循環(huán)流化床機(jī)組AGC系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用

童紅政， 程應(yīng)冠， 裴建軍， 常東武， 由長(zhǎng)福

(1. 浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司， 浙江平湖 314201；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；3. 清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系， 北京 100084)

循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣，調(diào)峰性能比煤粉爐好，且可以高效脫硫、低氮排放的特點(diǎn)，近年來(lái)得到快速發(fā)展。但是目前國(guó)內(nèi)多數(shù)火電廠存在著煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤種、配煤摻燒、機(jī)組運(yùn)行工況變化等問(wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)行參數(shù)不合理，作為核心的燃燒控制系統(tǒng)自動(dòng)投入率較低且效果不理想。同時(shí)，隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高，電網(wǎng)對(duì)大型火力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)負(fù)荷響應(yīng)能力的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果較差，主蒸汽壓力和負(fù)荷偏離目標(biāo)值較大，很難滿足電網(wǎng)AGC性能考核要求，同時(shí)也不利于機(jī)組長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

筆者結(jié)合風(fēng)量響應(yīng)特性，對(duì)床溫和主蒸汽壓力控制特性進(jìn)行分析，并優(yōu)化了燃燒控制系統(tǒng)及AGC系統(tǒng)，對(duì)同類型機(jī)組AGC系統(tǒng)優(yōu)化工作有借鑒意義。

1 影響因素

1.1 機(jī)組概況

某電廠2號(hào)機(jī)組是330 MW亞臨界循環(huán)流化床(CFB)鍋爐發(fā)電機(jī)組。鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、緊身封閉、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)的CFB鍋爐，有3個(gè)旋風(fēng)分離器，蒸汽的額定壓力為17.5 MPa、額定溫度為541 ℃。汽輪機(jī)為單軸雙缸雙排汽的汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為330 MW水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)。機(jī)組熱工控制為單元制，采用機(jī)、爐、電集中控制方式和MACSV-5型分散控制系統(tǒng)(DCS)。

1.2 影響因素分析

1.2.1 床溫的影響因素

床溫是監(jiān)視CFB鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)之一，隨著床溫不斷升高，NOx排放質(zhì)量濃度也在增加。然而，當(dāng)床溫過(guò)低時(shí)會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛出口CO質(zhì)量濃度和飛灰含碳量增加，造成不完全熱損失，同時(shí)導(dǎo)致鍋爐N2O的排放量增加，影響鍋爐燃燒效率和運(yùn)行安全[1-2]。合適的床溫可以有效地避免爐床的結(jié)焦、提高燃燒效率和脫硫效率，因此床溫一般控制在850～900 ℃, 可以保證鍋爐的安全連續(xù)運(yùn)行、提高鍋爐脫硫效果和降低NOx的排放量[3-4]。

從CFB鍋爐的控制參數(shù)耦合特性看，影響床溫的因素較多，主要有一次風(fēng)體積流量、二次風(fēng)體積流量、燃料量和石灰石量；但是如果采用改變?nèi)剂狭空{(diào)節(jié)床溫，在床溫調(diào)節(jié)的同時(shí)必然引起鍋爐主蒸汽壓力波動(dòng)，而改變石灰石量則會(huì)引起床壓的波動(dòng)及降低污染物的排放效果。因此，通常通過(guò)調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)體積流量進(jìn)行控制。

1.2.2 主蒸汽壓力的影響因素

主蒸汽壓力是關(guān)系機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)之一，而鍋爐主蒸汽壓力的穩(wěn)定主要取決于鍋爐的燃燒特性，即合適的風(fēng)煤配比[5-6]。

在鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一、二次風(fēng)體積流量及燃料量的協(xié)調(diào)配合使鍋爐主蒸汽壓力快速響應(yīng)且穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)性。

2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

筆者進(jìn)行了一、二次風(fēng)擾動(dòng)對(duì)床溫及主蒸汽壓力影響的試驗(yàn)，并分析了其影響，試驗(yàn)中的一次風(fēng)和二次風(fēng)的斜坡變化均為25 m3/h。

2.1 一次風(fēng)擾動(dòng)的影響

一次風(fēng)擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 一次風(fēng)擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

隨著一次風(fēng)體積流量的增加，會(huì)使供應(yīng)氧量增加，從而使密相區(qū)內(nèi)的燃燒份額上升，但密相區(qū)燃燒份額的增加遠(yuǎn)低于一次風(fēng)增加的比例。在床溫較高的情況下，一次風(fēng)帶走的熱量大于燃燒份額增加的熱量，出現(xiàn)了床溫下降現(xiàn)象。因此，一次風(fēng)體積流量增加短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)了床料的燃燒，床溫略有上升或基本不變，約70 s后才隨著一次風(fēng)體積流量的增加而降低，床溫最終降低了3.4 K。因此，床溫的變化與一次風(fēng)體積流量的變化不是單調(diào)關(guān)系。

一次風(fēng)體積流量的加大使?fàn)t膛下部密相區(qū)的氣泡上升速度迅速增加，大量的揮發(fā)分和CO將被帶到稀相區(qū)去燃燒，密相區(qū)的燃燒強(qiáng)度減小，稀相區(qū)的燃燒強(qiáng)度增加，上部稀相區(qū)的溫度隨著一次風(fēng)體積流量的增大而升高，從而使機(jī)組主蒸汽壓力升高，最終使主蒸汽壓力升高了0.16 MPa。

2.2 二次風(fēng)擾動(dòng)的影響

二次風(fēng)擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。二次風(fēng)的主要作用是補(bǔ)充爐內(nèi)燃燒所需要的氧量，使?fàn)t內(nèi)燃燒成為富氧燃燒，并使得爐膛內(nèi)稀相區(qū)的煙氣和細(xì)顆粒物料可以較強(qiáng)烈地混合攪拌，防止局部的煙氣溫度過(guò)高，調(diào)整整個(gè)爐膛內(nèi)溫度的均勻分布，使稀相區(qū)的細(xì)顆粒能夠充分燃燒。因此，二次風(fēng)體積流量的增加對(duì)床溫影響較小，通過(guò)均勻稀相區(qū)燃燒，床溫增加較少，僅為1.2 K，主蒸汽壓力升高了0.16 MPa。

圖2 二次風(fēng)擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

3 控制優(yōu)化

3.1 床溫控制

一次風(fēng)體積流量變化對(duì)床溫影響比較大，二次風(fēng)體積流量對(duì)床溫的影響不大。當(dāng)一次風(fēng)體積流量增加時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)了床料的燃燒，但同時(shí)也帶走了燃燒熱量，所以床溫在一次風(fēng)體積流量增加初期床溫基本不變，而后隨著一次風(fēng)體積流量的增加而降低，因此床溫隨一次風(fēng)體積流量的變化不是單調(diào)關(guān)系，如果用床溫的閉環(huán)來(lái)修正一次風(fēng)體積流量，燃燒控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

因此，采用一次風(fēng)調(diào)節(jié)成為控制床溫的主要手段，同時(shí)調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)配比，在采用一次風(fēng)控制床溫的同時(shí)，相應(yīng)改變二次風(fēng)體積流量，保證鍋爐的總風(fēng)量不變，維持煙氣氧量的恒定和床溫在合理范圍內(nèi)。

3.2 主蒸汽壓力控制

3.2.1 風(fēng)煙系統(tǒng)

一次風(fēng)體積流量對(duì)床溫和主蒸汽壓力的影響均比較大，二次風(fēng)體積流量對(duì)床溫的影響不大但對(duì)主蒸汽壓力的影響較大。在原設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中，二次風(fēng)機(jī)控制進(jìn)入爐膛的總風(fēng)量，而總風(fēng)量包括一次風(fēng)量和播煤風(fēng)量。在該控制系統(tǒng)中，當(dāng)一次風(fēng)體積流量變化時(shí)總風(fēng)量隨之變化，二次風(fēng)就要同步調(diào)節(jié)，加強(qiáng)了一、二次風(fēng)間的耦合關(guān)系，使控制系統(tǒng)更為復(fù)雜且擾動(dòng)頻繁。

將送風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為僅控制二次風(fēng)，簡(jiǎn)化了二次風(fēng)的控制，減少了相互間擾動(dòng)。同時(shí)，在二次風(fēng)指令回路中，增加了功率指令與實(shí)際負(fù)荷偏差的動(dòng)態(tài)前饋，加快了二次風(fēng)指令的變化率，使得在變負(fù)荷時(shí)二次風(fēng)體積流量可以快速變化，從而提高機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)性。

3.2.2 燃料前饋控制系統(tǒng)

由于CFB鍋爐是一個(gè)熱慣性大的燃燒對(duì)象，對(duì)于該類被控對(duì)象，在整定好風(fēng)煙系統(tǒng)的控制特性后，重要的是考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)前饋控制。在原設(shè)計(jì)中機(jī)組指令對(duì)燃料的動(dòng)態(tài)前饋信號(hào)取自于限速后的功率信號(hào)，該控制方式在動(dòng)態(tài)前饋的前饋增益一定的情況下，運(yùn)行人員設(shè)定的變化率越慢，動(dòng)態(tài)所增燃料的時(shí)間就越長(zhǎng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與機(jī)組指令變化率有關(guān)，往往造成動(dòng)態(tài)過(guò)程中燃料變化太多，使得動(dòng)態(tài)過(guò)程中不能滿足汽輪機(jī)對(duì)鍋爐燃燒的需求，造成壓力偏差過(guò)大，變負(fù)荷后由于動(dòng)態(tài)所變?nèi)剂线^(guò)多造成穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

筆者將功率偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成燃料信號(hào)作為AGC系統(tǒng)鍋爐主控的動(dòng)態(tài)前饋，將機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令轉(zhuǎn)換為燃料指令作為鍋爐主控的靜態(tài)前饋，同時(shí)調(diào)整了前饋系數(shù)，在滿足環(huán)保參數(shù)的前提下，提高機(jī)組變負(fù)荷的響應(yīng)性。

4 優(yōu)化效果

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行協(xié)調(diào)變負(fù)荷試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 協(xié)調(diào)控制下負(fù)荷變化曲線

負(fù)荷變化率均為6 MW/min。負(fù)荷從280 MW增加到330 MW時(shí)，主蒸汽壓力最大偏差為-0.16 MPa；當(dāng)負(fù)荷從330 MW變化到250 MW時(shí)，主蒸汽壓力最大偏差為-0.5 MPa；當(dāng)負(fù)荷從254 MW變化到228 MW時(shí)，主蒸汽壓力最大偏差為-0.16 MPa；當(dāng)負(fù)荷從240 MW變化到210 MW時(shí)，主蒸汽壓力最大偏差量為-0.2 MPa。以上參數(shù)表明優(yōu)化后滿足了協(xié)調(diào)控制要求。

機(jī)組進(jìn)行AGC性能測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表1。機(jī)組從滿負(fù)荷(330 MW)降負(fù)荷到230 MW，再?gòu)?30 MW升負(fù)荷到滿負(fù)荷，各項(xiàng)重要監(jiān)視參數(shù)均滿足控制要求，且試驗(yàn)負(fù)荷變化率均大于4.62 MW/min，達(dá)到了3.3 MW/min的調(diào)度要求考核速率。

表1 AGC試驗(yàn)參數(shù)記錄表

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)330 MW CFB鍋爐完成了一、二次風(fēng)擾動(dòng)下床溫和主蒸汽壓力的特性試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得到了一、二次風(fēng)擾動(dòng)對(duì)床溫、主蒸汽壓力響應(yīng)特性的影響。在單項(xiàng)擾動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況的觀察，對(duì)機(jī)組的一、二次風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制策略及參數(shù)優(yōu)化。同時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)增加了鍋爐主控的前饋，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組變負(fù)荷過(guò)程中燃料的快速響應(yīng)。對(duì)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，投入機(jī)組AGC方式，通過(guò)擾動(dòng)試驗(yàn)優(yōu)化了參數(shù)，使機(jī)組滿足協(xié)調(diào)控制及AGC性能考核要求。