循环流化床锅炉控制系统的分析与设计

黄金霖



循环流化床锅炉控制系统的分析与设计

黄金霖

福建武夷烟叶有限公司

摘 要：作为一种低污染、燃料适应性广且高效的煤燃烧发电技术，循环流化床近年来在热电行业有着广泛的应用。同时，由于循环流化床锅炉的系统较为复杂，有着分布参数、非线性、时变等诸多因素影响，较难建立精确的数学模型。许多针对普通锅炉效果较好的常规控制方法却不适用于循环流化床锅炉，其自动控制的操作难度成为了其主要推广障碍之一。因此，对于循环流化床锅炉控制系统的相关分析与设计的意义也显得格外重要。

关键词：循环流化床；锅炉控制系统；具体分析；系统设计

能源问题与环境问题是关乎人类社会发展的两大重点问题。作为产煤大国与用煤大国，我国在煤的燃烧效率方面较低，对于燃烧过程中的大气污染物也没能进行有效的控制。因此政府、企业等机构也一直在探索高效、低污染的清洁燃煤技术，无疑高效、低污染清洁燃煤技术——循环流化床（CFB）技术成功吸引了大众的目光，由于燃料及脱硫剂的多次循环，在反复进行低温燃烧和脱硫反应后进行强烈的湍流运动，使得NOx排放降低、脱硫效率提高且燃烧效率与煤粉炉相近，因此循环流化床有负荷调节性能好、燃料适应性广、灰渣可综合利用等诸多优点，在被国际广泛应用推广的同时，也引发了我国的应用及相关研究。

一、循环流化床锅炉控制系统概述

（一）系统简介

循环流化床锅由固体物料再循环设备、气固分离器、炉膛、对流烟道及外置热交换器（有些循环流化床锅炉无该设备）组成。

（二）发展现状

相对于国外，目前我国对于循环流化床锅炉控制系统的分析与设计在研究方面起步较晚，由于循环流化床自身较为复杂的特性，也给其控制系统的研究造成了一定困难。但是目前相关学者已经针对循环流化床锅炉的流体动力学特性燃烧特性、和传热传质特性，提出了一些先进控制策略，包括模糊控制、自适应控制、专家控制、神经网络控制等，部分研究已经在实际工业过程有所应用，并取得良好效果。

二、循环流化床锅炉控制具体分析

（一）工艺特点

相对于普通锅炉，循环流化床锅炉主要有以下特点：

（1）循环流化床锅炉的物料循环系统较为特别，由物料分离器、流化床燃烧室和返料机构三者构成，这也是与其他类型的锅炉相区分的重要特点；

（2）循环流化床锅炉的送风燃烧方式为分段式，其中一次风经布风板送入炉膛，二次风则在布风板上；

（3）循环流化床锅炉的燃烧温度一般为850℃-950℃，整体而言温度较低；

（4）循环流化床锅炉的燃料制备系统不需要煤粉炉的复杂制粉系统，与其他类型的锅炉相比较为简单；

（5）循环流化床锅炉的床料由于在炉膛内是呈流化态燃烧的，因此较大程度上增强了燃料的燃烧强度与燃烧效率。

（二）循环流化床锅炉的工艺要求

本文主要以某某场20吨/时循环流化床锅炉项目作为案例，其中系统工艺要求额定蒸汽压力245MP，额定蒸发量20吨/时，额定蒸汽温度400℃，排烟温度165℃，一次风预热温度60℃，二次风预热温度180℃。该项目主要适用燃料为无烟煤、烟煤、贫煤及褐煤，其中脱流效率为90%，热效率为85%，钙硫比1.5-2。

（三）循环流化床锅炉参数的耦合关系

影响循环流化床锅炉控制系统的相关变量包括：汽包水位、主蒸汽压力、炉膛负压、烟气含氧量、主蒸汽温度、料床厚度、料床温度等方面；被调量主要有一次风量、二次风量、引风量、给煤量、排渣量、石灰石量、减温水流量等方面，各个参数的具体耦合关系如下表所示。

CFB锅炉参数祸合关系表

由表可知，减温水流量与汽包水位由于和其他变量的耦合关系相对较弱，因此可以自成系统。而在目前的研究中，通常也将循环流化床锅炉系统分为燃烧控制系统、主蒸汽温度系统及汽水系统等几个相对而言较为独立的控制系统进行分析探索。由于主蒸汽温度系统和汽水系统的研究可以参考对普通锅炉的深入分析，因此其中最为复杂的是燃烧控制系统。

三、循环流化床锅炉控制系统设计

（一）主蒸汽温度控制

由于主汽温度是通道中温度最高的地方，对于整个锅炉的安全运行十分重要，一旦温度过高将导致设备损坏，而温度过低则会降低运行效率。因此对于主蒸汽温度控制需要进一步重视。在对主汽温度进行控制时，主要涉及到的设备包括减温器、减温控制阀、低温过热器及高温过热器。

主汽温度主要受燃料、风烟、负荷、水等诸多因素影响，且因为生产需要决定了过热蒸汽流量，所以只能采取控制过热器的喷水量来调节蒸汽温度。在串级调节的基础上，由主调节器对过热器出口温度及手动调节的设定值进行响应与调节。修正后的温度与减温器后蒸汽温度间的温差则由副调节器进行响应，最终控制蒸汽温度在设定范围内，达到控制作用。

（二）一次风控制

一次风风量的设定值由专业函数进行测算，它所代表的是布风板上的一次风风量以及供给一次风喷咀的实际测量的一次风，同时还需要由床温信号和氧量自寻优控制器算法进行补偿，最终得出结果。为了保证锅炉喷咀的一次风风量，主要采取一次风量调节器进行调节。该调节器通过机翼元件测量获得测量信号，之后由调节器输出控制一次风机入口叶片，以此将风量维持在设定值。

（三）二次风控制和氧量校正控制

二次风的主要作用在于促进悬浮段中微小煤炭粒子燃烧充分。对于二次风量的控制主要将二次风量为测量信号、烟气含氧量（与负荷有关）作为校正信号、锅炉负荷指令为设定值，从而对二次风调节挡板开度进行控制。

氧量修正调节回路通过省煤器后烟道剩余空气的氧量对上部二次风档板进行调节，从而维持过量风量，一般选用小的过剩空气系数来推进低氧气燃烧，从而保证节能效果。其中，一般选用过剩空气系数的范围是1.02-1.10（合理值是1）。此外，为了矫正空气系数、实现氧量闭环控制，还应在设计时引入排烟含量含氧量进行校正，利用这种方式充分保证锅炉的最佳燃烧状态。

（四）锅炉床温控制

锅炉床温调节回路是依据负荷指令把床温保持在一个预定值。因为在固定的温度范围内操作，能够保证最佳燃烧效率、脱硫效率与最低的NOx含量，所以需要将石灰石与氧气和二氧化硫之间的吸收反应的温度确定至850℃-900℃之间。而燃烧过程的相关控制和床温调节也正是循环流化床锅炉的重要特点，为了实现上述目的，控制床温，需要对一次风量和二次风量进行调整。其中一次风的床温反映灵敏，主要从炉床底部向上吹；二次风则由于采取分层分布的形式因此对其调节可以有效控制炉内的含氧量，帮助煤粒充分燃烧。因此控制床温首先是调整一次风量，其次是给煤量。

（五）减温减压温度、压力控制

减温减压压力控制是根据其出口的蒸汽压力来调节压力调节阀，以维持出口的蒸汽压力保持在设定值。而减温减压温度控制则应用出口的蒸汽温度调节喷水调节阀，将出口的蒸汽温度保持在设定值。

四、结语

由于高效、洁净与低污染的特性，循环流化床锅炉控制系统在国际上得到了广泛应用与高度重视。可以预见的是，在未来的几十年中，循环流化床技术仍然会是燃煤行业的主要采取方式。我国作为燃煤大国，对于循环流化床技术的设计与升级使用更是迫在眉睫，符合中国国情发展规范的整体循环流化床锅炉热系统还有待于进一步研究与加强。包括对循环流化床锅炉整体控制策略和控制规律的研究、动态数学模型的定量化和完善化的探索、实时仿真与模拟培训系统的开发、监控与操作指导系统的研究、故障诊断专家系统的开发等等。

参考文献：

［1］牛培峰等.循环流化床锅炉热工自动控制系统与展望［J］.动力工程，1998（06）.

［2］陈蕙等.循环流化床锅炉控制技术进展［J］.化工自动化及仪表，1997（04）.

［3］章平衡.供电企业固定资产管理中存在的问题及改进建议［J］.节能，2003（12）.