循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)淺析

楊東海

（內(nèi)蒙古蒙西高新技術(shù)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯016014）

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐 (CFB)作為一種新型燃燒設(shè)備，它具有高效低污染、煤種適應(yīng)性好，負(fù)荷調(diào)整范圍寬 ,飛灰和爐渣的含碳量低、運(yùn)行穩(wěn)定，并且對(duì)有害氣體的排放進(jìn)一步降低、環(huán)保效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此而得到廣泛的推廣和應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。不同鍋爐廠家生產(chǎn)的CFB鍋爐在結(jié)構(gòu)、性能及調(diào)節(jié)手段等方面存在一定的差異。目前我廠兩臺(tái)鍋爐就是由東方鍋爐廠生產(chǎn)480T/h超高壓CFB鍋爐。下面結(jié)合我廠鍋爐運(yùn)行情況就大容量和高參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐的燃燒原理和控制策略作一介紹，為今后我廠燃燒自動(dòng)的投入，進(jìn)一步提高自動(dòng)投入率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度提供理論參考。

循環(huán)流化床鍋爐一般由給料系統(tǒng)、循環(huán)床燃燒室、高溫分離裝置、循環(huán)物料回送裝置和尾部受熱面(有些爐型與返料機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)置有外置流化床換熱器)等組成。循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，各個(gè)變量之間相互影響。有的被調(diào)參數(shù)同時(shí)受到幾個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)的共同影響,如床層溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風(fēng)量、返料量及排渣量等多個(gè)參數(shù)控制。因此，在構(gòu)造CFB鍋爐控制方案時(shí)只有抓住主要矛盾，同時(shí)兼顧各個(gè)次要矛盾，才能構(gòu)造出滿足系統(tǒng)要求的控制策略。

現(xiàn)在電力行業(yè)普遍采用將智能自動(dòng)化方法及策略結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)控制方案，同時(shí)也證明該方法行之有效，可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

循環(huán)流化床鍋爐本體一般可分成兩部分：一部分由爐膛、汽包、分離器、回料器等組成，形成一個(gè)固體物料循環(huán)回路；另一部分則為對(duì)流煙道，布置有過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等，與常規(guī)煤粉爐相近。外圍系統(tǒng)和設(shè)備主要有一次風(fēng)及送、及引風(fēng)機(jī)，粗碎機(jī)，細(xì)碎機(jī)，給煤機(jī)，石灰石給料機(jī)，播煤風(fēng)機(jī)，J閥風(fēng)機(jī)，冷卻排渣系統(tǒng)，風(fēng)道點(diǎn)火加熱系統(tǒng)，爐膛的密相區(qū)和二次風(fēng)口還可設(shè)置助燃用的啟動(dòng)燃燒系統(tǒng)。

1.2 燃燒原理

CFB鍋爐一般采用熱煙氣床下點(diǎn)火方式，在密相區(qū)和二次風(fēng)口可設(shè)置助燃用的啟動(dòng)燃燒器和床槍。鍋爐啟動(dòng)采用床料循環(huán)加熱，即冷床料在流化并循環(huán)的條件下加熱升溫。啟動(dòng)時(shí)，最先投運(yùn)風(fēng)道燃燒器，以熱煙氣和空氣混合物加熱床料，之后投運(yùn)啟動(dòng)燃燒器，使溫度按照升溫升壓曲線上升。當(dāng)床溫達(dá)到500℃時(shí)，可根據(jù)需要投運(yùn)投運(yùn)油槍，使床溫進(jìn)一步升高至600℃，這時(shí)可逐步投煤。

燃燒所需要的一次風(fēng)和二次風(fēng)分別由爐膛的底部和側(cè)墻送入。原煤塊經(jīng)過粗碎機(jī)和細(xì)碎機(jī)破碎后，通過皮帶式給煤機(jī)送入煤斗。煤斗經(jīng)播煤風(fēng)將煤吹入爐膛。爐膛出口水平煙道內(nèi)裝有煙灰分離器，分離出的高溫灰落入灰斗，經(jīng)鎖灰裝置和J閥回送至爐膛。飛灰通過分離器后由電除塵收集后經(jīng)氣力除灰送回灰?guī)?，床體下部已燃盡的灰渣經(jīng)由冷渣機(jī)、鏈斗、斗提送入渣庫(kù)。

煤進(jìn)入爐膛后，首先在主床燃燒。經(jīng)過預(yù)熱器的一次風(fēng)，從爐床下風(fēng)室向上進(jìn)入爐膛，使床上煤顆粒沸騰燃燒，當(dāng)煙氣達(dá)到一定的速度，大量的顆粒就會(huì)離開床層，由煙氣攜帶至爐膛上部燃燒，并隨煙氣直至爐膛出口。在爐膛出口處裝有旋風(fēng)分離器，對(duì)顆粒和煙氣進(jìn)行分離，然后進(jìn)入煙道。為了使顆粒上升、分離，穿過并離開爐膛，要求煙氣必須達(dá)到某一最小速度。分離后的煙氣流入煙道，通過省煤器、空氣預(yù)熱器得到近一步冷卻；而分離后的顆粒，下落回到爐膛繼續(xù)燃燒，再次進(jìn)行燃燒上升，分離，形成顆粒循環(huán)。由于顆粒反復(fù)循環(huán)延長(zhǎng)了在爐內(nèi)的停留時(shí)間，因此，各煤種均可在850-950℃的低溫下得到充分燃燒，提高了燃盡度。由于爐膛內(nèi)燃燒溫度較低，使得NOx的生成量得到有效控制。同時(shí)此溫度范圍，也有利于使為脫硫而加入爐膛的石灰石顆粒在循環(huán)燃燒種與燃料種的硫化物發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到最佳的脫硫效果。

2 模擬量控制系統(tǒng)

由于CFB鍋爐和煤粉爐在汽水系統(tǒng)方面的運(yùn)行監(jiān)視與調(diào)整基本相同，兩者的差異主要表現(xiàn)在燃燒系統(tǒng)，因此，對(duì)CFB鍋爐燃燒及調(diào)節(jié)機(jī)理理解是設(shè)計(jì)機(jī)理的理解是設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。下面主要對(duì)與CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)有關(guān)的控制回路就地控制原理進(jìn)行說明。CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 燃燒系統(tǒng)原理框圖

2.1 鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)

鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)主要用以維持主蒸汽壓力，即通過調(diào)節(jié)給煤量和配風(fēng)來控制主蒸汽壓力。主蒸汽壓力設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值之差通過PID運(yùn)算后，結(jié)合汽包壓力變化和汽輪機(jī)一級(jí)前后壓力比，產(chǎn)生鍋爐負(fù)荷信號(hào)，并作為鍋爐總風(fēng)量和總煤量的控制指令。

2.2 風(fēng)量控制系統(tǒng)

CFB鍋爐的風(fēng)量控制包括總風(fēng)量和一、二次風(fēng)量的控制 （見圖2）。在正常運(yùn)行中，總風(fēng)量依據(jù)燃料信號(hào)獲得，并自動(dòng)根據(jù)過量空氣系數(shù)修正。總風(fēng)量的改變受到風(fēng)煤比得限制，這與常規(guī)煤粉爐是相同的，所不同的是一、二次風(fēng)的配比。一、二次風(fēng)的配比是負(fù)荷和煤種發(fā)熱量的函數(shù)。

圖2 總風(fēng)量的計(jì)算和一、二次風(fēng)配比關(guān)系

2.2.1 總風(fēng)量控制系統(tǒng)

總風(fēng)量控制主要產(chǎn)生正確的一、二次風(fēng)量指令，主汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)給出的風(fēng)量指令和總給煤量對(duì)應(yīng)所需要的風(fēng)量大選后，與實(shí)際總風(fēng)量通過PID運(yùn)算后，產(chǎn)生鍋爐總風(fēng)量信號(hào)，并作為一、二次風(fēng)量得控制指令。

2.2.2 一次風(fēng)量控制系統(tǒng)

鍋爐總風(fēng)量指令經(jīng)過函數(shù)處理，減去創(chuàng)文修正的風(fēng)量和點(diǎn)火增壓風(fēng)量后，作為一次風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，與一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，與一次風(fēng)量的測(cè)量值（經(jīng)過溫度和壓力修正后）一起通過PID進(jìn)行運(yùn)算，用運(yùn)算結(jié)果區(qū)控制一次風(fēng)擋板開度，調(diào)節(jié)送入爐膛的一次風(fēng)量。

鍋爐總風(fēng)量進(jìn)行函數(shù)處理主要是考慮到煤質(zhì)的特性及負(fù)荷的變化情況。煤種不同時(shí)，助燃的空氣量會(huì)有所不同。由于一次風(fēng)量對(duì)鍋爐的床溫也具有調(diào)節(jié)作用，故在構(gòu)造一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)報(bào)告時(shí)也要考慮床溫的修正。

2.2.3 二次風(fēng)量控制系統(tǒng)

二次風(fēng)量控制系統(tǒng)以產(chǎn)生正確的上、下二次風(fēng)量指令為目的，根據(jù)總風(fēng)量對(duì)二次風(fēng)的要求，加主蒸汽流量和煙氣含氧量得校正，對(duì)每層的二次風(fēng)進(jìn)行分別控制，同時(shí)根據(jù)床溫的超限，調(diào)整上下二次風(fēng)的比例。該配比的調(diào)整應(yīng)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。二次風(fēng)機(jī)爐膛壓力控制原理圖見圖3。

圖3 二次風(fēng)及爐壓調(diào)節(jié)原理框圖

2.3 CFB鍋爐總煤量控制系統(tǒng)

給煤量控制是通過調(diào)節(jié)給煤機(jī)出力來實(shí)現(xiàn)的，由于鍋爐負(fù)荷輸出作為煤量需求指令并與總風(fēng)量低選后作為給煤量的給定值。給煤量主要受到負(fù)荷指令和風(fēng)燃料比得要求，從實(shí)際風(fēng)量計(jì)算出所允許的最大燃料量，減去油量即是允許的最大煤量。取負(fù)荷要求煤量和風(fēng)量允許的最大煤量中的小值作為煤量的控制信號(hào)，這就保證了升負(fù)荷時(shí)要先加風(fēng)量再加煤量，減負(fù)荷時(shí)先減煤量在減風(fēng)量。與普通煤粉爐一致的。

2.4 CFB鍋爐料層控制系統(tǒng)

料層差壓控制也稱為料層控制，通過測(cè)量運(yùn)行中料層差壓來控制，維持床料高度在適當(dāng)數(shù)值。若料層高、太厚則使布風(fēng)板阻力加大，分層嚴(yán)重，可能引起床下風(fēng)室風(fēng)道振動(dòng)，且增大風(fēng)機(jī)電耗；若料層薄、高度太小則會(huì)發(fā)生吹穿，燃燒熱量減小，運(yùn)行不穩(wěn)定，帶負(fù)荷能力受到影響。由于料層高度與床壓近似成比例關(guān)系，用差壓大小推算床料高度，當(dāng)差壓變大時(shí)，床料厚度增加，床料減少，床壓下降；反之，當(dāng)差壓過小時(shí)，可通過適當(dāng)加料補(bǔ)充，控制床位。

2.5 CFB鍋爐石灰石控制系統(tǒng)

石灰石給量控制是環(huán)保對(duì)SO排放量得測(cè)量是否達(dá)到要求，對(duì)石灰石的加入量進(jìn)行控制。其調(diào)節(jié)需由主調(diào)節(jié)和副調(diào)節(jié)組成串級(jí)控制回路。石灰石量給定值由石灰石給量與當(dāng)前煤量的合適比例確定，再由煙氣中SO2含量對(duì)其比值進(jìn)行修正，改變進(jìn)入爐膛石灰石粉量，控制鈣硫比，保證SO2排放量要求，達(dá)到最佳脫硫效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)CFB鍋爐的結(jié)構(gòu)和燃燒特點(diǎn)的介紹，比較詳細(xì)的剖析了當(dāng)前主流的了控制策略和方法，為今后我廠再運(yùn)兩臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐燃燒自動(dòng)投入，提供了參考。