小容量CFB机组孤岛运行的研究及实施

代增丽 柳振波 刘海亭

摘要：截止2018年11月，统计在册的电力工程公司总计达32565家，随着国内电力市场的饱和，实施“走出去”战略成为唯一、正确的选择。印度尼西亚人口众多，受制于岛国的特殊地形，孤岛运行方式成为常见运行方式，小容量循环流化床机组占比非常高，但是该国属于欠发达国家，业主投资普遍偏低，但是对自动化条件下的FCB功能有着非常迫切的需求，因此，在小容量机组自动化水平不高的情况下，实现简单、实用的非人工干预的孤岛运行功能，可以形成对印尼市场的投标优势。

关键词：小容量;CFB;孤岛运行;低成本投资;高自动化

中图分类号：TM771 文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

印度尼西亚是东南亚人口最多的国家，目前统计人口已经超过了2.7亿，且当地具有丰富的煤炭资源，截止2017年底，人均装机容量仅0.33千瓦，约为中国的1/4.2，西方国家的1/16，在印尼非中心地带的居民，基本每家每户配置小型柴油发电机，说明电网的不稳定及供电量的缺乏，由此可见电力市场需求巨大，况且印尼电力市场门槛低，吸引着越来越多的中国电力工程公司进行市场开发。但是印尼岛屿众多，号称千岛之国，特殊的地理形态影响了岛屿之间的大电网连接，长期以来仅有爪哇-巴厘-马都拉电网，其他的大部分地区不能形成较大电网，区域性孤网运行成为主要模式，限制了大容量机组的发展，因此，小容量机组需求旺盛，小容量机组中，循环流化床锅炉调峰能力最强，因此小容量CFB机组成为最受欢迎的机组类型。

印尼属于发展中国家，业主财力有限，实现高自动化条件下的孤岛运行功能，必须提高小机组的自动化水准，这样会增加EPC的总投资，降低了中标优势及合同利润，而国内小容量CFB机组多数属于自备电厂或供热电厂，自动化程度普遍偏低，高度自动化在这类机组不易实现，更何况自动化条件的孤岛模式了。基于这类机组投资成本低、自动化程度低的实际状况，实现自动化、非人工干预的自动孤島模式，成为吸引印尼市场的关键，更能体现一个EPC工程公司的技术水准，我公司承建的印尼马拉扎瓦2×27.5MW机组经过多次前期的技术研究，顺利圆满完成了孤岛功能试验，在印尼当地引起了极大的反响。

1 试验前期技术分析

CFB机组孤岛运行方式是指在外网解列的情况下，发电机瞬间带厂用负荷，高旁瞬间打开并配合PCV阀的能量释放维持主蒸汽压力，防止安全门动作，锅炉快速降低燃烧热负荷，并与发电负荷匹配，随着锅炉蒸发量的降低及压力实际变化，高旁逐步降低开度，逐步由负荷急剧波动的状态转化为稳态运行状态，甩负荷过程中通过汽轮机调速汽门调节，控制汽轮机转速在合格范围之内，确保厂用电频率稳定，防止厂用辅机设备跳闸。 在设计阶段，针对本项目的孤岛功能，高旁容量、PCV阀容量、汽机调速系统及通信方式响应已经考虑，也属于通用火电机组成熟设计，且在进行甩负荷试验过程中，已经得到了初步验证，锅炉的燃烧控制成为试验成败的关键点。

小容量循环流化床锅炉（CFB）要实现孤岛运行模式，要充分利用该类型机组的优点，规避自身缺点造成的风险，并基于小容量机组投资成本低的实际情况，充分利用FCB的燃烧特点，采取简单的、可靠的控制优化，实现孤岛功能，循环流化床锅炉实施孤岛存在以下特点：

优点1：锅炉燃烧配风要求相对煤粉炉低，存在高温床料不容易灭火，在孤岛实施过程中可以大幅度降低风量、煤量;

优点2：CFB最低稳燃负荷可以降低至20%以下，而煤粉锅炉稳燃负荷一般不低于35%，形成的结果是孤岛过程中，CFB可以第一时间快速降低负荷至45%，而煤粉锅炉一般快速降低至60%左右，鉴于此，FCB可以在孤岛模式下，使用更小的高旁开度带负荷，减少蒸汽的无用损失;

优点3：CFB在降低热负荷的过程中，由于存在床料的蓄热，辐射强度下降远远低于煤粉锅炉，因此，快速降低负荷过程中，汽温下降的速度相对平缓，可以降低汽温低造成汽机跳闸的风险。

缺点1：CFB密相区存在大量的储热物料及浇注料，孤岛发生时降负荷的惰性较大，锅炉降低蒸发量速率变慢;

缺点2：印尼马拉扎瓦项目使用的煤质接近于褐煤，灰分5%左右，为了满足物料平衡，需要向锅炉连续加石英砂的密度远远大于熟床料，在快速降低锅炉负荷、降低一次风的情况下，很容易发生“塌床”事故，造成锅炉流化恶化而灭火，甚至结焦;

缺点3：由于一次风对流化床的意义重大，为了满足高密度床料的流化质量（石英砂），降风比重远远小于二次风，二次风如果降低过量，由于二次风口处于正压区，很容易造成二次风管失压，形成高温烟气返窜，造成二次风喷嘴烧损，但是如果二次风量降低量过小，锅炉床温会急剧下降，存在锅炉床温低灭火风险。

另外，在试验前，通过锅炉主控、机组CCS的运行特点，锅炉自动方面还存在以下问题：

问题1：由于受到锅炉惰性的影响，CCS条件下锅炉降低负荷速度明显缓慢，如果增加升降负荷速率值，风量与煤量匹配严重失调，炉膛负压摆动范围较大，甚至造成引风机自动解除，不能满足孤岛期间快速降低负荷的要求;

问题2：锅炉上、下二次风均为手动蝶阀，分级燃烧的设计理念不能在快速降低负荷过程中实现优化调整;

问题3：一次风量测点安装直段长度不足，风量显示波动较大，不能满足锅炉主控自动调节的要求;

问题4：二次风机在低负荷时，如果二次风管压力低于0.25KPa后，容易发生气流激振，导致风道振动及噪音大，升降负荷过程中必须借助A、B侧二次风电动总调节门调节母管风压;

问题5：在甩负荷试验过程中随着一次风的降低，回料器压力迅速下降、床压迅速升高、左右侧床压偏差达50%以上，且局部床温開始下降，已经出现了明显的“塌床”现象，流化开始恶化;

问题6：由于使用了石英砂补充物理平衡，高密度物料流化质量变差，加沙运行后料平试验照片，可以看出床料平整性差。

2 技术措施

2.1模拟孤岛终端负荷特性

根据本项目厂用电估算，预计厂用负荷约占12%，因此初步定出锅炉目标负荷为35%额定热负荷，并在机组启动过程中在锅炉达到30%、35%、40%、45%、55%负荷时，进行燃烧优化调整，优化后的主要参数进行记录，包括负荷、总给煤量、一次风量及风门开度、二次风量及风门开度、氧量、床压、床温，通过主要参数试验评价，得出本项目锅炉可以在40%额定负荷稳定燃烧，且安全余量充足，并该负荷对应的总给煤量、一次风量及风门开度、二次风量及风门开度、氧量、床压、床温作为孤岛触发后的执行目标值。

2.2控制方式

针对CFB优缺点及印尼马拉扎瓦项目存在的问题，触发孤岛时，CCS自动解除，转化为锅炉燃烧主控进行控制，一次风、二次风按照预设目标以一定的速率降低风量，引风机投入炉膛负压自动，给煤机迅速降低给煤量至目标值。PCV阀根据压力设定值自动启闭，高旁根据孤岛出发前的蒸汽流量、高旁特性曲线计算出开度并快开至计算值后自动进入压控模式自动调整。锅炉侧孤岛触发时的技术控制路线如下：

（1）针对FCB燃烧床料床料中含有一定比重燃煤的实际情况，且床料也是热量的储备池，孤岛触发时给煤机直接从当前煤量减至目标煤量，在次过程中允许床温小幅度下降;

（2）一次风机入口调节风门开度按照一定的速率减至目标数值，减风速率适当放缓，适应高密度床料的流化特性，防止“塌床”及“流化恶化”，一次风量降低量约为25%，降风幅值远远低于煤粉锅炉及使用低密度床料的循环流化床锅炉水准;

（3）一次风机出力下降幅值小，为了维持床温，必须大幅度降低二次风总量，二次风减风速率略高于一次风，直至二次风量达到目标风量。

（4）在100%负荷运行中，对上、下二次风手动蝶阀通风特性进行试验，目的是消除锅炉厂二次风喷嘴截面积的余量，并增加喷嘴流速，增强二次风的穿透能力。通过测试，上层二次开度85%，下层开度75%即可满足锅炉满负荷的需求，且不会发生二次风压的急剧升高，防止二次风口“失压”返火，烧损金属喷嘴;

（5）在快速降低风量的过程中，由于CFB流化高度降低，回料器至炉膛接口处风压下降，立管料位下降，瞬间大量返料灰进入炉膛，使返料风量急剧增加，造成返料温度下降，因此，返料风至一次风道联络门自动进行开启调整，维持返料风压量与返料温度的匹配关系;

（6）快速降低负荷过程中，床压急剧上升，冷渣器转速自动增加，考虑冷却水量不足的现状，变频器开度升至35%后闭锁，当床压低于5KPa，冷渣器转速降低至最低，维持CFB的物料需求。

（7）通过以上措施后，通过试验前的测试，预计床温控制在870-880℃，床压5.0KPa左右，氧量5.5%左右，锅炉蒸发量约为额定蒸发量的40%，高旁开度稳定在15%-20%之间。如果外网故障恢复时间长，需要长时间低负荷运行，考虑经济运行因素，运行1小时后，运行人员可以根据实际参数手动继续降低负荷，关小甚至关闭高旁，减少无用燃料成本。

3 实施结果

在我国由于电网容量大且非常稳定，孤岛运行实施的必要性不大，但是印尼处于岛国，本地业主迫切需求具备孤岛功能，尤其是在低投资成本、低自动化水平的小容量FCB机组中实现，意义重大：

（1）统计在册的100MW以下机组实现孤岛功能的仅有南加2×65MW项目，而我公司实施印尼马拉扎瓦项目机组容量为27.5MW，在印尼市场50MW以下容量等级首次实现孤岛运行功能;

（2）锅炉快速降低热负荷至40%额定负荷且燃烧稳定，而目前国内比较容易接受的数值为60%，可以每小时节约20%额定负荷左右的燃煤，兼顾了经济效益;

（3）根据印尼当地外网故障概率估计，每年平均外网故障造成的停电次数大约9次，按此计算，节约黑启动柴发用油约35吨/年，节约锅炉重新点火用油90吨/年，按照7000元/吨计算，每年节约燃油成本87万元;另外机组恢复供电时间估计缩短6小时，按此估算，每年增加发电量300万KWh，按照2角/KWh发电利润计算，发电增收约60万元 。

4 结语

小容量CFB机组受到投资成本的限制，阀门的线性差，而且在实际运行过程中CCS调节品质也远远低于高参数、大容量机组，因此实现孤岛运行的调试难度高。通过印尼马拉扎瓦项目孤岛的研究，充分利用CFB的优点，有节奏的快速减煤、降风，克服了该类型锅炉的燃烧惰性，又巧妙的规避了自身缺点及问题，利用“简化却又实用”的控制策略，使用较低的成本，高标准的完成了本项目的孤岛测试试验，且经过多次外网故障考验，可靠性高。

印尼马拉扎瓦项目是公司细心培育、开发印尼市场的开端，在特殊的地理环境下，以确保公司工程收益为提前，实现业主迫切需求的特殊功能，是公司作为负责任承办商的行为缩影，提高了公司的品牌战略及影响，为后续项目开发打下了坚实基础。印尼当地孤网电厂运行方式比较普遍，比较依赖孤岛功能，后续项目推广的前景广阔，意义深远。

收稿日期：2019-07-18

作者简介：代增丽（1973—），女，山东平度人，本科，高级工程师，研究方向：电力工程调试技术。