內(nèi)容摘要：循環(huán)流化床鍋爐自八十年初進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行以來，發(fā)展迅速，  占中小型燃煤鍋爐市場的份額不斷擴(kuò)大，  已成為世界新世紀(jì)能源的發(fā)展方向之一。但由于其燃燒過程較為復(fù)雜，影響因素多而不易控制，不能簡單地套用常規(guī)煤粉爐的控制方法。本文在結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐特性的基礎(chǔ)上，著重分析其控制系統(tǒng)，  并提出相應(yīng)的控制方案。

關(guān)鍵詞  循環(huán)流化床鍋爐  控制

  隨著循環(huán)流化床(CFB—Circulating  Fluidized  bed)鍋爐的不斷投產(chǎn)，技術(shù)不斷進(jìn)步，在中小型鍋爐中優(yōu)勢明顯，并迅速向大型化邁進(jìn)。鑒于我國以燃煤發(fā)電為主導(dǎo)的格局在長時(shí)期內(nèi)將不會(huì)有大的改變，面對日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，CFB鍋爐前景看好。目前，我國已訂貨和投運(yùn)的CFB鍋爐已近千臺(tái)，但主要為小型(35～75t／h)鍋爐，可控性較差、控制復(fù)雜、自動(dòng)化程度參差不齊，對運(yùn)行人員要求高，實(shí)際運(yùn)行情況并不如預(yù)期的好，控制和運(yùn)行水平對機(jī)組的實(shí)際性能影響很大。    要提高控制水平，就必須對CFB鍋爐的工藝過程有足夠的認(rèn)識(shí)，特別是對CFB鍋爐與常規(guī)煤粉爐不同的特性有足夠的認(rèn)識(shí)。

    CFB鍋爐是在鼓泡床鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要原理是床料在爐膛內(nèi)充分流化，通過旋風(fēng)分離實(shí)現(xiàn)循環(huán)，使燃料在爐膛內(nèi)平均停留時(shí)間較煤粉爐幾十倍的增加，達(dá)到充分燃燒的目的，同時(shí)在爐內(nèi)加入石灰石，實(shí)現(xiàn)脫硫。燃料在爐膛內(nèi)，經(jīng)過強(qiáng)烈的攪拌、磨擦，本身也具有破碎作用，因而不需要常規(guī)煤粉爐具有的制粉系統(tǒng)及磨煤機(jī)，燃料制備系統(tǒng)簡單；且具有獨(dú)特的回料系統(tǒng)、石灰石加料系統(tǒng)及點(diǎn)火系統(tǒng)；同時(shí)CFB鍋爐有大量固體床料的運(yùn)動(dòng)慣性和熱能慣性，對控制影響大，與常規(guī)煤粉爐具有顯著的區(qū)別。

    CFB鍋爐的控制可分為燃燒控制系統(tǒng)(Combustion Control System)和燃燒安全保護(hù)系統(tǒng)(Combustion Safeguard Control Systern)，下文以具有代表性的—美國福斯特?惠勒(FW—Foster Wheeler)公司循環(huán)流化床鍋爐為參照控制對象，分別敘述。

    1．燃燒控制系統(tǒng)一般由以下控制系統(tǒng)組成：

    ☆鍋爐負(fù)荷控制；

    ☆煤量控制；

    ☆風(fēng)量控制(包括一次、二次風(fēng)量及J閥風(fēng)量)；

    ☆床溫控制；

    ☆床料控制；

    ☆石灰石控制；

    其中鍋爐負(fù)荷、爐膛壓力等控制與常規(guī)煤粉爐相同。其余各參數(shù)由于相互耦合、一個(gè)被調(diào)量同時(shí)受幾個(gè)調(diào)節(jié)量的影響，而一個(gè)調(diào)節(jié)量又影響幾個(gè)被調(diào)量，控制復(fù)雜，需全盤統(tǒng)一考慮；既要實(shí)現(xiàn)充分燃燒，又要確保床溫的穩(wěn)定。因此，總的控制策略是：首先在確保床溫在正常范圍內(nèi)，保證負(fù)荷；然后根據(jù)負(fù)荷控制總風(fēng)量及給煤量，保證最佳的風(fēng)煤比；再根據(jù)總風(fēng)量來合理分配一、二次風(fēng)量，保證物料能處于良好的流化狀態(tài)，及具有足夠的氧量；同時(shí)維持床壓、爐膛壓力穩(wěn)定，控制石灰石給料量，實(shí)現(xiàn)鍋爐的安全高效燃燒及環(huán)保特性。以下是燃燒系統(tǒng)各主要參數(shù)的控制總圖(圖1)：

   對各參數(shù)的控制有了總體了解后，現(xiàn)具體分述如下：

   1．1  負(fù)荷控制(圖2)

    對單元制機(jī)組，通過改變鍋爐燃燒率維持主蒸汽壓力恒定，引入主汽壓力與汽機(jī)調(diào)速級后壓力比值經(jīng)微分作為調(diào)節(jié)器前饋，以控制機(jī)前壓力保持給定為目標(biāo)，主蒸汽壓力作為主調(diào)信號，與壓力給定值比較后的偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)器PI運(yùn)算后作為風(fēng)量及給煤量的控制。當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷改變后，風(fēng)量及給煤量協(xié)調(diào)動(dòng)作，以使鍋爐快速響應(yīng)負(fù)荷變化，機(jī)組壓力波動(dòng)范圍小。在低負(fù)荷及特殊情況時(shí)，可人為設(shè)定風(fēng)量及給煤量的設(shè)定值。

   對于母管制機(jī)組，以保持主蒸汽母管壓力恒定為目標(biāo)，合理進(jìn)行各鍋爐負(fù)荷分配，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。各鍋爐根據(jù)負(fù)荷指令控制風(fēng)量及給煤。

    CFB鍋爐由于熱慣性大，機(jī)組負(fù)荷變化而引發(fā)鍋爐參數(shù)變化時(shí)，應(yīng)考慮先調(diào)節(jié)風(fēng)量，充分利用其熱慣性，燃料量后調(diào)節(jié)。

    1，2  煤量控制(圖3)

    CFB鍋爐由于燃燒機(jī)理獨(dú)特而不需要復(fù)雜的制粉系統(tǒng)，由皮帶給煤機(jī)結(jié)合氣力播煤，將燃料直接送入爐膛。給煤機(jī)一般采用變頻調(diào)節(jié)，可接受遠(yuǎn)方(如分散控制系統(tǒng))4～20mA控制信號，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制給煤量。

    在控制框圖中，鍋爐負(fù)荷控制輸出的信號與實(shí)際總風(fēng)量信號取小值作為調(diào)節(jié)器的給定，以保證增負(fù)荷時(shí)，先加風(fēng)，后加煤；減負(fù)荷時(shí)，先減煤，后減風(fēng)(保證一定的過?？諝饬浚瑵M足爐膛安全燃燒需要)。由于煤量控制影響床溫，所以，在床溫超過一定溫度時(shí)，需限制給煤增加(如設(shè)置一定的虛假給煤量，減少調(diào)節(jié)器輸出)，以防床溫進(jìn)一步升高，造成結(jié)焦。

    1．3  風(fēng)量控制(包括總風(fēng)量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量及J閥風(fēng)量等)

    1．3．1  總風(fēng)量控制(圖4)

    進(jìn)入爐膛的風(fēng)量有：一次風(fēng)、二次風(fēng)、J閥風(fēng)、播煤風(fēng)等?？傦L(fēng)量控制指令由鍋爐主負(fù)荷調(diào)節(jié)器輸出?？傦L(fēng)量中一、二次風(fēng)所占比例最大，同時(shí)直接影響鍋爐的運(yùn)行、燃燒。因此，總風(fēng)量控制就是通過改變一、二次風(fēng)量的調(diào)節(jié)指令來保證鍋爐所需的總風(fēng)量。在控制回路中將主汽壓控制來的總風(fēng)量信號與實(shí)際總煤量信號取大值作為總風(fēng)量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，以保證負(fù)荷變化時(shí)滿足先加風(fēng)、后加煤或先減煤、后減風(fēng)的要求。同時(shí)設(shè)有總風(fēng)量對煤量的限制。

    1．3．2  一次風(fēng)量控制(圖5)

    一次風(fēng)作用是保證物料處于良好的流化狀態(tài)以維持正常的物料循環(huán)，正常的物料循環(huán)要求流化速度不低于l—3m／s，而流化速度與風(fēng)量密切相關(guān)．通常情況下，一次風(fēng)量占總風(fēng)量的60％。  (不同CFB鍋爐不完全一致，大至在40％～60％之間。我國由于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定對NOX的排放要求，所以，一次風(fēng)通常在60％以上)。

    在控制回路中，來自總風(fēng)量調(diào)節(jié)的一次風(fēng)量指令作為一次風(fēng)量調(diào)節(jié)的設(shè)定值。通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)擋板達(dá)到所需的一次風(fēng)量。

    需注意在通過調(diào)節(jié)給煤量和風(fēng)量來控制鍋爐負(fù)荷時(shí)，要求床溫維持在一定的范圍內(nèi)，才能保證鍋爐正常燃燒，所以，一次風(fēng)量控制還應(yīng)與床溫控制結(jié)合起來考慮。同時(shí)從布風(fēng)板上測得的床溫也可幫助床料是否處于良好的流化狀態(tài)。

 1．3．3  二次風(fēng)量控制(圖6)

    二次風(fēng)作用是維持爐膛內(nèi)煤粉的燃燒有恰當(dāng)?shù)目諝饬?，通過分級送風(fēng)，調(diào)節(jié)各級風(fēng)量使?fàn)t膛溫度基本均勻，降低NOX的生成，同時(shí)也使?fàn)t膛下部處于缺氧燃燒狀態(tài)，有利于將床溫維持在要求的范圍內(nèi)。

可采用具有氧量校正回路的串級調(diào)節(jié)，由副調(diào)節(jié)器控制二次風(fēng)量滿足總風(fēng)量的一、二次風(fēng)比例要求，同時(shí)氧量校正回路進(jìn)一步細(xì)調(diào)這一比例，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)燃燒。調(diào)節(jié)對象是二次風(fēng)上下兩層總管的二次風(fēng)擋板。

 1．3．4  J閥(回料閥)風(fēng)量控制

    回料系統(tǒng)是CFB鍋爐的重要組成部分，通過控制回料器上升段及下降段的風(fēng)量，來維持正常的物料循環(huán)，將床溫穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)，同時(shí)需保證旋風(fēng)分離器底部起密封作用的物料具有一定高度。防止?fàn)t膛煙氣反串燃燒引起回料系統(tǒng)結(jié)焦。

    一般設(shè)兩臺(tái)J閥回料器，每個(gè)回料器有多只風(fēng)管供風(fēng)，適當(dāng)選擇其中幾只用于調(diào)節(jié)J閥(回料閥)風(fēng)量以控制回料量，通過回料量控制床溫。由于不同的CFB鍋爐結(jié)構(gòu)不同，床溫控制方法也有差異，將在床溫控制部分詳細(xì)講述。

    1．4  床溫控制

    床溫是CFB鍋爐較難控制的參數(shù)，同時(shí)又是保證鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的條件。煤種、給煤量、回料量、風(fēng)量、風(fēng)煤比、床壓、負(fù)荷等的變化均可引起床溫的變化。在正常范圍內(nèi)，負(fù)荷上升時(shí)，同時(shí)增加投煤量和風(fēng)量會(huì)使床溫升高。   

    一般床溫通過布置在密相區(qū)及爐膛各處的熱電偶監(jiān)測，從提高燃燒效率及傳熱系數(shù)角度講，希望床溫高一些；從脫硫(理想的反應(yīng)溫度是840～900℃，溫度超過950℃時(shí)，反應(yīng)就不能發(fā)生了)、降低NOx排放的角度講，希望床溫低一些，因此一般CFB鍋爐床溫要求在820～900℃，燒無煙煤時(shí)稍高一些。但均應(yīng)保證密相區(qū)溫度低于灰的變形溫度，否則會(huì)引發(fā)結(jié)焦，破壞正常的流化燃燒，使運(yùn)行被迫中斷，造成事故；相反過低的床溫則使鍋爐出力不足，嚴(yán)重時(shí)造成鍋爐滅火。

    床溫控制具體來說，根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的分級燃燒特性，可調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)比和合理的風(fēng)煤比維持在要求的范圍內(nèi)。床溫高一值時(shí)，將一次風(fēng)量及煤量減少一定比例；床溫高二值時(shí)，一、二次風(fēng)、煤量全切為手動(dòng)。

    中低溫的CFB鍋爐主要通過改變回料量(由J閥風(fēng)量控制)來控制床溫，床溫升高時(shí)增加回料，反之減少。

    如CFB鍋爐裝有熱交換器(從發(fā)展趨勢來看，大型CFB鍋爐均要求設(shè)置熱交換器)，則對床溫控制有很大的幫助，通過控制被熱交換器冷卻了經(jīng)再循環(huán)送入燃燒室的固體物料量宋控制床溫。熱交換器一般為外置式，目前世界已投運(yùn)最大的，  由法國阿爾斯登(Srein)公司制造的250MW循環(huán)流化床鍋爐就采用于外置式熱交換器，其中兩只熱交換器內(nèi)布置中溫過熱器，用于控制爐膛溫度。

    1．5  床料控制

    床料高度的穩(wěn)定對正常運(yùn)行很重要，床料過高使阻力增大，可能造成風(fēng)室和風(fēng)道的振動(dòng)；床料過低時(shí)鍋爐帶負(fù)荷能力降低，出力不足；而且床料過高或過低都會(huì)影響流化質(zhì)量，引發(fā)結(jié)焦。

    調(diào)節(jié)排渣口開度控制放渣量控制床料高度(排渣口開度未設(shè)自動(dòng)時(shí)，可設(shè)定床層壓降或控制點(diǎn)壓力，到達(dá)上限時(shí)放渣，下限停止放渣；如床料過低，可適當(dāng)添加石灰石或渣補(bǔ)充)。

 1．6  石灰石控制(圖7)

    進(jìn)入燃燒室的石灰石用于CFB鍋爐脫硫，石灰石受熱分解為氧化鈣和二氧化碳，其中氧化鈣與燃燒產(chǎn)生的二氧化硫反應(yīng)生成硫酸鈣，同時(shí)石灰石也作為床料起到傳熱作用。

    采用串級控制系統(tǒng)。需控制石灰石與煤比例(鈣硫比)；由于石灰石送入爐膛需要的空氣量與爐內(nèi)脫硫反應(yīng)所需的空氣量不能完全抵消，將影響爐內(nèi)原有的過剩空氣系數(shù)，所以調(diào)節(jié)中引入了氧量校正。

    2  燃燒安全保護(hù)系統(tǒng)

  CFB鍋爐燃燒安全保護(hù)系統(tǒng)用于監(jiān)視、控制燃燒室內(nèi)的燃料與空氣，防止燃料與空氣混合物產(chǎn)生的不安全工況。必要時(shí)，切除燃料系統(tǒng)，以保證鍋爐安全運(yùn)行，  目標(biāo)與常規(guī)煤粉爐一致。

    CFB鍋爐燃燒安全保護(hù)系統(tǒng)可分為爐膛監(jiān)測和主燃料跳閘(MFT)兩部分。

    2．1  爐膛監(jiān)測

    CFB鍋爐由于爐內(nèi)溫度分布均勻，爐膛徑向和軸向溫度波動(dòng)小，爐膛內(nèi)物料濃度大，無常規(guī)煤粉爐燃燒形成的典型火焰，所以不采用常規(guī)煤粉爐的光學(xué)火焰監(jiān)測裝置，一般通過布置在爐膛內(nèi)適當(dāng)位置的熱電偶測量溫度來監(jiān)視，并與設(shè)定值比較后確定采取相應(yīng)的措施。但風(fēng)道燃燒器(風(fēng)道點(diǎn)火器)內(nèi)可裝設(shè)符合要求的光學(xué)火檢裝置。用于監(jiān)視鍋爐點(diǎn)火過程。

  2．2  主燃料跳閘(MFT—Main fuel Trip)

    CFB鍋爐在檢測到發(fā)生危害人身和設(shè)備安全工況時(shí)，發(fā)出主燃料跳閘(MFT)信號。以下是CFB鍋爐特有的MFT工況：

    I．床溫低(當(dāng)風(fēng)道燃燒器不運(yùn)行時(shí))；

    II．裝有熱交換器的CFB鍋爐，流經(jīng)熱交換器的水量不足；

    以上兩種跳閘均帶有延時(shí)。除停燃料給煤外，還停一、二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行，與常規(guī)煤粉爐不同，風(fēng)機(jī)停延時(shí)一般為5分鐘。用以排除燃燒室和煙道內(nèi)的可燃物。

    CFB鍋爐與常規(guī)煤粉爐均具有的MFT工況：

    I．所有送風(fēng)機(jī)(一、二次風(fēng)機(jī))或引風(fēng)機(jī)跳閘；

    II．爐膛壓力過高或過低；

    III．汽包水位超限3分鐘；

    IV．手動(dòng)MFT等

    某些不良的運(yùn)行工況，如給煤波動(dòng)、煤質(zhì)等變化造成床溫波動(dòng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，可不必實(shí)施MFT，如通過輔助油槍穩(wěn)燃等維持運(yùn)行。

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制水平的提高，  目前中小型機(jī)組也大量采用了分散控制系統(tǒng)(DCS-Distribute Control System)，循環(huán)流化床鍋爐由于控制復(fù)雜，對運(yùn)行人員要求高，更需要提高自動(dòng)化水平，采用DCS是大勢所趨。

    結(jié)束語：

以上是本人對CFB鍋爐控制系統(tǒng)的分析。結(jié)合了福建省石獅熱電廠2×35t／h及75t／h循環(huán)流化床鍋爐的控制設(shè)計(jì)，并參考寧波220t／h循環(huán)流化床鍋爐(均為東鍋引進(jìn)福斯特——惠勒公司技術(shù)生產(chǎn))及內(nèi)江410t／h示范循環(huán)流化床鍋爐等大型CFB鍋爐的控制系統(tǒng)。由于CFB鍋爐的容量日益大型化，影響控制的因素眾多，需要控制的項(xiàng)目不斷增加，所以在實(shí)際工程應(yīng)用中還需結(jié)合具體情況加以完善和改進(jìn)。 

文章作者：王 毅(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院  350003)