通过耦合外部灰储存系统提高燃煤电厂的灵活性：控制策略与性能评估

《Energy》：Flexibility Enhancement for CFB Power Plants by Coupling External Ash Storage System: Control strategies and Performances evaluation

　　

魏高|孙向文|韩佩星|柯希伟|乔蕾蕾|薛亚丽|刘俊福

中国太原市怀柔实验室山西研究所，030032

摘要

随着风能和太阳能等可再生能源的快速增长，循环流化床（CFB）发电厂需要灵活运行，以适应可变输出并维持电网稳定。通过调节循环灰分来提高CFB发电厂的灵活性已得到广泛认可，但在负荷循环动态过程中的相应控制策略仍不完善。本研究开发了一个与外部灰分储存系统耦合的亚临界CFB发电厂动态模型，并获得了对灰分储存和释放流量阶跃变化的动态响应。根据锅炉的热传递机制，推导出了灰分储存和释放流量与炉内灰分参数及热量偏差之间的数学关系，并计算出了最优的灰分储存和释放流量。随后提出了在负荷减少和增加过程中的新型控制策略，并对其进行了定量评估。研究发现，在负荷减少过程中的最大负荷循环率可以从1.0%提高到2.0% Pe min^-1，在负荷增加过程中则可以从1.5%提高到2.5% Pe min^-1。采用所提出的控制策略后，CFB发电厂的负荷循环率仍受到饱和蒸汽压力偏差的限制，但在负荷增加过程中观察到燃料节省效果。

引言

根据国际能源署[1]的数据，到2035年，可再生能源在初级能源中的占比将超过15%，这得益于风能和太阳能发电的日益普及。在这种情况下，可再生能源的间歇性和波动性输出对维持电网可靠性构成了重大挑战[2]、[3]。提高电网的灵活性对于整合可再生能源至关重要，而热电厂在许多国家是灵活性的关键提供者[4]、[5]。循环流化床（CFB）是热电厂的重要组成部分，其特点是燃料灵活性高且污染物去除成本低[6]。CFB发电厂的一个关键特点是锅炉具有较大的热能储存能力，这为其独特的运行灵活性奠定了基础[7]、[8]。

因此，释放CFB发电厂的灵活运行潜力并提高其运行灵活性是该领域的一个关键挑战和重点[9]、[10]。Tang等人[11]指出，燃烧侧的负荷循环率仍有改进空间，而CFB锅炉表现出较宽的负荷变化范围。Wei等人[12]分析了快速负荷循环过程中惯性的来源和影响。Peters等人[13]研究了燃烧侧运行参数对负荷循环率的影响，并证明一次风量是运行灵活性的关键决定因素。Hu等人[14]通过优化耐火材料减少了热惯性，从而提高了CFB锅炉的运行灵活性。Kuhn等人[15]研究了通过烟气再循环来提高CFB单元灵活性的方法，并证明了其有效性。Peters等人[16]评估了循环流化床生物质与煤共燃系统的运行灵活性。从理论角度来看，这些研究表明CFB锅炉具有显著的灵活性潜力。

在各种技术中，由权威机构[17]、[18]提出的循环灰分调节技术被认为是提高CFB发电厂运行灵活性的有前景的方法之一。Tang等人[19]在实验平台上进行了燃烧侧负荷变化实验，发现增加床料质量可以有效提高CFB锅炉的负荷循环率。为了分析高温循环灰分对锅炉灵活性的影响，Ji等人[20]、[21]研究了循环灰分的热释放对CFB锅炉内流动和燃烧过程的影响，并探讨了循环颗粒的传输和调节特性。这些研究建立了CFB锅炉灰分调节的实验平台，证明了循环灰分调节可以有效提高锅炉的负荷响应能力。基于这些发现，有必要进一步研究CFB发电厂整个热系统的控制策略，包括锅炉和涡轮系统。通过建立热系统的动态模型[22]、[23]，可以动态模拟负荷循环过程中的关键热参数变化，从而研究CFB发电厂的控制策略。Zhao等人[24]开发了一个结合了机理分析和数据驱动方法的混合CFB模型，结果表明通过适当的底灰排放可以改善负荷循环率。Hu等人[25]研究了循环灰分的添加和排放对锅炉负荷调节的影响，提出了一种综合优化方案，显著提高了负荷循环率。尽管这些研究对CFB发电厂进行了动态模拟，但循环灰分调节对炉内热交换特性的影响机制尚未明确。因此，应进一步研究CFB发电厂中耦合灰分储存系统的热交换机制。

此外，控制和策略的设计与优化已成为提高发电厂灵活性的研究热点[26]、[27]。Gao等人[28]、[29]通过定量分析CFB发电厂的能量储存能力和控制特性，优化了给水控制策略，并设计了一种先进的能量平衡协调控制策略，以加快负荷循环率。Zhao等人[30]、[31]基于GSE仿真软件分析了能量储存特性，并提出了考虑内部能量储存时空演变的控制策略，以改善CFB单元的负荷增加和减少速率。Zhang等人[32]为亚临界CFB发电厂开发了一个基于机理的锅炉-涡轮系统模型，并设计了相应的动态矩阵控制策略。Wu等人[33]为CFB发电厂设计了一种基于增益调度的分散式主动干扰抑制控制策略，证明了其更快的跟踪能力和更优越的干扰抑制效果。Zhang等人[34]提出了一种主动干扰抑制控制策略，在负荷循环过程中表现出更短的稳定时间和更小的超调量。这些研究旨在通过控制策略充分释放发电厂的潜在灵活性。在此基础上，通过与外部系统的耦合，可以显著提高负荷循环率。Song等人[35]发现添加粉煤或改性燃料可以有效提高CFB锅炉的负荷循环率。Stefanitsis等人[36]基于APROS软件平台开发了CFB发电厂的动态模型，并研究了通过耦合颗粒储存系统来提高CFB单元负荷增加率的方法。现有的通过耦合灰分储存系统提高CFB单元负荷循环率的控制策略尚未充分考虑炉内的热传递机制，因此仍需进一步的理论发展。

如上所述，已经提出了许多控制策略来提高CFB单元的灵活性，循环灰分调节被认为是一种有效的方法。然而，通过耦合储存系统调节循环灰分流量的方法尚未得到充分探索，控制策略仍需根据作者的最佳知识进行进一步开发。本研究调查了带有外部灰分储存系统的CFB发电厂的动态特性，并提出了在负荷循环过程中的新型控制策略，并对其进行了定量评估。

本研究的新颖性和贡献如下：1) 开发了一个与外部灰分储存系统耦合的亚临界CFB发电厂动态模型，并获得了对灰分储存和释放流量阶跃变化的动态响应。2) 推导出了灰分储存和释放流量与炉内灰分参数及热量偏差之间的数学表达式，并计算出了负荷循环过程中的最优灰分储存和释放流量。3) 提出了在负荷减少和增加过程中的新型控制策略，并在动态过程中对其进行了定量评估。4) 发现负荷减少和增加过程中的最大负荷循环率分别可以提高至2.0%和2.5% Pe min^-1，并且在负荷增加过程中观察到燃料节省效果。

章节摘录

带有耦合灰分储存系统的300MW亚临界CFB发电厂

图1显示了带有耦合灰分储存系统的300MW亚临界CFB发电厂，该再生系统包括三个高压加热器、一个除氧器和三个低压加热器。灰分储存系统配备了三个灰分储存罐，对应于锅炉的三个分离器。每个灰分储存罐的高度为2米，设计容量为25,000公斤灰分。灰分储存管安装在CFB锅炉回路的底部

结果与讨论

现有关于通过循环灰分调节提高CFB发电厂灵活性的研究较少关注控制策略的机理分析。在本节中，分析了灰分释放和储存流量对炉内床温及物料浓度的影响，并推导出了灰分释放和储存流量与瞬态参数之间的关系。然后，提出了在负荷减少和增加过程中的新型控制策略

结论

本研究开发了一个与外部灰分储存系统耦合的300MW亚临界CFB发电厂动态模型，并获得了其对灰分储存和释放流量变化的动态响应。提出了在负荷增加和减少过程中的新型控制策略，并在75%至50% THA条件下的负荷循环动态过程中对其进行了定量评估。

CRediT作者贡献声明

刘俊福：方法论、资金获取。薛亚丽：监督、概念化。乔蕾蕾：监督、概念化。柯希伟：方法论、调查。韩佩星：验证、软件、数据管理。孙向文：撰写——初稿、方法论、概念化。魏高：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了北京怀柔实验室项目的支持：ZD2023008A（中国国家重点科技项目）。