大型循環(huán)流化床鍋爐超臨界化技術(shù)與控制難點分析

常太華，徐浩，高明明

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 102206)

0 引言

我國的能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)是以煤為主、多能互補的體系。目前，煤炭在一次能源中的比例約為75%，預計到2050年，煤炭比例還將占58%左右。在今后相當長的一段時間內(nèi)，煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的主導地位不會改變。因此，開發(fā)推廣能源轉(zhuǎn)化率高、污染物排放低的潔凈煤發(fā)電技術(shù)是我國電力行業(yè)的必然選擇。

1 循環(huán)流化床鍋爐及超臨界技術(shù)

循環(huán)流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)技術(shù)已經(jīng)成為目前實用化最成功的潔凈煤燃燒技術(shù)之一，具有氮氧化物排放低、可實現(xiàn)燃燒過程中直接脫硫、燃料適應性廣、燃燒效率高和負荷調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)勢，已成為當前煤炭潔凈燃燒的首選爐型。我國已經(jīng)成為世界上CFB鍋爐臺數(shù)最多、總裝機容量最大和發(fā)展速度最快的國家。截至2010年年底，我國共有CFB鍋爐約3 000臺，裝機容量達72 870 MW，約占我國火電總裝機容量的12.1%［1］。在當前電力行業(yè)所面臨的節(jié)能減排的巨大壓力之下，大容量、高參數(shù)成為CFB鍋爐發(fā)展的必由之路。

超臨界鍋爐是指主蒸汽壓力超過臨界壓力22.115 MPa的鍋爐，大容量超臨界煤粉(PC)鍋爐主蒸汽壓力一般為24.5 MPa左右，甚至更高。目前，超臨界機組的熱效率可達45% ～47%，比亞臨界參數(shù)的機組熱效率提高2.0% ～2.5%。新建超超臨界機組的供電煤耗約為290 g/(kW·h)，甚至更低，而亞臨界CFB鍋爐機組的供電煤耗為340～400 g/(kW·h)。因此，CFB鍋爐必須堅持參數(shù)超臨界化的發(fā)展方向，才能與先進PC鍋爐機組在節(jié)能方面開展競爭。把CFB鍋爐特有的低排放優(yōu)勢與超臨界蒸汽循環(huán)技術(shù)相結(jié)合，以更好地實現(xiàn)節(jié)能減排目標。

2 CFB超臨界化的優(yōu)勢

2.1 成本和排放

作為下一代CFB鍋爐技術(shù)，與傳統(tǒng)的CFB鍋爐和目前廣泛應用的PC鍋爐相比較，超臨界CFB鍋爐具有成本優(yōu)勢和低污染物排放優(yōu)勢。

與目前最為常見的超(超)臨界PC鍋爐+PC鍋爐尾部煙氣脫硫(FGC)相比，超臨界CFB鍋爐與其建設(shè)投資相當，然而超臨界CFB鍋爐可以非常方便地實現(xiàn)爐內(nèi)燃燒脫硫，使其脫硫成本僅相當于前者的50%。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)技術(shù)也是一種較有發(fā)展前景的清潔煤燃燒技術(shù)，但在設(shè)備的復雜性、可靠性、投資成本及電力工業(yè)易于接受和掌握的程度等方面都不及超臨界CFB鍋爐［2］。

此外，由于CFB鍋爐采用低溫分級燃燒方式，使其具有天然低NOx排放的特點，在不需要采用其他技術(shù)措施的情況下，超臨界CFB鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度都將在200 mg/m3以下。在四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限公司的2次考核試驗中，NOx排放質(zhì)量濃度分別達到84.80和90.74mg/m3，目前實際運行中NOx排放質(zhì)量濃度在102 mg/m3以內(nèi)，這充分體現(xiàn)了 CFB鍋爐燃燒溫度低，NOx生成量少的優(yōu)越性。而目前應用于PC鍋爐的各種低NOx燃燒技術(shù)，都難以達到該排放標準。1 000 MW超超臨界鍋爐在華能玉環(huán)電廠的運行實踐表明［3］:鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度在300 mg/m3以下，最低可實現(xiàn)200 mg/m3以下的排放質(zhì)量濃度，依舊高于CFB鍋爐的排放水平。

傳統(tǒng)PC鍋爐受到排煙酸露點溫度的限制，排煙溫度較高［4］(一般為110～160℃)，這樣就使得排煙損失成為電站鍋爐熱損失中最大的一個方面。CFB鍋爐采用爐內(nèi)脫硫的燃燒方式，因此，其所排放煙氣中SOx的質(zhì)量濃度大大降低。有文獻指出，CFB鍋爐所排放煙氣中SO3的質(zhì)量濃度不足25 mg/m3，這樣低質(zhì)量濃度的SO3排放必將使排煙酸露點溫度大大降低，從而使CFB鍋爐排煙溫度降低到100℃以下成為可能，為開展煙氣余熱利用提供了條件，其直接結(jié)果就是CFB鍋爐效率將提高2%以上，節(jié)能效果非常明顯。

2.2 技術(shù)特點

以超臨界蒸汽參數(shù)運行的鍋爐必須采用直流鍋爐。CFB鍋爐自身的技術(shù)優(yōu)點，特別適合于將超臨界直流鍋爐技術(shù)與CFB鍋爐燃燒相結(jié)合。

在超臨界直流鍋爐循環(huán)中，水冷壁部件的冷卻能力是關(guān)鍵點之一。目前，直流鍋爐蒸發(fā)受熱面所面臨的主要安全問題有2方面:一是要最大限度地降低管壁溫度的峰值，避免偏離核態(tài)沸騰而爆管;二是要限制相鄰水冷壁管的溫差，防止由于熱應力而導致水冷壁管斷裂。在超臨界PC鍋爐中，由于爐膛燃燒比較集中，熱負荷分布不均，工質(zhì)的熱偏差較大，再加上工質(zhì)溫度較高，因此，對水冷壁管道提出了很高的要求。而CFB鍋爐爐膛內(nèi)的溫度(850～900℃且沿爐高分布均一)和爐內(nèi)截面熱負荷(約3.5 MW/m2)比PC鍋爐低得多，爐內(nèi)熱流密度也低于PC鍋爐，這就大大降低了對水冷壁冷卻能力的要求。PC鍋爐和CFB鍋爐的熱流密度對比如圖1所示。

CFB鍋爐的熱流密度在爐膛底部最大，隨爐膛高度的升高逐漸減小，這個特性對于保護水冷壁有重要意義，即CFB鍋爐爐膛內(nèi)高熱流密度區(qū)域剛好與工質(zhì)溫度最低的爐膛下部區(qū)域相吻合，非常有利于水冷壁金屬溫度的控制，有效克服了常規(guī)PC鍋爐爐膛內(nèi)熱流密度峰值出現(xiàn)在工質(zhì)溫度較高的爐膛中上部區(qū)域的矛盾。

CFB鍋爐爐內(nèi)的低溫燃燒使得爐膛內(nèi)的溫度低于一般煤灰的灰熔點，此外，爐膛內(nèi)固體顆粒濃度較高。由于灰顆粒的沖刷而使水冷壁較為清潔，因此，水冷壁上基本無積灰和結(jié)渣，這就保證了水冷壁的吸熱能力和安全。

圖1 CFB鍋爐與PC鍋爐爐內(nèi)熱流密度比較

CFB鍋爐還有一個很大的特點就是鍋爐內(nèi)有大量的床料，床料由惰性的灼熱灰渣構(gòu)成，其中添加有脫硫劑。床料量一般為給煤量的數(shù)十倍，其本身蓄積的巨大熱量使得CFB鍋爐的燃燒非常穩(wěn)定。CFB鍋爐巨大的熱慣性使其對燃料的敏感度很低，有著優(yōu)秀的煤種適應性和低負荷運行能力。這種巨大的熱慣性使低負荷下煤的穩(wěn)定燃燒得到有效保證。因此，現(xiàn)在大型CFB鍋爐機組一般都能實現(xiàn)不投油帶30%負荷穩(wěn)定運行。目前，四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限公司300 MW CFB鍋爐機組不投油最低穩(wěn)燃負荷設(shè)計值為(35±5)%，而實際上可以實現(xiàn)30%。這就意味著，大型超臨界CFB鍋爐機組不但能實現(xiàn)煤的清潔燃燒，而且其負荷調(diào)節(jié)范圍大的特點可以有力地配合電網(wǎng)調(diào)峰，這些都非常符合電力行業(yè)對未來大型火電機組的要求。

3 大型超臨界CFB鍋爐自動控制問題

正如前文中所介紹的那樣，CFB鍋爐具有特殊的燃燒方式，使燃料在流化狀態(tài)下燃燒，再加上大量灼熱床料的存在，使得系統(tǒng)的熱慣性巨大。因此，CFB鍋爐的燃燒系統(tǒng)是一個大滯后、強耦合、多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)，各個變量之間相互影響。另外，飛灰的循環(huán)也使其在燃燒過程中較PC鍋爐復雜得多。

CFB鍋爐的自動控制主要包括汽包水位控制、蒸汽溫度控制、爐膛負壓控制、床高控制、燃燒控制等［4］。其中，燃燒控制一般又包括蒸汽壓力控制、床溫控制、空氣量控制、返料量控制等。除燃燒控制之外，其他控制與一般PC鍋爐差別不大，可參考PC鍋爐經(jīng)驗進行控制，而且這些控制方法已經(jīng)成熟，控制效果比較理想。因此，無論是國產(chǎn)還是引進的CFB鍋爐控制系統(tǒng)，目前主要是在PC鍋爐控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了一定改動而來，均采用單變量控制回路［5］，如汽包水位采用串級三沖量給水控制，蒸汽溫度采用二級噴水減溫控制，爐膛負壓和床高采用單回路控制等。

CFB鍋爐的燃燒控制是自動控制的難點，因它既要滿足熱負荷的需要、穩(wěn)定蒸汽壓力，又要使床溫穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，還肩負著維持合理的風煤比、保障燃燒效率、控制SO2和NOx排放量等諸多任務(wù)，而且給煤量、空氣量、返料量等控制變量間的耦合關(guān)系非常緊密，其相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 CFB鍋爐系統(tǒng)示意圖

床溫反應的是爐內(nèi)密相區(qū)的運行溫度，代表著鍋爐的安全運行情況，影響到脫硫效率和氮氧化物生成控制，是一個非常重要的運行參數(shù)。床溫一般需要控制在850～950℃，這樣才能保證系統(tǒng)的安全運行和脫硫效率，并有效抑制氮氧化物的產(chǎn)生。影響床溫的主要因素有燃料量和送風量。主氣壓是反應鍋爐運行效率的重要參數(shù)，其主要影響因素也是燃料量和送風量。因此，主氣壓和床溫控制之間存在著強烈的耦合性。目前，床溫一般通過一次、二次風的配比進行控制，其對床溫調(diào)節(jié)幅度較小(一般只有140℃左右)，對床溫的大幅度波動則無能為力，若通過改變?nèi)紵收{(diào)節(jié)床溫又會引起主氣壓力的波動。床溫和主汽壓力之間的耦合性使得常規(guī)的PID控制器很難實現(xiàn)對兩者的高效控制。

此外，CFB鍋爐燃燒控制系統(tǒng)還有其他的一些特性［6］。CFB鍋爐本體巨大，爐內(nèi)燃燒情況劇烈復雜，給燃燒控制系統(tǒng)帶來了很多內(nèi)部擾動;CFB鍋爐具有良好的負荷調(diào)節(jié)性能，經(jīng)常參與負荷調(diào)節(jié)，但負荷變動會引起鍋爐運行工況的巨大變動，這就要求控制系統(tǒng)具有很好的魯棒性;CFB鍋爐的燃料適應性廣，采用不同的煤種時，系統(tǒng)對象的控制特性會有所差別，這決定了CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的時變性。

由于CFB鍋爐燃燒的復雜性和特殊性，對一般PC鍋爐和其他過程控制對象行之有效的常規(guī)控制方法，難以保證CFB鍋爐各項控制指標的實現(xiàn)。因此，根據(jù)CFB鍋爐的燃燒特點［7］，有針對性地采用先進控制策略，在現(xiàn)場運行中可取得較好的控制效果［8］。

4 國內(nèi)外發(fā)展情況

目前，世界上已投入商業(yè)運行的最大超臨界CFB鍋爐為波蘭PKE公司Lagisza電廠的460 MW超臨界CFB鍋爐，由Foster Wheeler公司供貨，是世界上首臺超臨界CFB鍋爐。該工程于2002年12月簽訂合同，2005年12月基本完成過程設(shè)計，2006年1月開始建造，2009年3月投入調(diào)試運行，2009年6月移交商業(yè)運行，設(shè)計供電效率為43.3%。該鍋爐采用了8個外置式換熱器，其中4個為過熱器，4個為再熱器。鍋爐最大連續(xù)主蒸汽流量為359.8 kg/s;汽輪機入口處蒸汽壓力為27.5 MPa;溫度為560℃，再熱蒸汽流量為306.9 kg/s，鍋爐進口再熱蒸汽壓力為5.46 MPa，再熱蒸汽溫度為314.3℃，溫度為580℃。

2009年2月，國家電網(wǎng)公司與東方電氣集團公司在北京簽署四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限公司600 MW循環(huán)流化床示范工程主機設(shè)備采購合同，標志著我國在自主研制低煤耗、低成本污染控制的潔凈煤燃燒技術(shù)取得重要進步。該項目采用帶外置式換熱器的600 MW級CFB鍋爐，主要特點為:單爐膛雙布風板結(jié)構(gòu)、汽冷式分離器、多點給煤返料設(shè)計、尾部采用單煙道結(jié)構(gòu)、爐膛內(nèi)設(shè)置末級屏式過熱器，其電廠效率比目前國內(nèi)外普遍采用的亞臨界300 MW CFB電站高2% ～4%，平均可達40% ～42%，脫硫、脫硝等綜合效益更佳。

5 結(jié)束語

國內(nèi)外的發(fā)展經(jīng)驗表明，發(fā)展CFB鍋爐是我國清潔煤燃燒技術(shù)的必然選擇，CFB在鍋爐容量大型化、參數(shù)超臨界化等方面有其獨特優(yōu)勢。作為成熟的大型CFB鍋爐技術(shù)與蒸汽循環(huán)超臨界技術(shù)的結(jié)合體，超臨界CFB鍋爐憑借其低投資成本和結(jié)構(gòu)上、運行上的優(yōu)秀品質(zhì)必將有巨大的發(fā)展空間。同時，要更加重視CFB機組由于其燃燒方式的復雜性帶來的自動控制方面的難題，下大力氣解決控制策略設(shè)計和控制參數(shù)整定等問題，提高CFB機組的自動控制水平。

［1］李建峰，郝繼紅.我國循環(huán)流化床鍋爐機組數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析［J］.電力技術(shù)，2010(10):70－74.

［2］孫獻斌.超臨界循環(huán)流化床鍋爐——清潔煤發(fā)電技術(shù)的合理選擇［J］.華電技術(shù)，2008(5):25－27.

［3］路野，吳少華.玉環(huán)1000 MW超超臨界鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和NOx性能考核試驗簡析［J］.鍋爐制造，2008(4):1－4.

［4］張桂華，劉玉文，張斌.電站鍋爐排煙溫度研究［J］.科技信息，2010(34):724－725.

［5］趙偉杰，王勤輝，張文震，等.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計和應用［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［6］牛培峰，丁希生，張君.火電廠循環(huán)流化床鍋爐控制技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢［J］.儀器儀表學報，2007，28(12):2295－2304.

［7］馬強.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)建模與控制系統(tǒng)研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［8］鄭龍.循環(huán)流化床鍋爐先進控制系統(tǒng)的研究與應用［D］.杭州:浙江大學，2007:20 －26.