循環(huán)流化床鍋爐自控技術(shù)的應(yīng)用

張永剛

（青島海西熱電有限公司，山東青島 266400）

1 國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐的研制雖然在20世紀(jì)60年代初就已經(jīng)開始，但我國循環(huán)式流體化床鍋爐的研制卻相對較晚，直到1989年11月，山東明水電廠才投入使用第一臺35t/h 循環(huán)流化床鍋爐。此后，各中小型電廠相繼投產(chǎn)一批中小型循環(huán)式流體化床鍋爐，特別是近年來，山東省許多自備熱電廠采用了大量中小型循環(huán)流化床鍋爐（約75t/h）。三臺鍋爐+二臺發(fā)電機(jī)或二臺鍋爐+一臺發(fā)電機(jī)的配置現(xiàn)在很流行，其中大部分是在國內(nèi)開發(fā)的，只有少數(shù)是采用特許技術(shù)生產(chǎn)的。循環(huán)流化床鍋爐的生產(chǎn)和應(yīng)用在短期內(nèi)取得了很大的發(fā)展。由于基礎(chǔ)研究工作落后，我國研制的220t/h （50MW）高壓循環(huán)式流體化床鍋爐除持牌技術(shù)生產(chǎn)的鍋爐外，尚未得到推廣。

2 影響循環(huán)式流體化床鍋爐自動控制的因素

一直以來循環(huán)流化床鍋爐自動控制都是關(guān)注焦點，而循環(huán)流化床鍋爐的自動控制現(xiàn)在存在著各種各樣的問題。其中一些問題是由于鍋爐設(shè)計不當(dāng)或系統(tǒng)設(shè)計不合理造成的，另一些問題則是由于投資不足造成控制系統(tǒng)配置過于簡單。這些問題大幅降低了自動化水平，有的甚至使自動控制無法實現(xiàn)。主要問題列舉如下：

1）火力發(fā)電一般采用三鍋爐二機(jī)主管結(jié)構(gòu)電站設(shè)有循環(huán)流化床鍋爐，三臺鍋爐通過主管道相互影響，因此其熱負(fù)荷可能會有較大的波動。

2）給煤機(jī)設(shè)計不合理可能導(dǎo)致堵煤，需要人工清理。二次回路有時會發(fā)生堵煤或塊煤下落，引起床層低溫熄火或高溫結(jié)焦。

3）目前大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐缺乏必要的監(jiān)控儀表和調(diào)節(jié)手段，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，儀表配置不合理，測點較少。如：瞬時給煤量檢測信號不明顯；氧化鋯分析儀運(yùn)行不穩(wěn)定；無法檢測密相和稀相燃燒區(qū)的比例；床層溫度檢測點位于同一平面，無法顯示不同平面的溫度；風(fēng)量檢測點分布不合理，難以精確控制風(fēng)量比例；自平衡回風(fēng)機(jī)構(gòu)造成瞬時燃燒控制困難；操作人員操作不當(dāng)造成鍋爐頻繁停爐。

（4）目前運(yùn)行的75t/h 循環(huán)流化床鍋爐，排渣系統(tǒng)不完善，沒有安裝冷渣器，無法實現(xiàn)連續(xù)排渣。排出的紅色熔渣不僅帶走熱量，而且影響燃料床的壓差，即燃料床深度。

（5）爐體密封不良，造成嚴(yán)重的灰渣泄漏，導(dǎo)致氧含量測量不準(zhǔn)確。

（6）在循環(huán)流化床鍋爐灰渣循環(huán)系統(tǒng)中，除少數(shù)螺旋錐閥外，一般采用J、L 或V 型非機(jī)械閥。非機(jī)械式閥門沒有活動部件，開度由供氣控制，操縱性明顯較差。非機(jī)械閥可分為兩種類型，一種是自平衡型，如J 型、V 型、回路密封口等，這些閥門的出口流量取決于進(jìn)口流量，閥門本身絕對沒有調(diào)節(jié)功能。另一種非機(jī)械式閥門是 L 形閥，其流量可調(diào)。L 閥最大的問題在于垂直管段的料位測量。垂直段燃料水平過低會導(dǎo)致閥門密封不良和結(jié)焦，這些問題會給自動控制帶來很大困難。

（7）循環(huán)流化床鍋爐最突出的優(yōu)點是裝載和燃料的靈活性。在30%～110% 的大負(fù)荷范圍內(nèi)，各種貧煤和煤矸石均可用于鍋爐。然而，正是它的優(yōu)點給它的自動控制帶來了很大的困難。由于在不同的鍋爐負(fù)荷條件下，不同煤種燃燒時，鍋爐特性有很大差異。所以操作和控制參數(shù)也大不相同，這意味著控制將非常困難。目前國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐燃燒的煤種不固定，產(chǎn)生的熱負(fù)荷波動較大。

3 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的檢測與控制

在討論循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制之前，首先分析了其燃燒原理。循環(huán)流化床鍋爐是一種低溫燃燒鍋爐，燃料由前部給煤器送出。一般有一次風(fēng)和二次風(fēng)排列，一些工廠設(shè)計有三次風(fēng)。一次風(fēng)送到燃燒室下面的空氣分配器對煤層進(jìn)行流化。二次空氣以不同等級和點的燃燒室高度送出，為燃料燃燒提供足夠的氧氣。采用三次風(fēng)加強(qiáng)鍋爐的燃燒。燃燒室內(nèi)的物料會受到流化空氣的強(qiáng)烈干擾，一些固體顆粒會被高速的空氣流帶入熔爐。在熔爐中，較大的顆粒沿著爐壁向下流動，而較小的顆粒則與逃出熔爐一起飛入分離器，在那里固體和氣體被分離。分離出來的固體通過分離器底部的回流裝置返回燃燒室，而氣體通過對流氣體管道后離開鍋爐。因為在循環(huán)流化床鍋爐中，提供了一種高性能的分離器，在此之后固體顆粒被送回爐內(nèi)，所以爐內(nèi)的灰分很高。循環(huán)流化床鍋爐不同于一般只有爐內(nèi)輻射傳熱的鍋爐，它還通過對流傳熱，大幅提高了鍋爐爐膛的傳熱系數(shù)，保證了鍋爐的額定出力。

燃料床溫度是指密相燃燒區(qū)的流化燃料溫度，即床層溫度。它是關(guān)系鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，在運(yùn)行過程中控制在850～950℃。當(dāng)溫度過高時，流化床結(jié)焦可能引起鍋爐故障，過低則可能導(dǎo)致低溫結(jié)焦和火焰失效。一般來說，上限是970℃，下限是800℃。在鍋爐運(yùn)行過程中，通過調(diào)整給煤速度、一次風(fēng)量和回煤量，將燃料床溫度控制在允許范圍內(nèi)。但負(fù)荷調(diào)節(jié)也是通過改變給煤速度和一次風(fēng)速度來實現(xiàn)的，因此當(dāng)燃料床溫度改變時，鍋爐負(fù)荷也會改變。這樣就形成了一個明顯的沖突。如果燃料床溫度可以用另一種獨立的方式控制，那就沒問題了。雖然回煤溫度的調(diào)整可能改變?nèi)剂蠈訙囟?，對鍋爐負(fù)荷影響不大，但由于目前使用的循環(huán)流化床鍋爐大多數(shù)僅采用自平衡式回流裝置，這種改變?nèi)剂蠈訙囟鹊姆椒ㄊ遣滑F(xiàn)實的。此外，大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐的溫度檢測點現(xiàn)在都安排在同一個平面上，不能即時準(zhǔn)確地顯示不同層面的實際溫度，如果在設(shè)計時更合理地安排這些溫度檢測點，控制工作就更容易。

燃料床壓差是反映燃料床深度的參數(shù)。一般而言，氣室與燃燒室上邊界面之間的實測壓差被看作是燃料床壓差的實測數(shù)據(jù)。燃料床深度越大，測得的壓差越大。在鍋爐運(yùn)行中，燃料床深度直接影響流化程度。如果加熱深度過大，流化效果會變差，從而導(dǎo)致爐膛結(jié)焦或火焰失效。一般來說，燃料床壓差控制在7 000～9 000Pa。通過打開爐底的擋渣墻，可以控制渣層的深度。操作時，應(yīng)設(shè)定合理的深度上限和下限。目前運(yùn)行的75t/h 循環(huán)流化床鍋爐，排渣系統(tǒng)不完善，沒有安裝冷渣器，無法實現(xiàn)連續(xù)排渣。排出的紅渣不僅帶走熱量，而且影響燃料床深度、溫度和爐膛壓力。這種人工除渣的方法嚴(yán)重干擾了控制系統(tǒng)。爐膛壓差反映爐膛內(nèi)固體物質(zhì)的濃度。一般來說，測得的燃燒室上邊界面與爐膛出口之間的壓力差就是爐膛壓力差的測量值。一般來說，壓差越大，爐內(nèi)物質(zhì)的濃度越高。爐膛的傳熱系數(shù)越大，鍋爐的有效負(fù)荷就越大，因此爐膛壓差總是隨著載荷的變化而變化，通過在鍋爐分離器下面排出一定量的灰渣，爐膛壓差通?？刂圃?00～2 000Pa。開始和結(jié)束除灰，應(yīng)設(shè)置上限和下限。

通過改變回煤流量來控制鍋爐運(yùn)行是一個明顯的特點與循環(huán)流化床鍋爐燃燒時，返渣起著重要的作用，而返渣實際上是熱載體，將熱量從燃燒室傳遞到爐膛上部，從而使?fàn)t內(nèi)溫度場更加均勻。循環(huán)流化床鍋爐由于采用多種傳熱方式，其傳熱系數(shù)較高（為煤粉鍋爐的4～6倍）。通過改變回灰流量可以控制燃料床溫度和爐膛壓差，進(jìn)一步控制鍋爐負(fù)荷。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制包括燃料床溫度控制和鍋爐負(fù)荷控制，其中循環(huán)流化控制受到高度重視。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的原理可知，循環(huán)式流體化床鍋爐實際上是指燃料流化和飛灰循環(huán)。所以循環(huán)流化床鍋爐的控制實際上是對燃料流化和循環(huán)的控制，而循環(huán)流化的關(guān)鍵問題在于返灰和排渣，對此我國目前還沒有找到一個較好的解決辦法。如果這個問題能解決，循環(huán)流化床鍋爐燃燒參數(shù)的控制將變得更加容易。

鍋爐運(yùn)行時風(fēng)量調(diào)節(jié)，一般通過改變風(fēng)門開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量。但是，這對循環(huán)流化床鍋爐來說顯然是不夠的，因為循環(huán)流化床鍋爐對風(fēng)量有精確的要求。在正常情況下，當(dāng)一次風(fēng)已滿足流化要求時，只需改變二次風(fēng)和三次風(fēng)，如果需要調(diào)整總風(fēng)量，則保持一次風(fēng)恒定。由于一次風(fēng)量與流化質(zhì)量有直接的關(guān)系，其下限已在以往操作前的冷態(tài)實驗中確定。一次風(fēng)低于下限時，燃料流化不好，如果這種情況持續(xù)較長時間，可能會結(jié)焦。對于二次風(fēng)，根據(jù)過熱器后煙氣中的氧含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制在3%～5% 左右。如果氧氣含量過高，則意味著風(fēng)量過大，會增加煙氣損失，如果氧氣含量過低，則會引起不合格燃燒，從而增加化學(xué)不合格燃燒損失和機(jī)械不合格燃燒損失。在運(yùn)行過程中，如果總風(fēng)量不足，應(yīng)逐漸提高送、引風(fēng)量以滿足燃燒要求，然后逐一調(diào)整一、二、三次風(fēng)，使鍋爐達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。目前運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐主風(fēng)量計量裝置沒有儀表盤，無法精確控制風(fēng)量調(diào)節(jié)和配風(fēng)量。此外，有時氧氣測量可能不可靠，由于太大的空氣泄漏。根據(jù)鍋爐負(fù)荷情況，對燃料床壓差、溫度、爐膛壓差、回煤溫度等進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測，以便及時改變給煤量、風(fēng)量和回煤灰量，獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計合理的鍋爐的負(fù)荷不應(yīng)與其燃料床溫度相沖突，即如果鍋爐是根據(jù)制造商提供的負(fù)荷-風(fēng)量曲線運(yùn)行，其床溫應(yīng)保持在允許的范圍內(nèi)。如果在正常條件下，鍋爐負(fù)荷升高時床層溫度大幅度升高，導(dǎo)致溫度升高或結(jié)焦，則意味著鍋爐本身設(shè)計不合理，鍋爐無法承受如此高的負(fù)荷。北京航天億來電子科技有限公司研制了一種燃燒控制裝置，裝有負(fù)荷-風(fēng)量-床溫功能變送器和自識別工況選擇器。該控制器可根據(jù)實際燃燒條件，根據(jù)優(yōu)先關(guān)系智能確定控制負(fù)荷或床層溫度。一般在床層溫度不會導(dǎo)致結(jié)焦的情況下，采用控制給煤量的指令，同時，還要感應(yīng)爐膛壓差來調(diào)節(jié)負(fù)荷，實際的方法是通過增加一次風(fēng)壓和二次風(fēng)量來提高負(fù)荷。同時，根據(jù)合理的風(fēng)煤比和經(jīng)濟(jì)燃燒原理，按比例調(diào)整一、二次風(fēng)量，保證經(jīng)濟(jì)燃燒。只有當(dāng)床層溫度上升到一定程度時，一、二次風(fēng)之間的協(xié)調(diào)作用才會轉(zhuǎn)向降低床層溫度一側(cè)。床層溫度可以通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)和二次風(fēng)的比例或改變回灰流量來控制。床溫允許為850～950℃，允許誤差為 ± 5%。如果超過這個限度，只能通過增加或減少給煤量來調(diào)節(jié)床溫。

4 結(jié)語

循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計和運(yùn)行中遇到了許多問題，這些問題隨著鍋爐的技術(shù)和類型的不同而有很大的差異。針對循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計、制造、系統(tǒng)設(shè)計、安裝、運(yùn)行等過程中可能出現(xiàn)的問題，提出了鍋爐制造商、設(shè)計商和控制系統(tǒng)設(shè)計商應(yīng)相互配合，盡力為其他部分的設(shè)計和制造提供方便，以便在不久的將來獲得滿意的循環(huán)流化床鍋爐控制。