大型循环流化床锅炉变负荷运行时给煤延迟特性研究.pdf
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1、fluidized bed boilerunder variable2023,52(9):39-47.loadopoerationlsThermalPowerGeneration,52(9):39-47.ZHANGRongdi,LUXiaofeng,WANG Xueshen,et al.Study on feed delay characteristics of large circulating引用本文格式1张戎迪,卢啸风,王学深,等大型循环流化床锅炉变负荷运行时给煤延迟特性研究。热力发电,2 0 2 3,DOI:1202305082Sep.2023THERMALPOWERGENERATIO
2、N2023年9 月No.9Vol.52第9 期热力发电第5 2 卷大型循环流化床锅炉变负荷运行时给煤延迟特性研究张戎迪1,卢啸风1,王学深,甘政,宗琛3,杨中智1,董中豪1,李建波1,王泉海1,亢银虎1(1.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;2.四川白马循环流化床示范电站有限责任公司,四川内江641005;3.重庆市特种设备检测研究院,重庆401120)摘要目前国内设计有侧墙、后墙给煤系统的大型循环流化床(CFB)锅炉在实际运行过程中普遍存在着给煤延迟与给煤不均匀的突出问题。通过对大型CFB锅炉机组给煤延迟问题和现存给煤系统运行特点的分析,提出了大型CFB锅炉
3、给煤线路给煤延迟问题量化计算方法,并针对某超临界6 0 0 MWCFB锅炉给煤线路案例进行计算,获得了宽负荷快速调峰工况下给煤线路的给煤延迟特性。计算结果表明:给煤延迟问题在大型CFB锅炉机组的变负荷运行过程中普遍存在,均会导致一定程度的给煤不均情况;机组变负荷幅度、变负荷速率以及单给煤线路上给煤口数量均与给煤延迟问题的严重程度成正相关关系。计算方法与分析结果可为大型CFB锅炉给煤线路适应宽负荷快速调峰运行提供设计依据和技术参考。关键词CFB锅炉;给煤均匀性;给煤系统;变负荷Study on feed delay characteristics of large circulating flu
4、idized bed boilerundervariable load operationZHANG Rongdi,LU Xiaofeng,WANG Xueshen?,GAN Zheng,ZONG Chen3,YANG Zhongzhil,DONG Zhonghao,LI Jianbo,WANG Quanhail,KANG Yinhu!(1.Key laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies&Systems,Ministry of Education,Chongqing 400044,China;2.Sichuan Baima
5、 CFB Demonstration Power Plant Co.,Ltd.,Neijiang 641005,China;3.Special Equipment Testing and Research Institute of Chongqing,Chongqing 401120,China)Abstract:In the domestic large circulating fluidized bed boilers designed with side wall and back wall coal feedingsystem,there are generally prominent
6、 problems of coal feeding delay and uneven coal feeding in the actual operationprocess.By analyzing the coal feeding delay problem of large CFB boiler units and the operation characteristics ofthe existing coal feeding system,the quantitative calculation method of coal feeding delay problem of large
7、 CFBboiler coal feeding line is put forward.Based on the case of a supercritical 600 MW CFB boiler coal feed line,thecoal feed delay characteristics of the coal feed line under the condition of wide load and rapid peak regulation areobtained.The calculation results show that the coal feed delay prob
8、lem is common in the variable load operationprocess of large CFB boiler units,which wil lead to a certain degree of uneven coal feed.The variable load range,variable load rate and the number of coal feed ports on the single feed line are positively correlated with the severity收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 8网络首
9、发日期:2 0 2 3-0 7-13基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 2 YFB4100301)Supported by:National Key Research and Development Program(2022YFB4100301)第一作者简介:张戎迪(2 0 0 0),男,博士研究生,主要研究方向为清洁高效煤燃烧技术,6 4 115 4 7 0 2 。通信作者简介:卢啸风(19 6 2),男,博士,教授,主要研究方向为洁净煤燃烧技术及工程应用研究和烟气脱硫、脱硝技术及工程应用,。http:/20233年40热力发电of the delay problem.The cal
10、culation method and analysis results can provide design basis and technical referencefor large CFB boiler coal feed line to adapt to wide load and fast peaking operation.Key words:CFB boiler;coal feeding uniformity;coal feeding system;load changing condition循环流化床(CFB)燃烧技术因其具有燃料适应性广1、调峰运行幅度大2 、污染物控制成
11、本低等优势3 ,近年来得到了蓬勃发展4-5 。碳减排、碳达峰以及碳中和政策的提出,对我国的能源生产过程产生了重大影响。新政策要求火电行业能够更大幅度地快速调峰运行6-7 ,以保证日益增多的新能源接入电网后电网的平衡和稳定8 。CFB锅炉快速调峰过程中,通过总风量或一二次风比变化快速调节炉膛上部的灰浓度及烟气温度,实现负荷的快速变化9 。在调节过程中,还应保证风煤均匀,以维持较低的污染物生成量10-11,并使炉内的污染物控制机制正常运行。锅炉负荷快速变化期间,需要根据风量变化而及时调整给煤量,但实际运行中的给煤系统却存在较大的延迟,往往造成锅炉负荷变化时频繁出现污染物排放超标现象12-14 。设
12、计有后墙给煤和侧墙给煤的大型电站CFB锅炉给煤延迟问题尤为严重,更易出现炉内燃烧不均匀现象15 。由于某些大型CFB锅炉的给煤线路长达4 0 m,从称重皮带式给煤机改变给煤量,到炉膛接收改变后的给煤量,耗时长达数分钟16 ,时常由于炉内局部风煤不均匀产生结焦或排放超标问题,严重影响调峰质量17-18 。从给煤量控制的角度,给煤延迟问题体现为:升负荷时,送至给煤口的煤量会出现瞬时不足现象;降负荷时,送至给煤口的煤量会出现瞬时过多的现象。此外,当同一条给煤线向多个炉膛进煤口供煤时,还存在各给煤口煤量分配不均匀的问题本文针对这些问题,在参考国内外大型CFB锅炉给煤线设计及运行基础上19-2 0 ,量
13、化分析大型CFB锅炉在宽负荷快速调峰过程中的给煤延迟问题,为给煤线路适应宽负荷快速调峰运行提供设计依据和技术参考。1炉前给煤系统简介炉前给煤系统,是指从CFB锅炉成品煤仓出口到CFB锅炉炉膛进煤口的输煤范围,通常包括称重给煤机、落煤管道或链式输送机2 1。本文主要讨论由于称重式皮带给煤机与进煤口距离较远而采用链式输送机的CFB锅炉给煤系统。这类系统主要有以下3 种情况。1)称重给煤机与给煤口一一对应典型的布置方案如白马电站引进的3 0 0 MWCFB锅炉(图1a)),采用炉膛四角返料阀给煤方案,每台称重给煤机,对应1个炉膛给煤口,称重给煤机与炉膛给煤口之间采用链式输煤机连接。回料器返料阀炉膛链
14、式输煤机称重式皮带给煤机a)返料阀给煤给煤口成品煤仓称重式皮带给煤机炉膛b)炉前给煤图1称重给煤机与给煤口一一对应案例Fig.1 Cases of a single weighing coal feeder correspondingto a single coal feed port这种类型的布置方案,在锅炉负荷变化时,通过调节称重式给煤机出力,以及微调链式输煤机转速,基本保证在负荷变化时风煤一致,但在负荷变化较快时,需要把链式输煤机转速变化以及变化时间纳入给煤控制系统,并且变负荷过程中,也存在瞬时进煤量与称重皮带机给煤量不一致的问题,2)1台称重给煤机向多个给煤口供煤典型布置如:白马电站超
15、临界6 0 0 MWCFB锅炉2 2 ,采用侧墙给煤方案(图2 a));俄罗斯Novocherkasskaya TPP的超临界3 3 0 MWCFB锅炉2 3 ;国内某锅炉厂的超临界3 5 0 MWCFB锅炉2 1,采用前后墙联合给煤方案(图2 b))。这种类型的布置方案,考虑了大型CFB锅炉的多点给煤的需要,但当http:/41张戎迪等大型循环流化床锅炉变时给煤延迟特性研究第9 期锅炉负荷快速变化时,由于存在较为严重的给煤延迟,部分给煤口入炉煤量变化速度滞后于风量的变化速度。称重式皮带给煤机插板阀式给煤口炉膛成品煤仓链式输煤机a)侧墙给煤成品煤仓称重式皮带给煤机回料器炉膛给煤口链式输煤机b)
16、前后墙联合给煤图2 1台称重给煤机向多个给煤口供煤案例Fig.2 Cases of a single weighing coal feeder supplying coalto multiple coal feed ports3)不设称重给煤机,由炉前螺旋给煤机控制给煤量典型布置如波兰超临界4 6 0 MWCFB锅炉2 4 以及韩国超超临界5 5 0 MWCFB锅炉19 (图3)。成品煤仓出煤,直接落入链式输煤机,1条链式输煤机连接4 个给煤口。每个给煤口采用二级螺旋输送机(螺旋配煤机+螺旋给煤机)控制入炉煤量。当锅炉负荷变化导致出现给煤延迟问题时,采用在链式输煤机末端最后一个给煤口处设置缓冲
17、煤仓处理多余或缺少的煤量。这种方案可基本保证调峰过程中入炉煤量快速变化,调峰过程中风煤基本匹配,布置方案值得借鉴。但该方案由于成品煤仓下未设置称重给煤机,调峰过程中链式输煤机末端缓冲煤仓的煤量控制问题极为复杂,需要同时参考锅炉负荷、同一输煤线路上其他给煤口的煤量变化进行控制调节。实际运行中,当负荷快速变化时,通过调节链式输煤机转速来调节总给煤量。而当负荷频繁变化时,链式输煤机工作负荷较大。此外,链式输煤机与螺旋配煤机之间的空间较小,缓冲煤仓尺寸受限,因此根据锅炉的调峰指标,设计体积大小合适的缓冲煤仓,对快速调峰过程中实现给煤量及时变化至关重要。但相关技术资料未见公开报道。成品煤仓1号链式输煤机
18、给煤口2号链式输煤机螺旋配煤机缓冲煤仓螺旋给煤机图3 螺旋给煤机控制给煤量案例Fig.3 A case of controlling the amount of coal fed with aspiral coal feeder根据韩国超超临界5 5 0 MW锅炉的运行数据,其基本能保证在3%Pe/min的快速变负荷运行中的气固流动与燃烧传热的稳定和均匀19 ,其中入炉煤量的稳定控制是关键技术之一。与国外相比,国内火电机组参与调峰的负荷范围及变化速率都有更高要求,需要对给煤量进行更加精确计量及控制,也为处理给煤延迟问题增大了工程难度。因此,本文系统研究了侧墙或后墙布置链式输送机时,给煤延迟问题
19、的量化计算方法,并针对某实际工程案例给出了相应的计算结果及分析,为相关技术改造方案提供参考。2给煤延迟问题量化计算2.1给煤延迟问题概述采用链式输煤机的大型CFB锅炉给煤线路一般较长,链式输送机中往往存在较多的煤炭。机组在变负荷时,锅炉总给煤量随之变化,各给煤口需要把链式输送机上原有的煤消耗完之后,才能接收负荷调节后的煤。这既延长了机组从接到变负荷指令到开始变负荷的时间,也限制了机组的最大变负荷速率。因此对给煤延迟问题进行量化计算时,需要充分考虑给煤线路参数的影响。2.2给煤延迟速率给煤延迟速率m(k g/s)指在变负荷过程中的某一时刻,由给煤延迟问题导致的给煤线路缺少或多余的煤量。其计算式为
20、:http:/20233年42热力发电m=(-0)-Q(t-4)1-(t-12),2 q(t-1),n-1-1,(1)式中:t为时间,s;Q(t。)指指在t-to时刻的成品煤仓给煤速率,kg/s;t o 指给煤从链式输煤机起点运送到线路末端给煤口所需时间,S;n 为单给煤线上给煤口的数量;Q()。指在 t-ta时刻的第个给煤口(最靠近成品煤仓的为第1个给煤口,线路末端为第n个给煤口)给煤速率,kg/s;q i,n 指在t时刻的线路末端给煤口给煤速率,kg/s。2.3给煤延迟煤量给煤延迟煤量M(k g)指在变负荷过程中的某一时刻,由给煤延迟问题导致的给煤线路缺少或多余煤量的累积值。其计算式为:M
21、=J mdt(2)给煤延迟总量M(k g)是指在整个变负荷过程中,由给煤延迟问题导致的给煤线路缺少或多余的煤量的累积总量。其计算式为:TAM=mdt(3)Jo其中:T指整个变负荷过程的总耗时,S。2.4给煤不均系数给煤不均系数用以衡量给煤延迟问题对给煤均匀性的影响程度,即延迟的煤量占末端给煤口的给煤量的百分比。其计算式为:M=100%(4)M。其中:Mo(k g)指单个给煤口从变负荷运行开始至某个时刻的累计总给煤量,当各给煤口负荷均匀变化时,其计算式为式(5)。M=fiQt-xQt2(5)其中:fi为初始负荷水平,%Pe;Q 为给煤口额定给煤速率,kg/s;x 为机组负荷变化速率,%Pe/mi
22、n,并认为给煤口的给煤量也与机组负荷以相同的变化速率变化,该参数用以对给煤系统的给煤延迟问题进行量化评价。2.5优化控制速率负荷变化工况中,成品煤仓出煤量是与负荷同步变化的。实际控制过程中,可以考虑链式输煤机的余煤情况,通过调整成品煤仓出煤量变化速率,在一定程度上减少给煤延迟煤量。当成品煤仓的出煤量变化速率为xa(%Pe/m i n)时,给煤延迟煤量M会在变负荷完成时回归初始值(零值),即整个变负荷过程的给煤延迟总量M=0。称xa为复原优化控制速率。其计算式为:30v(fi-f.)(6)X.30v(f-J.)-Dxn-2D=d,+n+二d(7)nnn其中:J2为目标负荷水平,%Pe;v 为链式
23、输煤机的链板运动速率,m/s;d i 为链式输煤机起点至第1个给煤口的输煤距离,m;d n 为第n-1个给煤口至第n个给煤口的输煤距离,m。3计算案例对案例的计算方案如下:1)根据案例系统参数计算其给煤延迟煤量;2)代入工况条件计算给煤延迟总量;3)计算给煤不均系数,对给煤延迟问题的程度和缓冲煤仓的作用进行评价。以8 0%Pe的调峰范围以及3%Pe/min的调峰速率作为宽负荷快速调峰的技术要求。3.1计算案例本文设定了案例系统以供计算,具体如图4 所示。案例为某6 0 0 MW循环流化床锅炉的两侧墙给煤的二级给煤系统2 5 ,计算目标为成品煤仓C对应的输煤线路的链式输煤机,系统主要参数见表1。
24、炉膛前墙方向为链式输煤机头部,后墙方向为链式输煤机尾部,从头部至尾部的3 个给煤口依次设为给煤口1、给煤口2、给煤口3。以称重式皮带给煤机给煤出口为链式输送机的输煤起点。计算中假定给煤口1和给煤口2 仅从链式输送机处获得当前负荷对应的煤量,剩余煤量全部进入给煤口3。成品煤仓D称重式皮带给煤机给煤口成品煤仓C炉膛成品煤仓B链式输煤机成品煤仓A图4 案例系统示意Fig.4 Schematic diagram of case systemhttp:/43张戎迪等大型循环流化床锅炉变负荷达行时给煤延迟特性研究第9 期表1案例系统主要参数Tab.1 Main parameters of the case
25、 system设备名称项目设计规范型式链式埋刮板外形尺寸(长宽高)/(mmmmxmm)39360/432191370840刮板节距/mm200最快链速/(ms-l)0.26链式输煤机名义承载深度/mm350介质密度/(kg:m-3)850输送距离/mm36668/39619额定出力/th-)240调节方式变频输煤起点至给煤口1/m8给煤口1至给煤口2/m12给煤口给煤口2 至给煤口3/m21给煤口额定出力/th-)803.2变负荷运行工况考虑到JCFB锅炉机组在宽负荷快速调峰运行时可能遇到的各种工况,为便于对比,本文设置了4种工况(表2)。4 种工况皆为降负荷工况。表2 变负荷运行工况主要参数
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