劉寶華，王福才，王文東

(遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限公司，遼寧 調(diào)兵山 112700)

火力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行方式?jīng)Q定著電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。CFB作為一種新型潔凈煤鍋爐燃燒技術(shù)，以其煤種適應(yīng)性廣、調(diào)峰能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。目前中國已是世界上CFB鍋爐臺數(shù)最多、容量最大和發(fā)展速度最快的國家，并向大型化方向迅速發(fā)展。大唐調(diào)兵山2×300 MW CFB機(jī)組新建工程每年燃用劣質(zhì)煤220萬t，其中煤矸石30萬t，減少二氧化硫年排放1 720 t，氮氧化物年排放1 016 t，明顯低于燃用常規(guī)煤粉鍋爐水平，煙塵排放濃度為11 mg/m3，遠(yuǎn)低于國家最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著國家電網(wǎng)智能化的發(fā)展，為保障電網(wǎng)電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定，并網(wǎng)機(jī)組必須投入AGC(遙調(diào)自動化)方式。由于調(diào)兵山電廠地處遼北內(nèi)蒙交界，歸屬東北電網(wǎng)，在AGC方式下機(jī)組負(fù)荷指令呈無規(guī)則的鋸齒波狀變化，即宏觀復(fù)雜的電網(wǎng)因素導(dǎo)致并網(wǎng)AGC機(jī)組負(fù)荷始終處于頻繁的動態(tài)變化調(diào)整狀態(tài)，違背了CFB機(jī)組的正常運(yùn)行特性，引發(fā)了CFB鍋爐回灰不暢、參數(shù)波動大、負(fù)荷響應(yīng)慢及爆管停爐等設(shè)備損壞事件發(fā)生，影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 設(shè)備概況

大唐調(diào)兵山2×300 MW新建工程是由上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的亞臨界、單鍋筒自然循環(huán)、中間一次再熱、水冷風(fēng)室褲衩腿狀CFB鍋爐，設(shè)計(jì)煤種為鐵法劣質(zhì)煙煤，汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、單軸雙缸雙排汽直接空冷凝汽式。DCS系統(tǒng)采用杭州和利時Hollias－Macsv的集成化系統(tǒng)，其先進(jìn)性在于分散的結(jié)構(gòu)和基于微處理器的控制，調(diào)節(jié)性能優(yōu)異[2]。近3年來經(jīng)過數(shù)百次AGC性能優(yōu)化提升試驗(yàn):2012年4月9日22:40～23:05，1號機(jī)組以2 MW/min速率響應(yīng)AGC的反復(fù)升降指令進(jìn)行優(yōu)化提升試驗(yàn)，該階段變負(fù)荷試驗(yàn)的主要參數(shù)變化情況如表1所示，AGC變負(fù)荷試驗(yàn)曲線如圖1所示。

機(jī)組優(yōu)化后，CCS及AGC控制系統(tǒng)在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，主汽壓力波動在可承受范圍內(nèi)。但進(jìn)行大幅度變負(fù)荷時變化率不能大于1.8 MW/min，當(dāng)前調(diào)整達(dá)最優(yōu)效果的AGC實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)速率僅為2 MW/min，與電網(wǎng) AGC考核 (不低于3 MW/min)指標(biāo)尚有較大差距，2011年調(diào)兵山電廠因AGC指標(biāo)被電網(wǎng)“三公”調(diào)度考核480余萬元，對生產(chǎn)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

表1 變負(fù)荷試驗(yàn)的主要參數(shù)變化

2 CFB與常規(guī)煤粉鍋爐負(fù)荷響應(yīng)速率差異分析

CFB燃燒技術(shù)是一種燃用低熱值劣質(zhì)煤的高效清潔燃燒技術(shù)，由于鍋爐結(jié)構(gòu)特殊，燃燒方式及原理與常規(guī)煤粉爐不同，存在著蓄熱慣性大、燃燒緩慢、負(fù)荷響應(yīng)速率慢等缺點(diǎn)[3]，導(dǎo)致CFB機(jī)組電網(wǎng)AGC負(fù)荷響應(yīng)方面與煤粉鍋爐機(jī)組有著本質(zhì)的區(qū)別，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

2.1 燃燒原理不同

常規(guī)煤粉鍋爐的燃煤流經(jīng)原煤斗→豎管→短距離皮帶式稱重計(jì)量給煤機(jī)→磨煤機(jī)，磨制成粒度為0.1～30 μm的精細(xì)煤粉，然后在高壓一次風(fēng)的攜帶下經(jīng)燃燒器快速噴入爐膛，煤粉與助燃一次、二次風(fēng)在爐膛內(nèi)強(qiáng)烈混擾、懸浮直接燃燒，經(jīng)幾秒鐘就完成燃料的燃燒過程。煤粉快速燃燒釋放大量熱量使煤粉爐爐膛中心溫度保持在1 300～1 500℃，燃燒后產(chǎn)生的灰分約有90%以細(xì)灰的形態(tài)隨煙氣一起掠過鍋爐的各級受熱面進(jìn)行換熱后離開鍋爐本體。煤粉爐的煤粉是靠煤粉氣流和炙熱的煙氣在強(qiáng)烈混合后所吸收的對流換熱，以及爐膛四壁和高溫火焰的輻射換熱來達(dá)到著火溫度的;熱煙氣與受熱面內(nèi)的工質(zhì)傳熱方式主要是對流換熱和高溫輻射換熱。鍋爐升降負(fù)荷時隨著煤量與風(fēng)量的增加，進(jìn)入爐內(nèi)的煤能夠迅速完全燃燒，爐內(nèi)熱負(fù)荷隨之迅速上升，降負(fù)荷時隨著煤量與風(fēng)量的減少，爐內(nèi)熱負(fù)荷迅速下降，負(fù)荷在短時間能夠達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，AGC方式控制升降負(fù)荷速率能達(dá)到10 MW/min，甚至更高[4]。

CFB鍋爐沒有煤粉鍋爐的制粉系統(tǒng)，取而代之的是利用輸煤系統(tǒng)中的粗、細(xì)碎煤機(jī)兩級破碎系統(tǒng)將燃煤直接細(xì)碎成粒徑在1～10 mm的煤粒后送到鍋爐原煤斗中[5]。CFB鍋爐啟動前在爐床內(nèi)預(yù)加大量惰性床料，利用風(fēng)道燃燒器內(nèi)的油槍燃燒放熱將床料逐漸加熱到投煤溫度，然后啟動三級給煤系統(tǒng);原煤斗→豎管→中心給煤機(jī)→長距離皮帶式稱重計(jì)量給煤機(jī)→長距離埋刮板給煤機(jī)→回料腿→爐膛主床，將粒徑為1～10 mm煤粒送入爐膛。入爐煤的粒度決定了CFB鍋爐燃燒不能在瞬間快速進(jìn)行，煤粒經(jīng)給煤機(jī)送入爐膛床內(nèi) (密相區(qū))，從床下進(jìn)入的熱一次風(fēng)將床層物料和煤粒充分流化，進(jìn)入爐膛的煤粒與大量炙熱床料發(fā)生強(qiáng)烈碰撞和換熱，被加熱到著火溫度后，析出揮發(fā)分，開始著火燃燒。大的顆粒在主床內(nèi)燃燒，細(xì)顆粒則隨著煙氣流向至爐膛上部 (稀相區(qū))繼續(xù)燃燒換熱，其中一部分細(xì)顆粒聚集成大的粒子團(tuán)在重力作用下順著四周水冷壁貼壁向下運(yùn)動，而爐膛中心相對較稀的氣—固相繼續(xù)向上運(yùn)動，形成一個強(qiáng)烈的大顆粒爐內(nèi)循環(huán)，相對更稀的氣—固相夾帶著大量未燃盡顆粒離開爐膛后，進(jìn)入旋風(fēng)分離器，將煙氣中夾帶的大部分物料顆粒分離出來，再經(jīng)回料裝置送回爐膛主床內(nèi)再次燃燒和利用，構(gòu)成了大的細(xì)物料爐外循環(huán)。煤粒進(jìn)入爐膛后由于單位時間內(nèi)新加入床內(nèi)的冷燃料只占床料的1%左右，為入爐煤燃燒提供了蓄熱量很大的熱源。煤粒燃燒所放出的熱量，其中一部分用來加熱床料，使床內(nèi)溫度始終保持在850～900℃的穩(wěn)定水平。CFB鍋爐的煤粒是靠與大量炙熱床料發(fā)生強(qiáng)烈的物理機(jī)械碰撞混合被加熱到著火溫度才開始進(jìn)行化學(xué)燃燒放出熱量的。研究表明，大量循環(huán)物料與受熱面內(nèi)工質(zhì)的傳熱方式主要是灰流貼壁熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行換熱。CFB燃料在爐內(nèi)停留時間較長，而且經(jīng)旋風(fēng)分離器篩選分離返料后循環(huán)燃燒，通常顆粒燃料在爐內(nèi)循環(huán)6次以上才能燃盡，而后的煙氣則同樣經(jīng)過鍋爐的各級受熱面進(jìn)行換熱后離開鍋爐本體。

CFB鍋爐運(yùn)行中床溫一般控制在850℃左右，進(jìn)入鍋爐的燃煤粒度為1～10 mm，鍋爐升負(fù)荷時煤進(jìn)入爐膛后須經(jīng)歷吸熱→揮發(fā)分析出→揮發(fā)分燃燒→煤粒爆裂→焦炭燃燒一系列過程后才能完全燃燒，升負(fù)荷過程初期負(fù)荷上升較慢，當(dāng)增加的煤開始著火后負(fù)荷會迅速上升，降負(fù)荷時由于爐內(nèi)有大量的炙熱床料，為了保證鍋爐流化正常，一次風(fēng)的減小幅度不能和煤量呈對應(yīng)關(guān)系，一次風(fēng)的減小幅度小于煤量，床溫略有降低，床料的蓄熱需要得到一定程度的釋放，所以負(fù)荷下降速度較慢。協(xié)調(diào)控制升負(fù)荷速率最大為1.5 MW/min或更低。

2.2 結(jié)構(gòu)不同

由于入爐煤粒度相對過粗會給CFB鍋爐帶來高循環(huán)倍率循環(huán)灰使受熱面磨損嚴(yán)重的缺點(diǎn)。為避免受熱面磨損，CFB鍋爐需在爐膛下部四周水冷壁表面、擴(kuò)展水冷屏、屏過下端表面及其空墻處周圍的水冷壁表面、屏再下端表面及其穿墻處周圍的水冷壁表面、分離器整個內(nèi)表面、料腿及回料裝置內(nèi)表面、分離器出口煙道內(nèi)表面、尾部對流煙道入口內(nèi)表面等主要磨損部位鋪設(shè)不同厚度的耐高溫耐磨澆注料。從結(jié)構(gòu)上，入爐煤燃燒釋放的熱量不僅要用來對金屬受熱面和煙氣進(jìn)行加熱，還要用來對爐膛內(nèi)的耐火材料、澆注料、爐頂平衡風(fēng)室、旋風(fēng)分離器、J閥回料裝置中的澆注料和床層物料進(jìn)行加熱[6]。由于澆注料熱傳導(dǎo)性較差，從安全角度考慮，爐膛內(nèi)大量循環(huán)物料的存在與大量高厚度澆注料的應(yīng)用導(dǎo)致了CFB鍋爐具有很大的蓄熱量，即CFB鍋爐有著較大的熱慣性，從而延長了熱量傳遞速度，導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷響應(yīng)速度較慢[7]。由于爐內(nèi)一直存在大量高溫循環(huán)物料，能夠低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒，從而決定了CFB鍋爐具有可以參與深度調(diào)峰的特性。

2.3 燃料不同

CFB鍋爐對燃料要求較低，入爐煤粒徑一般在1～10 mm，平均粒徑在2.5～5.5 mm，可燃用熱值不小于6 000 kJ/kg、揮發(fā)分較低的煤矸石等劣質(zhì)煤;煤粉爐則需要燃燒熱值至少為18 000 kJ/kg、揮發(fā)分較高的研磨至微米級的煤粉，對燃料的粒徑及熱值要求均較高。煤的揮發(fā)分、熱值、粒度決定了二者燃料燃燒反應(yīng)速度存在明顯差異，從而導(dǎo)致了CFB鍋爐負(fù)荷響應(yīng)速度較慢。

2.4 燃煤進(jìn)入爐膛速度不同

煤粉鍋爐的燃煤流經(jīng)原煤斗→豎管→皮帶式稱重給煤機(jī)→磨煤機(jī)，磨制成粒度約0.1～30 μm的細(xì)煤粉，然后經(jīng)燃燒器與助燃的二次風(fēng)熱空氣一起噴入爐膛，煤粉與助燃熱空氣在爐膛內(nèi)強(qiáng)烈混擾、懸浮直接燃燒，經(jīng)幾秒鐘就完成燃料的燃燒過程;CFB鍋爐采用三級給煤系統(tǒng):原煤斗→豎管→中心給煤機(jī)→長距離皮帶式稱重給煤機(jī)→長距離埋刮板給煤機(jī)→回料腿→爐膛主床，采用變頻方式將粒度為1～10 mm均勻煤粒送入爐膛，經(jīng)過計(jì)算需要120～300 s的入爐時間。

2.5 燃燒室溫度不同

爐膛內(nèi)溫度的高低對入爐煤燃燒起決定作用。煤粉爐爐膛中心溫度一般保持在1 600℃左右，能夠使燃燒快速進(jìn)行;CFB鍋爐運(yùn)行中床溫在850～900℃，入爐煤的燃燒速度比較緩慢。

2.6 燃燒風(fēng)量調(diào)整不同

煤粉鍋爐的一次風(fēng)量、風(fēng)速與煤量呈線性對應(yīng)關(guān)系，煤粉鍋爐升降負(fù)荷時隨著煤量與風(fēng)量的增加，進(jìn)入爐內(nèi)的煤能夠迅速完全燃燒，爐內(nèi)熱負(fù)荷隨之迅速上升，降負(fù)荷時隨著煤量與風(fēng)量的減少，爐內(nèi)熱負(fù)荷迅速下降，負(fù)荷在短時間能夠達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

CFB鍋爐為了保證鍋爐主床上的物料正常流化，一次風(fēng)的調(diào)整幅度不與煤量呈對應(yīng)關(guān)系，一次風(fēng)的調(diào)整范圍要遠(yuǎn)小于煤量。減小一次風(fēng)量，床溫略有升高，床料的蓄熱需要得到一定程度的釋放，所以機(jī)組負(fù)荷下降速度較慢。

2.7 傳熱方式不同

煤粉鍋爐的煤粉是靠煤粉氣流和炙熱的煙氣在強(qiáng)烈混合后所吸收的對流換熱，以及爐膛四壁和高溫火焰的輻射換熱來達(dá)到著火溫度的，熱煙氣與受熱面內(nèi)工質(zhì)的傳熱方式主要是對流換熱和高溫輻射換熱。常規(guī)煤粉爐的燃燒是強(qiáng)烈的氣態(tài)動力場快速燃燒傳熱過程。

CFB鍋爐的煤粒是靠與大量炙熱床料發(fā)生強(qiáng)烈物理機(jī)械碰撞混合被加熱到著火溫度才開始進(jìn)行化學(xué)燃燒放出熱量的，大量循環(huán)物料與受熱面內(nèi)的工質(zhì)的傳熱方式主要是靠灰流貼壁熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行換熱[8]。CFB鍋爐的燃燒是相對溫和的液態(tài)燃燒動力場熱傳導(dǎo)傳熱過程。

2.8 燃煤放熱次數(shù)不同

同質(zhì)量同熱值的燃煤在常規(guī)煤粉爐膛內(nèi)瞬間燃燒一次性釋放熱量;CFB鍋爐則需循環(huán)燃燒多次釋放熱量，單位時間內(nèi)受熱面蒸汽吸收熱量明顯不同，從而使負(fù)荷響應(yīng)速率有所差異。

3 結(jié)束語

由于CFB與常規(guī)煤粉鍋爐在燃燒原理、鍋爐結(jié)構(gòu)、燃料、燃煤進(jìn)入爐膛速度、燃燒室溫度、燃燒風(fēng)量調(diào)整、傳熱方式、燃煤放熱次數(shù)等方面存在著本質(zhì)的區(qū)別，使CFB機(jī)組達(dá)不到常規(guī)煤粉爐機(jī)組AGC控制系統(tǒng)的負(fù)荷響應(yīng)速度。如果按照常規(guī)煤粉爐機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率控制CFB鍋爐，就會對設(shè)備造成破壞。應(yīng)遵循CFB機(jī)組運(yùn)行規(guī)律，發(fā)揮其燃燒劣質(zhì)煤、可深度調(diào)峰的特點(diǎn)，盡量保證其帶基本負(fù)荷，不參與常規(guī)調(diào)峰，避免CFB鍋爐因電網(wǎng)宏觀復(fù)雜因素頻繁微調(diào)產(chǎn)生的不可逆負(fù)面結(jié)果，必要時可參與深度調(diào)峰，確保CFB機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)清潔能源的合理有效利用。

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