200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程控制策略分析

萬太浩 張金生 梁華 張秋生

【摘要】該文以神華集團(tuán)重點(diǎn)科研項(xiàng)目200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程為研究基礎(chǔ)，對(duì)富氧燃燒燃燒技術(shù)概念及發(fā)展該技術(shù)的必要性描述，文中著重對(duì)富氧燃燒鍋爐與常規(guī)燃煤鍋爐的控制技術(shù)加以對(duì)比分析，研究并提出針對(duì)富氧燃燒具備特殊性的熱工控制系統(tǒng)的主要控制策略要點(diǎn)，機(jī)爐協(xié)調(diào)、送風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)、氧量調(diào)節(jié)、氧濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)及空氣向富氧燃燒模式切換過程控制等模擬量控制系統(tǒng)（BMCS）調(diào)節(jié)的方法，為富氧燃燒碳捕獲工程示范項(xiàng)目的建設(shè)推進(jìn)和發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】富氧燃燒 控制策略 模擬量控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TF636

隨著科學(xué)問題認(rèn)識(shí)的逐漸加深人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到了氣候的變化對(duì)人類生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的危害，化石燃料利用致使大氣中以二氧化碳為主的溫室氣體的濃度大量增加，導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的增強(qiáng)，從而使得全球氣候的變暖。富氧燃燒技術(shù)是用純氧代替空氣進(jìn)入燃煤鍋爐進(jìn)行燃燒并對(duì)燃燒后的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行壓縮純化并收集實(shí)現(xiàn)化石燃燒燃燒的環(huán)保處理，一種新型清潔、高效的燃煤發(fā)電技術(shù)。

1 200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程概述及系統(tǒng)工藝分析

1.1 200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程系統(tǒng)介紹

鑒于該技術(shù)有別于常規(guī)燃煤電廠固有技術(shù)，其自動(dòng)控制策略及調(diào)節(jié)方法許重新進(jìn)行分析研究。依托神華集團(tuán)重點(diǎn)科研項(xiàng)目200MW富氧燃燒碳捕獲示范工程為研究基礎(chǔ)，對(duì)富氧燃燒鍋爐與常規(guī)燃煤鍋爐的控制技術(shù)加以對(duì)比分析，研究并提出針對(duì)富氧燃燒具備特殊性的熱工控制系統(tǒng)的主要控制策略要點(diǎn)及模擬量控制系統(tǒng)（BMCS）調(diào)節(jié)的方法，以保證富氧燃燒碳捕獲工程示范項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn)及富氧燃燒技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

本系統(tǒng)選用中速磨煤機(jī)正壓冷一次煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)（冷一次風(fēng)機(jī)）直吹式系統(tǒng)，配富氧燃燒鍋爐（四角切圓爐或前后墻對(duì)沖爐）。配有2臺(tái)離心式二次煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)、2臺(tái)離心式引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)離心式一次煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)、1臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)、2臺(tái)密封風(fēng)機(jī)（一運(yùn)一備），運(yùn)行期間，再循環(huán)煙氣正壓送入爐膛，煙氣負(fù)壓排出爐膛。

鍋爐順序控制主要包括：引風(fēng)機(jī)順控、送風(fēng)機(jī)順控、一次風(fēng)機(jī)順控、空預(yù)器順控順控、鍋爐大連鎖、鍋爐疏水順控、制氧系統(tǒng)順控、一次風(fēng)投切順控、二次風(fēng)投切順控。其中引風(fēng)機(jī)順控、空預(yù)器順控、鍋爐疏水順控和普通煤粉爐是一樣的。送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)順控富氧和普通煤粉的區(qū)別在于：?jiǎn)?dòng)時(shí)需在順控最前增加開啟入口空氣閥、關(guān)閉煙氣再循環(huán)閥的步序，停機(jī)在順控末端增加開啟入口空氣閥、關(guān)閉煙氣再循環(huán)閥的步序，其余的同普通煤粉爐的順控。

1.2 制氧系統(tǒng)

制氧系統(tǒng)順控原則上應(yīng)納入鍋爐BSCS系統(tǒng)進(jìn)行管理，制氧系統(tǒng)是否具備件決定著鍋爐是否能切換到富氧工況。但是因?yàn)橹蒲豕に嚨牟煌淇刂品桨覆顒e很大，詳細(xì)的邏輯應(yīng)尋求制氧設(shè)備廠家協(xié)助提供。

1.3 一次煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

一次煙氣再循環(huán)系統(tǒng)可兼顧空氣燃燒的一次風(fēng)系統(tǒng)，其主要作用為輸送及干燥煤粉用。一次煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)向磨煤機(jī)提供一次煙氣（風(fēng)）以及向給煤機(jī)、磨煤機(jī)、鍋爐本體提供密封煙氣（風(fēng)）。每臺(tái)風(fēng)機(jī)入口裝有電動(dòng)插板門和電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門；在每臺(tái)風(fēng)機(jī)入口的另一支路裝有消音器、電動(dòng)插板門、電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門，用于機(jī)組啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行初期的空氣燃燒工況。每臺(tái)風(fēng)機(jī)出口裝有電動(dòng)擋板風(fēng)門。

1.4 二次煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

二次煙氣再循環(huán)系統(tǒng)可兼顧空氣燃燒的二次風(fēng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要提供鍋爐燃燒用風(fēng)。富氧燃燒鍋爐排出的煙氣，經(jīng)過脫硝裝置（SCR）脫硝、電除塵器除塵、煙氣換熱裝置（GGH）、脫硫裝置（FGD）脫硫、增壓風(fēng)機(jī)、煙氣冷卻器脫水、再經(jīng)由GGH加熱至80℃（干循環(huán)）的部分煙氣，注入純氧后，由二次煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)送至爐膛。

空氣燃燒工況時(shí)，為防止空預(yù)器的冷端腐蝕，二次冷風(fēng)采用暖風(fēng)器加熱至20℃（BMCR工況），進(jìn)入空預(yù)器加熱至329℃（BMCR工況），空預(yù)器出口熱風(fēng)，按鍋爐燃燒要求從爐墻左右兩側(cè)進(jìn)入鍋爐的二次風(fēng)箱。

富氧燃燒工況時(shí)，二次煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)入口的煙氣經(jīng)GGH加熱至80℃，風(fēng)機(jī)出口的暖風(fēng)器停用。

1.5 密封煙氣系統(tǒng)

磨煤機(jī)密封煙氣系統(tǒng)設(shè)置二臺(tái)增壓離心式密封風(fēng)機(jī)，每臺(tái)容量各為100%，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。磨煤機(jī)密封風(fēng)從冷一次煙氣聯(lián)絡(luò)母管上引出經(jīng)密封風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入磨煤機(jī)。密封風(fēng)機(jī)入口設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)門（風(fēng)機(jī)廠配供），當(dāng)一臺(tái)運(yùn)行時(shí)另一臺(tái)入口調(diào)節(jié)門應(yīng)關(guān)閉。兩臺(tái)密封風(fēng)機(jī)出口設(shè)有自動(dòng)換向擋板。每磨密封風(fēng)支管上裝有電動(dòng)風(fēng)門。給煤機(jī)密封風(fēng)分別從冷一次風(fēng)聯(lián)絡(luò)母管直接引出，每臺(tái)給煤機(jī)密封風(fēng)支管上設(shè)電動(dòng)關(guān)斷門。

2模擬量控制系統(tǒng)（BMCS）

機(jī)組模擬量控制主要包括：機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式、爐跟機(jī)方式、機(jī)跟爐方式、汽包水位調(diào)節(jié)、燃油壓力調(diào)節(jié)、氧量校正、送風(fēng)調(diào)節(jié)、爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)、一次風(fēng)壓調(diào)節(jié)、熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)、再熱器事故噴水控制、連排水位調(diào)節(jié)、一次風(fēng)注氧濃度控制、二次風(fēng)注氧濃度控制等，其中機(jī)跟爐方式、汽包水位調(diào)節(jié)、燃油壓力調(diào)節(jié)、爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)、一次風(fēng)壓調(diào)節(jié)、過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)、再熱器事故噴水控制、連排水位調(diào)等和普通煤粉是一致。本節(jié)主要討論機(jī)組協(xié)調(diào)控制、爐跟機(jī)控制、送風(fēng)調(diào)節(jié)、氧量校正、注氧濃度控制幾部分。

2.1機(jī)組協(xié)調(diào)控制

普通煤粉爐協(xié)調(diào)控制主要是機(jī)、爐、電的協(xié)調(diào)，富氧燃燒鍋爐因?yàn)榧尤肓酥蒲跸到y(tǒng)，在進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時(shí)必須加入制氧系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，制氧系統(tǒng)制氧量應(yīng)接受鍋爐輸入指令信號(hào)（BID）的控制，當(dāng)制氧系統(tǒng)自動(dòng)故障時(shí)，整個(gè)協(xié)調(diào)控制切換到鍋爐燃料主控狀態(tài)，整個(gè)機(jī)組升降負(fù)荷速率限制除受機(jī)、爐、電設(shè)備升降負(fù)荷速率限制外，也受到制氧系統(tǒng)負(fù)荷升降速率的限制。

2.2爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制

富氧燃燒對(duì)爐跟機(jī)的控制的影響和協(xié)調(diào)控制基本一樣，當(dāng)制氧系統(tǒng)自動(dòng)故障時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)切換到手動(dòng)控制模式。

2.3送風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)

當(dāng)富氧燃燒鍋爐一次風(fēng)和二次風(fēng)運(yùn)行在定氧濃度方式時(shí)，富氧燃燒的送風(fēng)調(diào)節(jié)和普通煤粉爐基本相同，風(fēng)量跟蹤機(jī)組燃料量，供氧量跟蹤鍋爐風(fēng)量。主要區(qū)別在于鍋爐在富氧工況下風(fēng)量發(fā)生了很大的變化，在富氧工況下用于配風(fēng)控制的PID參數(shù)和空氣燃燒的PID參數(shù)會(huì)存在較大的差異，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)在DCS建立和調(diào)試獨(dú)立的配風(fēng)控制邏輯，并在富氧工況的投切過程中實(shí)現(xiàn)二者的無換切換控制。另外在鍋爐升降負(fù)荷時(shí)，除了風(fēng)煤互鎖外，還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)氧量閉鎖；當(dāng)供氧母管壓力低、風(fēng)量低、配氧濃度低時(shí)，閉鎖風(fēng)量增，同時(shí)閉鎖鍋爐增燃料量。

2.4氧量校正

氧量校正的邏輯對(duì)于普通煤粉爐和富氧燃燒鍋爐基本一樣，都是用于鍋爐的配風(fēng)校正，不同的是普通煤粉爐設(shè)計(jì)氧量校正值為6%，富氧燃燒鍋爐推薦值為3%氧濃度。

2.5注氧濃度控制

配氧濃度控制為單回路PID控制，被調(diào)量為一、二次風(fēng)中煙氣的氧濃度，供氧量跟蹤循環(huán)煙氣量。

2.6定氧濃度配風(fēng)存在局限性

富氧燃燒鍋爐一次風(fēng)和二次風(fēng)運(yùn)行在定氧濃度控制方案時(shí)，機(jī)組風(fēng)量跟蹤燃料量，修改為供氧量跟蹤機(jī)組燃料量，循環(huán)煙氣量跟蹤機(jī)組負(fù)荷。高負(fù)荷時(shí)，減少循環(huán)煙氣倍率，二次風(fēng)量處理較高氧濃度下運(yùn)行，低負(fù)荷時(shí)，提高循環(huán)煙氣量，二次風(fēng)量處理低氧濃度下運(yùn)行。改進(jìn)后的配風(fēng)方式有利于解決富氧燃燒低負(fù)荷下煙氣量過低的問題。

2.7空氣燃燒工況向富氧工況切換時(shí)控制

當(dāng)系統(tǒng)處于空氣燃燒空況，煤粉燃燒器投入運(yùn)行，負(fù)荷穩(wěn)定，具備切換到富氧燃燒運(yùn)行條件時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)行切換。為了保證系統(tǒng)切換時(shí)對(duì)鍋爐燃燒的影響減到最少，切換時(shí)控制時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具備以下條件：鍋爐配風(fēng)和氧量校正自動(dòng)完好，并在自動(dòng)狀態(tài)，一次風(fēng)和二次風(fēng)配氧濃度控制狀態(tài)完好，具備自動(dòng)投入條件，鍋爐處于燃料主控，煤料供應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3結(jié)語

富氧燃燒技術(shù)的控制策略和普通燃煤電廠的控制策略總體方案基本相同，通過本文對(duì)富氧燃燒鍋爐與常規(guī)燃煤鍋爐的控制技術(shù)加以對(duì)比分析，研究并提出針對(duì)富氧燃燒熱工控制系統(tǒng)特有的主要控制策略要點(diǎn)及模擬量控制系統(tǒng)（BMCS）調(diào)節(jié)的方法，為富氧燃燒碳捕獲工程示范項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn)及富氧燃燒技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳黎明， 潘衛(wèi)國等.富氧燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展與分析[J].鍋爐技術(shù)， 2011， 42（1）.

[2] 閻維平， 米翠麗.富氧煤粉燃燒鍋爐概念設(shè)計(jì)研究[J].熱力發(fā)電， 2011， 40（2）.

[3] 劉慶才， 陳淑榮.富氧燃燒的主要環(huán)境影響因素概述[J].節(jié)能與環(huán)保， 2004， 5.