整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術(shù)是目前國(guó)際公認(rèn)的最高效潔凈的煤基發(fā)電技術(shù)，華能天津IGCC示范項(xiàng)目是世界上第六座IGCC電站，該項(xiàng)目以國(guó)家十一五“863計(jì)劃”重大課題為依托，現(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行6年多，并于2018年9月26日創(chuàng)造IGCC機(jī)組連續(xù)運(yùn)行世界紀(jì)錄，為中國(guó)電力環(huán)保事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。IGCC電站主要包括空分島、化工島和動(dòng)力島三大單元，由空分島空氣分離產(chǎn)生的純氧進(jìn)入化工島用于氣化爐燃燒反應(yīng)，氣化爐煤與氧氣燃燒反映生成合成氣后進(jìn)入除灰脫硫凈化系統(tǒng)，凈化后的干凈合成氣進(jìn)入動(dòng)力島低熱值燃機(jī)燃燒發(fā)電，燃機(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電（圖1）[1]。

圖1 天津IGCC電站工藝流程圖

天津IGCC機(jī)組自2015年投入?yún)f(xié)調(diào)控制以來，一直存在燃機(jī)機(jī)前合成氣壓力及熱值波動(dòng)問題，造成機(jī)組協(xié)調(diào)控制穩(wěn)態(tài)誤差偏大，經(jīng)分析認(rèn)為，在氣化爐產(chǎn)生合成氣后進(jìn)入除灰系統(tǒng)后，由于除灰系統(tǒng)在下灰時(shí)會(huì)有高壓氮?dú)馀c灰的置換，將會(huì)使得大量氮?dú)獯牒铣蓺夤芫W(wǎng)，造成合成氣壓力及熱值波動(dòng)，進(jìn)一步影響了動(dòng)力島燃機(jī)的負(fù)荷調(diào)整，從而影響整個(gè)機(jī)組協(xié)調(diào)控制的控制指標(biāo)，本文針對(duì)除灰系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，并提出解決方案，經(jīng)試驗(yàn)可基本根除除灰系統(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響。

1 氣化爐及除灰系統(tǒng)工藝流程介紹

華能天津IGCC電站氣化爐裝置是華能自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二段式干粉加壓氣化爐，煤粉在氣化爐內(nèi)與氧氣、蒸汽經(jīng)過高溫燃燒后生成具有一定熱值的合成氣，合成氣的主要成分是CO、H2，其主要反應(yīng)式為[2-3]：4C+3O2→2CO2+2CO，3C+2O2→CO2+2CO，C+CO2→2CO，C+H2O →2CO +H2。由氣化爐產(chǎn)生的粗合成氣進(jìn)入除灰系統(tǒng)，先后通過A、B 兩個(gè)系列進(jìn)行干法除塵，其中A系列采用旋風(fēng)除塵器進(jìn)行除灰，B系列采用陶瓷過濾器進(jìn)行除灰，因A系列除灰量較大，對(duì)系統(tǒng)影響最大，因此本文僅以A系列為研究對(duì)象進(jìn)行說明（圖2）。

由圖2和圖3可知，合成氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器后，將合成氣與灰進(jìn)行分離，分離出來的灰被飛灰收集罐V-3501A 收集，定時(shí)啟動(dòng)下料程序，下料順控流程分為充壓和下料兩個(gè)步驟：首先采用高壓氮?dú)鈱?duì)飛灰放料罐V-3502A 進(jìn)行充壓，通過監(jiān)視飛灰收集罐與飛灰放料罐的差壓測(cè)點(diǎn)35PDI0108判斷飛灰放料罐壓力是否與飛灰收集罐一致，當(dāng)差壓測(cè)點(diǎn)35PDI0108≥0KPa時(shí)，關(guān)閉氮?dú)獬鋲洪y35XV0113停止充壓，然后開啟35XV0102和35XV0103連通閥，最后開啟35XV0109和35XV0108平衡閥進(jìn)行均壓下灰，下灰時(shí)高壓氮?dú)馔ㄟ^平衡管線由飛灰放料罐進(jìn)入飛灰收集罐，飛灰收集罐中的灰通過連通閥進(jìn)入飛灰放料罐中，高壓氮?dú)馀c灰的等量置換完成飛灰下料。

圖2 氣化爐除灰系統(tǒng)A系列工藝圖

2 問題分析與解決措施

2.1 問題分析

在除灰系統(tǒng)執(zhí)行下灰期間，均壓下料時(shí)使得高壓氮?dú)馑查g進(jìn)入飛灰收集罐后，通過收集罐頂部進(jìn)入合成氣管網(wǎng)，引起合成氣組分變化、熱值降低的問題，同時(shí)引起合成氣壓力短暫升高，由于天津IGCC機(jī)組采用“機(jī)跟爐”協(xié)調(diào)控制方式（圖4）[4-5]，即以氣化爐為負(fù)荷主控，燃機(jī)通過調(diào)整負(fù)荷維持機(jī)前合成氣壓力在2.5MPa，故燃機(jī)負(fù)荷將會(huì)受機(jī)前合成氣壓力影響而出現(xiàn)協(xié)調(diào)指令先升后降的現(xiàn)象，加之合成氣熱值降低會(huì)開大燃料調(diào)閥以維持燃機(jī)負(fù)荷，燃料調(diào)閥的開大將造成機(jī)前壓力下降過快，為了維持機(jī)前合成氣壓力，燃機(jī)負(fù)荷指令在協(xié)調(diào)控制作用下逐漸下降，直至機(jī)前壓力恢復(fù)至2.5MPa，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行曲線觀察，燃機(jī)負(fù)荷將會(huì)往下波動(dòng)10～15MW，嚴(yán)重影響機(jī)組控制的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，尤其冬季工況下，機(jī)組負(fù)荷較低的情況下，對(duì)燃機(jī)在合成氣工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性有較大影響，2018年11月曾因燃機(jī)在合成氣工況下受除灰系統(tǒng)影響，造成燃機(jī)低負(fù)荷下燃燒室哼鳴增加，燃機(jī)被迫切至燃油模式，燃料切換過程中觸發(fā)負(fù)荷低停機(jī)保護(hù)。

圖4 天津IGCC機(jī)組協(xié)調(diào)控制原理圖

由圖4可知，該種協(xié)調(diào)控制方式受燃機(jī)機(jī)前合成氣壓力影響較大，同時(shí)通過對(duì)除灰系統(tǒng)A/B 兩個(gè)系列整體工藝流程分析，認(rèn)為下料順控存在不合理之處，飛灰放料罐充壓結(jié)束時(shí)機(jī)選擇不妥，當(dāng)飛灰收集罐與飛灰放料罐差壓測(cè)點(diǎn)35PDI0108為0時(shí)才關(guān)閉充壓閥，由于管道存在一定容積，加上閥門關(guān)閉需要時(shí)間，最終會(huì)導(dǎo)致飛灰放料罐壓力高于飛灰收集罐，在均壓時(shí)會(huì)造成多余的高壓氮?dú)獯腼w灰收集罐，繼而進(jìn)入合成氣管網(wǎng)，加重對(duì)合成氣組分及熱值的影響。

當(dāng)除灰系統(tǒng)開始連通放料時(shí)，由于合成氣壓力向下波動(dòng)較大，導(dǎo)致燃機(jī)負(fù)荷持續(xù)下調(diào)，在機(jī)組總負(fù)荷指令不變的情況下，機(jī)組實(shí)發(fā)總負(fù)荷與指令偏差最大可達(dá)15MW，主要負(fù)荷波動(dòng)由燃機(jī)引起，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 解決措施

2.2.1 除灰系統(tǒng)下料順控優(yōu)化

針對(duì)A系列下料過程中存在的問題，通過調(diào)整充壓閥關(guān)閉條件，降低差壓測(cè)點(diǎn)報(bào)警值，采用提前關(guān)閉充壓閥的方式達(dá)到均衡兩罐壓力的目的，經(jīng)過多次調(diào)整差壓測(cè)點(diǎn)報(bào)警值，最終定為差壓測(cè)點(diǎn)35PDI0108≥-10KPa時(shí)提前關(guān)閉充壓閥，最終在均壓之前使得兩罐壓力基本一致，減少了串入合成氣管網(wǎng)的氮?dú)饬?，減緩了對(duì)合成氣壓力及熱值的影響。

2.2.2 機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化

除灰系統(tǒng)固有的工藝特性造成對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響，若進(jìn)行設(shè)備改造將會(huì)花費(fèi)大量資金及時(shí)間，增加機(jī)組運(yùn)營(yíng)成本，因此考慮通過優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略達(dá)到減弱或者徹底消除下料過程對(duì)機(jī)組負(fù)荷的影響，這樣做既可以節(jié)省設(shè)備改造資金，又能降低機(jī)組運(yùn)營(yíng)成本。

常見的IGCC機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式為：“機(jī)跟爐”模式和“爐跟機(jī)”模式，在“機(jī)跟爐”協(xié)調(diào)模式下，由氣化爐負(fù)責(zé)機(jī)組負(fù)荷主控，燃機(jī)跟隨機(jī)前壓力控制，該種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是解決了氣化爐控制的大延遲性，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較好，缺點(diǎn)是機(jī)組負(fù)荷跟隨AGC 中調(diào)指令較慢，調(diào)節(jié)指標(biāo)較差；在“爐跟機(jī)”協(xié)調(diào)模式下，由燃機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)組負(fù)荷主控，氣化爐控制燃機(jī)機(jī)前合成氣壓力，該種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)荷控制偏差小，負(fù)荷變化響應(yīng)較快，缺點(diǎn)是由于氣化環(huán)節(jié)的大延遲性，從氣化爐提負(fù)荷到反應(yīng)在燃機(jī)機(jī)前壓力的變化時(shí)間大概在20分鐘左右，因此在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過快時(shí)，極易造成燃機(jī)機(jī)前壓力過低，將會(huì)影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。

天津IGCC機(jī)組在“機(jī)跟爐”協(xié)調(diào)控制方式下，燃機(jī)負(fù)荷控制環(huán)節(jié)受合成氣壓力及熱值波動(dòng)影響較大，為消除除灰系統(tǒng)下料階段對(duì)燃機(jī)負(fù)荷的影響，對(duì)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略中的氣化爐負(fù)荷偏差控制及燃機(jī)壓力控制策略進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化思路為：當(dāng)氣化爐除灰系統(tǒng)A系列觸發(fā)下料順控時(shí)，在20分鐘之內(nèi)氣化爐負(fù)荷閉鎖減，并根據(jù)燃機(jī)機(jī)前合成氣壓力變化調(diào)整氣化爐負(fù)荷，維持合成氣壓力不低于2.5MPa，同時(shí)記憶下料順控開始前參與燃機(jī)負(fù)荷控制的合成氣熱值及密度值，燃機(jī)通過合成氣滑壓控制方式使機(jī)前合成氣壓力設(shè)定值跟隨當(dāng)前值以維持燃機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，當(dāng)燃機(jī)機(jī)前合成氣壓力低于2.4MPa時(shí)，通過降低燃機(jī)負(fù)荷來回拉機(jī)前壓力，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，相當(dāng)于在除灰系統(tǒng)下料期間，機(jī)組協(xié)調(diào)模式由“機(jī)跟爐”模式切至“爐跟機(jī)”模式，待閉鎖時(shí)間20分鐘到且合成氣熱值恢復(fù)至閉鎖前記憶值，合成氣壓力回至2.49MPa 以上時(shí)，解除氣化爐負(fù)荷閉鎖，燃機(jī)回切至定壓2.5MPa 模式，機(jī)組協(xié)調(diào)控制恢復(fù)“機(jī)跟爐”模式，優(yōu)化后可在除灰系統(tǒng)下料期間，通過消耗掉一定管容的合成氣來達(dá)到穩(wěn)定負(fù)荷的目的，通過氣化爐負(fù)荷閉鎖減可維持燃機(jī)機(jī)前壓力在2.4MPa 以上，基本可以做到消除除灰系統(tǒng)下料期間對(duì)機(jī)組負(fù)荷的擾動(dòng)影響，優(yōu)化后的具體控制策略如下所述。

圖5 氣化爐負(fù)荷偏差控制策略

圖6 氣化負(fù)荷偏差控制設(shè)定值偏置函數(shù)F3(X)擬合曲線

圖5中設(shè)定值偏置函數(shù)F3(X)函數(shù)擬合曲線如圖6所示。由圖5、6可知，通過設(shè)定值偏差函數(shù)F3(X)，可實(shí)現(xiàn)氣化爐負(fù)荷在除灰系統(tǒng)下料期間的負(fù)荷閉鎖及壓力跟蹤控制功能，一旦機(jī)前壓力低于2.5MPa，氣化爐負(fù)荷隨即進(jìn)行調(diào)整來減緩燃機(jī)機(jī)前壓力下降速度。

圖7中設(shè)定值偏置函數(shù)F2（X)函數(shù)擬合曲線如圖8所示。由圖7、8可知，通過帶死區(qū)限制的滑壓控制，可保證合成氣壓力在2.4～2.6MPa 區(qū)間內(nèi)維持燃機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，同時(shí)也可避免過度吃掉管容合成氣引起的燃機(jī)機(jī)前壓力過低現(xiàn)象，兼顧了機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定與運(yùn)行穩(wěn)定。采取優(yōu)化除灰系統(tǒng)A系列下料順控以及機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略措施后，經(jīng)試驗(yàn)證明，優(yōu)化措施得當(dāng)且效果明顯，在除灰系統(tǒng)下料期間機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)由優(yōu)化前的最大15MW 減小到3MW 以內(nèi)，當(dāng)連通開始時(shí)閉鎖氣化爐負(fù)荷控制回路及燃機(jī)壓力控制回路，當(dāng)合成氣壓力低于2.5MPa時(shí)氣化爐壓力拉回回路作用，提升氣化爐負(fù)荷，使得在維持燃機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定的同時(shí)，持續(xù)增加合成氣產(chǎn)量，迅速拉回合成氣壓力，經(jīng)試驗(yàn)，合成氣壓力最低低至2.4MPa，完全滿足燃機(jī)運(yùn)行需求，當(dāng)合成氣壓力回升至2.49MPa以上時(shí)，解除氣化爐及燃機(jī)控制回路閉鎖，機(jī)組恢復(fù)“機(jī)跟爐”協(xié)調(diào)控制模式，優(yōu)化方案的成功實(shí)施既保證了機(jī)組運(yùn)行安全性，又大大提高了機(jī)組冬季工況的穩(wěn)定運(yùn)行能力，同時(shí)減少機(jī)組AGC 控制在K2值指標(biāo)的考核，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖7 優(yōu)化后燃機(jī)壓力主控邏輯圖

圖8 燃機(jī)壓力控制設(shè)定值偏置函數(shù)F2(X)擬合曲線