大型循環流化床鍋爐超臨界化技術與控制難點分析

常太華，徐浩，高明明

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 102206)

0 引言

我國的能源生產和消費結構是以煤為主、多能互補的體系。目前，煤炭在一次能源中的比例約為75%，預計到2050年，煤炭比例還將占58%左右。在今后相當長的一段時間內，煤炭在我國一次能源結構中的主導地位不會改變。因此，開發推廣能源轉化率高、污染物排放低的潔凈煤發電技術是我國電力行業的必然選擇。

1 循環流化床鍋爐及超臨界技術

循環流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)技術已經成為目前實用化最成功的潔凈煤燃燒技術之一，具有氮氧化物排放低、可實現燃燒過程中直接脫硫、燃料適應性廣、燃燒效率高和負荷調節范圍大等優勢，已成為當前煤炭潔凈燃燒的首選爐型。我國已經成為世界上CFB鍋爐臺數最多、總裝機容量最大和發展速度最快的國家。截至2010年年底，我國共有CFB鍋爐約3 000臺，裝機容量達72 870 MW，約占我國火電總裝機容量的12.1%［1］。在當前電力行業所面臨的節能減排的巨大壓力之下，大容量、高參數成為CFB鍋爐發展的必由之路。

超臨界鍋爐是指主蒸汽壓力超過臨界壓力22.115 MPa的鍋爐，大容量超臨界煤粉(PC)鍋爐主蒸汽壓力一般為24.5 MPa左右，甚至更高。目前，超臨界機組的熱效率可達45% ～47%，比亞臨界參數的機組熱效率提高2.0% ～2.5%。新建超超臨界機組的供電煤耗約為290 g/(kW·h)，甚至更低，而亞臨界CFB鍋爐機組的供電煤耗為340～400 g/(kW·h)。因此，CFB鍋爐必須堅持參數超臨界化的發展方向，才能與先進PC鍋爐機組在節能方面開展競爭。把CFB鍋爐特有的低排放優勢與超臨界蒸汽循環技術相結合，以更好地實現節能減排目標。

2 CFB超臨界化的優勢

2.1 成本和排放

作為下一代CFB鍋爐技術，與傳統的CFB鍋爐和目前廣泛應用的PC鍋爐相比較，超臨界CFB鍋爐具有成本優勢和低污染物排放優勢。

與目前最為常見的超(超)臨界PC鍋爐+PC鍋爐尾部煙氣脫硫(FGC)相比，超臨界CFB鍋爐與其建設投資相當，然而超臨界CFB鍋爐可以非常方便地實現爐內燃燒脫硫，使其脫硫成本僅相當于前者的50%。整體煤氣化聯合循環IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)技術也是一種較有發展前景的清潔煤燃燒技術，但在設備的復雜性、可靠性、投資成本及電力工業易于接受和掌握的程度等方面都不及超臨界CFB鍋爐［2］。

此外，由于CFB鍋爐采用低溫分級燃燒方式，使其具有天然低NOx排放的特點，在不需要采用其他技術措施的情況下，超臨界CFB鍋爐的NOx排放質量濃度都將在200 mg/m3以下。在四川白馬循環流化床示范電站有限公司的2次考核試驗中，NOx排放質量濃度分別達到84.80和90.74mg/m3，目前實際運行中NOx排放質量濃度在102 mg/m3以內，這充分體現了 CFB鍋爐燃燒溫度低，NOx生成量少的優越性。而目前應用于PC鍋爐的各種低NOx燃燒技術，都難以達到該排放標準。1 000 MW超超臨界鍋爐在華能玉環電廠的運行實踐表明［3］:鍋爐NOx排放質量濃度在300 mg/m3以下，最低可實現200 mg/m3以下的排放質量濃度，依舊高于CFB鍋爐的排放水平。

傳統PC鍋爐受到排煙酸露點溫度的限制，排煙溫度較高［4］(一般為110～160℃)，這樣就使得排煙損失成為電站鍋爐熱損失中最大的一個方面。CFB鍋爐采用爐內脫硫的燃燒方式，因此，其所排放煙氣中SOx的質量濃度大大降低。有文獻指出，CFB鍋爐所排放煙氣中SO3的質量濃度不足25 mg/m3，這樣低質量濃度的SO3排放必將使排煙酸露點溫度大大降低，從而使CFB鍋爐排煙溫度降低到100℃以下成為可能，為開展煙氣余熱利用提供了條件，其直接結果就是CFB鍋爐效率將提高2%以上，節能效果非常明顯。

2.2 技術特點

以超臨界蒸汽參數運行的鍋爐必須采用直流鍋爐。CFB鍋爐自身的技術優點，特別適合于將超臨界直流鍋爐技術與CFB鍋爐燃燒相結合。

在超臨界直流鍋爐循環中，水冷壁部件的冷卻能力是關鍵點之一。目前，直流鍋爐蒸發受熱面所面臨的主要安全問題有2方面:一是要最大限度地降低管壁溫度的峰值，避免偏離核態沸騰而爆管;二是要限制相鄰水冷壁管的溫差，防止由于熱應力而導致水冷壁管斷裂。在超臨界PC鍋爐中，由于爐膛燃燒比較集中，熱負荷分布不均，工質的熱偏差較大，再加上工質溫度較高，因此，對水冷壁管道提出了很高的要求。而CFB鍋爐爐膛內的溫度(850～900℃且沿爐高分布均一)和爐內截面熱負荷(約3.5 MW/m2)比PC鍋爐低得多，爐內熱流密度也低于PC鍋爐，這就大大降低了對水冷壁冷卻能力的要求。PC鍋爐和CFB鍋爐的熱流密度對比如圖1所示。

CFB鍋爐的熱流密度在爐膛底部最大，隨爐膛高度的升高逐漸減小，這個特性對于保護水冷壁有重要意義，即CFB鍋爐爐膛內高熱流密度區域剛好與工質溫度最低的爐膛下部區域相吻合，非常有利于水冷壁金屬溫度的控制，有效克服了常規PC鍋爐爐膛內熱流密度峰值出現在工質溫度較高的爐膛中上部區域的矛盾。

CFB鍋爐爐內的低溫燃燒使得爐膛內的溫度低于一般煤灰的灰熔點，此外，爐膛內固體顆粒濃度較高。由于灰顆粒的沖刷而使水冷壁較為清潔，因此，水冷壁上基本無積灰和結渣，這就保證了水冷壁的吸熱能力和安全。

圖1 CFB鍋爐與PC鍋爐爐內熱流密度比較

CFB鍋爐還有一個很大的特點就是鍋爐內有大量的床料，床料由惰性的灼熱灰渣構成，其中添加有脫硫劑。床料量一般為給煤量的數十倍，其本身蓄積的巨大熱量使得CFB鍋爐的燃燒非常穩定。CFB鍋爐巨大的熱慣性使其對燃料的敏感度很低，有著優秀的煤種適應性和低負荷運行能力。這種巨大的熱慣性使低負荷下煤的穩定燃燒得到有效保證。因此，現在大型CFB鍋爐機組一般都能實現不投油帶30%負荷穩定運行。目前，四川白馬循環流化床示范電站有限公司300 MW CFB鍋爐機組不投油最低穩燃負荷設計值為(35±5)%，而實際上可以實現30%。這就意味著，大型超臨界CFB鍋爐機組不但能實現煤的清潔燃燒，而且其負荷調節范圍大的特點可以有力地配合電網調峰，這些都非常符合電力行業對未來大型火電機組的要求。

3 大型超臨界CFB鍋爐自動控制問題

正如前文中所介紹的那樣，CFB鍋爐具有特殊的燃燒方式，使燃料在流化狀態下燃燒，再加上大量灼熱床料的存在，使得系統的熱慣性巨大。因此，CFB鍋爐的燃燒系統是一個大滯后、強耦合、多輸入、多輸出的非線性系統，各個變量之間相互影響。另外，飛灰的循環也使其在燃燒過程中較PC鍋爐復雜得多。

CFB鍋爐的自動控制主要包括汽包水位控制、蒸汽溫度控制、爐膛負壓控制、床高控制、燃燒控制等［4］。其中，燃燒控制一般又包括蒸汽壓力控制、床溫控制、空氣量控制、返料量控制等。除燃燒控制之外，其他控制與一般PC鍋爐差別不大，可參考PC鍋爐經驗進行控制，而且這些控制方法已經成熟，控制效果比較理想。因此，無論是國產還是引進的CFB鍋爐控制系統，目前主要是在PC鍋爐控制系統基礎上做了一定改動而來，均采用單變量控制回路［5］，如汽包水位采用串級三沖量給水控制，蒸汽溫度采用二級噴水減溫控制，爐膛負壓和床高采用單回路控制等。

CFB鍋爐的燃燒控制是自動控制的難點，因它既要滿足熱負荷的需要、穩定蒸汽壓力，又要使床溫穩定在合理范圍之內，還肩負著維持合理的風煤比、保障燃燒效率、控制SO2和NOx排放量等諸多任務，而且給煤量、空氣量、返料量等控制變量間的耦合關系非常緊密，其相互關系如圖2所示。

圖2 CFB鍋爐系統示意圖

床溫反應的是爐內密相區的運行溫度，代表著鍋爐的安全運行情況，影響到脫硫效率和氮氧化物生成控制，是一個非常重要的運行參數。床溫一般需要控制在850～950℃，這樣才能保證系統的安全運行和脫硫效率，并有效抑制氮氧化物的產生。影響床溫的主要因素有燃料量和送風量。主氣壓是反應鍋爐運行效率的重要參數，其主要影響因素也是燃料量和送風量。因此，主氣壓和床溫控制之間存在著強烈的耦合性。目前，床溫一般通過一次、二次風的配比進行控制，其對床溫調節幅度較小(一般只有140℃左右)，對床溫的大幅度波動則無能為力，若通過改變燃燒率調節床溫又會引起主氣壓力的波動。床溫和主汽壓力之間的耦合性使得常規的PID控制器很難實現對兩者的高效控制。

此外，CFB鍋爐燃燒控制系統還有其他的一些特性［6］。CFB鍋爐本體巨大，爐內燃燒情況劇烈復雜，給燃燒控制系統帶來了很多內部擾動;CFB鍋爐具有良好的負荷調節性能，經常參與負荷調節，但負荷變動會引起鍋爐運行工況的巨大變動，這就要求控制系統具有很好的魯棒性;CFB鍋爐的燃料適應性廣，采用不同的煤種時，系統對象的控制特性會有所差別，這決定了CFB鍋爐燃燒系統的時變性。

由于CFB鍋爐燃燒的復雜性和特殊性，對一般PC鍋爐和其他過程控制對象行之有效的常規控制方法，難以保證CFB鍋爐各項控制指標的實現。因此，根據CFB鍋爐的燃燒特點［7］，有針對性地采用先進控制策略，在現場運行中可取得較好的控制效果［8］。

4 國內外發展情況

目前，世界上已投入商業運行的最大超臨界CFB鍋爐為波蘭PKE公司Lagisza電廠的460 MW超臨界CFB鍋爐，由Foster Wheeler公司供貨，是世界上首臺超臨界CFB鍋爐。該工程于2002年12月簽訂合同，2005年12月基本完成過程設計，2006年1月開始建造，2009年3月投入調試運行，2009年6月移交商業運行，設計供電效率為43.3%。該鍋爐采用了8個外置式換熱器，其中4個為過熱器，4個為再熱器。鍋爐最大連續主蒸汽流量為359.8 kg/s;汽輪機入口處蒸汽壓力為27.5 MPa;溫度為560℃，再熱蒸汽流量為306.9 kg/s，鍋爐進口再熱蒸汽壓力為5.46 MPa，再熱蒸汽溫度為314.3℃，溫度為580℃。

2009年2月，國家電網公司與東方電氣集團公司在北京簽署四川白馬循環流化床示范電站有限公司600 MW循環流化床示范工程主機設備采購合同，標志著我國在自主研制低煤耗、低成本污染控制的潔凈煤燃燒技術取得重要進步。該項目采用帶外置式換熱器的600 MW級CFB鍋爐，主要特點為:單爐膛雙布風板結構、汽冷式分離器、多點給煤返料設計、尾部采用單煙道結構、爐膛內設置末級屏式過熱器，其電廠效率比目前國內外普遍采用的亞臨界300 MW CFB電站高2% ～4%，平均可達40% ～42%，脫硫、脫硝等綜合效益更佳。

5 結束語

國內外的發展經驗表明，發展CFB鍋爐是我國清潔煤燃燒技術的必然選擇，CFB在鍋爐容量大型化、參數超臨界化等方面有其獨特優勢。作為成熟的大型CFB鍋爐技術與蒸汽循環超臨界技術的結合體，超臨界CFB鍋爐憑借其低投資成本和結構上、運行上的優秀品質必將有巨大的發展空間。同時，要更加重視CFB機組由于其燃燒方式的復雜性帶來的自動控制方面的難題，下大力氣解決控制策略設計和控制參數整定等問題，提高CFB機組的自動控制水平。

［1］李建峰，郝繼紅.我國循環流化床鍋爐機組數據統計與分析［J］.電力技術，2010(10):70－74.

［2］孫獻斌.超臨界循環流化床鍋爐——清潔煤發電技術的合理選擇［J］.華電技術，2008(5):25－27.

［3］路野，吳少華.玉環1000 MW超超臨界鍋爐低NOx燃燒系統的設計和NOx性能考核試驗簡析［J］.鍋爐制造，2008(4):1－4.

［4］張桂華，劉玉文，張斌.電站鍋爐排煙溫度研究［J］.科技信息，2010(34):724－725.

［5］趙偉杰，王勤輝，張文震，等.循環流化床鍋爐控制系統的設計和應用［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［6］牛培峰，丁希生，張君.火電廠循環流化床鍋爐控制技術的研究進展與發展趨勢［J］.儀器儀表學報，2007，28(12):2295－2304.

［7］馬強.循環流化床鍋爐燃燒系統建模與控制系統研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［8］鄭龍.循環流化床鍋爐先進控制系統的研究與應用［D］.杭州:浙江大學，2007:20 －26.