郝勇生, 沈 炯, 侯子良, 張雨飛, 董永寧, 武建忠, 許淵源

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096;2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司,北京100011;3.蒙西發(fā)電廠,烏海016004;4.臨渙中利發(fā)電有限公司,淮北235139)

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)作為高效率、低污染、適應(yīng)性廣的潔凈燃煤技術(shù),在全世界越來(lái)越受到廣泛重視.目前,國(guó)內(nèi)300MW循環(huán)流化床鍋爐的建設(shè)、投運(yùn)和研究尚處于發(fā)展階段,在自動(dòng)控制等諸多方面存在很多待研究和解決的問(wèn)題[1-3].大型循環(huán)流化床鍋爐燃燒部分的自動(dòng)控制是公認(rèn)的疑難問(wèn)題,其中以協(xié)調(diào)控制、床溫控制和床壓控制為典型代表.

國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)中小型循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性進(jìn)行過(guò)一定的試驗(yàn)研究,并取得了一些成果[4-5].筆者以蒙西發(fā)電廠2×300MW循環(huán)流化床鍋爐階躍響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),同時(shí)結(jié)合安徽淮北臨渙中利發(fā)電有限公司2×300MW循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),研究了鍋爐負(fù)荷、床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.其中,蒙西發(fā)電廠鍋爐由上海鍋爐廠有限公司制造,臨渙中利發(fā)電有限公司鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造,該兩電廠投運(yùn)的鍋爐均是引進(jìn)法國(guó)阿爾斯通技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的爐型.

1 負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

相對(duì)于傳統(tǒng)煤粉爐而言,循環(huán)流化床鍋爐在燃燒低熱值的煤矸石及煤泥時(shí),由于燃料量變化引起的鍋爐負(fù)荷和主蒸汽壓力的變化更滯后.因此,目前300MW循環(huán)流化床鍋爐協(xié)調(diào)控制大多難以在變工況下穩(wěn)定投運(yùn).針對(duì)此問(wèn)題,有兩方面思路建議：一方面針對(duì)循環(huán)流化床的固有特性,行業(yè)主管部門應(yīng)對(duì)該類型鍋爐的AGC指標(biāo)做出切合實(shí)際的調(diào)整,因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐不可能達(dá)到傳統(tǒng)煤粉爐的AGC指標(biāo);另一方面對(duì)鍋爐負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行深入分析,引入帶有預(yù)測(cè)功能的協(xié)調(diào)控制方案,從控制角度減少鍋爐本身滯后特性帶來(lái)的不利影響.

由于試驗(yàn)環(huán)境和條件所限,負(fù)荷響應(yīng)試驗(yàn)在200MW和250 MW 2個(gè)負(fù)荷點(diǎn)附近進(jìn)行.在試驗(yàn)過(guò)程中,鍋爐主控和汽輪機(jī)主控均設(shè)置在手動(dòng)方式.試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試鍋爐-汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,研究鍋爐所具有的慣性時(shí)間和蓄熱能力,以設(shè)計(jì)合理的具有較快負(fù)荷響應(yīng)速度的新型AGC控制系統(tǒng).

圖1給出了在200 MW負(fù)荷工況下,當(dāng)鍋爐主控指令發(fā)生階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.

由圖1(b)可得主蒸汽壓力-鍋爐主控傳遞函數(shù)：

由圖1(c)可得實(shí)發(fā)功率-鍋爐主控傳遞函數(shù)為：

圖1 鍋爐主控指令階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(200 MW負(fù)荷工況)Fig.1 Dynam ic response characteristics ofmain steam pressu reand actualpow erw hen there isa step change inmain con trol command of boiler(under 200MW load condition)

圖2給出了在200 MW負(fù)荷工況下,當(dāng)汽輪機(jī)主控指令發(fā)生階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.

由圖2(b)可得主蒸汽壓力-汽輪機(jī)主控傳遞函數(shù)為：

由圖2(c)可得實(shí)發(fā)功率-汽輪機(jī)的主控傳遞函數(shù)為：

圖3給出了在250 MW負(fù)荷工況下,當(dāng)鍋爐主控指令發(fā)生階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.

圖2 汽輪機(jī)主控指令階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(200 MW負(fù)荷工況)Fig.2 Dynam ic response characteristics ofmain steam pressure and actual pow er w hen there is a step change in main control command of turbine(under 200 MW load condition)

由圖3(b)可得主蒸汽壓力-鍋爐主控傳遞函數(shù)：

由圖3(c)可得實(shí)發(fā)功率-鍋爐主控傳遞函數(shù)為：

圖4給出了在250 MW負(fù)荷工況下,當(dāng)汽輪機(jī)主控指令發(fā)生階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.

由圖4(b)可得主蒸汽壓力-汽輪機(jī)主控傳遞函數(shù)為：

由圖4(c)可得實(shí)發(fā)功率-汽輪機(jī)主控傳遞函數(shù)：

圖3 鍋爐主控指令階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(250 MW負(fù)荷工況)Fig.3 Dynamic response characteristics of main steam pressure and actual power when there is a step change inmain control command of boiler(under 250MW load condition)

圖4 汽輪機(jī)主控指令階躍變化時(shí),主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性(250 MW負(fù)荷工況)Fig.4 Dynamic response characteristics of main steam pressure and actual powerb when there is astep change inmain control command of turbine(under 250 MW load condition)

由圖1～圖4可以看出,鍋爐主控指令變化后,主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率變化的滯后時(shí)間均在 10 min以上,與普通煤粉爐相比有更大的滯后特性.因此,采用常規(guī)協(xié)調(diào)控制方案難以適應(yīng)機(jī)組在變工況下的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,這也是目前采用循環(huán)流化床鍋爐的電廠普遍存在的問(wèn)題.此外,在圖2中當(dāng)汽輪機(jī)主控指令階躍升高時(shí),實(shí)發(fā)功率先升高后降低,最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)低于初始值,這與該試驗(yàn)后期背壓解除自動(dòng)后的波動(dòng)有關(guān).

2 床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

影響循環(huán)流化床床溫的因素很多,如冷灰返料量、給煤量、石灰石供給量、排渣量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量以及返料風(fēng)量等.300MW循環(huán)流化床鍋爐通過(guò)調(diào)節(jié)錐形回料閥,控制經(jīng)外置床返回爐膛的冷灰量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)床溫的控制,錐形回料閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有良好的線性控制特點(diǎn).當(dāng)床溫偏高時(shí),應(yīng)開大錐形回料閥使進(jìn)入爐膛的冷灰量增加,從而降低床溫;當(dāng)床溫偏低時(shí),則應(yīng)開小錐形回料閥使進(jìn)入爐膛的冷灰量減少,從而提高床溫.

床料厚度的變化影響床溫及鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,床料厚度還與床壓具有對(duì)應(yīng)關(guān)系,可通過(guò)改變床壓設(shè)定值來(lái)調(diào)節(jié)床料厚度.在動(dòng)態(tài)過(guò)程中,床壓同樣受一次風(fēng)量、二次風(fēng)量及給煤量等因素的影響.床壓是鍋爐穩(wěn)定循環(huán)燃燒的基石,也是參與爐膛保護(hù)的重要信號(hào),因此床壓的自動(dòng)控制在一定意義上比床溫控制更重要.筆者在200～250 MW負(fù)荷工況下,針對(duì)引起床溫和床壓變化的不同回路進(jìn)行了階躍響應(yīng)試驗(yàn)和分析.

2.1 回料閥開度階躍擾動(dòng)

圖5給出了在230 MW負(fù)荷工況下、當(dāng)回料閥開度階躍變化時(shí)床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.由圖5可知,當(dāng)回料閥開度階躍減小時(shí),通過(guò)外置床進(jìn)入爐膛的冷灰量減少,床溫迅速升高,而床壓則呈現(xiàn)小幅降低的趨勢(shì).在300MW循環(huán)流化床鍋爐中,回料閥開度可作為調(diào)節(jié)床溫的主要手段,而其對(duì)床壓的影響效果較弱.

圖5 回料閥開度階躍變化時(shí),床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.5 Dynamic response characteristics of bed temperature and bed pressure when there is a step change in opening of return valve

由圖5(b)可得床溫-回料閥開度傳遞函數(shù)為：

由圖5(c)可得床壓-回料閥開度傳遞函數(shù)為：

2.2 冷渣器轉(zhuǎn)速階躍擾動(dòng)

圖6給出了在240MW負(fù)荷工況下,當(dāng)冷渣器轉(zhuǎn)速階躍變化時(shí)床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.由圖6可知,冷渣器轉(zhuǎn)速的階躍變化對(duì)床溫的影響甚微,對(duì)床壓影響的滯后時(shí)間約為10 min,在動(dòng)態(tài)過(guò)程中可以忽略冷渣器轉(zhuǎn)速對(duì)床壓的影響.蒙西發(fā)電廠在正常運(yùn)行時(shí),床壓控制在16～19 kPa.臨渙中利發(fā)電廠在正常運(yùn)行時(shí),床壓控制在10～12 kPa.床壓控制值較低時(shí),對(duì)于防止雙爐膛的“翻床”有利,但爐膛的蓄熱量較少,床壓控制值較高時(shí)則效果相反.冷渣器轉(zhuǎn)速變化對(duì)床壓的影響微弱,與冷渣器排渣設(shè)計(jì)出力有關(guān),因此有必要對(duì)冷渣器進(jìn)行增容改造.

由圖6(c)可得床壓-冷渣器轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)為：

圖6 冷渣器轉(zhuǎn)速階躍變化時(shí),床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.6 Dynamic response characteristics of bed tem perature and bed pressurewhen there is a step change in rotational speed of slag cooler

2.3 給煤量階躍擾動(dòng)

圖7給出了在240MW負(fù)荷工況下,當(dāng)給煤量階躍變化時(shí)床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.由圖7可知,當(dāng)給煤量階躍增加時(shí),爐膛本身的床壓值維持在較高的水平,床壓快速升高0.15 kPa左右,床溫則呈現(xiàn)出典型的先降后升特性.在冷煤矸石剛進(jìn)入爐膛還未釋放能量時(shí),床溫有小幅的下降,但隨著入爐燃料能量的釋放,床溫則呈現(xiàn)出明顯的升高趨勢(shì).

由圖7(b)可得床溫-給煤量傳遞函數(shù)為：

由圖7(c)可得床壓-給煤量傳遞函數(shù)為：

2.4 上二次風(fēng)量階躍擾動(dòng)

蒙西發(fā)電廠上二次總風(fēng)量設(shè)置了獨(dú)立的調(diào)節(jié)門,下二次總風(fēng)量則沒(méi)有設(shè)置獨(dú)立的調(diào)節(jié)門,下二次風(fēng)各支路的調(diào)節(jié)門均為手動(dòng)調(diào)節(jié),正常情況下沒(méi)有參與調(diào)節(jié).圖8給出了在240 MW負(fù)荷工況下、當(dāng)上二次風(fēng)量階躍變化時(shí)床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.由圖8可知,當(dāng)上二次風(fēng)量減少時(shí),床壓先快速降低后有小幅回升,爐膛上部的燃料濃度降低,密相區(qū)出口的灰量減少,床溫先升高,之后小幅回落.

由圖8(b)可得床溫-上二次風(fēng)量傳遞函數(shù)為：

圖7 給煤量階躍變化時(shí),床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.7 Dynam ic response characteristics of bed tem perature and bed pressure w hen there isa step change in coal feed rate

圖8 上二次風(fēng)量階躍變化時(shí),床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.8 Dynam ic response characteristics of bed tem perature and bed pressure w hen there is a step change in upper secondary air flow rate

由圖8(c)可得床壓-上二次風(fēng)量傳遞函數(shù)為：

2.5 一次風(fēng)量階躍擾動(dòng)

圖9給出了在200MW負(fù)荷工況下、當(dāng)一次風(fēng)量階躍變化時(shí)床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.由圖9可知,一次風(fēng)量階躍增加對(duì)床溫和床壓均有非常明顯的影響.當(dāng)一次風(fēng)量增加時(shí),密相區(qū)含氧量升高,燃燒更充分,床溫先升高,但由于燃料量沒(méi)有增加,床溫最終下降且比原始值稍低.當(dāng)一次風(fēng)量增加時(shí),爐內(nèi)流場(chǎng)速度加快,密相區(qū)燃料濃度降低,床壓下降.

由圖9(b)可得床溫-一次風(fēng)量傳遞函數(shù)為：

由圖9(c)可得床壓-一次風(fēng)量傳遞函數(shù)為：

圖9 一次風(fēng)量階躍變化時(shí),床溫和床壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性Fig.9 Dynam ic response characteristics of bed temperature and bed pressu re when there is a step change in primary air flow rate

3 結(jié) 論

根據(jù)300MW循環(huán)流化床鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)鍋爐燃燒環(huán)節(jié)的對(duì)象進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析,提出了較為完整的負(fù)荷、床溫和床壓在不同工況下的階躍響應(yīng)模型,為300MW循環(huán)流化床鍋爐的動(dòng)態(tài)特性分析和控制研究提供了真實(shí)可靠的依據(jù).由于試驗(yàn)條件所限,在更多工況下的模型分析有待進(jìn)一步完善,對(duì)于燃燒不同煤種、結(jié)構(gòu)上不完全相同的300MW循環(huán)流化床鍋爐,需要不斷地跟蹤和對(duì)比.

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