常范圍。

4．2 燃燒的控制

燃燒控制包括燃料、流化風(fēng)量、二次風(fēng)量及床溫等重要參數(shù)的調(diào)整，對(duì)于循環(huán)流化床機(jī)組的甩負(fù)荷試驗(yàn)至關(guān)重要，決定著試驗(yàn)時(shí)鍋爐側(cè)控制的成功與否。燃燒控制主要考慮床溫及防止鍋爐超壓2個(gè)因素。

燃料量包括燃油以及燃煤的控制，對(duì)于甩負(fù)荷試驗(yàn)，合理的方法是不投燃油、僅靠燃煤量的調(diào)整保證鍋爐燃燒的溫度。這樣既能避免投油時(shí)倒風(fēng)等復(fù)雜操作，不利于配合試驗(yàn)后機(jī)組快速并網(wǎng)升負(fù)荷，也可以避免因一次風(fēng)量大幅度調(diào)整可能造成的燃油燃燒不穩(wěn)等隱患，保證試驗(yàn)的安全及經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于燃煤量的控制，通常采用的做法是在甩負(fù)荷前將給煤線轉(zhuǎn)速降為0，但對(duì)于燃用著火困難煤種的循環(huán)流化床鍋爐，給煤量降為0易導(dǎo)致床溫快速下降，導(dǎo)致再投煤失敗，被迫投油穩(wěn)定床溫，機(jī)組恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，難度大，操作復(fù)雜，費(fèi)用較高，因此在不同機(jī)組試驗(yàn)時(shí)，參考鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃工況以及斷油工況進(jìn)行調(diào)整。

50%甩負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行工況總煤量57 t/h，一次風(fēng)量14.6萬m3/h，平均床溫846℃，省煤器出口煙氣氧量3.20%。試驗(yàn)前120 s開始倒計(jì)時(shí)，將各給煤機(jī)的煤量降低至3～4 t/h，總煤量最低降至30 t/h(如圖3)，注意調(diào)整床溫，因一次風(fēng)量接近臨界流化風(fēng)量12.5萬m3/h，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行過程中，入爐煤中存在粒徑較大的顆粒及矸石塊，床料的粒徑分布大于試驗(yàn)時(shí)經(jīng)嚴(yán)格篩分的初始床料，運(yùn)行中一般保持在14.0萬m3/h以上，未對(duì)一次風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，二次風(fēng)量?jī)H作適度調(diào)整，調(diào)整變化過程參見圖4，平均床溫變化幅度較小，最低降至841℃，爐膛差壓變化不明顯。

100%甩負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行工況總煤量127 t/h，一次風(fēng)量33.2萬m3/h，二次風(fēng)量40.9萬m3/h，平均床溫868℃，省煤器出口煙氣氧量2.47%。試驗(yàn)前120 s開始倒計(jì)時(shí)，將各給煤機(jī)的煤量降低至3～4 t/h，如圖5所示總煤量最低降至21 t/h，注意調(diào)整床溫，一次風(fēng)量調(diào)整至14.0萬m3/h，大于臨界流化風(fēng)量，二次風(fēng)量調(diào)整至27.9萬m3/h，調(diào)整變化過程參見圖6，平均床溫隨煤量和風(fēng)量的大幅調(diào)整，最低降至741℃后逐步回升，爐膛差壓亦顯著降低，爐內(nèi)循環(huán)減弱。

4．3 主汽、再熱溫度的控制

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，蒸汽流量和燃料量均有大幅的調(diào)整，因?yàn)殄仩t熱慣性較強(qiáng)，不能采取煤粉爐甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)全關(guān)減溫水調(diào)門和電動(dòng)門的方法，否則會(huì)造成汽溫的大幅升高。從圖7中可以看出，甩50%負(fù)荷時(shí)，主汽溫度波動(dòng)幅度較小，由533℃上升至545℃然后逐漸回落到535℃，而再熱汽溫則出現(xiàn)較大的增幅然后回落;甩100%負(fù)荷時(shí)，主汽溫度波動(dòng)幅度較小，由535℃上升至539℃然后逐漸回落到533℃，而再熱汽溫則出現(xiàn)較大的增加，如圖8所示。2個(gè)試驗(yàn)均出現(xiàn)主汽溫度變化幅度小，而再熱汽溫升高幅度大，甚至短暫的超溫，產(chǎn)生這種變化，主要是由于甩負(fù)荷后，再熱器內(nèi)蒸汽流量降低接近于0，而煙氣側(cè)因鍋爐熱慣性大煙溫基本保持不變，必然引起再熱汽溫的大幅上漲，因再熱器無蒸汽流量，再熱減溫水調(diào)門嚴(yán)禁打開，避免管道水擊事故的發(fā)生。而主汽因?yàn)橛幸欢ǖ牧髁?，加之減溫水的調(diào)節(jié)，較易控制。

圖6 100%甩負(fù)荷時(shí)一二次風(fēng)量的調(diào)整曲線Fig.6 Adjustment curves of primary and secondary air flow at 100%load rejection

圖7 50%甩負(fù)荷時(shí)主汽及再熱蒸汽溫度變化Fig.7 Change curves of main steam and reheated steam temperature at 50%load rejection

圖8 100%甩負(fù)荷時(shí)主汽及再熱蒸汽溫度變化Fig.8 Change curves of main steam and reheated steam temperature at 100%load rejection

5 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，合理利用其熱慣性大的特點(diǎn)，通過燃煤量的適當(dāng)控制，鍋爐燃燒穩(wěn)定，床溫調(diào)整在740℃以上，無須投油，合理利用循環(huán)流化床鍋爐的熱慣性，達(dá)到了甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)不停爐的要求。同時(shí)，對(duì)床溫、爐膛差壓、氧量等重要參數(shù)甩負(fù)荷后的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，各主要參數(shù)均控制在允許范圍內(nèi)，機(jī)組恢復(fù)迅速，10～20 min即可恢復(fù)至試驗(yàn)前的狀態(tài)，因此，試驗(yàn)中采取的措施合理，控制得當(dāng)，經(jīng)濟(jì)性能好，值得同類型機(jī)組甩負(fù)荷或者快速變負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)借鑒。

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