|
史輝1，郝莉2
(1.保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河保定071051；2.中國(guó)紡織經(jīng)濟(jì)研究中心，北京100742)
摘要：生物質(zhì)能源作為可再生能源的重要組成部分受到廣泛重視，振動(dòng)爐排可以自動(dòng)播料、均料，有利于生物質(zhì)燃料的干燥、著火、燃燒，是一種比較理想的生物質(zhì)燃燒方式。為了發(fā)展生物質(zhì)大型直燃發(fā)電，我國(guó)已經(jīng)重點(diǎn)引進(jìn)了丹麥水冷振動(dòng)爐排燃燒技術(shù)，但在運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，爐排的振動(dòng)造成了爐膛的壓力和溫度發(fā)生周期性的大幅波動(dòng)，鍋爐的自動(dòng)化控制要求比較高。為了更好地對(duì)水冷振動(dòng)爐排進(jìn)行控制，重點(diǎn)分析了爐膛壓力和爐膛溫度隨爐排振動(dòng)而劇烈波動(dòng)的原因。
生物質(zhì)大型直燃發(fā)電是生物質(zhì)能源利用的重要形式，生物質(zhì)振動(dòng)爐排鍋爐采用水冷振動(dòng)爐排進(jìn)行給料和勻料，運(yùn)行時(shí)爐排以振動(dòng)方式周期性地加入燃料和排出灰渣，燃料在爐排上由于振動(dòng)而被拋起，邊燃燒邊跳躍前進(jìn)，爐渣由爐排末端排入渣池[1]。振動(dòng)爐排爐的爐排活動(dòng)部件少，與相同參數(shù)的鏈條爐相比爐排爐的金屬耗量可以減少33%以上[2]；特別是振動(dòng)爐排能夠利用自動(dòng)勻料、撥火改善預(yù)燃燒的效果，對(duì)于保證水分含量相對(duì)較高的生物質(zhì)燃料能夠充分燃燒有重要意義。
振動(dòng)爐排鍋爐采用高溫高壓參數(shù)，其熱效率高達(dá)96%，比同規(guī)模的中溫中壓鍋爐高8個(gè)百分點(diǎn)[3]。經(jīng)過(guò)國(guó)外多年實(shí)踐，目前振動(dòng)爐排高溫高壓鍋爐的生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并被聯(lián)合國(guó)列為全球推廣的項(xiàng)目，我國(guó)近年來(lái)引進(jìn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目主要就是水冷振動(dòng)爐排技術(shù)及設(shè)備，目前已經(jīng)有13個(gè)電廠采用該技術(shù)，有關(guān)項(xiàng)目相繼投產(chǎn)發(fā)電。
在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，爐排的周期性振動(dòng)導(dǎo)致?tīng)t膛負(fù)壓和爐膛溫度出現(xiàn)周期性波動(dòng)，給鍋爐的自動(dòng)化控制帶來(lái)了周期性擾動(dòng)，增加了控制難度。本文將結(jié)合某大型直燃生物質(zhì)能電廠12MW機(jī)組配套的48t/h高溫高壓水冷振動(dòng)爐排鍋爐的運(yùn)行實(shí)踐，討論這種運(yùn)行參數(shù)周期性波動(dòng)的原因以及對(duì)機(jī)組控制產(chǎn)生的影響。
1爐膛負(fù)壓的周期性波動(dòng)
某大型直燃生物質(zhì)能電廠鍋爐在運(yùn)行期間，送、引風(fēng)機(jī)都處于定速運(yùn)行情況，各個(gè)風(fēng)門擋板都在固定位置。運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)控制將爐膛負(fù)壓維持在-200Pa左右。爐排每隔200s振動(dòng)一次，每次振動(dòng)20s。該鍋爐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)爐膛負(fù)壓隨爐排振動(dòng)發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)情況見(jiàn)圖1。
從圖中可以看到，爐膛負(fù)壓以運(yùn)行設(shè)定值的負(fù)200Pa為平衡點(diǎn)上下波動(dòng)，爐膛壓力最高正50Pa最低負(fù)400Pa，波動(dòng)的周期在3.67min左右，和爐排振動(dòng)的周期相吻合，波動(dòng)過(guò)程中還夾帶著不規(guī)則脈動(dòng)。對(duì)于低負(fù)壓運(yùn)行的鍋爐來(lái)說(shuō)，爐膛的壓力在-400～50Pa之間波動(dòng)范圍很大，振動(dòng)引起爐壓的劇烈變化，控制系統(tǒng)很難及時(shí)反應(yīng)。
分析表明，爐膛負(fù)壓劇烈變化原因主要來(lái)自爐排的風(fēng)阻下降和燃料快速分解釋放氣體帶來(lái)的增壓。運(yùn)行中爐排上的燃料和灰渣形成的阻力會(huì)影響爐排風(fēng)的流量，爐排振動(dòng)導(dǎo)致的爐排風(fēng)阻變化會(huì)使?fàn)t排風(fēng)的風(fēng)量分配失去平衡。
在爐排振動(dòng)的間歇階段，燃料和灰渣陸續(xù)下降沉積在爐排表面，導(dǎo)致?tīng)t排風(fēng)的風(fēng)阻不斷增大流量很快小于正常水平，風(fēng)壓只能在風(fēng)室累積導(dǎo)致?tīng)t膛負(fù)壓增加，在引風(fēng)量基本不變的情況下?tīng)t膛負(fù)壓可以上升到-350Pa左右。爐排開(kāi)始振動(dòng)后，爐排上的燃料受力翻滾、爐渣落入渣池，因此爐排的風(fēng)阻迅速減小，間歇期在風(fēng)室中形成的高壓瞬間得到釋放，爐排風(fēng)流量急劇增大并導(dǎo)致?tīng)t膛負(fù)壓下降；另一方面隨著爐排的振動(dòng)，生物質(zhì)燃料被爐排風(fēng)吹入爐膛，在爐膛內(nèi)呈懸浮狀態(tài)快速受熱分解，由于生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分含量高(普遍在70%左右)[4]，受熱后極容易從燃料中析出分解為小分子氣體；大量可燃?xì)怏w的釋放進(jìn)一步降低了爐膛的負(fù)壓。這樣在兩方面影響的同時(shí)作用下，爐排振動(dòng)后爐膛負(fù)壓可以迅速下降到-50Pa左右。
2爐膛溫度的周期性波動(dòng)
與爐膛負(fù)壓的波動(dòng)情況類似，生物質(zhì)振動(dòng)爐排鍋爐的爐膛溫度也隨著爐排振動(dòng)發(fā)生周期性波動(dòng)，某大型直燃生物質(zhì)能電廠鍋爐的爐膛溫度波動(dòng)情況如圖2所示。由圖可知爐膛溫度在800℃附近波動(dòng)，溫度最低為600℃最高為1000℃，波動(dòng)的周期3.67min，與爐排振動(dòng)周期相同。從圖中還可以看到在爐排振動(dòng)前后溫度波動(dòng)比較劇烈，與爐膛壓力相似。
爐膛溫度劇烈波動(dòng)的原因，主要是因?yàn)闋t排的振動(dòng)影響了爐膛內(nèi)燃燒傳熱過(guò)程，包括火焰中心位置、煙氣成分等[5]。通常爐膛出口溫度可以很好反映爐膛的溫度，因此本文把爐膛出口溫度作為分析對(duì)象，對(duì)爐排振動(dòng)與爐膛溫度的關(guān)系做進(jìn)一步分析。
火焰中心位置影響到爐膛及其出口溫度，爐膛出口煙氣溫度與火焰中心位置有下列關(guān)系[6]：
分析結(jié)果表明，爐排振動(dòng)改變了火焰中心的位置，爐排振動(dòng)時(shí)燃料在在爐排上翻滾并被爐排風(fēng)吹到爐膛較高的位置，燃料揮發(fā)分快速分解釋放大量小分子可燃?xì)怏w把火焰中心進(jìn)一步推高，M值降低，在其他參數(shù)補(bǔ)充不變的情況下，根據(jù)式(1)爐膛出口溫度上升。爐排振動(dòng)結(jié)束，燃料重新落到爐排上，爐膛內(nèi)的可燃?xì)怏w逐漸燃燼并得不到補(bǔ)充，火焰中心位置緩慢下降，爐膛出口溫度也逐漸降低。
3周期性波動(dòng)對(duì)鍋爐控制的影響
爐膛負(fù)壓與爐膛溫度的周期性波動(dòng)為機(jī)組的自動(dòng)化控制帶來(lái)了很大的困難。在該鍋爐的調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中，由于燃料狀態(tài)不穩(wěn)定爐排振動(dòng)后爐膛負(fù)壓經(jīng)常下降到0附近，甚至較長(zhǎng)時(shí)間正壓運(yùn)行，按照鍋爐運(yùn)行規(guī)程將造成鍋爐MFT保護(hù)動(dòng)作。為了防止MFT的發(fā)生不得不切除相關(guān)保護(hù)，只能依靠運(yùn)行人員密切關(guān)注負(fù)壓是否正常，工作效率低，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。爐膛負(fù)壓的劇烈變化還會(huì)對(duì)爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制帶來(lái)很大困難，由于控制偏差劇烈波動(dòng)，控制系統(tǒng)因反應(yīng)延遲導(dǎo)致較大超調(diào)，不能滿足控制要求。試驗(yàn)結(jié)果表明在爐排振動(dòng)前后對(duì)送、引風(fēng)量及送風(fēng)量分配進(jìn)行調(diào)整雖然也可以減少爐膛負(fù)壓的波動(dòng)，但是效果仍不理想。
爐膛溫度的波動(dòng)在機(jī)組啟動(dòng)階段或者低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)影響較大，由于該鍋爐保護(hù)系統(tǒng)要求爐膛溫度不能低于450℃，否則可能引起燃燒不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)滅火事故，因此爐排振動(dòng)使得溫度降到此溫度之下通常會(huì)直接觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。在鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐膛溫度的波動(dòng)會(huì)間接地通過(guò)傳熱效果表現(xiàn)出來(lái)，汽包的壓力和主蒸汽的溫度都會(huì)隨爐溫波動(dòng)出現(xiàn)不同程度的變化，特別是高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)為了保證鍋爐負(fù)荷和汽溫的穩(wěn)定，對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高要求。
4結(jié)論
(1)生物質(zhì)振動(dòng)爐排具有自動(dòng)播料的功能布料均勻，有利于生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)干燥、著火和燃燒，是一種比較理想的生物質(zhì)直燃鍋爐燃燒技術(shù)。
(2)生物質(zhì)振動(dòng)爐排鍋爐運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行參數(shù)受爐排振動(dòng)的影響具有明顯的周期性，特別是爐膛的壓力和溫度會(huì)出現(xiàn)周期性變化，鍋爐的自動(dòng)控制因此將受到周期性擾動(dòng)。
(3)采用振動(dòng)爐排，為了保證生物質(zhì)直燃發(fā)電廠運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，必須對(duì)生物質(zhì)振動(dòng)爐排鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，只有充分掌握振動(dòng)爐排爐運(yùn)行的特點(diǎn)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上找到合理的控制策略，才可能提高機(jī)組的自動(dòng)化控制水平，最后達(dá)到“無(wú)人值守”的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
[1]許志貴，王新華，白紅俊.秸稈鍋爐水冷振動(dòng)爐排動(dòng)態(tài)特性分析[J].鍋爐制造，2008，1：21-24.
[2]萬(wàn)金瑞.關(guān)于振動(dòng)爐排層燃技術(shù)的探討[J].熱能動(dòng)力工程，1990，5(4)：21-26.
[3]李海英.生物質(zhì)鍋爐的性能論述[J].節(jié)能，2008，8：52-54.
[4]中國(guó)電力科學(xué)研究院生物質(zhì)能研究室.生物質(zhì)能及其發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008：179.
[5]楊宏生，索沂生等.工業(yè)鏈條爐數(shù)學(xué)建模及動(dòng)態(tài)仿真[J].電站系統(tǒng)工程，2005，21(4)：29-31.
[6]容鑾恩等.電站鍋爐原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，1997：322. |
