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(xué)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(chǔ)上，詳細(xì)分析了CFB鍋爐控制中的幾個(gè)主要關(guān)鍵問題。

　　流化床的概念是指通過一個(gè)向上流動的空氣或煙氣維持一個(gè)顆粒床處于流動懸浮狀態(tài)。第一臺成功運(yùn)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(shí)用價(jià)值的新技術(shù)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(shù)研究的曰趨重視，從80年代開始形成了一個(gè)循環(huán)流化床基礎(chǔ)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(jìn)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(yīng)用于石油化工冶金電力環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域中的氣相和固相加工過程。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)和研究，為提高CFB鍋爐控制水平提供了有力的基礎(chǔ)。盡管CFB鍋爐的自動化水平起點(diǎn)很高，但是有關(guān)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(jī)構(gòu)可用性等方面。

　　CFB鍋爐運(yùn)行對控制的要求布風(fēng)裝置。要求配風(fēng)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(gè)床面上播撒均勻，防止局部負(fù)荷過高，造成局部缺氧。

　　風(fēng)量調(diào)節(jié)。一次風(fēng)機(jī)送出的大部分一次風(fēng)從風(fēng)室進(jìn)入爐內(nèi)時(shí)，主要用于流化物料和助燃，它有一個(gè)最小值和一個(gè)最大值分對應(yīng)最小'和最大流化風(fēng)，破壞了這兩個(gè)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(fēng)，為此設(shè)二次風(fēng)機(jī)，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(fēng)，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(xì)顆粒因缺氧無法燃燒，隨上升氣流進(jìn)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(fēng)，在給煤口上方加二次風(fēng)，改善燃燒工況，減少細(xì)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(fēng)以外，回料器的不同部位分要供以松動風(fēng)，此外還有播煤風(fēng)、播石灰石風(fēng)等。

　　為使CFB鍋爐實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒，在對上述所有風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時(shí)，還要改變一、二次風(fēng)的配比來實(shí)現(xiàn)床溫控制。由于CFB風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般設(shè)有總風(fēng)量控制器，用于不同風(fēng)之間的配比。為保證燃燒效率，減負(fù)荷時(shí)先減煤再減風(fēng)。

　　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(yùn)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(dá)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(fēng)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(fēng)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(diǎn)是CFB鍋爐特有的對物料循環(huán)的調(diào)節(jié)及聯(lián)鎖保護(hù)。可以認(rèn)為CFB鍋爐的爐膛更類似于一個(gè)低溫的化學(xué)反應(yīng)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(gè)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(fēng)煤比的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖保護(hù)，注重對物料流化、循環(huán)、燃燒及脫硫反應(yīng)的有關(guān)風(fēng)量的控制，確保建立一個(gè)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(hù)系統(tǒng)）聯(lián)鎖增加了分離器入口煙溫高、一次風(fēng)量低于最小值（爐內(nèi)床料流化喪失X高壓風(fēng)機(jī)出口壓力低于最小值（回料閥物料流化喪失）以及風(fēng)、燃料比低于最低值達(dá)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(shè)了投切燃料的床溫聯(lián)鎖功能（相當(dāng)于燃煤鍋爐的投煤粉噴嘴的點(diǎn)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(shí)，可以不經(jīng)爐膛清掃直接復(fù)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(fēng)管道的壓力保護(hù)一些CFB鍋爐采用正壓運(yùn)行，因而需要保證爐膛的氣密性。因風(fēng)機(jī)壓頭遠(yuǎn)高于燃煤爐，故需對爐膛及煙風(fēng)管道進(jìn)行正壓負(fù)壓保護(hù)。鑒于風(fēng)機(jī)的特殊性，考慮了不同的情走時(shí)間，其中羅茨風(fēng)機(jī)或高壓離心鼓風(fēng)機(jī)為4s，引風(fēng)機(jī)為20s. CFB鍋爐控制的幾個(gè)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(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　床溫控制策略。實(shí)踐證明，國內(nèi)有相當(dāng)一部分CFB鍋爐于設(shè)計(jì)上的不足造成床溫偏離設(shè)計(jì)值，其中多數(shù)床溫偏高，有的床溫甚至達(dá)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(fēng)的比率，也可作為床溫調(diào)節(jié)的手段，即在維持總風(fēng)量不變的條件下，提高一次風(fēng)比例，減少二次風(fēng)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(fēng)比率對床溫影響的實(shí)測曲線。結(jié)果表明，一、二次風(fēng)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(yùn)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(shè)置了3層床溫測點(diǎn)，下層6個(gè)測點(diǎn)，中層4個(gè)測點(diǎn)，上層4個(gè)測點(diǎn)，它們均在二次風(fēng)口以下，密相區(qū)之內(nèi)，每層測點(diǎn)沿爐膛四壁均勻、對稱布置，每層測點(diǎn)的輸出送入平均值計(jì)算回路。若某測點(diǎn)輸出因故障與平均值偏差超過±150C，則將其從平均值計(jì)算中剔除，下層和中層測點(diǎn)的輸出參與床溫的聯(lián)鎖控制，而上層測點(diǎn)輸出僅供顯示。3層測點(diǎn)的輸出偏差一般不超過80°C.考慮到密相區(qū)內(nèi)磨損嚴(yán)重，熱電偶元件必須套在耐熱、耐磨的金屬套管內(nèi)，使用時(shí)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(shí)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(jì)測量值要比該層實(shí)際平均床溫低50~ 70C，在床溫設(shè)定時(shí)，這種測量誤差應(yīng)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(shè)較厚的耐火防磨層，爐膛上部設(shè)置的受熱面的下端以及熱旋風(fēng)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(yán)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(fēng)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(shè)有單獨(dú)的流量調(diào)節(jié)閥，采用竟調(diào)節(jié)比的油/氣槍，床下點(diǎn)火方式還可采用改變混合風(fēng)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(diǎn)火能量邏輯判斷來確定煤粉噴口是否能夠投運(yùn)，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(diǎn)燃。為床溫聯(lián)鎖控制圖。

　　具體如下：①在布風(fēng)板下的一次風(fēng)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(yīng)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(jìn)而實(shí)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(shí)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(fēng)板上端面250mm處，左側(cè)2個(gè)，右側(cè)1個(gè)，將3個(gè)壓力測量值通過3取中邏輯判斷后送至顯示及報(bào)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(yīng)在2000mmH2O左右。為此，必須對實(shí)測值進(jìn)行標(biāo)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(shí)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(yùn)可使CFB鍋爐的運(yùn)行性能大為改善同時(shí)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(shè)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(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮CFB鍋爐的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合于CFB鍋爐運(yùn)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。