劉偉龍, 余祖玨, 孫鶴銘, 冉燊銘, 黎 煜,胡 帆, 王 鵬, 柳朝暉

(1.國能國華(北京)電力研究院有限公司,北京 102211; 2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室,武漢 430074; 3.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川自貢 643001)

煤炭是我國重要的基礎能源,2021年煤炭消費量占能源消費總量的56.0%,而在未來的一段時間內煤炭仍是我國的主體能源[1]。在燃煤發(fā)電的同時也產生了大量的溫室氣體,環(huán)境受到極大污染。為達到“碳中和”、“碳達峰”的目標[2],我國已明確將煤炭的清潔高效利用作為能源轉型的關鍵。碳捕集、利用與封存(CCUS)技術是煤炭清潔高效利用的重要發(fā)展方向,同時也是CO2減排最有前景的技術之一[3-4]。

目前,主流的碳捕集技術包含燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集3類[5]。將O2與CO2混合后參與化石燃料的燃燒過程也稱為O2/CO2燃燒[6]。富氧燃燒技術是降低燃煤電廠CO2排放量最有潛力的技術之一[7],可直接將CO2液化進行捕集[8],且在電廠原有的基礎上進行改造容易實現大規(guī)模應用,還能在很大程度上限制其他污染物的排放,近年來受到眾多學者的關注[4,9]。

Oko等[10]建立了500 MW亞臨界燃煤電廠模型并進行了動態(tài)仿真,結果表明與階躍擾動相比,斜坡擾動對系統(tǒng)的影響更小,輸出的波動更小,過程干擾也更小。Zhao等[11]利用GSE軟件對660 MW超臨界燃煤電廠進行了動態(tài)仿真,提出5種方案以提高抽汽過程的靈活性和可靠性。近年來,富氧燃燒機組的動態(tài)仿真也成為熱點。Sachajdak等[12]利用3種仿真軟件對富氧燃燒系統(tǒng)進行了聯合仿真研究,結果表明當額定載荷變化時,系統(tǒng)主要參數變化規(guī)律與目標相符。Luo等[13]利用Aspen plus和Aspen plus dynamics分別建立了3 MWth富氧燃燒系統(tǒng)煙氣側穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型,驗證了模型的準確性,并分析了延遲時間對系統(tǒng)的影響。Postler等[14]基于250 MWth的富氧燃燒系統(tǒng)概念模型開展了動態(tài)仿真研究,結果顯示當負荷變化率達到2%/min時,供氧速率需為2.5%/min。Yamada等[15]提出應由鍋爐運行負荷確定供氧量,通過控制循環(huán)煙氣量調節(jié)進入爐膛的氧體積分數。Jin等[16-17]利用Aspen Plus和Aspen Plus Dynamics建立了600 MW富氧燃燒系統(tǒng)全流程仿真模型,研究了燃料階躍擾動對汽水兩側參數的影響,對模式切換也進行了仿真。Chen等[18]研究了2種控制方案下富氧燃燒系統(tǒng)的動態(tài)響應。目前,針對富氧燃燒系統(tǒng)控制方案的研究已經有了一定的進展,但還沒有一套詳細可行的富氧燃燒電廠控制方案。

筆者借助Aspen Plus Dynamics,對國內首套35 MWth富氧燃燒工業(yè)示范裝置鍋爐島的運行控制邏輯設計和運行策略進行了研究。在負荷擾動和變負荷的情況下,利用控制系統(tǒng)來抵御外界的干擾,自動調整相關執(zhí)行機構,以滿足一定的參數要求以及電網對負荷變化的要求。

1 模型的建立

基于Aspen plus軟件,建立了35 MWth富氧燃燒示范裝置鍋爐島的穩(wěn)態(tài)模型[19]。根據實際系統(tǒng)運行的相關參數,完成穩(wěn)態(tài)模型的驗證,繼而基于Aspen Plus Dynamics,導入設備的相關動態(tài)參數,完成動態(tài)模型的轉換,在此基礎上,設計和優(yōu)化控制結構。

1.1 模型流程

與傳統(tǒng)電廠相比,35 MWth富氧燃燒示范裝置增加了空氣分離系統(tǒng)和煙氣循環(huán)系統(tǒng),可以在“空氣”和“富氧”2種模式下運行,2種運行模式的差別主要體現在風煙側。在“富氧”模式下,尾部煙氣被分成2部分,一部分經過CO2壓縮純化系統(tǒng)(CPU)的壓縮、純化和分離得到高濃度CO2,或通過煙囪排到大氣中,另一部分按照一定的循環(huán)倍率分別進入到一次風管道和二次風管道中。進入一次風管道的煙氣與氧氣混合形成具有一定氧體積分數的一次風,一次風經過一次風機(PF)增壓后輸送煤粉進入爐膛。進入二次風管道的煙氣可以是經過冷凝器(CDE)冷凝的干煙氣,也可以是在冷凝器之前引出的濕蒸汽,對應的煙氣循環(huán)方式分別為干循環(huán)和濕循環(huán),此部分煙氣與氧氣混合形成具有一定氧體積分數的二次風。

由于富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)流程與常規(guī)電廠有所不同,爐內燃燒氣氛有較大差別,并且系統(tǒng)的耦合性更強,因此應制定適用于富氧燃燒系統(tǒng)的運行控制方案。

參考空氣燃燒的常規(guī)電廠結構,圖1給出了35 MWth富氧燃燒鍋爐島的流程圖。對建立的35 MWth富氧燃燒系統(tǒng)模型進行仿真,將得到的模擬結果與現場數據進行對比驗證,驗證數據見表1。由表1可知,模擬結果與實驗結果相差不大,誤差均在可接受范圍內,可以認為模型在一定程度上能夠反映實際系統(tǒng)的情況。

表1 35 MWth富氧燃燒煙氣組分模擬結果與實驗結果的對比

AH—空氣預熱器;CDE—冷凝器;DHT—噴水減溫器;DST—堿液脫硫塔;DW—靜電除塵器;FE—省煤器;HTS—高溫過熱器;IF—引風機;LTS—低溫過熱器;MCZ—爐膛燃燒區(qū);PF—一次風機;PS—屏式過熱器;SF—二次風機;SP—汽包;V-CI1—一次風量調節(jié)閥;V-CI2—二次風量調節(jié)閥;V-F0—引風機入口調節(jié)閥;V-FW—給水閥;V-O1—一次風道注氧閥門;V-O2—二次風道注氧閥門;V-SW—噴水減溫閥;WCW—水冷壁。

1.2 控制系統(tǒng)

富氧燃燒系統(tǒng)的設備結構復雜,包含了煙氣循環(huán)和回收、空氣燃燒/富氧燃燒模式切換等復雜過程[20],而煤粉富氧燃燒包括燃燒和傳熱2個主要過程[21],所以煙氣側控制邏輯針對這2個過程進行設計,將燃燒室尾部煙氣中氧體積分數作為評判煤粉燃燒水平的依據,用主蒸汽溫度來表征傳熱情況。

另外,對于新增的煙氣循環(huán)系統(tǒng),循環(huán)煙氣在爐膛燃燒過程及傳熱過程中均起著重要作用,循環(huán)煙氣壓力和爐膛壓力均為需要保持穩(wěn)定的變量[22]。

此外,在煤粉富氧燃燒過程中,需要嚴格控制一次風中的氧體積分數,以免煙氣中的氧體積分數過高,影響到煤粉輸送的安全。35 MWth富氧燃燒系統(tǒng)控制方案的控制目標見表2。

表2 富氧燃燒模式下控制的目標參數

對于35 MWth富氧燃燒系統(tǒng)控制層,建立流量、壓力、組分和溫度控制回路[23]。利用“汽機跟隨”的運行方式對35 MWth富氧燃燒示范裝置進行負荷調控,在變負荷工況下直接改變燃料量,再調節(jié)進風量,在控制器中設定風量的最低值。二次風量主要參考尾部氧氣體積分數進行調節(jié)。汽水側主要通過調節(jié)給水質量流量來控制汽包水位,利用三沖量調節(jié)系統(tǒng)來降低虛假水位的影響。此示范裝置利用一級噴水減溫方式來調節(jié)主蒸汽溫度。

系統(tǒng)發(fā)育樹構建：將所測定的細菌16S rDNA基因序列分別與GenBank數據庫進行BLASTn和RDP Classifier相似性分析，選取與實驗菌株親緣關系相對較近的標準菌株用Clustalw軟件進行序列比對，采用MEGA 5軟件進行系統(tǒng)發(fā)育分析，構建系統(tǒng)發(fā)育樹。

流量控制參數主要為汽水質量流量和燃料質量流量。通過控制給水閥一級噴水減溫閥來調節(jié)給水質量流量和主蒸汽溫度。燃料質量流量的控制參數包括煤、空氣、氧氣和循環(huán)煙氣質量流量。通過控制一次風道和二次風道的注氧閥門來調節(jié)進入一次風和二次風的氧氣質量流量,通過控制一次風機和二次風機分別調節(jié)一次風和二次風質量流量。壓力控制參數主要為爐膛壓力,可通過調節(jié)引風機和引風機入口調節(jié)閥來控制。組分控制參數主要為煙氣中氧體積分數,需要調節(jié)注氧量,將爐膛出口的氧體積分數控制在3%～6%內。溫度控制參數主要為主蒸汽溫度,通過控制布置在低溫過熱器出口的噴水減溫閥來調節(jié)。

完成上述控制系統(tǒng)設計步驟后,獲得富氧燃燒鍋爐島煙氣側控制結構(見圖1),其主要包括4個流量控制模塊、1個壓力控制模塊、2個組分控制模塊、1個溫度控制模塊和5個延時模塊。

1.3 控制器參數整定

對于控制回路,參數測量的延時情況和選取的控制器動態(tài)參數是影響動態(tài)響應準確性的重要因素。在控制器的設計中,由于溫度和組分測量的動態(tài)延遲很長,所以其控制器的設計比流量控制器的設計更復雜。在Aspen Plus Dynamics中,可以使用延時模塊來表征參數測量過程的延時。不同控制器參數的控制效果有很大差別。在Aspen Plus Dynamics中,整定PID控制器的參數需進行如下操作:首先,在閉環(huán)回路中設置控制器,輸入擾動振幅(通常為5%);之后進行繼電反饋測試;測試結束后,利用Zielger-Nichols整定方法[24]對PID控制器計算出的增益和積分時間進一步進行整定,從而得出比較合理的控制器參數。延遲時間和整定參數見表3。其中,ΔT表示延時時間,Kp表示比例增益,Ti表示積分時間,Td表示微分時間。

表3 富氧燃燒模式下控制器參數

2 結果分析與討論

將煤粉量階躍變化和鍋爐負荷變化作為測試工況,對爐膛壓力、爐膛出口煙氣中氧體積分數和主蒸汽溫度等參數進行跟蹤,以分析富氧燃燒鍋爐島的動態(tài)特性。

2.1 階躍擾動分析

由于在相同程度上降低熱負荷和增加熱負荷時系統(tǒng)響應相反[13,19],因此只討論熱負荷降低的情況。圖2為燃料擾動及負荷響應情況。由圖2可知,同時使未配置和配置控制系統(tǒng)的鍋爐島的燃料量階躍變化4%。隨著燃料質量流量階躍減小,爐膛內燃燒過程產生的熱量也隨之減小,水冷壁傳熱量約減小3.3%。

(a) 燃料質量流量的階躍變化

圖3給出了風煙系統(tǒng)在開環(huán)和閉環(huán)時參數模擬值與實驗值的對比,其中實驗數據是在配置部分控制器情況下得到的參數。在出現運行干擾的情況下,閉環(huán)控制可以較快速地將參數控制在合理范圍內。與實驗相比,閉環(huán)控制可以更平穩(wěn)地將爐膛壓力控制為微正壓。閉環(huán)控制下尾部氧氣體積分數模擬值比實驗值更接近穩(wěn)定值,且波動更小。圖3(e)中,測量時出現了壞點,但二次風量的變化趨勢與閉環(huán)控制下模擬值一致,兩者的誤差為2.3%,符合工程誤差。穩(wěn)定后一次風量、一次風循環(huán)量和二次風循環(huán)量的實驗數據較平均地落在模擬值附近。從圖3可以看出,閉環(huán)控制下模擬值與實驗值基本匹配,在所建閉環(huán)控制系統(tǒng)作用下參數的變化可以比較準確地反映實際系統(tǒng)的參數變化情況,并且控制過程平穩(wěn),能夠快速收斂。

(a) 爐膛壓力

2.2 測量延時分析

在商業(yè)鍋爐運行控制過程中,測量延時是不可忽略的一個因素,這是因為其對控制系統(tǒng)參數整定及系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響。延時和未延時的系統(tǒng)參數響應情況如圖4所示。爐膛尾部氧氣體積分數延時曲線峰值達到5.5%,谷值為2.5%,未延時曲線則在較窄的區(qū)間內波動,爐膛壓力曲線也反映了同樣的趨勢。圖4(c)與圖4(e)中延時與未延時曲線的重合度均較高,延時曲線在轉折處有些過調,無延時曲線則比較平穩(wěn)。一次風氧氣體積分數的延時曲線在拐點的超調量較二次風氧氣體積分數更大,這是因為一次風氧氣體積分數是測量參數,直接調節(jié)時變化幅度較大。可以看出,延時測量會影響控制系統(tǒng)參數的整定,進而影響系統(tǒng)參數的響應。不同延時下控制器參數的整定也不同,延時越長,其相應的控制器整定參數越寬松,比例控制器參數變小,積分時間變長。有延時的系統(tǒng)控制器整定更復雜,收斂性較差。

(a) 尾部氧氣體積分數

2.3 負荷變化

(a) 煤量

如圖6所示,在負荷發(fā)生變化后,尾部氧氣體積分數和爐膛壓力也發(fā)生變化,可以看出通過控制器控制,二者均在合理范圍內波動,氧氣體積分數在3.8%上下波動,而壓力變化范圍為-100～100 Pa,在擾動結束后爐膛壓力也快速回到微正壓的區(qū)間。在煙氣循環(huán)倍率保持在0.72的情況下,一次風循環(huán)量和二次風循環(huán)量的變化情況與給定循環(huán)倍率下的控制值(煙氣循環(huán)量×循環(huán)倍率)基本一致,說明一、二次風循環(huán)控制可以很好地跟蹤指定值。在變負荷過程中,由于減溫水參與主蒸汽溫度的調節(jié),主蒸汽溫度在整個過程中基本在設定值左右波動。

(a) 尾部氧氣體積分數

如圖7所示,當負荷降低時,由于循環(huán)煙氣量減小,管道內殘留的過量氧氣使得一次風氧體積分數超出設定值,氧體積分數信號反饋給氧氣質量流量控制器,通過控制氧氣閥門來調節(jié)一次風的氧氣體積分數。二次風的氧氣體積分數不是控制參數,其值始終在30%左右,與設計值基本保持一致,可以將其作為判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)的參考?？傃趿繛橐淮物L氧量和二次風氧量之和,一、二次風氧量的變化率分別為2.26%和5.5%,基本上與負荷變化一致,但由于在模擬過程中考慮了漏風的因素,因此所需氧量較不漏風時更小,管道中氧氣體積分數偏大。

(a) 一次風管道注氧量

對比在2種負荷變化率下系統(tǒng)參數的變化,相對于負荷變化率為2%/min,負荷變化率為5%/min時系統(tǒng)各參數的波動更大,但各參數的波動均在合理范圍內(未發(fā)散),而且能夠快速收斂。

3 結 論

(1) 在燃料量發(fā)生4%的階躍擾動時,所建的控制系統(tǒng)可以有效調節(jié)各參數在合理范圍內變化,模擬結果與實驗數據基本吻合,控制過程穩(wěn)定且收斂迅速。

(2) 測量延時會影響控制器參數的整定和參數調節(jié),在測量過程中應盡量減少延遲,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3) 在不同變負荷工況下,控制系統(tǒng)均能自動調節(jié)各參數至合理范圍內,且負荷變化率為2%/min時系統(tǒng)各參數的波動比負荷變化率為5%/min時更小,系統(tǒng)參數也更加合理。