循環流化床鍋爐機組變負荷過程能量變遷研究

牟 犇， 高明明， 洪 烽， 劉吉臻， 喬金玉

(1.華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206；2.大唐武安發電有限公司，河北武安 056300)

循環流化床鍋爐機組變負荷過程能量變遷研究

牟 犇1， 高明明1， 洪 烽1， 劉吉臻1， 喬金玉2

(1.華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206；2.大唐武安發電有限公司，河北武安 056300)

研究了循環流化床(CFB)鍋爐機組能量變遷過程，在分析CFB鍋爐蓄能動態特性的基礎上，對動態過程中的能量轉換進行了定量計算與比較，將經濟給煤量與實際給煤量進行比較，得到經濟給煤評價指標，并以此來考察鍋爐動態過程的控制效果.利用主蒸汽壓力波動來反映動態過程的能量平衡，并通過2個升負荷過程實例進行了工程驗證.結果表明：研究CFB鍋爐機組的能量變遷，采用經濟給煤評價指標指導風煤配比，對動態過程中的CFB鍋爐機組安全、穩定、經濟運行具有重要意義，為變負荷控制提供了理論基礎.

CFB鍋爐； 變負荷； 能量變遷； 風煤配比

隨著新能源時代的到來，能源轉型需構建以新能源為主體的電力系統.風能和太陽能等新能源最大的特征是具有間歇性、波動性及隨機性.2015年，全國平均棄風率達15%，有些地區甚至高達30%.電力系統不僅需要應對隨機波動的負荷需求，還要接納不確定的電源接入.以煤電為代表的傳統能源可以轉變為與新能源進行調節、匹配及互補的電源.因此，傳統電源的彈性運行將是解決未來我國消納大規模清潔能源的根本途徑.目前已經有一批循環流化床(CFB)鍋爐機組并網發電、參與電網深度調峰調頻，發電企業不僅需要保證機組長期安全穩定運行，而且還需要有快速、經濟變負荷運行的能力[1].而研究CFB鍋爐機組在變負荷工況下的能量變遷，對動態過程中指導火電廠運行人員，優化操作，機組安全經濟運行，實現節能降耗具有十分重要的意義.

與煤粉爐不同，CFB鍋爐因其獨特的燃燒方式，擁有大量的燃料側蓄熱[2]，因此在能量平衡上必須考慮燃料側的能量變化.煤粉爐燃燒的主要是入爐的細煤粉，往往會忽略煤粉的燃燒慣性，在動態建模時將爐膛視為一個具有集總參數的整體處理[3]，因此鍋爐輸出熱量可以直接根據給煤量計算獲得.而CFB鍋爐入爐燃料通常為大塊煤粉并伴有煤矸石、煤泥的混合，從給煤到完全燃燒遲延較大，其主要燃燒的是爐膛內存儲的大量碳顆粒，因此無法直接用給煤量來衡量鍋爐輸出熱量，而是需要計算燃燒的碳顆粒放出的熱量[4-7].

由于CFB鍋爐的燃燒機理復雜，國內外大多數機理模型只能用于實驗室仿真，變負荷工況下的給煤量和風量大多依靠運行人員的經驗給定或是通過系統辨識得到的模型給定，基本沒有一種確定的標準.馬強[8]建立了床溫-給煤量和主蒸汽壓力-給煤量等模型，但都是在試驗和實際運行數據的基礎上進行研究的，沒有從機理出發，模型泛化能力不強.焦嵩鳴等[9]和董澤等[10]分別采用基于模糊自適應的量子遺傳算法和基于RBF神經網絡的量子遺傳算法對CFB鍋爐燃燒過程進行建模，此模型也僅是辨識模型.

在機組運行時，一般要求主蒸汽參數和爐膛內碳顆粒質量在一定的可接受波動范圍內.這是因為蒸汽壓力、汽溫的變化會使汽輪機熱應力增加，從而降低汽輪機的使用壽命.而爐膛內碳顆粒質量變化過大則會引起床溫的大幅波動，從而影響運行安全.

在變負荷過程中，如何調節總風量和給煤量，合理利用燃料側蓄能和汽水側蓄能，既能滿足調峰調頻的要求，又能使主蒸汽壓力和爐膛內碳顆粒質量的波動維持在一個可接受范圍內，這一直是一個重要的研究問題[11].因此，筆者構造了能量變遷模型，定量計算能量動態變化量，準確得到經濟給煤量，并與實際給煤量進行比較,得到經濟給煤評價指標，以此作為考察動態過程控制效果的參數，有利于對CFB鍋爐燃料側蓄能和汽水側蓄能進行合理利用，為動態過程中給煤量和總風量的控制提供理論基礎和指導.

1 鍋爐能量變遷

根據CFB鍋爐的燃燒方式，給煤的化學能在進入爐膛后大部分能量轉變為燃料側蓄能，只有少量能量直接燃燒作為鍋爐輸出熱量.除了給煤直接提供的少量能量，鍋爐輸出熱量中的另外一大部分能量是由燃料側蓄能釋放得到的.燃料側蓄能根據爐膛內的碳顆粒質量來衡量，在穩態工況下給煤提供的碳顆粒質量等于燃燒消耗的碳顆粒質量，若給煤提供的碳顆粒質量大于燃燒消耗的碳顆粒質量，爐膛內碳顆粒質量增加，燃料側蓄能也增加；反之，若燃燒消耗的碳顆粒質量大于給煤提供的碳顆粒質量，爐膛內碳顆粒質量減少，燃料側蓄能也減少.

爐膛內碳顆粒質量變化為：

(1)

式中：ΔmB為爐膛內碳顆粒的質量變化，kg；∑F為給煤補充的碳顆粒質量，kg；∑R為燃燒消耗的碳顆粒質量，kg；f(t)為給煤量，kg；w(Car)為煤的含碳質量分數，%；Q為鍋爐輸出熱量，kJ；H為碳的燃燒發熱量，kJ/kg.

燃料側蓄能變化量為：

ΔQB=ΔmBH

(2)

鍋爐輸出熱量為：

Q=K·qV(t)mB(t)

(3)

式中：K為燃燒模型總系數；qV(t)為總風量，m3/s；mB(t)為爐膛內碳顆粒質量，kg.

模型中的系數參考文獻[12]和文獻[13].式(3) 說明鍋爐輸出熱量是由總風量控制變化的，且鍋爐輸出熱量與燃料側蓄熱有密切的關聯.在穩態工況下，維持爐膛內碳顆粒質量不變，可以得到：

(4)

鍋爐輸出熱量通過受熱面傳遞到汽水側蓄能，最終由汽水側蓄能釋放響應負荷需求.在穩態工況下，鍋爐輸出熱量等于響應負荷消耗的能量，若鍋爐輸出熱量大于響應負荷消耗的能量，汽水側蓄能增加；反之，若響應負荷消耗的能量大于鍋爐輸出熱量，汽水側蓄能減少.

汽包鍋爐主要通過控制鍋爐輸出熱量來穩定汽包壓力，給水流量穩定汽包水位，確保受熱面不超溫.而汽包壓力與主蒸汽參數相關，主蒸汽壓力也是反映能量平衡的主要參數和控制系統的主要調節參數之一.對于汽包鍋爐的汽水系統而言，溫度是一個分布型參數，不同點的溫度相差很大，其變化規律也受各種因素影響;而壓力傳遞很快，汽水系統內各處壓力變化趨勢基本一致，干擾因素相對較少，因此一般選擇壓力信號作為汽水側蓄能變化的信號.選用汽包壓力作為衡量汽水側蓄能變化的信號[14]：

(5)

式中：ΔQw為汽水側蓄能的改變量；Cb為汽水側蓄能系數，J/kPa；pd為汽包壓力，MPa.

在負荷需求保持不變的前提下，鍋爐輸出熱量變化會附加到汽水側蓄能上，引起汽包壓力的變化，即

ΔQ=ΔQw

(6)

式中：ΔQ為鍋爐輸出熱量的改變量，kJ.

圖1為CFB鍋爐機組能量變遷過程示意圖.

圖1 CFB鍋爐機組能量變遷過程示意圖

2 經濟給煤評價指標

在機組動態過程中，根據能量守恒可以得到理論需要給煤提供的熱量：

Qf=ΔQB+ΔQw+Q

(7)

式中：Qf為給煤提供的熱量，kJ.

根據得到的Qf和煤的熱值，可得到經濟給煤量：

(8)

式中：fl為經濟給煤量，kg；Qnet,ar為對應煤的低位發熱量，kJ/kg.

經濟給煤量是指CFB鍋爐在動態過程中滿足鍋爐蓄能變化和負荷要求，無需進行能量補償的最少給煤量.即在此給煤量下，該段動態過程的控制效果最佳.

對比該動態過程中的實際給煤量，可以得到經濟給煤評價指標：

(9)

式中：b為經濟給煤評價指標，%；f為實際給煤量，kg.

經濟給煤評價指標是體現動態過程中風煤配比控制效果的參數.經濟給煤評價指標的絕對值大小表示動態過程控制效果的好壞,其絕對值越大，說明動態過程控制效果越差，需要后續控制補償才能進入穩定狀態；反之，其絕對值越小，說明控制效果越好，機組會更快地進入穩定狀態.這就要求對動態過程中各項能量變遷進行較為準確地計算，從而得到合理的經濟給煤量，調整機組在較好的風煤配比下運行，維持機組在較為安全穩定的前提下升降負荷.

3 工程實例

在某300 MW DG1100/17.4-II3型亞臨界參數國產化CFB鍋爐上進行工程試驗.鍋爐為單汽包自然循環、單爐膛、一次中間再熱、采用旋風氣固分離器和高溫分離器、平衡通風、半露天布置、燃煤、固態排渣、前墻給料CFB鍋爐.采用高溫汽冷式旋風分離器進行氣固分離.鍋爐主要由一個膜式水冷壁爐膛、3臺高溫汽冷式旋風分離器和一個尾部豎井3部分組成.

以該機組2個升負荷過程為例，分析動態過程中給煤量、總風量、爐膛內碳顆粒質量和主蒸汽壓力的變化，然后通過各項能量計算和比較，說明經濟給煤評價指標在實際工程中的意義.

圖2給出了一段機組負荷由167 MW升到250 MW過程中各參數的變化情況，其中變負荷速率為5 MW/min，升負荷時間約為17 min.由圖2可知,在升負荷階段，增加給煤量和總風量，爐膛內碳顆粒質量也直線上升，說明給煤補充的碳顆粒質量要大于燃燒消耗的碳顆粒質量，初期風煤配比偏小；在升負荷中期隨著風煤配比的不斷增大，爐膛內碳顆粒質量開始波動.另一方面，主蒸汽壓力快速上升，在升負荷后期仍以較快速度升高，主蒸汽壓力未穩定在設定值附近，控制效果較差.

根據以上計算方法計算動態過程中各項能量變化，通過煤的熱值將其能量轉化為給煤量，結果見圖3.

圖2 升負荷過程1

圖3 升負荷過程1的經濟給煤量與經濟給煤評價指標

圖3中，ΔQwm為升負荷過程中最大汽包壓力變化對應的能量，ΔQBm為升負荷過程中最大爐膛內碳顆粒質量變化對應的能量.整個升負荷過程中，實際給煤量小于經濟給煤量，經濟給煤評價指標為-4.64%，在整個升負荷過程中風煤配比偏大，應當在后一段時間減小風煤配比補償動態過程不足的能量.達到負荷要求后，爐膛內的碳顆粒燃燒消耗速度大于給煤補充速度，碳顆粒的存儲量減少，由于負荷不再升高，這部分的能量大部分加到了汽水側，導致主蒸汽壓力快速上升，最高時超過主蒸汽壓力設定值1 MPa以上，主蒸汽壓力控制強制切手動，調整風煤配比以回調主蒸汽壓力.這樣必然會造成大量能量損失，而且機組的不穩定性也將大大提高.

圖4給出了一段機組負荷由225 MW升到280 MW過程中各參數的變化情況，其中變負荷速率為5 MW/min，變負荷總時間約為11 min.在升負荷初期，為了維持主蒸汽壓力的穩定，總風量和給煤量同時增加，由于總風量的響應速度要遠大于給煤量響應速度，爐膛內存儲的碳顆粒消耗速度要大于給煤補充速度，因此爐膛內碳顆粒質量迅速減少；在升負荷中期，由于給煤量持續增加，爐膛內的碳顆粒質量回升.在升負荷過程中，主蒸汽壓力波動較小，與設定值偏差較小，其控制效果較好.同理,可得到升負荷過程2的經濟給煤量和經濟給煤評價指標,如圖5所示.

在升負荷過程2中，實際給煤量略大于經濟給煤量，經濟給煤評價指標為1.76%，說明變負荷過程中風煤配比相對適中，不需要進行過多的能量補償.因此主蒸汽壓力波動小于0.3 MPa，其控制效果良好.在達到要求負荷后，總風量和給煤量趨于穩定值，主蒸汽壓力和爐膛內的碳顆粒質量均穩定在一定的范圍內，機組很快進入穩態運行的狀態.

圖4 升負荷過程2

圖5 升負荷過程2的經濟給煤量與經濟給煤評價指標

上述2個升負荷過程實例說明在變負荷過程中，經濟給煤評價指標確實能夠體現機組動態過程中風煤配比所導致的控制效果.在變工況過程計算基礎上，及時調整風煤配比進行能量補償，有利于維持主蒸汽壓力的穩定，大大提升機組的控制品質.

4 結 論

(1) 基于CFB鍋爐的特點，從燃料側蓄能、汽水側蓄能、鍋爐輸出熱量和給煤提供的熱量4個方面建立了鍋爐能量變遷過程，從機理上分析和計算了動態過程中各項能量遷移.

(2) 提出了經濟給煤量的計算方法，采用經濟給煤評價指標作為體現機組動態過程中風煤配比控制效果的參數，能夠以此作為能量補償的依據，為主蒸汽壓力的控制提供參考，并通過工程實例驗證了該評價指標的合理性.

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ResearchonEnergyConversionofaCFDBoilerUnitDuringLoadChangeProcess

MOUBen1,GAOMingming1,HONGFeng1,LIUJizhen1,QIAOJinyu2
(1.State Key Lab of Alternate Electric Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Datang Wu'an Power Generation Co., Ltd., Wu'an 056300, Hebei Province, China)

The energy conversion in dynamic process of a CFB boiler unit was studied, calculated and compared quantitatively based on analysis of the energy storage features, so as to obtain the evaluation index of economical coal feed rate through comparison between the economical and actual coal feed rate, and to investigate the effects of dynamic process control. In addition, the fluctuation status of main steam pressure was used to reflect the dynamic energy balance, which was verified by two examples of load-up processes. Results show that both the study of energy conversion in the process of CFB boiler load changes and the application of evaluation index for economical coal feed rate in the control of air-coal ratio are conducive to the safe and economic operation of the CFB boiler. This may serve as a reference for the control of boiler load changes.

CFB boiler; load change; energy conversion; air-coal ratio

2016-12-19

2017-02-28

國家重大研發計劃資助項目(2016YFB0600205)

牟 犇(1993-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向為循環流化床鍋爐性能計算及運行優化控制.電話(Tel．)：18810653191；E-mail：nbfhmb@ncepu.edu.cn.

1674-7607(2017)12-0945-05

TK223.7

A

470.30