循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

黃金霖

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循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

黃金霖

福建武夷煙葉有限公司

摘 要：作為一種低污染、燃料適應(yīng)性廣且高效的煤燃燒發(fā)電技術(shù)，循環(huán)流化床近年來(lái)在熱電行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，由于循環(huán)流化床鍋爐的系統(tǒng)較為復(fù)雜，有著分布參數(shù)、非線性、時(shí)變等諸多因素影響，較難建立精確的數(shù)學(xué)模型。許多針對(duì)普通鍋爐效果較好的常規(guī)控制方法卻不適用于循環(huán)流化床鍋爐，其自動(dòng)控制的操作難度成為了其主要推廣障礙之一。因此，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的相關(guān)分析與設(shè)計(jì)的意義也顯得格外重要。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床；鍋爐控制系統(tǒng)；具體分析；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題是關(guān)乎人類社會(huì)發(fā)展的兩大重點(diǎn)問(wèn)題。作為產(chǎn)煤大國(guó)與用煤大國(guó)，我國(guó)在煤的燃燒效率方面較低，對(duì)于燃燒過(guò)程中的大氣污染物也沒(méi)能進(jìn)行有效的控制。因此政府、企業(yè)等機(jī)構(gòu)也一直在探索高效、低污染的清潔燃煤技術(shù)，無(wú)疑高效、低污染清潔燃煤技術(shù)——循環(huán)流化床（CFB）技術(shù)成功吸引了大眾的目光，由于燃料及脫硫劑的多次循環(huán)，在反復(fù)進(jìn)行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)后進(jìn)行強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)，使得NOx排放降低、脫硫效率提高且燃燒效率與煤粉爐相近，因此循環(huán)流化床有負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、燃料適應(yīng)性廣、灰渣可綜合利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，在被國(guó)際廣泛應(yīng)用推廣的同時(shí)，也引發(fā)了我國(guó)的應(yīng)用及相關(guān)研究。

一、循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)概述

（一）系統(tǒng)簡(jiǎn)介

循環(huán)流化床鍋由固體物料再循環(huán)設(shè)備、氣固分離器、爐膛、對(duì)流煙道及外置熱交換器（有些循環(huán)流化床鍋爐無(wú)該設(shè)備）組成。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

相對(duì)于國(guó)外，目前我國(guó)對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)在研究方面起步較晚，由于循環(huán)流化床自身較為復(fù)雜的特性，也給其控制系統(tǒng)的研究造成了一定困難。但是目前相關(guān)學(xué)者已經(jīng)針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的流體動(dòng)力學(xué)特性燃燒特性、和傳熱傳質(zhì)特性，提出了一些先進(jìn)控制策略，包括模糊控制、自適應(yīng)控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，部分研究已經(jīng)在實(shí)際工業(yè)過(guò)程有所應(yīng)用，并取得良好效果。

二、循環(huán)流化床鍋爐控制具體分析

（一）工藝特點(diǎn)

相對(duì)于普通鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐主要有以下特點(diǎn)：

（1）循環(huán)流化床鍋爐的物料循環(huán)系統(tǒng)較為特別，由物料分離器、流化床燃燒室和返料機(jī)構(gòu)三者構(gòu)成，這也是與其他類型的鍋爐相區(qū)分的重要特點(diǎn)；

（2）循環(huán)流化床鍋爐的送風(fēng)燃燒方式為分段式，其中一次風(fēng)經(jīng)布風(fēng)板送入爐膛，二次風(fēng)則在布風(fēng)板上；

（3）循環(huán)流化床鍋爐的燃燒溫度一般為850℃-950℃，整體而言溫度較低；

（4）循環(huán)流化床鍋爐的燃料制備系統(tǒng)不需要煤粉爐的復(fù)雜制粉系統(tǒng)，與其他類型的鍋爐相比較為簡(jiǎn)單；

（5）循環(huán)流化床鍋爐的床料由于在爐膛內(nèi)是呈流化態(tài)燃燒的，因此較大程度上增強(qiáng)了燃料的燃燒強(qiáng)度與燃燒效率。

（二）循環(huán)流化床鍋爐的工藝要求

本文主要以某某場(chǎng)20噸/時(shí)循環(huán)流化床鍋爐項(xiàng)目作為案例，其中系統(tǒng)工藝要求額定蒸汽壓力245MP，額定蒸發(fā)量20噸/時(shí)，額定蒸汽溫度400℃，排煙溫度165℃，一次風(fēng)預(yù)熱溫度60℃，二次風(fēng)預(yù)熱溫度180℃。該項(xiàng)目主要適用燃料為無(wú)煙煤、煙煤、貧煤及褐煤，其中脫流效率為90%，熱效率為85%，鈣硫比1.5-2。

（三）循環(huán)流化床鍋爐參數(shù)的耦合關(guān)系

影響循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的相關(guān)變量包括：汽包水位、主蒸汽壓力、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量、主蒸汽溫度、料床厚度、料床溫度等方面；被調(diào)量主要有一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、引風(fēng)量、給煤量、排渣量、石灰石量、減溫水流量等方面，各個(gè)參數(shù)的具體耦合關(guān)系如下表所示。

CFB鍋爐參數(shù)禍合關(guān)系表

由表可知，減溫水流量與汽包水位由于和其他變量的耦合關(guān)系相對(duì)較弱，因此可以自成系統(tǒng)。而在目前的研究中，通常也將循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)分為燃燒控制系統(tǒng)、主蒸汽溫度系統(tǒng)及汽水系統(tǒng)等幾個(gè)相對(duì)而言較為獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析探索。由于主蒸汽溫度系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)的研究可以參考對(duì)普通鍋爐的深入分析，因此其中最為復(fù)雜的是燃燒控制系統(tǒng)。

三、循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）主蒸汽溫度控制

由于主汽溫度是通道中溫度最高的地方，對(duì)于整個(gè)鍋爐的安全運(yùn)行十分重要，一旦溫度過(guò)高將導(dǎo)致設(shè)備損壞，而溫度過(guò)低則會(huì)降低運(yùn)行效率。因此對(duì)于主蒸汽溫度控制需要進(jìn)一步重視。在對(duì)主汽溫度進(jìn)行控制時(shí)，主要涉及到的設(shè)備包括減溫器、減溫控制閥、低溫過(guò)熱器及高溫過(guò)熱器。

主汽溫度主要受燃料、風(fēng)煙、負(fù)荷、水等諸多因素影響，且因?yàn)樯a(chǎn)需要決定了過(guò)熱蒸汽流量，所以只能采取控制過(guò)熱器的噴水量來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽溫度。在串級(jí)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，由主調(diào)節(jié)器對(duì)過(guò)熱器出口溫度及手動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)定值進(jìn)行響應(yīng)與調(diào)節(jié)。修正后的溫度與減溫器后蒸汽溫度間的溫差則由副調(diào)節(jié)器進(jìn)行響應(yīng)，最終控制蒸汽溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，達(dá)到控制作用。

（二）一次風(fēng)控制

一次風(fēng)風(fēng)量的設(shè)定值由專業(yè)函數(shù)進(jìn)行測(cè)算，它所代表的是布風(fēng)板上的一次風(fēng)風(fēng)量以及供給一次風(fēng)噴咀的實(shí)際測(cè)量的一次風(fēng)，同時(shí)還需要由床溫信號(hào)和氧量自尋優(yōu)控制器算法進(jìn)行補(bǔ)償，最終得出結(jié)果。為了保證鍋爐噴咀的一次風(fēng)風(fēng)量，主要采取一次風(fēng)量調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)器通過(guò)機(jī)翼元件測(cè)量獲得測(cè)量信號(hào)，之后由調(diào)節(jié)器輸出控制一次風(fēng)機(jī)入口葉片，以此將風(fēng)量維持在設(shè)定值。

（三）二次風(fēng)控制和氧量校正控制

二次風(fēng)的主要作用在于促進(jìn)懸浮段中微小煤炭粒子燃燒充分。對(duì)于二次風(fēng)量的控制主要將二次風(fēng)量為測(cè)量信號(hào)、煙氣含氧量（與負(fù)荷有關(guān)）作為校正信號(hào)、鍋爐負(fù)荷指令為設(shè)定值，從而對(duì)二次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度進(jìn)行控制。

氧量修正調(diào)節(jié)回路通過(guò)省煤器后煙道剩余空氣的氧量對(duì)上部二次風(fēng)檔板進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而維持過(guò)量風(fēng)量，一般選用小的過(guò)剩空氣系數(shù)來(lái)推進(jìn)低氧氣燃燒，從而保證節(jié)能效果。其中，一般選用過(guò)剩空氣系數(shù)的范圍是1.02-1.10（合理值是1）。此外，為了矯正空氣系數(shù)、實(shí)現(xiàn)氧量閉環(huán)控制，還應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)引入排煙含量含氧量進(jìn)行校正，利用這種方式充分保證鍋爐的最佳燃燒狀態(tài)。

（四）鍋爐床溫控制

鍋爐床溫調(diào)節(jié)回路是依據(jù)負(fù)荷指令把床溫保持在一個(gè)預(yù)定值。因?yàn)樵诠潭ǖ臏囟确秶鷥?nèi)操作，能夠保證最佳燃燒效率、脫硫效率與最低的NOx含量，所以需要將石灰石與氧氣和二氧化硫之間的吸收反應(yīng)的溫度確定至850℃-900℃之間。而燃燒過(guò)程的相關(guān)控制和床溫調(diào)節(jié)也正是循環(huán)流化床鍋爐的重要特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，控制床溫，需要對(duì)一次風(fēng)量和二次風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。其中一次風(fēng)的床溫反映靈敏，主要從爐床底部向上吹；二次風(fēng)則由于采取分層分布的形式因此對(duì)其調(diào)節(jié)可以有效控制爐內(nèi)的含氧量，幫助煤粒充分燃燒。因此控制床溫首先是調(diào)整一次風(fēng)量，其次是給煤量。

（五）減溫減壓溫度、壓力控制

減溫減壓壓力控制是根據(jù)其出口的蒸汽壓力來(lái)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥，以維持出口的蒸汽壓力保持在設(shè)定值。而減溫減壓溫度控制則應(yīng)用出口的蒸汽溫度調(diào)節(jié)噴水調(diào)節(jié)閥，將出口的蒸汽溫度保持在設(shè)定值。

四、結(jié)語(yǔ)

由于高效、潔凈與低污染的特性，循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)在國(guó)際上得到了廣泛應(yīng)用與高度重視?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)的幾十年中，循環(huán)流化床技術(shù)仍然會(huì)是燃煤行業(yè)的主要采取方式。我國(guó)作為燃煤大國(guó)，對(duì)于循環(huán)流化床技術(shù)的設(shè)計(jì)與升級(jí)使用更是迫在眉睫，符合中國(guó)國(guó)情發(fā)展規(guī)范的整體循環(huán)流化床鍋爐熱系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步研究與加強(qiáng)。包括對(duì)循環(huán)流化床鍋爐整體控制策略和控制規(guī)律的研究、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的定量化和完善化的探索、實(shí)時(shí)仿真與模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、監(jiān)控與操作指導(dǎo)系統(tǒng)的研究、故障診斷專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等等。

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