楊曉偉, 錢 名, 何曉峰, 衛(wèi)江鵬

(1.上海寶信軟件股份有限公司, 上海 201900; 2.上海寶景信息技術(shù)發(fā)展有限公司, 上海 201900)

大型鋼鐵企業(yè)在煉鋼和煉鐵生產(chǎn)工藝過程中會(huì)產(chǎn)生各種不同的中低熱值煤氣,為響應(yīng)節(jié)能減排和循環(huán)利用的需要,對(duì)于鋼鐵企業(yè)的中低熱值煤氣的綜合利用非常必要,其中余能發(fā)電是一個(gè)經(jīng)濟(jì)綠色、循環(huán)利用的好途徑[1]?！懊簹?發(fā)電”耦合工藝的燃?xì)鈾C(jī)組目前已成為大型鋼鐵企業(yè)中能源綜合利用的發(fā)展主流。基于燃?xì)鈾C(jī)組“電力”和“鋼鐵”的雙重背景,研究其整體性能特別是燃?xì)忮仩t的特征對(duì)推動(dòng)該領(lǐng)域高質(zhì)量的發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)及其特點(diǎn)

某鋼鐵企業(yè)各類中低熱值煤氣的消納遵循梯級(jí)使用的原則。圖1為該企業(yè)的主要煤氣管網(wǎng)及用戶示意圖。采用4座高爐?5臺(tái)發(fā)電機(jī)組?2座煤氣柜的模式,其中4座高爐日產(chǎn)高爐煤氣(Blast Furnace Gas,BFG)的60%～70%用于各工藝段的使用,剩余的30%～40%用于余能發(fā)電。該自備電廠總裝機(jī)容量1 550 MW,其中1#,2#,3#機(jī)組是350 MW的常規(guī)燃煤機(jī)組,摻燒BFG和焦?fàn)t煤氣(Coke Oven Gas,COG);0#機(jī)組為150 MW純燒BFG的燃?xì)廨啓C(jī);4#機(jī)組是350 MW純?nèi)細(xì)獬Ｒ?guī)模擬儀表機(jī)組,摻燒BFG,COG,天然氣(Natural Gas,NG),

COREX煤氣(COREX),輕油(Light Fuel Oil,LFO)。對(duì)于單機(jī)容量最大的燃?xì)鈾C(jī)組——4#機(jī)組而言,其消耗BFG和COG等煤氣的能力最強(qiáng),占比達(dá)到50%～70%以上。因此,該機(jī)組在整個(gè)能源管網(wǎng)系統(tǒng)不僅是最大的消耗者,更是擔(dān)當(dāng)調(diào)節(jié)平衡和維持整個(gè)能源管網(wǎng)穩(wěn)定的重大責(zé)任者,其重要性不言而喻。

圖1 某鋼鐵企業(yè)主要煤氣管網(wǎng)及用戶示意

以某大型鋼鐵企業(yè)為例,4#機(jī)組是世界上首臺(tái)可最大燃用1 031 km3/h標(biāo)準(zhǔn)流量高爐煤氣BFG的發(fā)電機(jī)組,國際上首臺(tái)BFG煤氣混燒的直流正壓爐,鍋爐本身是非傳統(tǒng)燃煤機(jī)組,用于燃燒多種大型鋼鐵企業(yè)各種工藝下產(chǎn)生的廢氣,所以其燃燒器本身也獨(dú)具特點(diǎn):

(1) 5種燃料,包括BFG,COG(僅上、下層布置),NG,COREX,LFO;

(2) 燃燒器,18個(gè)燃燒器分上、中、下3層,左右墻對(duì)沖布置;

(3) 正壓爐,設(shè)置2臺(tái)送風(fēng)機(jī),沒有引風(fēng)機(jī),風(fēng)壓控制要求精度更高;

(4) BFG增壓風(fēng)機(jī),3臺(tái)高、低速兩檔運(yùn)行,組合方式較多;

(5) 亞臨界直流爐,給水控制要求高;

(6) 旁路系統(tǒng),100%高旁+50%低旁設(shè)置,西門子汽輪機(jī)調(diào)節(jié)節(jié)流損失少,主汽壓力控制比一般機(jī)組高。

2 快速減負(fù)荷工況下的燃料切除方案研究

發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行過程中,難免會(huì)遇到發(fā)電機(jī)故障、輔機(jī)故障和電網(wǎng)故障。隨著火電機(jī)組自動(dòng)化程度的不斷提高,常規(guī)燃煤火電機(jī)組已經(jīng)擁有了一套通用成熟的應(yīng)對(duì)策略,如針對(duì)輔機(jī)故障制定快速減負(fù)荷(Runback,RB)功能,針對(duì)發(fā)電機(jī)故障有停機(jī)不停爐的0%快速甩負(fù)荷(Fast Cut Back,FCB)功能以及帶用電的孤島運(yùn)行的5%FCB功能[2]。對(duì)于類似4#機(jī)組這樣的燃?xì)鈾C(jī)組而言,如何有效應(yīng)對(duì)RB工況非常值得研究和探討。

為解決此問題,筆者采用如下方法:一是分析常規(guī)燃煤機(jī)組與燃?xì)鈾C(jī)組的異同點(diǎn);二是針對(duì)相同點(diǎn)借鑒成熟經(jīng)驗(yàn),針對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行分析探究以找尋合適的應(yīng)對(duì)方案;三是將兩者綜合,形成該機(jī)組應(yīng)對(duì)RB工況的方案。

2.1 常規(guī)燃煤機(jī)組與燃?xì)鈾C(jī)組的異同點(diǎn)

2.1.1 相同點(diǎn)

無論是常規(guī)燃煤機(jī)組還是燃?xì)鈾C(jī)組,其熱力循環(huán)過程和發(fā)電原理都是相同的,均是通過燃料在鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能,加熱工質(zhì)——水,使其成為高溫高壓的過熱蒸汽,通過沖擊汽輪機(jī)使得熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),切割勵(lì)磁裝置產(chǎn)生的交變磁場,從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。火力發(fā)電的熱力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換的過程如圖2所示。

圖2 火力發(fā)電熱力循環(huán)示意

2.1.2 異同點(diǎn)

(1) 燃料本身屬性不同。就物理屬性而言,煤屬于固體,其發(fā)熱過程較長,燃燒充分性較氣體燃料差,但是發(fā)熱量穩(wěn)定、持續(xù);氣體燃料屬于氣體,燃燒迅速充分,發(fā)熱過程快,釋放能量較之煤粉要快,但發(fā)熱量有波動(dòng)。

在熱力特性分析方面,高爐煤氣的發(fā)熱量只有3.066 MJ/m3,不到煤粉發(fā)熱量(24.040 MJ/kg)的1/8,高爐煤氣經(jīng)過預(yù)熱之后的理論燃燒溫度也只有1 300～l 450 ℃,較低的理論燃燒溫度使?fàn)t內(nèi)溫度水平降低。表1和表2分別為煤和高爐煤氣的成分分析。

表1 煤的元素分析和工業(yè)分析 %

表2 高爐煤氣的成分分析 %

(2) 針對(duì)不同的燃料,其配置的輔機(jī)也有所不同。對(duì)于燃煤機(jī)組,從煤的運(yùn)輸、分配、碾磨、粉煤輸送、燃燒產(chǎn)物處理等一系列處理過程的配套設(shè)備相當(dāng)繁多,如輸煤系統(tǒng)、給煤機(jī)、磨煤機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等,以及后續(xù)配套的灰渣系統(tǒng)、電除塵、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)等輔助設(shè)備。對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)組而言,因燃料是氣體,輸送相對(duì)簡單,只需風(fēng)機(jī)增壓達(dá)到爐膛燃燒所需壓力即可。同時(shí),由于大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的可燃性氣體的燃燒產(chǎn)物主要為H2O,CO2,N2等,不存在除塵、脫硫、脫硝等后續(xù)處理工藝。

2.2 燃?xì)鈾C(jī)組RB過程中燃料控制策略

4#機(jī)組有5種燃料,為了方便處理,采用二分法,將5種燃料根據(jù)功能和作用分成主燃料和副燃料進(jìn)行區(qū)分處理。針對(duì)4#機(jī)組燃燒器分布的特點(diǎn),考慮燃料切除后鍋爐穩(wěn)燃的要求,以及火焰中心盡量靠上,有利于汽溫汽壓的原則,在快速減負(fù)荷過程中燃料控制的總原則確定為:主減副從,先下后上,對(duì)角順序,間隔切除。

2.2.1 主燃料控制策略

一是燃料切除個(gè)數(shù)的確定。對(duì)于BFG燃燒器而言,穩(wěn)定燃燒對(duì)應(yīng)一定的熱負(fù)荷值。表3是單個(gè)BFG燃燒器的各種熱負(fù)荷限值。

表3 單個(gè)BFG燃燒器的各種熱負(fù)荷限值 MW

由表3可以看出,單個(gè)BFG燃燒器的穩(wěn)定燃燒區(qū)間為22～54 MW,考慮燃燒器穩(wěn)定燃燒的要求,控制燃燒器的熱負(fù)荷在25～45 MW。考慮鍋爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定,防止劇烈工況下擾動(dòng)因素的影響,保證FCB發(fā)生時(shí)鍋爐能保持在直流狀態(tài),此時(shí),要求鍋爐至少需帶40%左右的負(fù)荷,對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷為350～380 MW。在滿足最佳熱負(fù)荷區(qū)間前提下保留的燃燒器個(gè)數(shù)多一些有利于機(jī)組的穩(wěn)定(萬一低負(fù)荷情況下跳了幾個(gè)燃燒器,其熱負(fù)荷平攤至其他燃燒器時(shí),不至于引起其他燃燒器熱負(fù)荷過高報(bào)警乃至脫扣)。取單個(gè)BFG燃燒器的熱負(fù)荷值控制在30 MW為宜,這樣FCB后保留的主燃料BFG燃燒器個(gè)數(shù)可以通過計(jì)算得出:(350～380)÷33=(10.6～11.5),取整為11。設(shè)切除BFG燃燒器的個(gè)數(shù)為a:RB發(fā)生前機(jī)組對(duì)應(yīng)負(fù)荷下的在用BFG燃燒器個(gè)數(shù)為b,取值范圍為11～18個(gè),可通過以下公式計(jì)算得出:a=b-11(a,b∈N)。

二是燃料切除方式及順序的確定。了解了主燃燒BFG燃燒器切除的個(gè)數(shù),明白了判斷在用BFG燃燒器的方法,知道了BFG燃燒器的布置情況,就可以確定BFG燃燒器的切除方式及切除順序?？紤]燃?xì)鈾C(jī)組對(duì)于鍋爐爐膛壓力的控制精度要高于常規(guī)燃煤機(jī)組,而且某鋼鐵企業(yè)電廠4#機(jī)組為罕見的正壓爐,只有送風(fēng)機(jī)沒有設(shè)置吸風(fēng)機(jī),BFG氣體燃燒器切除的過程本身就是對(duì)爐膛壓力的一次沖擊。

基于此,否定了“層切”和“同時(shí)一組對(duì)切”的方案,確定采用逐個(gè)切除BFG燃燒器的方式,將擾動(dòng)降至最低。至于BFG燃燒器切除順序,考慮鍋爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定、通風(fēng)均勻、火焰中心在FCB后盡量靠上有利于汽溫汽壓的原則,采用對(duì)稱原則,對(duì)角逐個(gè)自下而上依次切除,具體順序?yàn)?11(下層左前)—14(下層右后)—13(下層右前)—16(下層左前)—12(下層左中)—15(下層右中)—21(中層左前)。

三是主燃料BFG燃燒器切除時(shí)間間隔的確定。主燃料BFG燃燒器切除時(shí)間間隔需要與機(jī)組減負(fù)荷速率對(duì)應(yīng)起來,因?yàn)橹袑雍蜕蠈拥腂FG燃燒器在FCB工況下是投入自動(dòng)的,是受鍋爐總?cè)剂现噶羁刂频腫3]。

鍋爐主控(Boiler Master,BM)指令對(duì)應(yīng)機(jī)組負(fù)荷以固定的斜率直線遞減,BM實(shí)際值因BFG燃燒器切除緣故呈鋸齒形遞減。切除時(shí)間間隔太短,即燃料切除太快,切除過程中造成BM實(shí)際值比BM設(shè)定值越來越小,偏差過大會(huì)導(dǎo)致在用且投入自動(dòng)的BFG燃燒器切手動(dòng),喪失調(diào)節(jié)能力而停爐。在偏差允許范圍內(nèi)也會(huì)引起其余在用且投入自動(dòng)的BFG燃燒器增加燃料,相應(yīng)的單個(gè)BFG燃燒器的風(fēng)量也會(huì)增加,導(dǎo)致爐膛壓力波動(dòng)大,鍋爐燃燒不穩(wěn)定,同時(shí)也有可能造成單個(gè)BFG燃燒器熱負(fù)荷過高而脫扣,其損失熱負(fù)荷再平攤至其他燃燒器,有可能造成連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致鍋爐主燃燒跳閘(Main Fuel Trip,MFT),FCB失敗。

切除時(shí)間間隔太長,即燃料切除太慢,切除過程中造成BM實(shí)際值比BM設(shè)定值越來越大,偏差過大會(huì)導(dǎo)致在用且投入自動(dòng)的BFG燃燒器切手動(dòng),喪失調(diào)節(jié)能力而停爐。在偏差允許范圍內(nèi)也會(huì)引起其余在用且投入自動(dòng)的BFG燃燒器減少燃料,相應(yīng)的單個(gè)BFG燃燒器的風(fēng)量也會(huì)減少,導(dǎo)致爐膛壓力波動(dòng)大,鍋爐燃燒不穩(wěn)定,甚至有回火的可能,從而影響設(shè)備安全;同時(shí)也有可能造成單個(gè)BFG燃燒器熱負(fù)荷過低而脫扣,FCB失敗。

根據(jù)上述分析可知,切除時(shí)間太快和太慢對(duì)機(jī)組在FCB工況下都是不利的。理想的切除間隔時(shí)間應(yīng)與機(jī)組負(fù)荷遞減的速率相匹配,經(jīng)過理論熱值遞減計(jì)算,設(shè)置為10 s較為合理。

圖3為燃燒器切除邏輯。

圖3 燃燒器切除邏輯

2.2.2 副燃料控制策略

根據(jù)4種副燃料的使用量和利用情況,筆者認(rèn)為在FCB工況下沒有必要實(shí)施復(fù)雜的控制策略。根據(jù)二分法的原則,首先,對(duì)于4種副燃料(LFO,COG,NG,COREX)在某鋼鐵企業(yè)電廠4#機(jī)組中的使用情況和作用進(jìn)行辨識(shí),結(jié)果如表4所示。

表4 4種副燃料使用情況

由表4不難看出,4種副燃料對(duì)于4#機(jī)組而言屬于非常規(guī)性穩(wěn)定燃料。根據(jù)二分法原則,可對(duì)副燃料進(jìn)行簡化控制。在滿足機(jī)組最低穩(wěn)定燃燒的條件下,如果發(fā)生FCB工況時(shí),副燃料應(yīng)該盡量減少對(duì)主燃料的擾動(dòng),考慮副燃料使用本就不多,確定大原則為副燃料只減燃料不切燃燒器,以保證爐膛壓力、風(fēng)煙系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)的穩(wěn)定。副燃料在送風(fēng)機(jī)、給水泵RB工況中,遵循只減燃料不切燃燒器的原則,具體如下。

(1) LFO標(biāo)準(zhǔn)流量大于4 t/h,按DCS內(nèi)置設(shè)定值控制,目標(biāo)值為3 t/h。

(2) COG標(biāo)準(zhǔn)流量大于5 km3/h,按DCS內(nèi)置定值控制,目標(biāo)值為4 km3/h。

(3) NG標(biāo)準(zhǔn)流量大于6 km3/h,按DCS內(nèi)置定值控制,目標(biāo)值為5 km3/h。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

綜合上述主、副燃料應(yīng)對(duì)RB工況的控制策略,就可以得到4#機(jī)組應(yīng)對(duì)RB的燃料切除方案。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中,經(jīng)常會(huì)碰到機(jī)組RB和FCB等工況,以及燃料能否有效合理匹配機(jī)組負(fù)荷下降速率的情況。圖4為4#機(jī)組一次送風(fēng)機(jī)RB實(shí)動(dòng)過程中燃料切除動(dòng)作過程,圖5為4#機(jī)組BFG增壓風(fēng)機(jī)三低切二低RB實(shí)動(dòng)過程中燃料切除動(dòng)作過程。

圖4 某次送風(fēng)機(jī)RB過程燃燒器切除實(shí)動(dòng)記錄

圖5 某次BFG增壓風(fēng)機(jī)三低切二低RB過程燃燒器切除實(shí)動(dòng)記錄

由圖4和圖5可以看出,燃燒器按照預(yù)設(shè)的動(dòng)作順序和間隔時(shí)間正確動(dòng)作,整個(gè)燃料切除過程中BFG總量平穩(wěn)有序減少,最終達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,由此驗(yàn)證了該燃料切除方案的有效性和可行性。

4 結(jié) 語

本文采用類比法分析了常規(guī)燃煤機(jī)組與燃?xì)?/p>

機(jī)組的異同點(diǎn),重點(diǎn)圍繞兩者最大的不同點(diǎn)——燃料展開分析研究。從燃料特性和機(jī)組特點(diǎn)出發(fā),著重研究機(jī)組發(fā)生RB和FCB等工況下,如何有效和合理地進(jìn)行燃料切除,探索出一套適用鋼廠自備電廠燃?xì)鈾C(jī)組獨(dú)特的燃料切除方案,并在工程實(shí)踐中加以驗(yàn)證。通過各種不同工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù),不斷修正和優(yōu)化參數(shù),獲得了一套行之有效的應(yīng)對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組故障的燃料切除方案,為鋼鐵企業(yè)同類型機(jī)組的應(yīng)用起到了很好的示范作用。后續(xù)還有類似風(fēng)煙系統(tǒng)配合、氧量控制和機(jī)爐協(xié)調(diào)方面的工作需要進(jìn)一步完善,最終完成對(duì)整個(gè)燃?xì)鈾C(jī)組整體全程自動(dòng)化、機(jī)組可靠性和系統(tǒng)煤氣平衡的應(yīng)對(duì)方案,更有力地保障燃?xì)鈾C(jī)組在鋼鐵全流程系統(tǒng)中作為“煤氣終端消納者”的角色。