循環(huán)流化床(CFB)鍋爐可控性分析

　電站系統(tǒng)工程循環(huán)流化床（CFB）鍋爐可控性分析華北電力大學李大中劉淑平主要區(qū)別，以及CFB鍋爐在控制系統(tǒng)方面新增的內(nèi)容。在此基礎上，詳細分析了CFB鍋爐控制中的幾個主要關鍵問題。

　　流化床的概念是指通過一個向上流動的空氣或煙氣維持一個顆粒床處于流動懸浮狀態(tài)。第一臺成功運行的流化床是德國人FrizWinkler于1921年12月發(fā)明的，快速流化床則最早出現(xiàn)于1938年12月。循環(huán)流化床真正成為具有工業(yè)實用價值的新技術是在五六十年代。1976年，Yerushalmi等首次提出了快速流態(tài)化的概念，從而弓丨起了人們對循環(huán)流化床技術研究的曰趨重視，從80年代開始形成了一個循環(huán)流化床基礎研究的高峰期。

　　我國對循環(huán)流化床的研究始于50年代末，特是進入80年代后，國內(nèi)各主要高等院校和一些研究部門也相繼開始循環(huán)流化床的研究開發(fā)工作。目前國內(nèi)外循環(huán)流化床（CFB）鍋爐無論在數(shù)量上還是在容量上都取得了很大發(fā)展，已被廣泛地應用于石油化工冶金電力環(huán)保等工業(yè)領域中的氣相和固相加工過程。

　　隨著計算機技術、通信技術、控制技術等的飛速發(fā)展，用于電廠控制的DCS系統(tǒng)性能的曰臻完善，一些先進的高級控制方法，如遺傳算法、模糊算法、魯棒控制算法等已被用于CFB鍋爐控制的實驗和研究，為提高CFB鍋爐控制水平提供了有力的基礎。盡管CFB鍋爐的自動化水平起點很高，但是有關CFB鍋爐可控性的研究卻顯得不足，這主要體現(xiàn)在CFB鍋爐自身各種參數(shù)控制手段的有效性、控制策略的合理性和一次檢測元件及執(zhí)行機構可用性等方面。

　　CFB鍋爐運行對控制的要求布風裝置。要求配風均勻，以消除死區(qū)和粗顆粒沉降，底部流化質(zhì)量良好，減少冷渣含碳量。

　　加入床層燃料。要求在整個床面上播撒均勻，防止局部負荷過高，造成局部缺氧。

　　風量調(diào)節(jié)。一次風機送出的大部分一次風從風室進入爐內(nèi)時，主要用于流化物料和助燃，它有一個最小值和一個最大值分對應最小'和最大流化風，破壞了這兩個條件，就不再是CFB燃燒工況。為控制床溫和NOx生成采取分段供風，為此設二次風機，一部分送給煤管，防止熱煙氣外泄；一部分去啟動燃燒器；一部分作分級燃燒用風，使燃料芫全燃燒和控制煙氣含氧量。

　　給煤口附近煤量集中，細顆粒因缺氧無法燃燒，隨上升氣流進入懸浮段，難以燃盡。對揮發(fā)分較大的煤，揮發(fā)分也可能難以燃盡，在尾部煙道形成焦油沉積。因此在給煤口加播煤二次風，在給煤口上方加二次風，改善燃燒工況，減少細顆粒和揮發(fā)分不芫全燃燒損失。

　　另外就是CFB的回料問題，不管是采用哪種型式的回料器，為使回料暢通，除了流化風以外，回料器的不同部位分要供以松動風，此外還有播煤風、播石灰石風等。

　　為使CFB鍋爐實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒，在對上述所有風進行調(diào)節(jié)的同時，還要改變一、二次風的配比來實現(xiàn)床溫控制。由于CFB風系統(tǒng)的復雜性，一般設有總風量控制器，用于不同風之間的配比。為保證燃燒效率，減負荷時先減煤再減風。

　　料層高度。料層太薄，床層不穩(wěn)定，壓火不能太長；料層太厚，增加電耗和不芫全燃燒損失。為此要依據(jù)床層壓降判斷料層高度，控制排渣來維持料層高度，并且希望是連續(xù)排渣，以減小料位波動對鍋爐運行的影響。

　　床溫控制。焦炭的著火溫度是800C，為此要求床溫不低于800C；為防止灰變形，床溫不能高于1150C；為達到最佳脫硫效果，床溫要求低于950C，可根據(jù)不同爐型通過調(diào)節(jié)給煤量、循環(huán)灰量、一二次風配比來控制床溫。

　　石灰石的合理加入。影響石灰石用量的因素有：燃料中的含硫量；煙氣中S02控制要求；給煤速率；床溫；石灰石質(zhì)量和尺寸，如果石灰石顆粒大于0.3mm，則會增加石灰石量，使床溫升高，減少爐內(nèi)傳熱，降低鍋爐效率，增加灰量、風量和NOx. CFB鍋爐控制系統(tǒng)特性CFB鍋爐與常規(guī)燃煤鍋爐相比，在汽水側(cè)控制方式上基本相同，但在燃燒側(cè)控制卻存在根本的區(qū)別，最大的不同點是CFB鍋爐特有的對物料循環(huán)的調(diào)節(jié)及聯(lián)鎖保護�？梢哉J為CFB鍋爐的爐膛更類似于一個低溫的化學反應器，它內(nèi)部的火焰特征比常規(guī)燃煤鍋爐差得多，看不見能歸屬于某個燃燒器的火焰，因此，而是更注重對爐膛內(nèi)的床溫、床壓、料位、分離器入口溫度及風煤比的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖保護，注重對物料流化、循環(huán)、燃燒及脫硫反應的有關風量的控制，確保建立一個平穩(wěn)、足夠的熱物料循環(huán)過程，從而芫成鍋爐燃燒側(cè)的燃料燃燒、物料平衡以及熱量傳遞。

　　在控制系統(tǒng)方面CFB鍋爐比常規(guī)燃煤鍋爐新增了MCS系統(tǒng)①床溫控制；②床壓控制；③料層高度控制；④S2排放控制；⑤石灰石控制；⑥冷渣器控制。

　　BMS聯(lián)鎖保護系統(tǒng)）聯(lián)鎖增加了分離器入口煙溫高、一次風量低于最小值（爐內(nèi)床料流化喪失X高壓風機出口壓力低于最小值（回料閥物料流化喪失）以及風、燃料比低于最低值達2min以上等反映熱物料循環(huán)破壞而引起主燃料跳闡的條件。②增設了投切燃料的床溫聯(lián)鎖功能（相當于燃煤鍋爐的投煤粉噴嘴的點火能量支持條件X③爐膛清掃邏輯中增加了“停爐后若床溫足夠高時，可以不經(jīng)爐膛清掃直接復位MFT繼電器”功能，充分利用了CFB鍋爐熱物料的蓄熱，直接熱態(tài)啟動。

　　2.3爐膛及煙風管道的壓力保護一些CFB鍋爐采用正壓運行，因而需要保證爐膛的氣密性。因風機壓頭遠高于燃煤爐，故需對爐膛及煙風管道進行正壓負壓保護。鑒于風機的特殊性，考慮了不同的情走時間，其中羅茨風機或高壓離心鼓風機為4s，引風機為20s. CFB鍋爐控制的幾個主要問題3.1床溫控制問題影響CFB鍋爐床溫的因素。CFB鍋爐屬于低溫燃燒，一般將其密相區(qū)的物料溫度控制在850900C，床溫850C左右是最佳的脫硫及脫硝溫度，床溫過低使鍋爐燃燒效率降低，過高則會使脫硫及脫硝效率降低，甚至造成床料結(jié)焦，影響設備安全穩(wěn)定運行。

　　床溫控制策略。實踐證明，國內(nèi)有相當一部分CFB鍋爐于設計上的不足造成床溫偏離設計值，其中多數(shù)床溫偏高，有的床溫甚至達到9501000C，根本沒有調(diào)節(jié)裕度，這是可控性差的典型例子。

　　于我國動力用煤的煤質(zhì)多變，破碎裝置往往不能滿足對入爐煤粒徑分布的要求，此引起的床溫失控也是造成床溫控制無法正常工作的重要原因。

　　另外，通過改變一、二次風的比率，也可作為床溫調(diào)節(jié)的手段，即在維持總風量不變的條件下，提高一次風比例，減少二次風份額，可以改善物料的流化及循環(huán)，將密相區(qū)的熱量帶到爐膛上部從而使密相區(qū)床溫降下來；反之，則可提高床溫。示出了一臺220t/hCFB鍋爐一、二次風比率對床溫影響的實測曲線。結(jié)果表明，一、二次風比率1升至1.6，密相區(qū)床溫只能降低1415C，因此要用該手段大幅度調(diào)整床溫是很困難的，它只適用于對床溫的微調(diào)。

　　床溫測量。床溫是CFB鍋爐的重要運行參數(shù)，CFB床溫一般是指密相區(qū)的床溫，以一臺220t/h鍋爐為例，它設置了3層床溫測點，下層6個測點，中層4個測點，上層4個測點，它們均在二次風口以下，密相區(qū)之內(nèi)，每層測點沿爐膛四壁均勻、對稱布置，每層測點的輸出送入平均值計算回路。若某測點輸出因故障與平均值偏差超過±150C，則將其從平均值計算中剔除，下層和中層測點的輸出參與床溫的聯(lián)鎖控制，而上層測點輸出僅供顯示。3層測點的輸出偏差一般不超過80°C.考慮到密相區(qū)內(nèi)磨損嚴重，熱電偶元件必須套在耐熱、耐磨的金屬套管內(nèi)，使用時常使其端頭縮至與耐火層壁面平齊。因此，造成了床溫測量值低于該處床溫實際值，再考慮到爐膛邊緣的床溫低于中心區(qū)溫度的因素，估計測量值要比該層實際平均床溫低50~ 70C，在床溫設定時，這種測量誤差應加以考慮。

　　3.2CFB鍋爐的啟、�？刂迫紵齻�(cè)啟動速度控制。CFB鍋爐密相區(qū)爐壁敷設較厚的耐火防磨層，爐膛上部設置的受熱面的下端以及熱旋風分離器內(nèi)壁也都有耐火防磨材料，因此，在啟動過程中必須嚴格控制加熱升溫速度，以防耐火材料受熱不均勻爆裂，一般采用水冷壁內(nèi)工質(zhì)溫度來近似代表耐火層的溫度，而工質(zhì)溫度又可以汽包的金屬溫度近似表示。

　　60C/h，而對熱旋風分離器則要求其入口煙溫<120C/h，為此，要求燃燒系統(tǒng)必須能精確控制燃燒率，具體措施是每只油/氣燃燒器都設有單獨的流量調(diào)節(jié)閥，采用竟調(diào)節(jié)比的油/氣槍，床下點火方式還可采用改變混合風量的方式調(diào)節(jié)煙溫。

　　啟、停過程中的床溫聯(lián)鎖。燃煤鍋爐采用點火能量邏輯判斷來確定煤粉噴口是否能夠投運，其根據(jù)是火焰檢測器的輸出，而CFB鍋爐則是根據(jù)床溫的高低來決定投切主燃料，通過床溫和煙氣中的含氧量變化判斷主燃料是否已點燃。為床溫聯(lián)鎖控制圖。

　　具體如下：①在布風板下的一次風箱壓力大于最小值，且無MFT的條件下，投啟動油燃燒器，使床溫按一定速度升至593C，即可允許投煤。②油、煤混燒使床溫升至760C，則可切除全部油燃燒器，通過燃燒煤維持正常床溫（816927C）。③如果由于某種原因，床溫降到760°C，這是若沒有煤入爐，則觸發(fā)MFT切除主燃料。④如果由于某種原因（包J舌正常停爐），床溫降至649C之前，應投油以確保煤的正常燃燒；若沒有投油燃燒器，且床溫低于649C，則必須通過BMS觸發(fā)MFT以切除給煤。

　　3.3床壓控制問題由于物料床存量與床壓成正比，而通過調(diào)節(jié)排渣量可以控制床壓，因此控制床壓是確保CFB鍋爐物料平衡，進而實現(xiàn)良好的傳熱過程的重要手段。但是，由于煤的成灰特性，入爐煤粒度偏大等原因，使底渣量與飛灰量之比增大，這將會造成實際排渣量往往比床壓一般是指密相區(qū)的床壓，床壓測孔一般布置在距布風板上端面250mm處，左側(cè)2個，右側(cè)1個，將3個壓力測量值通過3取中邏輯判斷后送至顯示及報警回路；三者取平均值作為床壓控制的反饋信號。

　　由于床壓測孔位于正壓高濃度床料區(qū)，為了防止堵塞，必須向測孔引入一股恒壓吹掃空氣，其壓頭應在2000mmH2O左右。為此，必須對實測值進行標定，即消除作為背壓的吹掃恒壓頭的影響，在現(xiàn)場可通過遷移壓力變送器零位等方法來實現(xiàn)。

　　3.4SO2排放控制問題良好的脫硫效果是CFB鍋爐備受青睞的主要原因之一，它利用加入的石灰石來捕捉煙氣中的SO2，石灰石系統(tǒng)的連續(xù)正常投運可使CFB鍋爐的運行性能大為改善同時也使CFB鍋爐的主要參數(shù)更加可控易控。

　　4結(jié)束語隨著CFB鍋爐容量的增大，設備性能的提高，對系統(tǒng)的可控性也提出了更高的要求。由于CFB鍋爐與常規(guī)燃煤鍋爐的特性有很大差異，因此控制系統(tǒng)無論從構成型式、控制方法，還是控制量類型等方面，均和燃煤鍋爐有較大區(qū)別。為保證系統(tǒng)的可控性，提高CFB鍋爐效率，要求控制系統(tǒng)設計時應充分考慮CFB鍋爐的性能特點，設計適合于CFB鍋爐運行特性的可行有效控制方案充分發(fā)揮CFB鍋爐的優(yōu)良性能