浅析循环流化床机组的协调优化.pdf

全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 347 浅析循环流化床机组的协调优化 宋海英 （秦皇岛发电有限责任公司 华北电力大学在职研究生 066003） 【摘 要】本文针对秦皇岛秦热发电有限责任公司 1025t/h 循环流化床机组协调控制的现状展开分析。以循 环流化床锅炉内残碳积累与平衡，床料蓄热变化对机组负荷适应性影响为出为点，讨论了提高循环流化床锅炉负荷 适应性的物质与能量前提。分析了风煤负荷稳态平衡与暂态平衡的区别，从而提出了优化循环流化床机组协调控制 必须尽可能维持负荷变化整个暂态过程中的能量平衡，残碳的平衡，炉内蓄热的平衡。 【关键词】循环流化床锅炉 协调 能量平衡 0 概述 秦皇岛秦热发电有限责任公司 5、6 号供热机组 dg1025/17.4-1 型锅炉是东方锅炉（集团）股 份有限公司与法国 alstom 公司合作设计配套 300mw 亚临界机组循环流化床锅炉。该锅炉为单汽包、 自然循环、半露天布置的循环流化床锅炉，锅炉整体呈左右对称布置，支吊在锅炉钢架上，采用高 温旋风分离器进行气固分离，采用外置换热器控制炉膛床温及再热汽温。 面对 两个细则 的实施， 对机组的负荷适应性提出了越来越严格的要求。 对自动发电控制(agc) 投运调节品质要求非常高，agc 的正常运行以及提高负荷响应速率已成为机组运行的一项非常重要 的指标。agc 的各项调节品质指标是建立在锅炉汽轮机协调控制系统(ccs)调节品质的基础之上，同 时也与是否充分了解和利用锅炉、汽机特性有关。协调控制系统发生故障或调节品质不好，机组将 无法正常运行也无法满足电网的要求。如何提高机组协调控制系统的调节品质已成为我们必须重视 和解决的问题。按厂家说明书介绍，5、6 号锅炉具有良好的变负荷适应性能，允许的负荷变化率为： 负荷在 60100% bmcr 时 不小于 3%bmcr/min。负荷在 60% bmcr 以下时不小于 1.3% bmcr /min， 负荷阶跃时 56% bmcr /min 机组能承受上述负荷变化而不影响其稳定运行。但是实际运行中负荷 适应性较差。 1 设备现状 机现 agc 均在 blo 模式下，面对问题的严峻性明显优于一、二期。但是从 5、6 号机负荷跟踪速 率，汽压、汽温、氧量、床温波动幅度与时间，乃至床温、汽温超温记录来看，5、6 号机 agc 调节 品质有待提高。 对汽轮机组来说，参数的稳定（包括参数稳定的变化）是建立在一系统物质和能量平衡基础之 上的。离开物质与能量的平衡，我们来谈某一参数是否稳定，或是期望某一个单一自动的调节品质 优化，是非常困难的。谈自动前，我们先要提一下设备状况。 1.1 煤质突变 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 348 三期无配煤设备，煤种复杂，这就存在煤种突然变化的可能。循环流化床锅锅炉对燃料的适应 性强，主要是在设计环节。设计好定型的锅炉，当煤种的变化范围较很大时，锅炉的运行中往往反 应是力不从心。5 月 14 日#6 炉在 200mw 稳定负荷下，煤质突然变差，汽压下降，协调大幅度加煤， 从 150t/h 加至 204t/h，依然没能遏制汽压大幅度下降，最后 agc 跳闸如图 1。 图 1 负荷稳定，煤质变化 agc 跳闸过程曲线 1.2 风机裕量不足空预器漏风大 涨负荷时风机出力不足,引、送风机满出力运行后风量不足，炉膛正压过大限制涨负荷，运行人 员不得不在涨负荷时减风。这其中空预器漏风大是主因，我厂 5、6 号炉空预器漏风 16%。涨负荷时 因床压下降，一次风压下降，使二次风压更是跟不上去。 1.3 低床压、低风量运行 低床压代表炉内物料量降低，炉内蓄热降低。说明书中要求在各种负荷下，主循环回路中的物 料量（不是循环物料量）应是不变的。负荷变化时由于循环速率变化，床压要在较大幅度内变化。 说明书中要求在正常运行时（负荷变化范围为 50100bmcr） ，炉膛全压差根据负荷变化其变化 范围为 17kpa（100bmcr）21.95kpa（50bmcr） 。50bmcr 和 100bmcr 炉膛全压差相差 5kpa 左右。 图 2 炉膛全压降与锅炉负荷的关系曲线 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 349 现实际运行中两者相差 2kpa，说明了负荷变化中我们没能充分利用，床料蓄热对负荷变化的支 持。运行人员也常常因为升负荷时因床压过低对不愿加一次风。 同时因为要求高负荷低氧量，涨负荷时，加风不足，减负荷减风不足。低床压运行对防磨及稳 定运行有利，但同时也减少了炉内床料量，降低了锅炉蓄热。降低了通过调节物料循环速率对负荷 的适应能力。低风量低氧量运行，意味着锅炉物料循环速率的减弱，也使炉内残炭比例的稳定性变 差。 2 物质与能量的平衡分析 升降负荷首先需要的是物质与能量上的支持。提高协调控制系统负荷响应速率最主要的依据就 是锅炉、汽轮机本身的调整特性，以及它们作为发电机组这一整体的相互匹配关系。在提高负荷响 应速率和确保设备安全运行之间找到最佳平衡点。我们就必须合理利用锅炉、汽机本身的特性，努 力提高机组 agc 负荷响应速率指标，协调控制系统的控制策略，调节品质。 对于煤粉炉而言直接能量平衡 deb 具有平衡主汽压偏差的功能，其被调量热量信号 (hr=p1+cb*dpbdt)对燃烧率的响应速度比机前压力响应快得多；deb 避免了由于压力响应滞后所 产生的偏差导致锅炉煤量的超调，同时又大大提高了系统的静态稳定性及动态快速性。 对于煤粉炉，煤粉从入炉到完全燃烬飞出炉膛大约只需几秒钟一次性完成。对循环流化床锅炉 燃煤粒径及粒径分布影响极大。大于 1mm 的较粗煤粒的挥发份析出和碳的燃烧受扩散控制，挥发份 完全析出时间和炭粒完全燃尽时间与粒径的平方成正比，1mm 粒径的煤粒从入炉到完全燃烬大约要 15 分钟多次循环来完成。 在循环流化床锅炉中煤的给入方式与煤粉炉不同。在运行过程中，经过破碎的煤被送入其燃烧 室下部。由下部送入的新燃料并不提供保证锅炉燃烧所需的所有能量，而锅炉燃烧所需能量是流化 床内所有残碳与新加入的新燃料燃烧的结果。流化床内残碳的积累是一个动态蓄积，它代表了循环 流化床的本质，并主导着流化床的运行过程。按以往的模式给出锅炉指令的话，循环流化床锅炉对 负荷响应速率较差，#5、6 炉运行历史来看，升降负荷时 3mpa 以上的汽压波动经常发生。 合理利用锅炉蓄热对提高协调控制的负荷响应速率有重要作用，对煤粉炉锅炉蓄热包括汽侧、 水侧和金属蓄热。汽侧蓄热是指在锅炉汽包和过热器中存储的蒸汽，这部分蒸汽可直接利用对外作 功转为实发功率；水侧蓄热是指当锅炉主汽压力降低时，锅炉中的一部分饱和水转化为饱和蒸汽， 使锅炉蒸发量瞬间变大；金属蓄热主要指为汽包金属蓄热，当汽包压力变化时引起其饱和温度变化， 产生汽包金属与蒸汽温差而释放(吸收)部分蓄热。因为对于它来说能量平衡关系为： qr+h=qc 但是对于循环流化床锅炉， 上述平衡关系中必然增加了床料蓄热量以及床料中残碳积累的影响。 能量平衡应是否可修为下面关系呢： （没考效率变化） qr+h+ex+et=qc qr入炉煤输入热量， h工质焓的变化 ex炉内床料及炉膛蓄热量的变化 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 350 et入炉煤量变化及床料循环速率变化引起的炉内残碳所含能量变化 qc锅炉输出负荷， 负荷变化必需物质和能量的支持，这种支持从哪里来，首先我们不希望过多利用工质蓄热，因 为 h 大幅度变化，因为意味着蒸汽参数（汽压、汽温）的不稳。汽压变化必使汽包内饱和温度变化， 使汽包承受热应力增加，汽压、汽温变化化都会使汽机热应力增加，从而降低其寿命。我们就希望 有 qr+ex+et=qc 的平衡。 也就是我们希望利用入炉煤放热量的变化， 炉内床料及炉膛蓄热的变化， 床料中所含残碳比例变化来满足负荷变化要求。 但是对于负荷变化过程，设负荷变化量为 dqc。入炉煤放热量的变化 dqc 跟踪上是有一段时间 的，首先从煤量指令发出，db 称重、刮板给煤机转速变化，煤量变化量 db 到对应值，即从而入煤 量变化有一定时滞。但是对循环流化床锅炉更为重要的是入炉煤量变化量 db，在短时间只是其中挥 发份析出燃烧释放了热量，残碳燃烧放热，还需一个相当长的过程。只是同时改变了床料中残碳比 例。也就是说对负荷变化的暂态过程，入炉煤能量一部分增加了锅炉输出热量，一部分用于炉膛和 床料的蓄热变化，而相当一部分用于改变床料中残碳比例。有资料表明循环流化床锅运行时炉中循 环灰中残碳比例在5%以下，但是考虑到，循环流化床锅 炉内几乎近千吨的静态床料量，炉内残 碳总量相当可观。可以试相总煤量变化 20t/h,在前 10 分钟入炉煤增量仅为 3 吨左右。 通过上述分析我们可以在负荷变化时，通过调节一、二次风量，改变一、二次风配比，来改变 循环灰中残碳比例，同时通过改变灰循环速率，增快炉内灰蓄热的变化在第一时间用于满足负荷变 化要求呢。再有同时人为增加煤量前馈， （因为前期新增入炉煤中只有挥发份及少量细粉可以迅速燃 烧放热） 。使汽压在负荷变化初期平稳变化。前期汽压平稳反过来又可以避免协调在后期大幅度过调 煤量。 6 号炉一次涨负荷跳 agc 时，就是因为前期汽压剧降至 12.4mpa，导致协调后期过量加煤，汽压 一旦反弹，协调减煤，但是炉内前期残碳比例增加的能量开始发挥作用，使汽压一路涨至 17.6mpa。 因为过调，使相当长一段时间内煤量不能与负荷对应，最终两次跳 agc。两次超压限负荷。所以控 制好前期，是关键。 其实直吹式中速磨制粉系统延时也是很大的。对于直吹式制粉系统，燃料指令经给煤机调节转 速改变给煤量，进入磨煤机内制成粉，再经一次风吹入炉膛，这一过程时间约 35min。而煤粉进 入炉膛燃烧，水冷壁吸收热量，加热未饱和水至饱和蒸汽，转化为锅炉蒸发量的时间也是比较长。 对于煤粉炉来说直接能量平衡(deb)中的热量信号 （hr=p1+dpddt)最快地反映锅炉燃烧率及蒸 发量的变化，能迅速消除锅炉内扰；deb 能量平衡信号(bi=p1*pspt)能正确快速地反映汽机对锅 炉的能量需求，两者的偏差信号作为锅炉主控制器的入口偏差，动态响应速度快，静态时可消除主 汽压力偏差。 对循环流化床锅炉的协调控制系统中将直接能量平衡信号(p1*pspt)作为燃料指令信号， 恐怕 效果不会很好。因为它没能充分考虑炉内残碳积累，以及床料蓄热量的变化。 对于煤粉炉觉得燃料量滞后太大，因此采用在变负荷初期过程中以微分形式提高磨煤机一次风 量，利用磨中存粉，加快了锅炉的响应速度。对循环流化床锅炉来说为加快协调控制系统中锅炉侧 的响应速度和加强锅炉调节器的前馈作用，在前馈的选择上应充分考虑。前馈信号选择应是实际负 荷指令 ud、 deb 热量信号、 床温 （反应床料蓄热） ， 残碳比例变化 （可以为是风煤比与氧量的函数 （以 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 351 后我们可通过实验建立这一数学模型） 。 3 实际涨降负荷过程分析 通过能量和物质平衡关系，可以优化协调控制系统及其子系统的调节品质。 以往我们得到的煤量、一、二次风与负荷对应关系是在稳态下得到的，不适于暂态过程。 图3 锅炉指令与汽机负荷的关系曲线 在图 3 中，黑线代表负荷变化，红线代表锅炉指令信号。对于阴影部分我们不能将其理解为简 单的超调。更为恰当的理解是暂态过程中锅炉能量与物质的始终平衡。 如图 4，6 月 1 日 10：00 至 11：00 负荷从 280mw 降至 200mw，再升至 250mw，手动改变煤量正 负 30 吨偏置实现。汽压变化从 16.1mpa-16.3mpa。基本可以满足要求。下面我们来分析其中的涨负 荷过程。 图 4 2009 年 6 月 1 日手动升降负荷试验曲线 第一、涨负荷初期，过量加煤。因为入炉煤中只有细粉与挥发分可以快速燃烧放热，而相当一 部分主要用增加了炉内残碳比例，要在其后一段时间内释放能量。为了维持此时的能量平衡要求我 们快速过量加煤，首先利用其中细粉与挥发分能量满足负荷要求。 第二、同时过量加一、二次风，特别是增加一次风，通过增加循环倍率降低炉内残碳比例，使 炉内残碳燃烧放热，可用于满足初期涨负荷需要，同时综合入炉煤使残碳通过比例的增加，两者合 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 352 理结合可以尽量保证残碳比例的平衡，避免后期床温暴起暴落。 第三、通过开大外置床锥形阀，适当降低床温，充分利用炉内床料蓄热，增加过热器减温水量， 快速减缓汽压下降势头。 而到后期，一旦前期入炉煤增加为残碳开始发挥作用，就要及时降低锅炉指令，这一锅炉指令 在反应 deb 中能量平衡信号(bi=p1*pspt)是不足够的，它应能同时反应残碳比例变化。过量减煤 使这一暂态过程中能量平衡。避免之后汽压反弹。 当然实现这一切最终前提是一次设备要满足要求，从引、送风机到给煤机均有一定实裕量，同 时可以承受一定的负荷变化速率。 4 解决问题的思路 4.1 借鉴三冲量调节思想 可以考虑增加一组能量平衡量。单冲量的 pid 调节，必须在被调量与指令有偏差比例环节才能 起作用，并根据被调量变化速率微分环节作用。但对于蓄热，蓄质大的系统，这种方式往往调节品 质不良。所以我们引入三冲量。 对循环流化床锅炉，我们也可考虑再引入一组平衡量。计算出最佳反映炉内蓄热变化和残碳积 累量变化的参数。考虑到入炉煤变化引发的残碳积累量变化值与炉内燃烧引发残碳积累量变化值平 衡关系。利用两者偏差值为新的锅炉指令前馈。具体实现上可利用风煤比与氧量对应关系（一定风 煤比下氧量下降反映为残碳积累量下降，反之亦然。 ）或是各部分床温、床压的变化。 4.2 引入累积热量平衡 对于能量与物质蓄积在的系统，参数稳定不仅取决于某一时间点的能量与物质平衡，而应取决 于一定时间段累积能量与物质的平衡。 （思路来源于有人调水时幅度很大，有人幅度很小，虽未必可 取，但许多老师傅水位实际上调的都很稳） 。基于这种思路，我们可以考虑将一定时间段锅炉累积输 入热量与累积输出热量平衡的概念。具体实施中对煤粉炉可取 10 分钟，循环流化床锅炉取 20 分钟。 累积输入热量可采用入炉煤放热量曲线的积分。累积输出热量可利用输出焓值的积分。 这样一来，负荷变化之始，对某一个时间点来说，我们完全可以不必顾虑稳态下风、煤、负荷 对应关系，过量调节， （原因如以前所说（只有细粉与挥发份立即起作用） 。之后在利用累积热量平 衡机制在一个合适的时间点将煤量，风量逐渐回调