200MW富氧燃烧碳捕获示范工程控制策略分析

万太浩 张金生 梁华 张秋生

【摘要】该文以神华集团重点科研项目200MW富氧燃烧碳捕获示范工程为研究基础，对富氧燃烧燃烧技术概念及发展该技术的必要性描述，文中着重对富氧燃烧锅炉与常规燃煤锅炉的控制技术加以对比分析，研究并提出针对富氧燃烧具备特殊性的热工控制系统的主要控制策略要点，机炉协调、送风系统自动调节、氧量调节、氧浓度自动调节及空气向富氧燃烧模式切换过程控制等模拟量控制系统（BMCS）调节的方法，为富氧燃烧碳捕获工程示范项目的建设推进和发展奠定技术基础。

【关键词】富氧燃烧 控制策略 模拟量控制系统

中图分类号： TF636

随着科学问题认识的逐渐加深人们越来越认识到了气候的变化对人类生存环境和社会经济发展的危害，化石燃料利用致使大气中以二氧化碳为主的温室气体的浓度大量增加，导致了温室效应的增强，从而使得全球气候的变暖。富氧燃烧技术是用纯氧代替空气进入燃煤锅炉进行燃烧并对燃烧后的二氧化碳气体进行压缩纯化并收集实现化石燃烧燃烧的环保处理，一种新型清洁、高效的燃煤发电技术。

1 200MW富氧燃烧碳捕获示范工程概述及系统工艺分析

1.1 200MW富氧燃烧碳捕获示范工程系统介绍

鉴于该技术有别于常规燃煤电厂固有技术，其自动控制策略及调节方法许重新进行分析研究。依托神华集团重点科研项目200MW富氧燃烧碳捕获示范工程为研究基础，对富氧燃烧锅炉与常规燃煤锅炉的控制技术加以对比分析，研究并提出针对富氧燃烧具备特殊性的热工控制系统的主要控制策略要点及模拟量控制系统（BMCS）调节的方法，以保证富氧燃烧碳捕获工程示范项目的稳步推进及富氧燃烧技术的持续发展。

本系统选用中速磨煤机正压冷一次烟气再循环风机（冷一次风机）直吹式系统，配富氧燃烧锅炉（四角切圆炉或前后墙对冲炉）。配有2台离心式二次烟气再循环风机、2台离心式引风机、2台离心式一次烟气再循环风机、1台增压风机、2台密封风机（一运一备），运行期间，再循环烟气正压送入炉膛，烟气负压排出炉膛。

锅炉顺序控制主要包括：引风机顺控、送风机顺控、一次风机顺控、空预器顺控顺控、锅炉大连锁、锅炉疏水顺控、制氧系统顺控、一次风投切顺控、二次风投切顺控。其中引风机顺控、空预器顺控、锅炉疏水顺控和普通煤粉炉是一样的。送风机和一次风机顺控富氧和普通煤粉的区别在于：启动时需在顺控最前增加开启入口空气阀、关闭烟气再循环阀的步序，停机在顺控末端增加开启入口空气阀、关闭烟气再循环阀的步序，其余的同普通煤粉炉的顺控。

1.2 制氧系统

制氧系统顺控原则上应纳入锅炉BSCS系统进行管理，制氧系统是否具备件决定着锅炉是否能切换到富氧工况。但是因为制氧工艺的不同，其控制方案差别很大，详细的逻辑应寻求制氧设备厂家协助提供。

1.3 一次烟气再循环系统

一次烟气再循环系统可兼顾空气燃烧的一次风系统，其主要作用为输送及干燥煤粉用。一次烟气再循环风机向磨煤机提供一次烟气（风）以及向给煤机、磨煤机、锅炉本体提供密封烟气（风）。每台风机入口装有电动插板门和电动调节风门；在每台风机入口的另一支路装有消音器、电动插板门、电动调节风门，用于机组启动及稳定运行初期的空气燃烧工况。每台风机出口装有电动挡板风门。

1.4 二次烟气再循环系统

二次烟气再循环系统可兼顾空气燃烧的二次风系统，本系统主要提供锅炉燃烧用风。富氧燃烧锅炉排出的烟气，经过脱硝装置（SCR）脱硝、电除尘器除尘、烟气换热装置（GGH）、脱硫装置（FGD）脱硫、增压风机、烟气冷却器脱水、再经由GGH加热至80℃（干循环）的部分烟气，注入纯氧后，由二次烟气再循环风机送至炉膛。

空气燃烧工况时，为防止空预器的冷端腐蚀，二次冷风采用暖风器加热至20℃（BMCR工况），进入空预器加热至329℃（BMCR工况），空预器出口热风，按锅炉燃烧要求从炉墙左右两侧进入锅炉的二次风箱。

富氧燃烧工况时，二次烟气再循环风机入口的烟气经GGH加热至80℃，风机出口的暖风器停用。

1.5 密封烟气系统

磨煤机密封烟气系统设置二台增压离心式密封风机，每台容量各为100%，一台运行，一台备用。磨煤机密封风从冷一次烟气联络母管上引出经密封风机增压后进入磨煤机。密封风机入口设有电动调节门（风机厂配供），当一台运行时另一台入口调节门应关闭。两台密封风机出口设有自动换向挡板。每磨密封风支管上装有电动风门。给煤机密封风分别从冷一次风联络母管直接引出，每台给煤机密封风支管上设电动关断门。

2模拟量控制系统（BMCS）

机组模拟量控制主要包括：机组协调控制方式、炉跟机方式、机跟炉方式、汽包水位调节、燃油压力调节、氧量校正、送风调节、炉膛负压调节、一次风压调节、热蒸汽温度调节、再热器事故喷水控制、连排水位调节、一次风注氧浓度控制、二次风注氧浓度控制等，其中机跟炉方式、汽包水位调节、燃油压力调节、炉膛负压调节、一次风压调节、过热蒸汽温度调节、再热器事故喷水控制、连排水位调等和普通煤粉是一致。本节主要讨论机组协调控制、炉跟机控制、送风调节、氧量校正、注氧浓度控制几部分。

2.1机组协调控制

普通煤粉炉协调控制主要是机、炉、电的协调，富氧燃烧锅炉因为加入了制氧系统，在进行协调控制时必须加入制氧系统的协调控制，制氧系统制氧量应接受锅炉输入指令信号（BID）的控制，当制氧系统自动故障时，整个协调控制切换到锅炉燃料主控状态，整个机组升降负荷速率限制除受机、炉、电设备升降负荷速率限制外，也受到制氧系统负荷升降速率的限制。

2.2炉跟机协调控制

富氧燃烧对炉跟机的控制的影响和协调控制基本一样，当制氧系统自动故障时，整个控制系统切换到手动控制模式。

2.3送风系统自动调节

当富氧燃烧锅炉一次风和二次风运行在定氧浓度方式时，富氧燃烧的送风调节和普通煤粉炉基本相同，风量跟踪机组燃料量，供氧量跟踪锅炉风量。主要区别在于锅炉在富氧工况下风量发生了很大的变化，在富氧工况下用于配风控制的PID参数和空气燃烧的PID参数会存在较大的差异，因此实际运行时应在DCS建立和调试独立的配风控制逻辑，并在富氧工况的投切过程中实现二者的无换切换控制。另外在锅炉升降负荷时，除了风煤互锁外，还应当设计氧量闭锁；当供氧母管压力低、风量低、配氧浓度低时，闭锁风量增，同时闭锁锅炉增燃料量。

2.4氧量校正

氧量校正的逻辑对于普通煤粉炉和富氧燃烧锅炉基本一样，都是用于锅炉的配风校正，不同的是普通煤粉炉设计氧量校正值为6%，富氧燃烧锅炉推荐值为3%氧浓度。

2.5注氧浓度控制

配氧浓度控制为单回路PID控制，被调量为一、二次风中烟气的氧浓度，供氧量跟踪循环烟气量。

2.6定氧浓度配风存在局限性

富氧燃烧锅炉一次风和二次风运行在定氧浓度控制方案时，机组风量跟踪燃料量，修改为供氧量跟踪机组燃料量，循环烟气量跟踪机组负荷。高负荷时，减少循环烟气倍率，二次风量处理较高氧浓度下运行，低负荷时，提高循环烟气量，二次风量处理低氧浓度下运行。改进后的配风方式有利于解决富氧燃烧低负荷下烟气量过低的问题。

2.7空气燃烧工况向富氧工况切换时控制

当系统处于空气燃烧空况，煤粉燃烧器投入运行，负荷稳定，具备切换到富氧燃烧运行条件时，系统可进行切换。为了保证系统切换时对锅炉燃烧的影响减到最少，切换时控制时系统还应当具备以下条件：锅炉配风和氧量校正自动完好，并在自动状态，一次风和二次风配氧浓度控制状态完好，具备自动投入条件，锅炉处于燃料主控，煤料供应处于稳定状态。

3结语

富氧燃烧技术的控制策略和普通燃煤电厂的控制策略总体方案基本相同，通过本文对富氧燃烧锅炉与常规燃煤锅炉的控制技术加以对比分析，研究并提出针对富氧燃烧热工控制系统特有的主要控制策略要点及模拟量控制系统（BMCS）调节的方法，为富氧燃烧碳捕获工程示范项目的稳步推进及富氧燃烧技术的持续发展提供技术保障。

参考文献

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[2] 阎维平， 米翠丽.富氧煤粉燃烧锅炉概念设计研究[J].热力发电， 2011， 40（2）.

[3] 刘庆才， 陈淑荣.富氧燃烧的主要环境影响因素概述[J].节能与环保， 2004， 5.