IGCC氣化爐除灰系統(tǒng)對機組負荷擾動問題分析及解決措施

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術(shù)是目前國際公認的最高效潔凈的煤基發(fā)電技術(shù)，華能天津IGCC示范項目是世界上第六座IGCC電站，該項目以國家十一五“863計劃”重大課題為依托，現(xiàn)已投產(chǎn)運行6年多，并于2018年9月26日創(chuàng)造IGCC機組連續(xù)運行世界紀錄，為中國電力環(huán)保事業(yè)做出了突出貢獻。IGCC電站主要包括空分島、化工島和動力島三大單元，由空分島空氣分離產(chǎn)生的純氧進入化工島用于氣化爐燃燒反應(yīng)，氣化爐煤與氧氣燃燒反映生成合成氣后進入除灰脫硫凈化系統(tǒng)，凈化后的干凈合成氣進入動力島低熱值燃機燃燒發(fā)電，燃機排氣進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電（圖1）[1]。

圖1 天津IGCC電站工藝流程圖

天津IGCC機組自2015年投入?yún)f(xié)調(diào)控制以來，一直存在燃機機前合成氣壓力及熱值波動問題，造成機組協(xié)調(diào)控制穩(wěn)態(tài)誤差偏大，經(jīng)分析認為，在氣化爐產(chǎn)生合成氣后進入除灰系統(tǒng)后，由于除灰系統(tǒng)在下灰時會有高壓氮氣與灰的置換，將會使得大量氮氣串入合成氣管網(wǎng)，造成合成氣壓力及熱值波動，進一步影響了動力島燃機的負荷調(diào)整，從而影響整個機組協(xié)調(diào)控制的控制指標，本文針對除灰系統(tǒng)存在的問題進行了分析，并提出解決方案，經(jīng)試驗可基本根除除灰系統(tǒng)對機組負荷的影響。

1 氣化爐及除灰系統(tǒng)工藝流程介紹

華能天津IGCC電站氣化爐裝置是華能自主知識產(chǎn)權(quán)的二段式干粉加壓氣化爐，煤粉在氣化爐內(nèi)與氧氣、蒸汽經(jīng)過高溫燃燒后生成具有一定熱值的合成氣，合成氣的主要成分是CO、H2，其主要反應(yīng)式為[2-3]：4C+3O2→2CO2+2CO，3C+2O2→CO2+2CO，C+CO2→2CO，C+H2O →2CO +H2。由氣化爐產(chǎn)生的粗合成氣進入除灰系統(tǒng)，先后通過A、B 兩個系列進行干法除塵，其中A系列采用旋風除塵器進行除灰，B系列采用陶瓷過濾器進行除灰，因A系列除灰量較大，對系統(tǒng)影響最大，因此本文僅以A系列為研究對象進行說明（圖2）。

由圖2和圖3可知，合成氣經(jīng)過旋風分離器后，將合成氣與灰進行分離，分離出來的灰被飛灰收集罐V-3501A 收集，定時啟動下料程序，下料順控流程分為充壓和下料兩個步驟：首先采用高壓氮氣對飛灰放料罐V-3502A 進行充壓，通過監(jiān)視飛灰收集罐與飛灰放料罐的差壓測點35PDI0108判斷飛灰放料罐壓力是否與飛灰收集罐一致，當差壓測點35PDI0108≥0KPa時，關(guān)閉氮氣充壓閥35XV0113停止充壓，然后開啟35XV0102和35XV0103連通閥，最后開啟35XV0109和35XV0108平衡閥進行均壓下灰，下灰時高壓氮氣通過平衡管線由飛灰放料罐進入飛灰收集罐，飛灰收集罐中的灰通過連通閥進入飛灰放料罐中，高壓氮氣與灰的等量置換完成飛灰下料。

圖2 氣化爐除灰系統(tǒng)A系列工藝圖

2 問題分析與解決措施

2.1 問題分析

在除灰系統(tǒng)執(zhí)行下灰期間，均壓下料時使得高壓氮氣瞬間進入飛灰收集罐后，通過收集罐頂部進入合成氣管網(wǎng)，引起合成氣組分變化、熱值降低的問題，同時引起合成氣壓力短暫升高，由于天津IGCC機組采用“機跟爐”協(xié)調(diào)控制方式（圖4）[4-5]，即以氣化爐為負荷主控，燃機通過調(diào)整負荷維持機前合成氣壓力在2.5MPa，故燃機負荷將會受機前合成氣壓力影響而出現(xiàn)協(xié)調(diào)指令先升后降的現(xiàn)象，加之合成氣熱值降低會開大燃料調(diào)閥以維持燃機負荷，燃料調(diào)閥的開大將造成機前壓力下降過快，為了維持機前合成氣壓力，燃機負荷指令在協(xié)調(diào)控制作用下逐漸下降，直至機前壓力恢復至2.5MPa，根據(jù)實際運行曲線觀察，燃機負荷將會往下波動10～15MW，嚴重影響機組控制的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性，尤其冬季工況下，機組負荷較低的情況下，對燃機在合成氣工況下的運行穩(wěn)定性及安全性有較大影響，2018年11月曾因燃機在合成氣工況下受除灰系統(tǒng)影響，造成燃機低負荷下燃燒室哼鳴增加，燃機被迫切至燃油模式，燃料切換過程中觸發(fā)負荷低停機保護。

圖4 天津IGCC機組協(xié)調(diào)控制原理圖

由圖4可知，該種協(xié)調(diào)控制方式受燃機機前合成氣壓力影響較大，同時通過對除灰系統(tǒng)A/B 兩個系列整體工藝流程分析，認為下料順控存在不合理之處，飛灰放料罐充壓結(jié)束時機選擇不妥，當飛灰收集罐與飛灰放料罐差壓測點35PDI0108為0時才關(guān)閉充壓閥，由于管道存在一定容積，加上閥門關(guān)閉需要時間，最終會導致飛灰放料罐壓力高于飛灰收集罐，在均壓時會造成多余的高壓氮氣串入飛灰收集罐，繼而進入合成氣管網(wǎng)，加重對合成氣組分及熱值的影響。

當除灰系統(tǒng)開始連通放料時，由于合成氣壓力向下波動較大，導致燃機負荷持續(xù)下調(diào)，在機組總負荷指令不變的情況下，機組實發(fā)總負荷與指令偏差最大可達15MW，主要負荷波動由燃機引起，嚴重影響機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

2.2 解決措施

2.2.1 除灰系統(tǒng)下料順控優(yōu)化

針對A系列下料過程中存在的問題，通過調(diào)整充壓閥關(guān)閉條件，降低差壓測點報警值，采用提前關(guān)閉充壓閥的方式達到均衡兩罐壓力的目的，經(jīng)過多次調(diào)整差壓測點報警值，最終定為差壓測點35PDI0108≥-10KPa時提前關(guān)閉充壓閥，最終在均壓之前使得兩罐壓力基本一致，減少了串入合成氣管網(wǎng)的氮氣量，減緩了對合成氣壓力及熱值的影響。

2.2.2 機組協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化

除灰系統(tǒng)固有的工藝特性造成對機組負荷的影響，若進行設(shè)備改造將會花費大量資金及時間，增加機組運營成本，因此考慮通過優(yōu)化機組協(xié)調(diào)控制策略達到減弱或者徹底消除下料過程對機組負荷的影響，這樣做既可以節(jié)省設(shè)備改造資金，又能降低機組運營成本。

常見的IGCC機組協(xié)調(diào)控制方式為：“機跟爐”模式和“爐跟機”模式，在“機跟爐”協(xié)調(diào)模式下，由氣化爐負責機組負荷主控，燃機跟隨機前壓力控制，該種控制方式的優(yōu)點是解決了氣化爐控制的大延遲性，機組運行穩(wěn)定性較好，缺點是機組負荷跟隨AGC 中調(diào)指令較慢，調(diào)節(jié)指標較差；在“爐跟機”協(xié)調(diào)模式下，由燃機負責機組負荷主控，氣化爐控制燃機機前合成氣壓力，該種控制方式的優(yōu)點是負荷控制偏差小，負荷變化響應(yīng)較快，缺點是由于氣化環(huán)節(jié)的大延遲性，從氣化爐提負荷到反應(yīng)在燃機機前壓力的變化時間大概在20分鐘左右，因此在機組負荷調(diào)整過快時，極易造成燃機機前壓力過低，將會影響機組的安全穩(wěn)定運行能力。

天津IGCC機組在“機跟爐”協(xié)調(diào)控制方式下，燃機負荷控制環(huán)節(jié)受合成氣壓力及熱值波動影響較大，為消除除灰系統(tǒng)下料階段對燃機負荷的影響，對機組協(xié)調(diào)控制策略中的氣化爐負荷偏差控制及燃機壓力控制策略進行優(yōu)化，具體優(yōu)化思路為：當氣化爐除灰系統(tǒng)A系列觸發(fā)下料順控時，在20分鐘之內(nèi)氣化爐負荷閉鎖減，并根據(jù)燃機機前合成氣壓力變化調(diào)整氣化爐負荷，維持合成氣壓力不低于2.5MPa，同時記憶下料順控開始前參與燃機負荷控制的合成氣熱值及密度值，燃機通過合成氣滑壓控制方式使機前合成氣壓力設(shè)定值跟隨當前值以維持燃機負荷穩(wěn)定，當燃機機前合成氣壓力低于2.4MPa時，通過降低燃機負荷來回拉機前壓力，保證機組穩(wěn)定運行，相當于在除灰系統(tǒng)下料期間，機組協(xié)調(diào)模式由“機跟爐”模式切至“爐跟機”模式，待閉鎖時間20分鐘到且合成氣熱值恢復至閉鎖前記憶值，合成氣壓力回至2.49MPa 以上時，解除氣化爐負荷閉鎖，燃機回切至定壓2.5MPa 模式，機組協(xié)調(diào)控制恢復“機跟爐”模式，優(yōu)化后可在除灰系統(tǒng)下料期間，通過消耗掉一定管容的合成氣來達到穩(wěn)定負荷的目的，通過氣化爐負荷閉鎖減可維持燃機機前壓力在2.4MPa 以上，基本可以做到消除除灰系統(tǒng)下料期間對機組負荷的擾動影響，優(yōu)化后的具體控制策略如下所述。

圖5 氣化爐負荷偏差控制策略

圖6 氣化負荷偏差控制設(shè)定值偏置函數(shù)F3(X)擬合曲線

圖5中設(shè)定值偏置函數(shù)F3(X)函數(shù)擬合曲線如圖6所示。由圖5、6可知，通過設(shè)定值偏差函數(shù)F3(X)，可實現(xiàn)氣化爐負荷在除灰系統(tǒng)下料期間的負荷閉鎖及壓力跟蹤控制功能，一旦機前壓力低于2.5MPa，氣化爐負荷隨即進行調(diào)整來減緩燃機機前壓力下降速度。

圖7中設(shè)定值偏置函數(shù)F2（X)函數(shù)擬合曲線如圖8所示。由圖7、8可知，通過帶死區(qū)限制的滑壓控制，可保證合成氣壓力在2.4～2.6MPa 區(qū)間內(nèi)維持燃機負荷穩(wěn)定，同時也可避免過度吃掉管容合成氣引起的燃機機前壓力過低現(xiàn)象，兼顧了機組負荷穩(wěn)定與運行穩(wěn)定。采取優(yōu)化除灰系統(tǒng)A系列下料順控以及機組協(xié)調(diào)控制策略措施后，經(jīng)試驗證明，優(yōu)化措施得當且效果明顯，在除灰系統(tǒng)下料期間機組負荷波動由優(yōu)化前的最大15MW 減小到3MW 以內(nèi)，當連通開始時閉鎖氣化爐負荷控制回路及燃機壓力控制回路，當合成氣壓力低于2.5MPa時氣化爐壓力拉回回路作用，提升氣化爐負荷，使得在維持燃機負荷穩(wěn)定的同時，持續(xù)增加合成氣產(chǎn)量，迅速拉回合成氣壓力，經(jīng)試驗，合成氣壓力最低低至2.4MPa，完全滿足燃機運行需求，當合成氣壓力回升至2.49MPa以上時，解除氣化爐及燃機控制回路閉鎖，機組恢復“機跟爐”協(xié)調(diào)控制模式，優(yōu)化方案的成功實施既保證了機組運行安全性，又大大提高了機組冬季工況的穩(wěn)定運行能力，同時減少機組AGC 控制在K2值指標的考核，提高了機組運行的經(jīng)濟性。

圖7 優(yōu)化后燃機壓力主控邏輯圖

圖8 燃機壓力控制設(shè)定值偏置函數(shù)F2(X)擬合曲線