史輝¹，郝莉²

(1.保定電力職業技術學院，河保定071051；2.中國紡織經濟研究中心，北京100742)

　　摘要：生物質能源作為可再生能源的重要組成部分受到廣泛重視，振動爐排可以自動播料、均料，有利于生物質燃料的干燥、著火、燃燒，是一種比較理想的生物質燃燒方式。為了發展生物質大型直燃發電，我國已經重點引進了丹麥水冷振動爐排燃燒技術，但在運行發現，爐排的振動造成了爐膛的壓力和溫度發生周期性的大幅波動，鍋爐的自動化控制要求比較高。為了更好地對水冷振動爐排進行控制，重點分析了爐膛壓力和爐膛溫度隨爐排振動而劇烈波動的原因。

　　生物質大型直燃發電是生物質能源利用的重要形式，生物質振動爐排鍋爐采用水冷振動爐排進行給料和勻料，運行時爐排以振動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而被拋起，邊燃燒邊跳躍前進，爐渣由爐排末端排入渣池^[1]。振動爐排爐的爐排活動部件少，與相同參數的鏈條爐相比爐排爐的金屬耗量可以減少33%以上^[2]；特別是振動爐排能夠利用自動勻料、撥火改善預燃燒的效果，對于保證水分含量相對較高的生物質燃料能夠充分燃燒有重要意義。

　　振動爐排鍋爐采用高溫高壓參數，其熱效率高達96%，比同規模的中溫中壓鍋爐高8個百分點^[3]。經過國外多年實踐，目前振動爐排高溫高壓鍋爐的生物質直燃發電技術已經比較成熟，并被聯合國列為全球推廣的項目，我國近年來引進的生物質直燃發電項目主要就是水冷振動爐排技術及設備，目前已經有13個電廠采用該技術，有關項目相繼投產發電。

　　在鍋爐運行過程中，爐排的周期性振動導致爐膛負壓和爐膛溫度出現周期性波動，給鍋爐的自動化控制帶來了周期性擾動，增加了控制難度。本文將結合某大型直燃生物質能電廠12MW機組配套的48t/h高溫高壓水冷振動爐排鍋爐的運行實踐，討論這種運行參數周期性波動的原因以及對機組控制產生的影響。

　　1爐膛負壓的周期性波動

　　某大型直燃生物質能電廠鍋爐在運行期間，送、引風機都處于定速運行情況，各個風門擋板都在固定位置。運行人員通過手動控制將爐膛負壓維持在-200Pa左右。爐排每隔200s振動一次，每次振動20s。該鍋爐運行中發現爐膛負壓隨爐排振動發生波動，波動情況見圖1。

　　從圖中可以看到，爐膛負壓以運行設定值的負200Pa為平衡點上下波動，爐膛壓力最高正50Pa最低負400Pa，波動的周期在3.67min左右，和爐排振動的周期相吻合，波動過程中還夾帶著不規則脈動。對于低負壓運行的鍋爐來說，爐膛的壓力在-400～50Pa之間波動范圍很大，振動引起爐壓的劇烈變化，控制系統很難及時反應。

　　分析表明，爐膛負壓劇烈變化原因主要來自爐排的風阻下降和燃料快速分解釋放氣體帶來的增壓。運行中爐排上的燃料和灰渣形成的阻力會影響爐排風的流量，爐排振動導致的爐排風阻變化會使爐排風的風量分配失去平衡。

　　在爐排振動的間歇階段，燃料和灰渣陸續下降沉積在爐排表面，導致爐排風的風阻不斷增大流量很快小于正常水平，風壓只能在風室累積導致爐膛負壓增加，在引風量基本不變的情況下爐膛負壓可以上升到-350Pa左右。爐排開始振動后，爐排上的燃料受力翻滾、爐渣落入渣池，因此爐排的風阻迅速減小，間歇期在風室中形成的高壓瞬間得到釋放，爐排風流量急劇增大并導致爐膛負壓下降；另一方面隨著爐排的振動，生物質燃料被爐排風吹入爐膛，在爐膛內呈懸浮狀態快速受熱分解，由于生物質燃料的揮發分含量高(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；大量可燃氣體的釋放進一步降低了爐膛的負壓。這樣在兩方面影響的同時作用下，爐排振動后爐膛負壓可以迅速下降到-50Pa左右。

　　2爐膛溫度的周期性波動

　　與爐膛負壓的波動情況類似，生物質振動爐排鍋爐的爐膛溫度也隨著爐排振動發生周期性波動，某大型直燃生物質能電廠鍋爐的爐膛溫度波動情況如圖2所示。由圖可知爐膛溫度在800℃附近波動，溫度最低為600℃最高為1000℃，波動的周期3.67min，與爐排振動周期相同。從圖中還可以看到在爐排振動前后溫度波動比較劇烈，與爐膛壓力相似。

　　爐膛溫度劇烈波動的原因，主要是因為爐排的振動影響了爐膛內燃燒傳熱過程，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象，對爐排振動與爐膛溫度的關系做進一步分析。

　　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系^[6]：

　　分析結果表明，爐排振動改變了火焰中心的位置，爐排振動時燃料在在爐排上翻滾并被爐排風吹到爐膛較高的位置，燃料揮發分快速分解釋放大量小分子可燃氣體把火焰中心進一步推高，M值降低，在其他參數補充不變的情況下，根據式(1)爐膛出口溫度上升。爐排振動結束，燃料重新落到爐排上，爐膛內的可燃氣體逐漸燃燼并得不到補充，火焰中心位置緩慢下降，爐膛出口溫度也逐漸降低。

　　3周期性波動對鍋爐控制的影響

　　爐膛負壓與爐膛溫度的周期性波動為機組的自動化控制帶來了很大的困難。在該鍋爐的調試運行過程中，由于燃料狀態不穩定爐排振動后爐膛負壓經常下降到0附近，甚至較長時間正壓運行，按照鍋爐運行規程將造成鍋爐MFT保護動作。為了防止MFT的發生不得不切除相關保護，只能依靠運行人員密切關注負壓是否正常，工作效率低，給機組運行帶來安全隱患。爐膛負壓的劇烈變化還會對爐膛負壓自動控制帶來很大困難，由于控制偏差劇烈波動，控制系統因反應延遲導致較大超調，不能滿足控制要求。試驗結果表明在爐排振動前后對送、引風量及送風量分配進行調整雖然也可以減少爐膛負壓的波動，但是效果仍不理想。

　　爐膛溫度的波動在機組啟動階段或者低負荷運行時影響較大，由于該鍋爐保護系統要求爐膛溫度不能低于450℃，否則可能引起燃燒不穩定甚至出現滅火事故，因此爐排振動使得溫度降到此溫度之下通常會直接觸發保護動作。在鍋爐運行時，爐膛溫度的波動會間接地通過傳熱效果表現出來，汽包的壓力和主蒸汽的溫度都會隨爐溫波動出現不同程度的變化，特別是高負荷運行時為了保證鍋爐負荷和汽溫的穩定，對控制系統提出了更高要求。

　　4結論

　　(1)生物質振動爐排具有自動播料的功能布料均勻，有利于生物質燃料在爐膛內干燥、著火和燃燒，是一種比較理想的生物質直燃鍋爐燃燒技術。

　　(2)生物質振動爐排鍋爐運行時，運行參數受爐排振動的影響具有明顯的周期性，特別是爐膛的壓力和溫度會出現周期性變化，鍋爐的自動控制因此將受到周期性擾動。

　　(3)采用振動爐排，為了保證生物質直燃發電廠運行的穩定可靠，必須對生物質振動爐排鍋爐的運行特點進行深入研究，只有充分掌握振動爐排爐運行的特點，并在這個基礎上找到合理的控制策略，才可能提高機組的自動化控制水平，最后達到“無人值守”的目標。

　　參考文獻：

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