超臨界循環(huán)流化床鍋爐水煤比控制

田 亮 蘇保光 劉吉臻

華北電力大學(xué)自動化系 河北 保定 071003

0 引言

四川白馬電廠正在建設(shè)世界首臺600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，具有如下優(yōu)點：可以燃燒劣質(zhì)煤，燃煤成本低；采用石灰石爐內(nèi)脫硫，脫硫成本低；低溫動力燃燒，NOx排放低；負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，低負(fù)荷時不存在燃燒不穩(wěn)定問題。由于其在煤種適應(yīng)性和變負(fù)荷能力以及污染物排放上有一定的優(yōu)勢而迅速發(fā)展，特別適合我國動力用煤多為高硫煤和劣質(zhì)煤的情況。

目前循環(huán)流化床鍋爐大多數(shù)為汽包鍋爐，在汽包鍋爐中汽包水位是反應(yīng)輸入能量（燃料）和輸入物質(zhì)（給水）之間的平衡關(guān)系指標(biāo)，因此可以通過控制汽包水位保持燃料和給水的合適配比。而在直流鍋爐中［1］給水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝且淮涡酝瓿傻?，鍋爐的蒸發(fā)量除了受燃燒率的影響外，與給水流量直接有關(guān)。當(dāng)給水流量和燃燒率比例改變時，鍋爐汽水流程中各個段的界面就會發(fā)生移動，汽水流程中各個點的焓值會發(fā)生改變，影響主汽溫的穩(wěn)定，因此直流鍋爐給水控制的任務(wù)是保持合適的水煤比。

目前對于普通煤粉爐的給水控制大多是以給煤量折算給水流量作為給水控制的前饋信號，再通過汽水分離器處（一般稱之為中間點）的微過熱蒸汽溫度值或微過熱蒸汽焓值對給水流量進行細(xì)調(diào)，最后通過控制減溫水量對過熱汽溫進行精調(diào)節(jié)以使鍋爐正常、高效運行。而對于超臨界循環(huán)流化床鍋爐而言［2］，煤在爐內(nèi)一般為360～1800s才能燃燒完全，煤的停留時間很長，且新加入的煤燃燒產(chǎn)生的熱量只占總熱量的5%左右，熱量主要由爐內(nèi)床料的蓄熱產(chǎn)生，由煤量信號折算的給水前饋信號具有很大的動態(tài)誤差，僅靠中間點溫度對給水流量修正和減溫水對過熱蒸汽溫度進行修正，必然會引起主蒸汽壓力和溫度的頻繁波動影響機組的安全性和穩(wěn)定性。

為了克服超臨界循環(huán)流化床鍋爐燃燒慣性和床料熱慣性對過熱汽溫控制產(chǎn)生的不利影響，本文由風(fēng)量、氧量信號構(gòu)造了具有足夠精度和動態(tài)響應(yīng)能力的熱量信號，并將構(gòu)造的熱量信號折算為給水流量前饋指令，使給水流量與鍋爐產(chǎn)生的實際熱量之比在一定的范圍內(nèi)，再通過中間點焓值對給水流量進行修正，直接對鍋爐出口主蒸汽溫度進行粗略控制，最后通過噴減溫水對主蒸汽溫度進行微調(diào)。

1 傳統(tǒng)的水煤比控制系統(tǒng)

目前直流鍋爐的給水控制策略可以分為水跟煤和煤跟水兩種。水跟煤控制方式：給水流量控制直接響應(yīng)負(fù)荷的要求，根據(jù)機組負(fù)荷加減給水，當(dāng)由于給水變化引起分離器出口蒸汽溫度變化時，通過調(diào)整燃料量予以控制。煤跟水控制方式：燃料量直接響應(yīng)負(fù)荷的要求，根據(jù)機組負(fù)荷變化加減燃料，當(dāng)由于燃料加減引起汽水分離器出口蒸汽溫度變化時，通過調(diào)整給水量予以控制。

根據(jù)穩(wěn)定工況下的熱平衡方程式，有：

式中：Qr為燃煤發(fā)熱量 （kJ/kg）；η為鍋爐效率；hgr、hgs分別為給水焓值和過熱蒸汽焓值（kJ/kg）；B為燃料量（t/h）；G為給水流量（t/h）；rzr為再熱器的相對吸熱量。

整理得：

由式（2）可知，鍋爐效率、燃煤發(fā)熱量、給水焓值在一定負(fù)荷范圍內(nèi)保持不變，過熱器出口焓值只決定于煤水比，如果煤水比保持不變則過熱蒸汽焓值保持不變。

鍋爐運行中，水煤比不是恒定不變的，它隨負(fù)荷的變化而變化，（不考慮機組再熱）則水煤比：

文獻［3］對兩種給水控制方式進行了仿真，從仿真結(jié)果可以看出在響應(yīng)速度方面，給水流量對主蒸汽壓力的響應(yīng)比燃料量響應(yīng)快速且準(zhǔn)確，煤跟水控制方式可以有效的穩(wěn)定主蒸汽壓力，從而提高機組的負(fù)荷響應(yīng)速度，但由于燃料側(cè)對分離器出口焓值的作用延遲較大，不利于水冷壁安全運行；相反，水跟煤的控制方式可以有效地控制分離器出口焓值，但不利于主蒸汽壓力的穩(wěn)定。目前出于對水冷壁安全方面考慮大部分采用水跟煤的控制方案。

由于給煤量變化時過熱汽溫的響應(yīng)延遲很大［4］，因此水煤比控制最主要的是找到具有足夠靜態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)能力的反饋信號。文獻［5］提出了多種水煤比調(diào)節(jié)的反饋信號，據(jù)此構(gòu)成了十余種典型的水煤比調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反饋信號按性質(zhì)可以分為兩類：一類是反應(yīng)水煤比的信號，主要有加熱段的水溫、微過熱汽溫、微過熱蒸汽焓值、最大熱熔區(qū)工質(zhì)密度；另一類是反應(yīng)燃料熱量的信號，主要包括煙氣溫度、火焰輻射溫度、爐膛內(nèi)蒸發(fā)段管外壁溫度、微過熱區(qū)熱量信號、鍋爐出口熱量信號等。反饋信號中煙氣溫度、火焰輻射溫度和爐膛內(nèi)蒸發(fā)段管外壁溫度對燃料量變化響應(yīng)很快，但容易受火焰中心上下移動等因素的干擾，準(zhǔn)確度較差；加熱段水溫、微過熱汽溫、微過熱蒸汽焓值對燃料熱量和給水量相應(yīng)慢，另外在變壓運行時，由于蒸發(fā)段的位置變化，常使測點位置進入飽和區(qū)而失效 （或接近飽和區(qū)精度變差）。

目前對于超臨界直流爐的過熱汽溫調(diào)節(jié)大多是以鍋爐汽水分離器處(一般稱之為中間點)的微過熱蒸汽溫度值或微過熱蒸汽焓值作為水煤比調(diào)節(jié)信號，再通過控制減溫水量對過熱汽溫進行細(xì)微調(diào)節(jié)以使鍋爐正常、高效運行［6］。

文獻［7］提出將快速反應(yīng)燃燒率變化的輻射能信號引用到300MW直流鍋爐燃水比系統(tǒng)中。爐膛輻射能信號相對于熱量信號具有更快速響應(yīng)爐內(nèi)燃燒狀況的導(dǎo)前特性，可以快速響應(yīng)水煤比的變化。但是，受到火焰擾動因素的影響，高頻干擾大，存在靜態(tài)精度不是很高的缺陷。

2 熱量信號構(gòu)造及給水流量計算

按文獻［8］中的方法構(gòu)造熱量信號。田亮等人建立了風(fēng)量、氧量和熱量三者的關(guān)系模型，如式（4）所示：

式中：V為進入鍋爐的實際風(fēng)量（m3／s）；O2為鍋爐的排煙氧量。

通過機理分析發(fā)現(xiàn)，1kg煤完全燃燒所需的理論干空氣量V01與1kg煤完全燃燒時釋放的熱量Q01的比值，即燃煤理論空氣熱量比接近一常數(shù)。且統(tǒng)計實際數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，實際空氣熱量比Kvq也接近常數(shù)。

按式（4）計算的熱量為輸入鍋爐輸入的總熱量減去固體未完全燃燒損失的熱量即：

根據(jù)鍋爐機組熱平衡，在穩(wěn)定工況下，輸入鍋爐的熱量等于輸出鍋爐的熱量，可建立鍋爐的熱平衡方程，如式（7）所示：

式中：Qr為鍋爐輸入熱量；Q1為鍋爐有效利用熱量；Q2為排煙損失；Q3為氣體未完全燃燒損失；Q4為固體未完全燃燒損失；Q5為散熱損失；Q6為灰渣物理熱損失。

對于電站燃煤鍋爐，排煙中可燃?xì)怏w很少，因此常常忽略氣體未完全燃燒損失Q3；

結(jié)合公式（6）和（7）可以得出：

從而可以得到：

排煙損失Q2可由式（10）計算：

式中：Qa為總風(fēng)量（kg/s），t0為基準(zhǔn)溫度（℃），t1為排煙溫度（℃）。

Q5采用鍋爐熱力實驗規(guī)程推薦方法計算，即額定負(fù)荷下的設(shè)計值乘以額定負(fù)荷下主蒸汽流量除以實際蒸汽流量。

其中qed采用式（12）計算

式中：Dhe為額定負(fù)荷下主蒸汽流量，D為實際主蒸汽流量，qed為額定蒸發(fā)量的散熱損失。

Q6采用鍋爐設(shè)計值，為常數(shù)。

鍋爐有效利用熱量包括過熱蒸汽帶走的熱量、再熱蒸汽帶走的熱量、鍋爐排污水帶走的熱量，當(dāng)排污量不超過蒸發(fā)量的2%時，可忽略不計，電廠正常運行期間其排污率小于2%，因此鍋爐的有效吸熱量可以用式（13）表示：

式中：Dgr為過熱蒸汽流量（kg/s）；igr為過熱蒸汽焓（MJ/kg）；igs為給水焓（MJ/kg）； Dzr為再熱蒸汽流量（kg/s）；izr為再熱蒸汽焓（MJ/kg）；igp為高缸排汽焓（MJ/kg）。

鍋爐穩(wěn)定運行時，過熱蒸汽帶走的熱量和再熱蒸汽帶走的熱量的比值非常接近一常數(shù)。

因此結(jié)合式（11）和（12）可以計算主蒸汽流量，即給水流量：

經(jīng)田亮等［8］實驗驗證，式（4）得到的風(fēng)量氧量熱量信號有足夠的靜態(tài)精度和很好的動態(tài)特性，因此由熱量信號計算的給水流量能快速準(zhǔn)確的反應(yīng)爐膛內(nèi)熱量的變化。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

為研究循環(huán)流化床鍋爐的蓄熱能力及其它相關(guān)的動態(tài)特性以便于設(shè)計合理的具有足夠的靜態(tài)精度和動態(tài)相應(yīng)能力的水煤比控制系統(tǒng)。文獻［9－10］對某電廠的機組進行了較完整的動態(tài)試驗，并以傳遞函數(shù)的形式給出了該機組不同負(fù)荷下，給煤量對主蒸汽壓力、主蒸汽溫度的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和給水流量對主蒸汽壓力、主蒸汽溫度的動態(tài)數(shù)學(xué)模型并給出了相應(yīng)的動態(tài)曲線。從動態(tài)響應(yīng)曲線可以看出循環(huán)流化床鍋爐比煤粉爐具有更大的燃燒慣性和傳熱慣性。

由于循環(huán)流化床鍋爐比煤粉爐具有更大的燃燒慣性和傳熱慣性，因此循環(huán)流化床鍋爐的水煤比控制如果在沿用普通煤粉爐的控制方法，必然會使給水量不能對應(yīng)鍋爐釋放的總熱量，引起主蒸汽溫度的頻繁波動。為了維持主蒸汽的穩(wěn)定，那就要求減溫水有足夠的調(diào)節(jié)范圍，大量的使用減溫水不僅影響機組效率，而且由于直流鍋爐蒸汽流量等于給水流量和減溫水流量之和，當(dāng)噴水流量增加后，給水流量相應(yīng)的減小反而擴大了水煤比的失調(diào)程度，對機組的穩(wěn)定性和安全性極為不利。

為了克服循環(huán)流化床鍋爐的燃燒慣性和床料熱慣性，須引入一個具有足夠精度和動態(tài)響應(yīng)能力的熱量信號，來反映鍋爐釋放的總熱量，使給水前饋信號和鍋爐產(chǎn)生的總熱量相適應(yīng)，再通過中間點溫度或焓值對給水流量進行修正，直接對鍋爐出口主蒸汽溫度進行粗略控制，最后通過噴減溫水對主蒸汽溫度進行微調(diào)。

圖2為改進的水煤比控制方式示意圖。其主要特點是：在給水控制回路中引入了反應(yīng)爐膛內(nèi)熱量變化的熱量信號作為給水系統(tǒng)的前饋信號，再通過中間點溫度或焓值修正給水流量。

圖2 改進的水煤比控制方式示意圖

循環(huán)流化床鍋爐給煤機無煤量測定裝置，入爐煤量由給煤機轉(zhuǎn)速換算得到，給煤機信號穩(wěn)態(tài)精度差，不能正確的反應(yīng)給煤量自發(fā)的擾動，燃料量的擾動會導(dǎo)致給水流量波動引起給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤動作。熱量信號的引入不僅能有效的克服由于給煤量測量不準(zhǔn)引起給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的誤動作，而且克服了循環(huán)流化床鍋爐的床料熱慣性引起的主蒸汽溫度和壓力的頻繁波動。

構(gòu)造的熱量信號不僅能實時反應(yīng)爐膛內(nèi)熱量的變化，同時也能實時反應(yīng)燃料發(fā)熱量的變化。由熱量信號計算的給水流量能快速的反應(yīng)爐膛內(nèi)熱量的變化，克服了原來的水煤比控制動態(tài)響應(yīng)能力慢的缺點，同時熱量信號的引入也克服了煤質(zhì)變化對水煤比控制帶來的影響，能很好的維持主蒸汽壓力和溫度的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出的水煤比控制方案具有如下優(yōu)點：

1）當(dāng)煤質(zhì)或煤種變化時熱量信號能及時根據(jù)鍋爐釋放的總熱量及時的調(diào)整給水流量，克服了傳統(tǒng)的水煤比由于煤質(zhì)變化引起主蒸汽和壓力的頻繁波動。

2）熱量信號引入到給水控制系統(tǒng)克服了循環(huán)流化床鍋爐由于燃燒慣性和床料熱慣性對給水控制的不利影響。

3）該方法不僅能適用于循環(huán)流化床鍋爐，同時也能適用于普通的煤粉爐。該方法的提出對于鍋爐運行，提高鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性，有一定的指導(dǎo)意義。

［1］劉吉臻.協(xié)調(diào)控制與給水全程控制［M］.北京：中國電力出版社，1995：15－43.

［2］李金晶，李艷，呂俊復(fù)等.循環(huán)流化床鍋爐熱慣性分析［J］.熱能動力工程，2009，24（5）：609－613.

［3］林文孚.600MW超臨界機組給水控制系統(tǒng)及其仿真研究［J］.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)報，2006，4（3）:51－54.

［4］徐二樹，李恕康，孫志英等.大容量超臨界直流鍋爐鍋內(nèi)過程全工況實時仿真數(shù)學(xué)模型及動態(tài)特性［J］.動力工程，2003，23（4）：2500－2505.

［5］韓忠旭，潘鋼，邱忠昌等.直流爐機組給水控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.中國電機工程學(xué)報，2010，30（2）：7－15.

［6］何同祥，牛玉廣，王存旭等.采用控制中間點焓值的直流爐給水控制系統(tǒng)［J］.華東電力，1999，（2）:26－28.

［7］何毅，羅自學(xué)，劉智等.直流鍋爐燃料／給水比值控制的研究［J］.湖北電力，2007，31（1）:44－46.

［8］田亮，劉鑫屏，趙征等.一種新的熱量信號構(gòu)造方法及實驗研究［J］.動力工程，2006，26（4）:499－502.

［9］馬素霞，楊獻勇.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的動態(tài)特性研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26（9）：1－6.

［10］郝勇生，沈炯，侯子良等.300MW循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷、床溫和床壓的動態(tài)特性分析［J］.動力工程學(xué)報，2010，30（3）：175－179.