循环流化床(CFB)锅炉可控性分析

循环流化床(CFB)锅炉可控性分析

电站系统工程循环流化床（CFB）锅炉可控性分析华北电力大学李大中刘淑平主要区别，以及CFB锅炉在控制系统方面新增的内容。在此基础上，详细分析了CFB锅炉控制中的几个主要关键问题。

　　流化床的概念是指通过一个向上流动的空气或烟气维持一个颗粒床处于流动悬浮状态。第一台成功运行的流化床是德国人FrizWinkler于1921年12月发明的，快速流化床则最早出现于1938年12月。循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术是在五六十年代。1976年，Yerushalmi等首次提出了快速流态化的概念，从而弓丨起了人们对循环流化床技术研究的曰趋重视，从80年代开始形成了一个循环流化床基础研究的高峰期。

　　我国对循环流化床的研究始于50年代末，特是进入80年代后，国内各主要高等院校和一些研究部门也相继开始循环流化床的研究开发工作。目前国内外循环流化床（CFB）锅炉无论在数量上还是在容量上都取得了很大发展，已被广泛地应用于石油化工冶金电力环保等工业领域中的气相和固相加工过程。

　　随着计算机技术、通信技术、控制技术等的飞速发展，用于电厂控制的DCS系统性能的曰臻完善，一些先进的高级控制方法，如遗传算法、模糊算法、鲁棒控制算法等已被用于CFB锅炉控制的实验和研究，为提高CFB锅炉控制水平提供了有力的基础。尽管CFB锅炉的自动化水平起点很高，但是有关CFB锅炉可控性的研究却显得不足，这主要体现在CFB锅炉自身各种参数控制手段的有效性、控制策略的合理性和一次检测元件及执行机构可用性等方面。

　　CFB锅炉运行对控制的要求布风装置。要求配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉降，底部流化质量良好，减少冷渣含碳量。

　　加入床层燃料。要求在整个床面上播撒均匀，防止局部负荷过高，造成局部缺氧。

　　风量调节。一次风机送出的大部分一次风从风室进入炉内时，主要用于流化物料和助燃，它有一个最小值和一个最大值分对应最小'和最大流化风，破坏了这两个条件，就不再是CFB燃烧工况。为控制床温和NOx生成采取分段供风，为此设二次风机，一部分送给煤管，防止热烟气外泄；一部分去启动燃烧器；一部分作分级燃烧用风，使燃料芫全燃烧和控制烟气含氧量。

　　给煤口附近煤量集中，细颗粒因缺氧无法燃烧，随上升气流进入悬浮段，难以燃尽。对挥发分较大的煤，挥发分也可能难以燃尽，在尾部烟道形成焦油沉积。因此在给煤口加播煤二次风，在给煤口上方加二次风，改善燃烧工况，减少细颗粒和挥发分不芫全燃烧损失。

　　另外就是CFB的回料问题，不管是采用哪种型式的回料器，为使回料畅通，除了流化风以外，回料器的不同部位分要供以松动风，此外还有播煤风、播石灰石风等。

　　为使CFB锅炉实现经济燃烧，在对上述所有风进行调节的同时，还要改变一、二次风的配比来实现床温控制。由于CFB风系统的复杂性，一般设有总风量控制器，用于不同风之间的配比。为保证燃烧效率，减负荷时先减煤再减风。

　　料层高度。料层太薄，床层不稳定，压火不能太长；料层太厚，增加电耗和不芫全燃烧损失。为此要依据床层压降判断料层高度，控制排渣来维持料层高度，并且希望是连续排渣，以减小料位波动对锅炉运行的影响。

　　床温控制。焦炭的着火温度是800C，为此要求床温不低于800C；为防止灰变形，床温不能高于1150C；为达到最佳脱硫效果，床温要求低于950C，可根据不同炉型通过调节给煤量、循环灰量、一二次风配比来控制床温。

　　石灰石的合理加入。影响石灰石用量的因素有：燃料中的含硫量；烟气中S02控制要求；给煤速率；床温；石灰石质量和尺寸，如果石灰石颗粒大于0.3mm，则会增加石灰石量，使床温升高，减少炉内传热，降低锅炉效率，增加灰量、风量和NOx. CFB锅炉控制系统特性CFB锅炉与常规燃煤锅炉相比，在汽水侧控制方式上基本相同，但在燃烧侧控制却存在根本的区别，最大的不同点是CFB锅炉特有的对物料循环的调节及联锁保护。可以认为CFB锅炉的炉膛更类似于一个低温的化学反应器，它内部的火焰特征比常规燃煤锅炉差得多，看不见能归属于某个燃烧器的火焰，因此，而是更注重对炉膛内的床温、床压、料位、分离器入口温度及风煤比的监测、调节和联锁保护，注重对物料流化、循环、燃烧及脱硫反应的有关风量的控制，确保建立一个平稳、足够的热物料循环过程，从而芫成锅炉燃烧侧的燃料燃烧、物料平衡以及热量传递。

　　在控制系统方面CFB锅炉比常规燃煤锅炉新增了MCS系统①床温控制；②床压控制；③料层高度控制；④S2排放控制；⑤石灰石控制；⑥冷渣器控制。

　　BMS联锁保护系统）联锁增加了分离器入口烟温高、一次风量低于最小值（炉内床料流化丧失X高压风机出口压力低于最小值（回料阀物料流化丧失）以及风、燃料比低于最低值达2min以上等反映热物料循环破坏而引起主燃料跳阐的条件。②增设了投切燃料的床温联锁功能（相当于燃煤锅炉的投煤粉喷嘴的点火能量支持条件X③炉膛清扫逻辑中增加了“停炉后若床温足够高时，可以不经炉膛清扫直接复位MFT继电器”功能，充分利用了CFB锅炉热物料的蓄热，直接热态启动。

　　2.3炉膛及烟风管道的压力保护一些CFB锅炉采用正压运行，因而需要保证炉膛的气密性。因风机压头远高于燃煤炉，故需对炉膛及烟风管道进行正压负压保护。鉴于风机的特殊性，考虑了不同的情走时间，其中罗茨风机或高压离心鼓风机为4s，引风机为20s. CFB锅炉控制的几个主要问题3.1床温控制问题影响CFB锅炉床温的因素。CFB锅炉属于低温燃烧，一般将其密相区的物料温度控制在850900C，床温850C左右是最佳的脱硫及脱硝温度，床温过低使锅炉燃烧效率降低，过高则会使脱硫及脱硝效率降低，甚至造成床料结焦，影响设备安全稳定运行。

　　床温控制策略。实践证明，国内有相当一部分CFB锅炉于设计上的不足造成床温偏离设计值，其中多数床温偏高，有的床温甚至达到9501000C，根本没有调节裕度，这是可控性差的典型例子。

　　于我国动力用煤的煤质多变，破碎装置往往不能满足对入炉煤粒径分布的要求，此引起的床温失控也是造成床温控制无法正常工作的重要原因。

　　另外，通过改变一、二次风的比率，也可作为床温调节的手段，即在维持总风量不变的条件下，提高一次风比例，减少二次风份额，可以改善物料的流化及循环，将密相区的热量带到炉膛上部从而使密相区床温降下来；反之，则可提高床温。示出了一台220t/hCFB锅炉一、二次风比率对床温影响的实测曲线。结果表明，一、二次风比率1升至1.6，密相区床温只能降低1415C，因此要用该手段大幅度调整床温是很困难的，它只适用于对床温的微调。

　　床温测量。床温是CFB锅炉的重要运行参数，CFB床温一般是指密相区的床温，以一台220t/h锅炉为例，它设置了3层床温测点，下层6个测点，中层4个测点，上层4个测点，它们均在二次风口以下，密相区之内，每层测点沿炉膛四壁均匀、对称布置，每层测点的输出送入平均值计算回路。若某测点输出因故障与平均值偏差超过±150C，则将其从平均值计算中剔除，下层和中层测点的输出参与床温的联锁控制，而上层测点输出仅供显示。3层测点的输出偏差一般不超过80°C.考虑到密相区内磨损严重，热电偶元件必须套在耐热、耐磨的金属套管内，使用时常使其端头缩至与耐火层壁面平齐。因此，造成了床温测量值低于该处床温实际值，再考虑到炉膛边缘的床温低于中心区温度的因素，估计测量值要比该层实际平均床温低50~ 70C，在床温设定时，这种测量误差应加以考虑。

　　3.2CFB锅炉的启、停控制燃烧侧启动速度控制。CFB锅炉密相区炉壁敷设较厚的耐火防磨层，炉膛上部设置的受热面的下端以及热旋风分离器内壁也都有耐火防磨材料，因此，在启动过程中必须严格控制加热升温速度，以防耐火材料受热不均匀爆裂，一般采用水冷壁内工质温度来近似代表耐火层的温度，而工质温度又可以汽包的金属温度近似表示。

　　60C/h，而对热旋风分离器则要求其入口烟温<120C/h，为此，要求燃烧系统必须能精确控制燃烧率，具体措施是每只油/气燃烧器都设有单独的流量调节阀，采用竟调节比的油/气枪，床下点火方式还可采用改变混合风量的方式调节烟温。

　　启、停过程中的床温联锁。燃煤锅炉采用点火能量逻辑判断来确定煤粉喷口是否能够投运，其根据是火焰检测器的输出，而CFB锅炉则是根据床温的高低来决定投切主燃料，通过床温和烟气中的含氧量变化判断主燃料是否已点燃。为床温联锁控制图。

　　具体如下：①在布风板下的一次风箱压力大于最小值，且无MFT的条件下，投启动油燃烧器，使床温按一定速度升至593C，即可允许投煤。②油、煤混烧使床温升至760C，则可切除全部油燃烧器，通过燃烧煤维持正常床温（816927C）。③如果由于某种原因，床温降到760°C，这是若没有煤入炉，则触发MFT切除主燃料。④如果由于某种原因（包J舌正常停炉），床温降至649C之前，应投油以确保煤的正常燃烧；若没有投油燃烧器，且床温低于649C，则必须通过BMS触发MFT以切除给煤。

　　3.3床压控制问题由于物料床存量与床压成正比，而通过调节排渣量可以控制床压，因此控制床压是确保CFB锅炉物料平衡，进而实现良好的传热过程的重要手段。但是，由于煤的成灰特性，入炉煤粒度偏大等原因，使底渣量与飞灰量之比增大，这将会造成实际排渣量往往比床压一般是指密相区的床压，床压测孔一般布置在距布风板上端面250mm处，左侧2个，右侧1个，将3个压力测量值通过3取中逻辑判断后送至显示及报警回路；三者取平均值作为床压控制的反馈信号。

　　由于床压测孔位于正压高浓度床料区，为了防止堵塞，必须向测孔引入一股恒压吹扫空气，其压头应在2000mmH2O左右。为此，必须对实测值进行标定，即消除作为背压的吹扫恒压头的影响，在现场可通过迁移压力变送器零位等方法来实现。

　　3.4SO2排放控制问题良好的脱硫效果是CFB锅炉备受青睐的主要原因之一，它利用加入的石灰石来捕捉烟气中的SO2，石灰石系统的连续正常投运可使CFB锅炉的运行性能大为改善同时也使CFB锅炉的主要参数更加可控易控。

　　4结束语随着CFB锅炉容量的增大，设备性能的提高，对系统的可控性也提出了更高的要求。由于CFB锅炉与常规燃煤锅炉的特性有很大差异，因此控制系统无论从构成型式、控制方法，还是控制量类型等方面，均和燃煤锅炉有较大区别。为保证系统的可控性，提高CFB锅炉效率，要求控制系统设计时应充分考虑CFB锅炉的性能特点，设计适合于CFB锅炉运行特性的可行有效控制方案充分发挥CFB锅炉的优良性能。