循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式及应用

洪 烽， 高明明， 刘吉臻， 牟 犇， 伯运鹤

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室， 北京 102206；2. 临涣中利发电有限公司， 安徽淮北 235039)

我国一直提倡煤炭洗选和提质加工，推行煤炭能源低碳发展。近年来，煤炭入选比重逐年提高，洗选煤泥产量大幅增加，煤泥的综合利用已成为亟须解决的问题。煤泥是煤洗选过程中的副产品，具有粒度细、持水性高、黏度较大、灰分含量高和发热量低等特点[1]。煤泥的堆放、贮存和运输都比较困难，目前国内煤泥年产量已超过4×108t，若不妥善处理会浪费宝贵的煤炭资源，造成严重的环境污染[2]。

煤泥资源大量回收利用的途径之一是循环流化床(CFB)燃烧技术。如何兼顾电厂运行的安全稳定、经济效益以及环保要求成为掺烧煤泥的CFB锅炉机组运行控制研究的主要方向。刘彦鹏等[3]以某300 MW CFB锅炉为研究对象，分析了大比例掺烧煤泥后机组床温、排烟温度和锅炉效率等运行参数的波动情况。黄中等[4]利用一台135 MW CFB锅炉的煤泥添加系统完成了大比例掺烧煤泥试验，结果表明，大比例掺烧煤泥后锅炉整体运行稳定，最大煤泥掺烧比例可达70%。

目前，对CFB锅炉大比例掺烧煤泥的运行控制研究主要集中在试验上。试验过程中机组的运行条件优良，干扰因素较少，往往不能代表实际连续运行过程中的复杂性，因此难以形成有效、可持续、稳定的CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制策略。

笔者以使用最广泛的煤泥泵送系统为研究对象，从运行和控制2个角度分析了CFB锅炉大比例掺烧煤泥的特征，揭示了实际连续运行过程中对煤泥燃烧控制的最大限制因素，提出了CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式，利用锅炉蓄能来优化能量变迁过程，并将该运行控制模式应用在某300 MW CFB锅炉上。

1 掺烧煤泥运行特性

1.1 运行角度

从运行角度分析，目的是确定CFB锅炉掺烧煤泥的比例上限。相同发热量的煤泥价格要比煤价便宜很多，煤泥掺烧比例越大，电厂的经济效益越明显。然而由于煤泥高水分、高灰发分的特性，大比例掺烧煤泥给机组的稳定运行带来挑战，会导致一些参数偏离适宜的区间，引发事故，存在较大的安全隐患。从运行角度而言，不同机组掺烧煤泥的比例上限受到许多因素的影响，如煤泥掺烧方式、机组容量和煤泥入口等，通常考虑从安全性和经济性2方面来确定机组掺烧煤泥的比例上限，如图1所示。

床温作为CFB锅炉运行过程中的重要参数，其数值大小直接反映了炉内燃烧情况：床温偏高，会影响脱硫效果，造成炉内燃料结焦，影响后继设备的运行；床温偏低，导致燃烧不充分，严重时甚至会出现低温熄火等事故。合理的床温是CFB 锅炉经济、稳定运行的重要保障。随着煤泥掺烧比例的增大，密相区上部、中部、下部床温均下降。因此，床温是制约煤泥掺烧比例上限的评价参数之一。

图1 CFB锅炉掺烧煤泥的运行特性

底渣含碳量反映了炉内燃烧状况，底渣含碳量高是降低锅炉效率的主要原因。煤泥从进入炉膛到参与燃烧需要经过蒸发吸热、煤泥团爆裂、挥发分着火和焦碳燃烧等一系列过程。随着煤泥掺烧量的增加，未能爆裂参与燃烧的煤泥团也会大幅增加，若这部分煤泥从冷渣器出口排出，会导致底渣含碳量增加，甚至造成冷渣器入口煤泥团堆积、堵塞，影响机组安全运行。

排烟温度是气体离开锅炉时的温度，排烟温度越高，说明带走的热量越多，锅炉效率就会越低；排烟温度过低，尾部受热面的腐蚀就会加剧。煤泥本身灰分和含水量高，故燃烧后飞灰量也会升高，进入到尾部烟道携带部分能量，在一定程度上会改变尾部烟道中的热负荷分配；煤泥灰分的黏度大，容易引起尾部烟道受热面积灰，排烟温度升高。

煤泥的含水量很高，水分蒸发，体积受热膨胀，总烟气量增加，引风机电流增大。随着煤泥掺烧量的增加，引风机的电流呈近似线性规律增长，这会导致机组的风机电耗成本增加，厂用电升高。

通过试验的方法得到煤泥掺烧量增加对不同参数的影响，以机组的安全性为主要约束、锅炉效率等经济性为次要约束确定CFB锅炉掺烧煤泥的比例上限。目前，对CFB锅炉大比例掺烧煤泥的运行控制研究绝大多数都集中在这个层面。

1.2 控制角度

在机组连续控制运行中，煤泥的掺烧比例通常远小于由试验得到的上限。从控制角度分析，机组经济性的目的是形成有效、稳定的控制策略，使CFB锅炉的煤泥掺烧比例达到或接近由试验得到的上限。

CFB锅炉大比例掺烧煤泥使用最广泛的是煤泥泵送方式[5]，煤泥仓内的煤泥经仓底滑架和卸料螺旋送至混合料斗，由水分调节系统调整煤泥含水率，经柱塞式煤泥泵加压后送至煤泥枪喷射进入炉膛燃烧。

在理想情况下，煤泥泵每一泵的煤泥含水量都是恒定的，只需要进行试验便可得到煤泥掺烧量和含水量的比例，将入炉煤泥燃烧释放热量减去煤泥中水分蒸发等过程需要吸收的热量，可以得到锅炉输入能量。因此理论上锅炉运行过程中输入能量变化较小，燃烧自动控制是比较容易实现的。但在实际运行中煤泥搅拌主要在料斗中进行，料斗及输送过程中一直有水进入，入炉的煤泥含水量波动较大。极端工况下煤泥落下将水溅到料位计上，料位计显示不准，出现高报，卸料螺旋停止工作，造成打空泵。因此煤泥掺烧量与含水量比例不均，导致锅炉输入能量的波动性较大。

图2给出了一个稳态负荷下煤泥泵送的典型过程。其中①过程代表正常的煤泥泵工作过程，煤泥掺烧量与含水量比例正常。由于煤泥中存在水分，燃烧过程中一部分能量被水分吸收，因此掺烧煤泥的混合煤提供的总能量要高于相同负荷条件下普通煤提供的总能量，即锅炉需求能量。②过程代表含水量高于正常值的煤泥泵工作过程，混合煤提供的总能量要低于正常泵，而水分消耗的能量要比正常泵高，给煤输入净能量要低于锅炉需求能量，此时需要释放锅炉蓄能来补偿输入能量的不足，才能使锅炉运行稳定。③过程代表含水量低于正常值的煤泥泵工作过程，混合煤提供的总能量要高于正常泵，而水分消耗的能量要比正常泵低，给煤输入净能量高于锅炉需求能量，此时需要通过锅炉蓄能积蓄来消耗过量输入能量，稳定锅炉参数。该过程揭示了掺烧煤泥的CFB锅炉输入能量波动的原因。

图2 煤泥泵送运行中存在的能量波动

在负荷变化的动态过程中，锅炉需求能量波动，由于CFB锅炉滞后、大迟延特性，需要利用部分锅炉蓄能来平抑能量需求。因此，用锅炉蓄能来补偿由掺烧煤泥导致能量波动的空间更小，控制难度要更大。

2 运行控制模式

2.1 蓄能理论

由CFB锅炉掺烧煤泥的运行特性可知，要实现运行过程中长期、稳定大比例掺烧煤泥，控制好机组能量变迁是关键。

CFB锅炉中燃烧放热大部分来自存在于床料中并不断循环的未燃尽碳[6-7]，而不像煤粉炉能量释放全部来自瞬时加入的燃料。因此，CFB锅炉的蓄能很大，这也是其适应于掺烧煤泥的原因。

通过软测量手段，挖掘锅炉蓄能、即燃碳等与控制变量的关系，对炉膛内部的能量变迁进行量化，据此形成控制策略，以及时解决煤泥掺烧运行中出现的能量波动问题。

根据质量守恒定律，可得到炉膛内即燃碳量[6]：

qm,z(t)·wCar1-qm,L(t)·wCar2

(1)

式中：mB(t)为即燃碳量，kg；qm(t)为燃料质量流量，kg/s；wCar为燃料收到基碳质量分数，%；qm，L(t)为飞灰质量流量，kg/s；Rc为碳总体燃烧反应速率，kg/s；qm,z(t)为排渣量，kg/s；wCar1为排渣含碳质量分数，%；wCar2为飞灰含碳质量分数，%，根据工程经验，一段时间内wCar和wCar1为常数。

即燃碳的燃烧反应速率Rc为：

(2)

式中：Mc为碳的摩尔质量，kg/kmol；co2为氧气的浓度，kmol/m3；dc为颗粒平均直径，m；ρc为碳颗粒的密度，kg/m3；kc为燃烧速率常数。

kc与炉膛床温T有关：

kc=0.513Texp(-9 160/T)

(3)

设氧气浓度与总风量qV(t)成比例：

co2(t)=ko2qV(t)

(4)

式中：ko2为氧气浓度与总风量的相关系数。

由式(1)～式(4)可得即燃碳燃烧释放热量：

QB(t)=RcH(t)=K(t)qV(t)mB(t)

(5)

式中：QB(t)为即燃碳燃烧释放热量，MJ/s；H(t)为即燃碳发热量，MJ/kg；K(t)为热量模型总系数。

煤中挥发分主要成分包括CH4、H2、CO、焦油(CH0.689O0.014)、CO2和H2O，其中前4种为可燃物质，在析出挥发分总量中的质量分数可按下式[8]计算：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：wV为燃料的挥发分质量分数，%。

挥发分燃烧释放热量为：

QV(t)=qm(t)·∑wiHi

(10)

式中：QV(t)为挥发分燃烧释放热量，MJ/s；Hi为各可燃物质热值，取CH4燃烧热为50.016 MJ/kg，H2燃烧热为124.237 5 MJ/kg，CO燃烧热为10.077 MJ/kg，焦油燃烧热为37.0 MJ/kg。

炉膛总放热量Q(t)为：

Q(t)=QB(t)+QV(t)

(11)

燃料侧蓄能可表示为：

(12)

利用量化的炉膛总放热量与燃料侧蓄能，结合汽包蓄能[9]，能精确计算锅炉蓄能分配，优化能量变迁[6]，在满足变负荷要求下通过风煤的合理配比和控制减小掺烧煤泥导致的能量波动，实现锅炉蓄能的有效利用，提高煤泥掺烧量。

2.2 CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式

采用煤泥泵送方式的CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式如图3所示。针对某一机组，从运行角度可通过试验分析得到机组煤泥掺烧比例上限。从控制角度，基于蓄能理论得到炉膛总放热量与燃烧侧蓄能，计算锅炉蓄能分配，提炼易于优化控制的中间控制量及子过程，设计控制策略，优化控制风煤配比等，充分利用蓄能，减小主要被控参数和蓄能的波动，降低燃料成本。

图3 CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式

该运行控制模式适应电厂实际，通过试验、机理分析和控制策略优化完成，不用增加其他的硬件设备，节约成本，给CFB锅炉大比例掺烧煤泥提供了一种新思路。

3 应用

3.1 机组介绍

某电厂2号机组300 MW CFB锅炉采用自然循环、单汽包、单炉膛、双布风板，配有4个高温绝热旋风分离器和4个外置式换热器。锅炉掺烧煤泥系统由德国PUTZMEISTER公司设计、制造，方式为典型的煤泥泵送系统，由煤泥仓、仓底滑架、冲洗水加压泵及4条煤泥泵送管线组成。

煤泥枪布置在距布风板2.6 m高的位置，锅炉左、右两侧墙各2支，水平对称布置。煤泥枪主要由枪体、球阀、闸板阀和安全阀等组成。煤泥枪运行时通过压缩空气雾化煤泥，便于使煤泥燃尽，为避免枪头被烧坏设有墙盒密封风。

锅炉设计燃料由选煤厂洗选副产物煤泥、矸石和洗中煤组成，其煤质分析见表1。

表1 机组应用时间段的煤质分析

2号机组已进行了煤泥掺烧试验[3]，综合考虑机组运行安全、稳定，煤泥掺烧量上限为60 m3/h左右。然而在实际运行过程中，由于煤泥泵送方式导致能量波动，该机组的燃烧自动控制难以投运，基本靠人工手动调节。CFB锅炉具有较大的热惯性，运行人员调节滞后，机组运行性能不理想，煤泥掺烧量远低于试验所得上限。

3.2 控制策略

根据所提出的CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式，建立了2号机组燃烧释放热量及蓄能量化逻辑，设计了优化控制系统逻辑方案[6,10]，基本框架如图4所示。

3.3 运行效果

图4 CFB锅炉掺烧煤泥运行控制方案

表2 优化系统投运前后机组的主要参数及性能1

图5和图6分别给出了优化系统投运前后机组动态跟负荷过程，其中4条煤泥线的煤泥掺烧量一致，图中只显示其中2条煤泥线的煤泥掺烧量。

如图5所示的时间段后半段，即使在自动发电控制(AGC)指令波动不大的情况下，主汽压力仍然存在较大幅值的波动，从15.68 MPa降至12.74 MPa，运行情况不理想。

如图6所示，AGC指令在250 MW附近频繁波动，机组实际负荷能快速跟踪AGC指令，且偏差小，跟踪效果好。实际的主汽压力变化平稳，其变化率小，平均变化率为0.01 MPa/min。在此时间段内，主汽压力实际值与设定值的最大偏差为1 MPa。

表3 优化系统投运前后机组的主要参数及性能2

图5 优化系统投运前系统运行过程

图6 优化系统投运后系统运行过程

3.4 经济性分析

对该机组应用CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式后进行经济性测算。由电厂数据可知，2号机组年发电量约1×109kW·h，年小时利用数约4 200 h。根据电厂发电部数据统计，优化系统投运后煤泥掺烧平均增量为13 m3/h。机组掺烧煤泥的平均密度为1.212 t/m3，则全年能多掺烧煤泥66 175.2 t。入炉煤平均热值为15.46 MJ/kg，煤泥发热值为8.93 MJ/kg，按煤价300 元/t，煤泥价格60元/t，系统自动投入率85%计算，全年可以节省的燃料成本为：(66 175.2×8.93/15.46×300-66 175.2×60)×0.85=637.2万元。

虽然2号机组此前煤泥掺烧量比较可观，但优化系统投运后仍能节约燃料成本约637.2万元/a，此外，机组自动控制水平提升后有利于降低煤耗。

4 结 论

(1) 提出了CFB锅炉大比例掺烧煤泥运行控制模式，利用锅炉蓄能平抑输入能量波动，优化能量变迁过程，形成了合理的控制策略。

(2) 所提出的运行控制模式应用在某电厂300 MW CFB锅炉中，结果表明优化系统投运后有利于减小参数波动，改善能量变迁过程，提升机组控制水平，增加煤泥掺烧量，降低燃料成本。

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