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)展起來的一項高效低污染清潔燃燒技術(shù)，隨著環(huán)保要求的日益嚴格和能源價格的上漲，CFB鍋爐以其燃料適用性廣、燃燒效率高、環(huán)保性能優(yōu)越、負荷調(diào)節(jié)靈活、灰渣便于綜合利用等優(yōu)點在近20年得到快速發(fā)展［1-7］。近年來，國內(nèi)300 MW 等級CFB機組陸續(xù)投入商業(yè)運營，600 MW等級的超臨界CFB機組正在建設(shè)中。盡管不同容量的CFB鍋爐的設(shè)計制造技術(shù)已比較成熟，但在CFB鍋爐燃燒調(diào)整以及試驗方面，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，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，新建機組需進行甩負荷試驗以達到以下目的:考核CFB鍋爐快速變負荷特性，深入掌握CFB鍋爐運行規(guī)律;考核汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，要求甩負荷后轉(zhuǎn)子最高動態(tài)飛升轉(zhuǎn)速不使危急保安器動作或電超速保護，且能維持空負荷穩(wěn)定運行;檢查機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)品質(zhì);甩負荷試驗同時檢驗機組、各配套輔機及系統(tǒng)對甩負荷工況的適應能力。相對于常規(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、超溫成為該類型機組甩負荷試驗過程控制的關(guān)鍵。本文結(jié)合CFB鍋爐調(diào)整試運及甩負荷試驗的經(jīng)驗，系統(tǒng)地對CFB機組甩負荷試驗時鍋爐控制方案進行研究探討，并提出控制原則。有關(guān)大型CFB鍋爐甩負荷試驗在國內(nèi)相對較少，多數(shù)文獻提出的方法值得商榷，因此對此項工作進行了很多前期調(diào)研與準備;在135，200以及300 MW不同類型的CFB機組試驗中，多次進行了50%額定負荷(economical continuous rating，ECR)和100%ECR甩負荷試驗。這些CFB機組甩負荷試驗讓我們積累了一定的經(jīng)驗，也為同類型機組甩負荷提供一定參考依據(jù)。本文針對甩負荷試驗時鍋爐的燃料系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)的主要參數(shù)負荷試驗變化進行分析，重點探討調(diào)整與控制的原則方法。

1 鍋爐設(shè)備簡介

因不同機組配置及結(jié)構(gòu)有所差別，本文以某電廠1號機組為例，該鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司首臺自主開發(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，CFB燃燒方式。鍋爐主要由1個膜式水冷壁爐膛，3臺汽冷式旋風分離器和1個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臺汽冷式旋風分離器，其下部各布置1臺“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，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熱器，一二次風道分開布置，從爐寬方向雙進雙出。過熱器系統(tǒng)中設(shè)有2級噴水減溫器，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 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、出口壓力分別為2.709，2.529 MPa;再熱蒸汽進、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 燃料及點火啟動系統(tǒng)

鍋爐采用前墻8點給煤。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間4個原煤倉(2大2小)，再通過8臺電子計量式給煤機，將煤送到爐前8個給煤口，在來自一次風的播煤風的吹掃下進入爐膛，給煤機出力2.5～25 t/h。

鍋爐設(shè)置有2臺床下風道燃燒器及6支床上助燃油槍，用于鍋爐點火啟動和低負荷穩(wěn)燃，床下風道燃燒器出力約為12%鍋爐最大蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR)負荷的輸入熱量，床上助燃油槍出力約為18%BMCR負荷的輸入熱量。風道燃燒器布置在兩側(cè)一次風道中，采用兩側(cè)進風的一次風布風方式，每個風道上配1臺風道燃燒器，每臺風道燃燒器內(nèi)配2支油槍(整臺鍋爐共設(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，油槍采用簡單機械霧化。

1．3 鍋爐泄壓閥

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

2 甩負荷的方法及特殊性

甩負荷試驗采用電氣人員手動斷開發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)，跳滅磁開關(guān)方法，使機組與電網(wǎng)解列，甩去全部負荷。根據(jù)試驗大綱的要求，甩負荷試驗按50%及100%額定負荷2級依次進行。甩負荷試驗前進行有關(guān)試驗及準備工作，主要有以下項目:甩50%負荷時，試驗前20 s開始倒計時，將各給煤機的煤量降低至3 t/h左右，注意調(diào)整床溫，倒計時至“4”時手動開啟向空排汽閥，開啟低旁直至全開，倒計時至“0”時由電氣人員斷開發(fā)電機并網(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%負荷時，試驗前120 s開始倒計時，將各給煤機的煤量降低至3 t/h左右，同時注意調(diào)節(jié)風量，倒計時至“6”時開啟向空排汽電動門，倒計時至“2”時，開啟低旁直至全開約50%(提前開啟5%暖管)，倒計時至“0”時由電氣人員斷開發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)，手動開啟PCV閥。盡可能維持床溫不低于鍋爐的投煤溫度點750℃，以便在隨后的并網(wǎng)過程中，鍋爐隨時可投煤升負荷。

3 試驗前的準備及調(diào)整

首先在邏輯方面，解除機爐電大聯(lián)鎖，因正常保護設(shè)計發(fā)電機解列時會造成汽機跳閘、鍋爐滅火保護動作，甩負荷試驗前需臨時解除機爐電大聯(lián)鎖，保證試驗的正常進行。甩負荷過程對鍋爐各參數(shù)擾動極大，主汽壓力變化可能引起汽包水位較大范圍的波動，導致主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)保護動作，切除鍋爐水位MFT保護、爐膛壓力MFT保護等，只投一次風機全停、引風機全停、高壓流化風機全停MFT保護。

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

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

4 甩負荷時的控制及主要參數(shù)的變化

甩負荷過程中鍋爐的運行工況擾動極大，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、一次流化風量、燃料量、床溫、床壓及爐膛負壓等均會產(chǎn)生極大波動，如控制不當，甚至導致鍋爐壓力過高安全門動作，過熱器、再熱器嚴重超溫，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分離器分離后返回爐內(nèi)再燃燒。甩負荷時，汽機高中壓調(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荷瞬間有較大的飛升，導致鍋爐安全門動作，甚至引起鍋爐超壓。針對這種情況，甩負荷試驗采取在甩負荷前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荷不變。具體操作將在燃料控制中詳細探討。

鑒于循環(huán)流化床鍋爐熱慣性大的特點，為確保甩負荷后鍋爐不超溫超壓，一般根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的泄壓手段及其閥門開啟速度合理安排。對于50%甩負荷試驗，主汽壓力參數(shù)7.48 MPa本身遠低于額定參數(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，最先開啟過熱器對空排汽，倒計時至“6”，開啟過熱器2組向空排汽電動門;倒計時至“2”，手動開啟過熱器2個PCV閥;甩負荷后，根據(jù)實際情況逐步開啟低旁直至20% ～50%(可提前開啟3%暖管)。試驗過程中主汽壓力變化見圖1，主汽壓力在并網(wǎng)時逐漸升至10.64 MPa。對于100%甩負荷試驗，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，倒計時至“6”，最先開啟過熱器2組向空排汽電動門;倒計時至“4”，開啟低旁直至 20% ～50%;倒計時至“2”，手動開啟過熱器2個PCV閥;甩負荷后，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)時壓力達到12.81 MPa。對于再熱汽壓，試驗時主汽流量的大幅下降以及低壓旁路的提前開啟，甩負荷后均大幅度降低，不必采取額外的措施，僅作為監(jiān)視參數(shù)即可。

甩負荷后，待汽機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，盡快并網(wǎng)并帶負荷，利用機組快速帶負荷來消耗鍋爐蓄能，達到吸收穩(wěn)定鍋爐壓力的效果。一般能夠控制在3～5 min內(nèi)恢復并網(wǎng)，10～20 min內(nèi)機組負荷帶至穩(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、流化風量、二次風量及床溫等重要參數(shù)的調(diào)整，對于循環(huán)流化床機組的甩負荷試驗至關(guān)重要，決定著試驗時鍋爐側(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個因素。

燃料量包括燃油以及燃煤的控制，對于甩負荷試驗，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倒風等復雜操作，不利于配合試驗后機組快速并網(wǎng)升負荷，也可以避免因一次風量大幅度調(diào)整可能造成的燃油燃燒不穩(wěn)等隱患，保證試驗的安全及經(jīng)濟性。對于燃煤量的控制，通常采用的做法是在甩負荷前將給煤線轉(zhuǎn)速降為0，但對于燃用著火困難煤種的循環(huán)流化床鍋爐，給煤量降為0易導致床溫快速下降，導致再投煤失敗，被迫投油穩(wěn)定床溫，機組恢復時間長，難度大，操作復雜，費用較高，因此在不同機組試驗時，參考鍋爐低負荷穩(wěn)燃工況以及斷油工況進行調(diào)整。

50%甩負荷試驗，機組運行工況總煤量57 t/h，一次風量14.6萬m3/h，平均床溫846℃，省煤器出口煙氣氧量3.20%。試驗前120 s開始倒計時，將各給煤機的煤量降低至3～4 t/h，總煤量最低降至30 t/h(如圖3)，注意調(diào)整床溫，因一次風量接近臨界流化風量12.5萬m3/h，同時在實際運行過程中，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時經(jīng)嚴格篩分的初始床料，運行中一般保持在14.0萬m3/h以上，未對一次風量進行調(diào)整，二次風量僅作適度調(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%甩負荷試驗，機組運行工況總煤量127 t/h，一次風量33.2萬m3/h，二次風量40.9萬m3/h，平均床溫868℃，省煤器出口煙氣氧量2.47%。試驗前120 s開始倒計時，將各給煤機的煤量降低至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，一次風量調(diào)整至14.0萬m3/h，大于臨界流化風量，二次風量調(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

機組甩負荷時，蒸汽流量和燃料量均有大幅的調(diào)整，因為鍋爐熱慣性較強，不能采取煤粉爐甩負荷試驗時全關(guān)減溫水調(diào)門和電動門的方法，否則會造成汽溫的大幅升高。從圖7中可以看出，甩50%負荷時，主汽溫度波動幅度較小，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%負荷時，主汽溫度波動幅度較小，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個試驗均出現(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)門嚴禁打開，避免管道水擊事故的發(fā)生。而主汽因為有一定的流量，加之減溫水的調(diào)節(jié)，較易控制。

圖6 100%甩負荷時一二次風量的調(diào)整曲線Fig.6 Adjustment curves of primary and secondary air flow at 100%load rejection

圖7 50%甩負荷時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%甩負荷時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)流化床鍋爐甩負荷試驗時，合理利用其熱慣性大的特點，通過燃煤量的適當控制，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，達到了甩負荷試驗時不停爐的要求。同時，對床溫、爐膛差壓、氧量等重要參數(shù)甩負荷后的變化規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究分析，各主要參數(shù)均控制在允許范圍內(nèi)，機組恢復迅速，10～20 min即可恢復至試驗前的狀態(tài)，因此，試驗中采取的措施合理，控制得當，經(jīng)濟性能好，值得同類型機組甩負荷或者快速變負荷試驗時借鑒。

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