循环流化床与煤粉锅炉负荷响应速率差异分析研究

刘宝华，王福才，王文东

(辽宁调兵山煤矸石发电有限公司，辽宁 调兵山 112700)

火力发电厂机组运行方式决定着电厂运行的经济性和安全性。CFB作为一种新型洁净煤锅炉燃烧技术，以其煤种适应性广、调峰能力强等优点在国内广泛应用[1]。目前中国已是世界上CFB锅炉台数最多、容量最大和发展速度最快的国家，并向大型化方向迅速发展。大唐调兵山2×300 MW CFB机组新建工程每年燃用劣质煤220万t，其中煤矸石30万t，减少二氧化硫年排放1 720 t，氮氧化物年排放1 016 t，明显低于燃用常规煤粉锅炉水平，烟尘排放浓度为11 mg/m3，远低于国家最新环保标准的要求。随着国家电网智能化的发展，为保障电网电能质量与安全稳定，并网机组必须投入AGC(遥调自动化)方式。由于调兵山电厂地处辽北内蒙交界，归属东北电网，在AGC方式下机组负荷指令呈无规则的锯齿波状变化，即宏观复杂的电网因素导致并网AGC机组负荷始终处于频繁的动态变化调整状态，违背了CFB机组的正常运行特性，引发了CFB锅炉回灰不畅、参数波动大、负荷响应慢及爆管停炉等设备损坏事件发生，影响了机组安全稳定运行。

1 设备概况

大唐调兵山2×300 MW新建工程是由上海锅炉厂有限公司生产的亚临界、单锅筒自然循环、中间一次再热、水冷风室裤衩腿状CFB锅炉，设计煤种为铁法劣质烟煤，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的亚临界、一次中间再热、单轴双缸双排汽直接空冷凝汽式。DCS系统采用杭州和利时Hollias－Macsv的集成化系统，其先进性在于分散的结构和基于微处理器的控制，调节性能优异[2]。近3年来经过数百次AGC性能优化提升试验:2012年4月9日22:40～23:05，1号机组以2 MW/min速率响应AGC的反复升降指令进行优化提升试验，该阶段变负荷试验的主要参数变化情况如表1所示，AGC变负荷试验曲线如图1所示。

机组优化后，CCS及AGC控制系统在机组稳态运行时，主汽压力波动在可承受范围内。但进行大幅度变负荷时变化率不能大于1.8 MW/min，当前调整达最优效果的AGC实际负荷响应速率仅为2 MW/min，与电网 AGC考核 (不低于3 MW/min)指标尚有较大差距，2011年调兵山电厂因AGC指标被电网“三公”调度考核480余万元，对生产运行造成严重影响。

表1 变负荷试验的主要参数变化

2 CFB与常规煤粉锅炉负荷响应速率差异分析

CFB燃烧技术是一种燃用低热值劣质煤的高效清洁燃烧技术，由于锅炉结构特殊，燃烧方式及原理与常规煤粉炉不同，存在着蓄热惯性大、燃烧缓慢、负荷响应速率慢等缺点[3]，导致CFB机组电网AGC负荷响应方面与煤粉锅炉机组有着本质的区别，主要表现为以下几个方面。

2.1 燃烧原理不同

常规煤粉锅炉的燃煤流经原煤斗→竖管→短距离皮带式称重计量给煤机→磨煤机，磨制成粒度为0.1～30 μm的精细煤粉，然后在高压一次风的携带下经燃烧器快速喷入炉膛，煤粉与助燃一次、二次风在炉膛内强烈混扰、悬浮直接燃烧，经几秒钟就完成燃料的燃烧过程。煤粉快速燃烧释放大量热量使煤粉炉炉膛中心温度保持在1 300～1 500℃，燃烧后产生的灰分约有90%以细灰的形态随烟气一起掠过锅炉的各级受热面进行换热后离开锅炉本体。煤粉炉的煤粉是靠煤粉气流和炙热的烟气在强烈混合后所吸收的对流换热，以及炉膛四壁和高温火焰的辐射换热来达到着火温度的;热烟气与受热面内的工质传热方式主要是对流换热和高温辐射换热。锅炉升降负荷时随着煤量与风量的增加，进入炉内的煤能够迅速完全燃烧，炉内热负荷随之迅速上升，降负荷时随着煤量与风量的减少，炉内热负荷迅速下降，负荷在短时间能够达到预定目标，AGC方式控制升降负荷速率能达到10 MW/min，甚至更高[4]。

CFB锅炉没有煤粉锅炉的制粉系统，取而代之的是利用输煤系统中的粗、细碎煤机两级破碎系统将燃煤直接细碎成粒径在1～10 mm的煤粒后送到锅炉原煤斗中[5]。CFB锅炉启动前在炉床内预加大量惰性床料，利用风道燃烧器内的油枪燃烧放热将床料逐渐加热到投煤温度，然后启动三级给煤系统;原煤斗→竖管→中心给煤机→长距离皮带式称重计量给煤机→长距离埋刮板给煤机→回料腿→炉膛主床，将粒径为1～10 mm煤粒送入炉膛。入炉煤的粒度决定了CFB锅炉燃烧不能在瞬间快速进行，煤粒经给煤机送入炉膛床内 (密相区)，从床下进入的热一次风将床层物料和煤粒充分流化，进入炉膛的煤粒与大量炙热床料发生强烈碰撞和换热，被加热到着火温度后，析出挥发分，开始着火燃烧。大的颗粒在主床内燃烧，细颗粒则随着烟气流向至炉膛上部 (稀相区)继续燃烧换热，其中一部分细颗粒聚集成大的粒子团在重力作用下顺着四周水冷壁贴壁向下运动，而炉膛中心相对较稀的气—固相继续向上运动，形成一个强烈的大颗粒炉内循环，相对更稀的气—固相夹带着大量未燃尽颗粒离开炉膛后，进入旋风分离器，将烟气中夹带的大部分物料颗粒分离出来，再经回料装置送回炉膛主床内再次燃烧和利用，构成了大的细物料炉外循环。煤粒进入炉膛后由于单位时间内新加入床内的冷燃料只占床料的1%左右，为入炉煤燃烧提供了蓄热量很大的热源。煤粒燃烧所放出的热量，其中一部分用来加热床料，使床内温度始终保持在850～900℃的稳定水平。CFB锅炉的煤粒是靠与大量炙热床料发生强烈的物理机械碰撞混合被加热到着火温度才开始进行化学燃烧放出热量的。研究表明，大量循环物料与受热面内工质的传热方式主要是灰流贴壁热传导方式进行换热。CFB燃料在炉内停留时间较长，而且经旋风分离器筛选分离返料后循环燃烧，通常颗粒燃料在炉内循环6次以上才能燃尽，而后的烟气则同样经过锅炉的各级受热面进行换热后离开锅炉本体。

CFB锅炉运行中床温一般控制在850℃左右，进入锅炉的燃煤粒度为1～10 mm，锅炉升负荷时煤进入炉膛后须经历吸热→挥发分析出→挥发分燃烧→煤粒爆裂→焦炭燃烧一系列过程后才能完全燃烧，升负荷过程初期负荷上升较慢，当增加的煤开始着火后负荷会迅速上升，降负荷时由于炉内有大量的炙热床料，为了保证锅炉流化正常，一次风的减小幅度不能和煤量呈对应关系，一次风的减小幅度小于煤量，床温略有降低，床料的蓄热需要得到一定程度的释放，所以负荷下降速度较慢。协调控制升负荷速率最大为1.5 MW/min或更低。

2.2 结构不同

由于入炉煤粒度相对过粗会给CFB锅炉带来高循环倍率循环灰使受热面磨损严重的缺点。为避免受热面磨损，CFB锅炉需在炉膛下部四周水冷壁表面、扩展水冷屏、屏过下端表面及其空墙处周围的水冷壁表面、屏再下端表面及其穿墙处周围的水冷壁表面、分离器整个内表面、料腿及回料装置内表面、分离器出口烟道内表面、尾部对流烟道入口内表面等主要磨损部位铺设不同厚度的耐高温耐磨浇注料。从结构上，入炉煤燃烧释放的热量不仅要用来对金属受热面和烟气进行加热，还要用来对炉膛内的耐火材料、浇注料、炉顶平衡风室、旋风分离器、J阀回料装置中的浇注料和床层物料进行加热[6]。由于浇注料热传导性较差，从安全角度考虑，炉膛内大量循环物料的存在与大量高厚度浇注料的应用导致了CFB锅炉具有很大的蓄热量，即CFB锅炉有着较大的热惯性，从而延长了热量传递速度，导致锅炉负荷响应速度较慢[7]。由于炉内一直存在大量高温循环物料，能够低负荷稳定燃烧，从而决定了CFB锅炉具有可以参与深度调峰的特性。

2.3 燃料不同

CFB锅炉对燃料要求较低，入炉煤粒径一般在1～10 mm，平均粒径在2.5～5.5 mm，可燃用热值不小于6 000 kJ/kg、挥发分较低的煤矸石等劣质煤;煤粉炉则需要燃烧热值至少为18 000 kJ/kg、挥发分较高的研磨至微米级的煤粉，对燃料的粒径及热值要求均较高。煤的挥发分、热值、粒度决定了二者燃料燃烧反应速度存在明显差异，从而导致了CFB锅炉负荷响应速度较慢。

2.4 燃煤进入炉膛速度不同

煤粉锅炉的燃煤流经原煤斗→竖管→皮带式称重给煤机→磨煤机，磨制成粒度约0.1～30 μm的细煤粉，然后经燃烧器与助燃的二次风热空气一起喷入炉膛，煤粉与助燃热空气在炉膛内强烈混扰、悬浮直接燃烧，经几秒钟就完成燃料的燃烧过程;CFB锅炉采用三级给煤系统:原煤斗→竖管→中心给煤机→长距离皮带式称重给煤机→长距离埋刮板给煤机→回料腿→炉膛主床，采用变频方式将粒度为1～10 mm均匀煤粒送入炉膛，经过计算需要120～300 s的入炉时间。

2.5 燃烧室温度不同

炉膛内温度的高低对入炉煤燃烧起决定作用。煤粉炉炉膛中心温度一般保持在1 600℃左右，能够使燃烧快速进行;CFB锅炉运行中床温在850～900℃，入炉煤的燃烧速度比较缓慢。

2.6 燃烧风量调整不同

煤粉锅炉的一次风量、风速与煤量呈线性对应关系，煤粉锅炉升降负荷时随着煤量与风量的增加，进入炉内的煤能够迅速完全燃烧，炉内热负荷随之迅速上升，降负荷时随着煤量与风量的减少，炉内热负荷迅速下降，负荷在短时间能够达到预定目标。

CFB锅炉为了保证锅炉主床上的物料正常流化，一次风的调整幅度不与煤量呈对应关系，一次风的调整范围要远小于煤量。减小一次风量，床温略有升高，床料的蓄热需要得到一定程度的释放，所以机组负荷下降速度较慢。

2.7 传热方式不同

煤粉锅炉的煤粉是靠煤粉气流和炙热的烟气在强烈混合后所吸收的对流换热，以及炉膛四壁和高温火焰的辐射换热来达到着火温度的，热烟气与受热面内工质的传热方式主要是对流换热和高温辐射换热。常规煤粉炉的燃烧是强烈的气态动力场快速燃烧传热过程。

CFB锅炉的煤粒是靠与大量炙热床料发生强烈物理机械碰撞混合被加热到着火温度才开始进行化学燃烧放出热量的，大量循环物料与受热面内的工质的传热方式主要是靠灰流贴壁热传导方式进行换热[8]。CFB锅炉的燃烧是相对温和的液态燃烧动力场热传导传热过程。

2.8 燃煤放热次数不同

同质量同热值的燃煤在常规煤粉炉膛内瞬间燃烧一次性释放热量;CFB锅炉则需循环燃烧多次释放热量，单位时间内受热面蒸汽吸收热量明显不同，从而使负荷响应速率有所差异。

3 结束语

由于CFB与常规煤粉锅炉在燃烧原理、锅炉结构、燃料、燃煤进入炉膛速度、燃烧室温度、燃烧风量调整、传热方式、燃煤放热次数等方面存在着本质的区别，使CFB机组达不到常规煤粉炉机组AGC控制系统的负荷响应速度。如果按照常规煤粉炉机组的负荷响应速率控制CFB锅炉，就会对设备造成破坏。应遵循CFB机组运行规律，发挥其燃烧劣质煤、可深度调峰的特点，尽量保证其带基本负荷，不参与常规调峰，避免CFB锅炉因电网宏观复杂因素频繁微调产生的不可逆负面结果，必要时可参与深度调峰，确保CFB机组安全、稳定、经济运行，实现清洁能源的合理有效利用。

[1]全国电力行业CFB组技术交流服务协作网组编.CFB锅炉技术600问[M].北京:中国电力出版社，2008.

[2]郝勇生，李 军，赵志丹，等.TPS系统在300MWCFB机组中的应用及自动控制研究 [J].中国电力，2008，41(10):67－70.

[3]党黎军，赵志丹.循环流化床机组控制与保护技术及其应用[M].北京:中国电力出版社，2008.

[4]姚 远，管庆相，吴 松.直吹式锅炉机组协调控制系统优化[J].东北电力技术，2007，28(8):1－4.

[5]王 迪，冷 杰.循环流化床锅炉冷渣机的选型及设计原则 [J].东北电力技术，2011，32(7):9－11.

[6]毕洪文，赵晓燕，冷 杰.高温旋风分离器耐火砖脱落原因及对策 [J].东北电力技术，2011，32(2):19－20.

[7]刘忠楼，薛林德.流化床锅炉的进展与动向[J].锅炉技术，1995，26(1):5－8.

[8]吕俊复，金晓钟，岳光溪，等.两相流动对流化床燃烧行为的影响 [J].锅炉制造，2003，25(1):217－219，238.