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1、 新華公司循環流化床鍋爐控制方案1概述 循環流化床鍋爐（Circulating Fludized Bed Boiler，以下簡稱CFB鍋爐）作為一種煤的清潔、高效燃燒技術自八十年代初進入燃煤鍋爐的商業市場以來，在中小型鍋爐中已占有了相當的份額。并在技術日趨成熟的同時逐漸向更大容量發展。 CFB鍋爐的研究始于七十年代，它是從鼓泡床沸騰爐和化工行業的循環流化床工藝發展而來的。1982年，德國魯奇（Lurgi）公司的第一臺50t/h循環流化床鍋爐投入運行宣告了循環流化床鍋爐的誕生。此后，世界上的主要鍋爐制造商均投入了CFB鍋爐的研究和產品開發工作。 國外在CFB鍋爐的發展過程中也形成了幾種技術流派，2、比較有代表性的有芬蘭奧斯龍公司（Ahlstrom，現被福斯特惠勒公司并購）的Pyroflow型循環流化床鍋爐；德國魯奇公司開發的Lurgi型循環流化床鍋爐；德國巴布科克公司的Circofluid型循環流化床鍋爐；福斯特惠勒公司的整體化換熱床（Intrex）；美國貝特爾實驗室（Battele）的多固體型（Multisolid）循環流化床鍋爐等等。圖一、循環流化床鍋爐示意圖 國內從八十年代開始研究開發CFB鍋爐，中科院工程物理所、清華大學、浙江大學、華中理工大學和有關鍋爐廠合作先后研制開發了10t/h、20t/h、35t/h、75t/h循環流化床鍋爐。通過這些鍋爐的研制、生產和運行，積累了不少經驗3、。 進入九十年代后，東方鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠和上海鍋爐廠等又分別通過與美國福斯特惠勒公司和美國PPC公司引進技術或合作生產的方式，開始生產制造130t/h、220t/h的循環流化床鍋爐。并具備了生產更大容量CFB鍋爐的能力。國內“八五”重點能源環保科研項目內江循環流化床示范電站從芬蘭奧斯龍公司引進的410t/h循環流化床也已經投入運行。 從CFB鍋爐的控制方面看，這些年國內大多數已投運的中小型循環流化床的自動化水平同大型電站煤粉鍋爐相比，仍相當落后。有的甚至還完全依賴手動操作。一些設計采用了計算機控制系統的75t/h循環流化床鍋爐也只是將其作為常規調節系統的輔助監控手段。僅設計了少量的汽壓、給4、水、汽溫等常規模擬控制回路。輸入輸出點數僅100300點左右。同時，由于CFB鍋爐本身在本體設計和運行實踐（尤其是在運行的可靠性和可控性方面）仍有許多需完善之處，所以造成了人們對其控制機理和自動控制系統設計的一些畏難和模糊認識。 隨著國內安裝投運的循環流化床鍋爐容量增大和中小熱電廠自動化水平的提高，計算機分散控制系統DCS開始真正應用于整個CFB鍋爐的控制。一些引進的大型CFB鍋爐，如新華控制工程有限公司承擔的金陵石化熱電廠引進芬蘭奧斯龍公司2220t/h循環流化床鍋爐DCS等項目即采用DCS實現了整個CFB鍋爐的監視、控制和聯鎖保護功能。單臺鍋爐的輸入輸出點數超過1000點。相當于一臺1005、MW等級煤粉鍋爐的控制點數。 同時，新華控制工程有限公司也采用XDPS-400分散控制系統成功完成了大屯煤礦自備電廠275t/h和江蘇沛縣熱電公司275t/h CFB鍋爐的數據采集、模擬量控制和順序控制系統。鍋爐分別為北京巴布科克公司和唐山巴高公司生產的5t/h Circofluid型循環流化床鍋爐。整個DCS系統的輸入輸出點數達到2000點。 1999年，新華公司又陸續承接完成了湖北松木坪電廠和河南南陽電廠等CFB項目的DCS系統，其中CFB鍋爐分別為上海鍋爐廠生產的130t/h循環流化床鍋爐和東方鍋爐廠生產的120t/h循環流化床鍋爐的DCS系統。功能更為完整，覆蓋了數據采集、模擬量控制、6、順序控制和爐膛安全保護系統。 2000年，新華公司又有多個CFB鍋爐DCS項目中標。其中，河北保定熱電廠采用的東方鍋爐廠按福斯特惠勒公司技術生產的DG450/9.81-1型循環流化床鍋爐是目前國內容量最大的CFB鍋爐。整個2450t/h循環流化床、2100MW雙抽汽輪發電機組XDPS-400系統包括了數據采集、模擬量控制、順序控制、爐膛安全保護、電氣控制、廠用公用控制、熱網控制，單臺機組的I/O接近5000點，與新建300MW燃煤機組DCS規模相當，并和新華公司DEH-IIIA構成一體化控制。 至此，新華公司已經通過消化吸收和實際應用國外成熟的大型CFB鍋爐控制技術，采用XDPS-400實現了7、國內外幾種主要的大中小型CFB鍋爐完整的熱控系統。 下面就結合已工程的實際情況對CFB鍋爐的控制系統特點作一些簡單的分析。2循環流化床鍋爐的控制特點 從CFB鍋爐的工藝特性來看，它與常規煤粉鍋爐（Pulverize Coal Boiler）一樣，具有多參數、非線性、時變和多變量緊密耦合的特點，而且，CFB煤粉鍋爐比普通鍋爐具有更多的輸入/輸出變量，耦合關系也更為復雜。圖二、CFB鍋爐控制對象的耦合特性一個典型的循環流化床鍋爐的模擬量調節系統包括以下功能：負荷指令回路主汽壓調節床溫調節給煤量調節總風量調節石灰石量調節一次風量調節二次風量調節二次風壓調節高壓風壓力調節主汽溫調節汽包水位調節燃油母管8、壓力調節啟動燃燒器風量調節啟動燃燒器燃油壓力/流量調節床槍燃油壓力/流量調節爐膛壓力調節料床差壓調節底灰壓力、溫度調節（采用流化床冷灰器） 其中，CFB鍋爐的汽水系統與常規煤粉爐差異不大，因此，控制系統的設計也大同小異。給水控制系統也采用汽包水位、蒸汽流量和給水流量三沖量控制，通過調節給水泵轉速或給水調節閥開度，維持汽包水位的平衡；鍋爐出口主蒸汽溫度采用噴水減溫調節。 但是，CFB鍋爐的燃燒系統及其控制和常規煤粉爐有較大的差異，同時，根據其工藝系統的特點，還設計有其它一些獨特的控制回路。 CFB鍋爐燃燒控制CFB鍋爐的燃燒設備主要由給煤系統、燃燒室、分離器和返料系統組成。其燃燒過程與常規煤粉爐9、有很大區別，突出表現在循環和流化兩方面。 CFB鍋爐的燃料一般由煤和石灰石兩部分組成，物料（煤粒和石灰石）由給料口進入爐膛密相區下部后，被高溫物料包圍而迅速著火，并在燃燒室中伴以高速風流在沸騰懸浮狀態下進行燃燒。同時，高溫煙氣攜帶爐料和大部分未燃燼的煤粒飛逸出燃燒室頂部，經旋風分離器分離出的未燃燼燃料由返料器返送回爐膛底部，再次進入爐膛循環燃燒。 與煤粉鍋爐不同，CFB鍋爐不需要制粉系統，經破碎符合一定粒度要求（粒徑015mm）的煤從前墻和或回料閥的多處給料點直接送入爐膛。由于煤倉一般布置在鍋爐的前部或側部，所以給煤系統又往往分為兩個給料子系統。分別采用2級或3級給煤機串聯布置。給煤機的型式可10、采用稱重式給煤機、刮板給煤機或螺旋式給煤機串聯，將煤送入給料點進入爐膛。 給煤量主要受負荷指令和風燃料交叉聯鎖信號的控制。首先根據負荷指令計算出要求的燃料量，然后，根據風燃料比要求，從實際風量計算出允許的最大燃料量，二者低選信號再作為燃料主調節器的輸出分別控制各臺給煤機速度控制回路。這樣也就保證了動態過程中先加風后加煤，先減煤后減風。這和常規煤粉爐的控制機理是相同的。 給煤機的轉速控制一般推薦采用線性較好的變頻調節方式。多臺給煤機也設計有增益自校正回路，可以無擾動的任意切投不同給煤機的手動和自動。 石灰石量控制 CFB鍋爐的燃料以一定的循環倍率在爐膛內不停地循環燃燒，所以CFB鍋爐能夠燃用各種11、劣質煤，適用范圍廣。而且，在燃燒過程中加入的石灰石可以與燃燒中產生SO2進行化學反應，生成CaSO4，起到脫硫的作用。 調節給石灰石量的目的是滿足鍋爐SO2排放量的要求。控制回路一般設計采用串級調節方式。上級調節器為SO2調節器，下級調節器為石灰石量調節器，當SO2變化時，調節給石灰石旋轉給料機的轉速，使進入爐膛石灰石量相應變化。 在這個調節回路中，總給煤量作為前饋信號加入給石灰石量調節器。鍋爐入爐煤量變化時，SO2肯定也要相應變化。如果僅根據SO2信號調石灰石量，則延遲比較大。將給煤量作為前饋信號，使石灰石量先根據煤量變化，然后再根據SO2信號進行校正，可以減少調節延遲。 風量控制 CFB鍋12、爐的風系統比一般常規煤粉爐復雜。主要由一、二次風、返料風和播煤風等組成。根據鍋爐的型式不同，設計有一次、二次風機，高壓羅茨風機等，對采用氣力播煤的鍋爐，還設計有播煤風機。 一次風可分為兩路。在燃燒過程中，一路一次風由爐膛下部的一次風箱進入，通過布風板進入燃燒室，擾動由煤和石灰石組成的床料使之流化，并攜帶床料向上移動通過整個燃燒室。這是CFB鍋爐特有的送風方式。 另一路一次風（又稱為下二次風，也可以由二次風總管送入）和二次風分別從爐膛的不同高度上進入燃燒室，補充懸浮區燃燒需用的空氣量。使燃料在上升的過程中實現分級燃燒。 燃燒所需的一、二次風從不同高度進入爐膛助燃，形成分級燃燒，使得CFB鍋爐爐膛13、內的溫度比較低，減少了NOX的排放，同時也減少了結渣的機會。 二次風由爐膛密相區上部四周爐墻分層給入，確保煤粒在懸浮段充分燃燒。同時為啟動燃燒器提供燃燒風。一部分二次風（一般為一次風的35%）還可作為播煤風和正壓輸煤系統的密封風。一次、二次風率一般設計為1:16:4。而一次風壓一般為1013KPa，二次風壓為68.5KPa。 風量控制包括總風量控制和一、二次風比率的控制。總風量根據燃料指令獲得，并根據過剩空氣系數校正，形成總風量指令。這與常規煤粉爐是一樣的。所不同的是一次風和二次風的分配。為了保證正常流化，一次風的流量一般有一個設定的下限值。而且，一、二次風的比例還要受到床溫控制回路的校正（如14、圖三所示）。圖三 循環流化床鍋爐風量控制系統框圖. 返料風控制 CFB的返料器多采用非機械密封閥，鍋爐物料循環系統的循環動力來源于返料器進口側立管中的物料差壓，為了保證物料的可靠循環，CFB鍋爐還設置有一路高壓的返料風。返料風可以從一次風管引出，或來自高壓羅茨風機。 返料風壓力高但風量較小，一般小于2%。返料風壓與返料閥形式、鍋爐布置方式等密切相關。中、小CFB為1320KPa，大型CFB為5060KPa。 在不參與床溫調節時，返料風壓的控制是一個單回路控制系統，通過返料風一次風聯通管檔板控制返料閥的流化風壓。 一些大型的CFB鍋爐還設計有專門的播煤風機，播煤風壓為912KPa。也有相應的風量15、或風壓控制回路。 床溫控制系統 床溫控制系統是循環流化床鍋爐特有的，也是至關重要的控制系統，床溫的控制直接影響著爐內的脫硫和脫硝。 煤等燃料中的硫在燃燒過程中形成硫化物，石灰石再吸收硫化物形成干的硫酸鈣固體，從而降低硫化物排放量。能有效地去除SO2和NOX的最佳床溫是850950。但在實際運行中，要將床溫控制在某一確定溫度是相當困難的，幾乎不可能。而只是將床溫度控制在一定范圍內。 而且，影響床溫的主要因素比較多，如煤種、燃料的粒徑、床料量、一、二次風量、返料量和冷灰循環等等。因此，不同的CFB鍋爐采用的床溫控制方式也各不相同。比較典型的有：調整一、二次風比例調節給煤量控制灰循環流量 大多數7516、t/h和容量更小的循環流化床鍋爐，由于一、二次風門均沒有設計自動手段，除灰也是采用手動方式，所以床溫控制系統一般設計為床溫-燃料串級調節系統。通過調節給煤量來調整床溫。 也有采用調節返料量（高壓羅茨風機轉速或返料風調節擋板），亦即改變料層厚度的方法來調節床溫。 而對大容量的循環流化床鍋爐，往往是采用改變一、二次風比率的方法來調節床溫，見圖三、四。圖四、CFB典型床溫風量調節曲線 有煙氣再循環的CFB鍋爐，還可以通過煙氣再循環流量來調節床溫。同時，除塵器的冷灰也可以通過所設置的飛灰再循環回路重新進入爐膛，通過改變床料的粒徑分布調整爐膛溫度。 床壓控制（床料高度控制） 循環流化床底部的床料是由灰、17、渣及大顆粒的燃料組成，一次風由底部吹入，不停擾動這些床料。和沸騰爐不同，CFB鍋爐沒有明顯的料床厚度，但仍有密相區和稀相區之分，料層厚度是指密相區靜止時的料層厚度。料層的厚度不僅影響床溫，而且對鍋爐的經濟運行影響很大，差壓過高會使步風板阻力增大，并可能造成風道和風室振動。差壓過低時負荷又帶不上去。通過測量一次風室與稀相區的壓差及一次風量可以測算出料層的厚度。而床壓的控制一般是通過排渣量的調節來實現的。 由于排渣對CFB鍋爐的燃燒和床溫有較大影響，所以排渣的方式有周期性排渣和連續排渣兩種。 目前CFB鍋爐有兩種主要的排渣冷卻裝置，一種是水冷螺旋冷渣器。可以控制排渣機的轉速調節差壓保持設定值。 另18、一種是風冷或水風冷流化床冷渣器（如圖五所示Pyroflow型循環流化床鍋爐冷渣器）。 采用脈沖閥的開啟時間來控制底灰的排放量。同時，可以通過控制再循環煙氣壓力調整床溫。除了可以通過控制出渣量來調節床壓外，還設計有灰冷卻的控制回路。 而福斯特惠勒公司的CFB鍋爐則設計有選擇性排渣器，每個冷渣器分隔成三個小室，分別為選擇室，第一和第二冷卻室。被加熱的冷風和篩選的細顆粒，再送回爐膛參加燃燒。其床壓的控制可以通過螺旋排渣機或選擇排渣閥來調節。 爐膛壓力控制 爐膛壓力調節的目的是保持爐膛壓力為一定的負壓。CFB鍋爐的爐膛負壓控制也是通過調節引風機擋板實現的。 但是，CFB鍋爐爐膛負壓的調節特點與普通的煤19、粉鍋爐略有不同。進入煙道的煙氣順序經過過熱器、省煤器、空預器等受熱面，然后進入電除塵器后由引風機抽至煙囪排走。爐膛下部床面附近是微正壓，在低負荷時爐膛負壓點較低，高負荷時負壓點升高。也就是說爐膛負壓取樣點的控制參數是鍋爐負荷的函數。 壓力調節器定值也可手動設定。一、二次風量之和作為負壓調節回路的前饋信號，當鍋爐負荷變化時，一、二次風量相應變化，預先動作引風機調節擋板。圖五、Pyroflow型循環流化床鍋爐冷渣器示意圖2.3 爐膛安全監控系統FSSS CFB鍋爐的安全保護側重于燃料投運操作的正確順序和聯鎖關系，以保證CFB鍋爐穩定燃燒。按照煤粉鍋爐的習慣仍將有關CFB鍋爐的保護功能稱作爐膛安全監20、控系統FSSS。 同樣地，套用煤粉鍋爐FSSS的功能劃分方法，整個FSSS系統又分為鍋爐安全系統FSS和燃燒器控制系統BCS。主要功能有：主燃料跳閘MFTCFB鍋爐吹掃啟動油系統泄漏試驗CFB鍋爐冷態啟動（建立流化風和初始床料）CFB鍋爐升溫控制CFB鍋爐熱態啟動風道油燃燒器控制啟動油燃燒器控制油燃燒器火焰檢測煤及石灰石系統控制一次、二次風機、高壓風機、引風機、播煤風機聯鎖控制 CFB鍋爐的燃燒方式與煤粉鍋爐不同，在正常運行時有大量的高溫床料作為恒定的點火源，不易因為滅火造成爆炸性混合物不恰當地積聚，進而引發爆燃或爆炸。所以也不必煤粉爐那樣需要通過火焰檢測等手段連續監測煤燃燒器和整個爐膛的燃燒21、。 同時，因為CFB鍋爐在正常運行時也不像帶有數量眾多煤或油燃燒器的煤粉鍋爐那樣需要根據負荷或運行情況投切各層或各角的煤或油燃燒器。CFB鍋爐僅在啟動或床溫較低時才需投入油燃燒器，數量也比煤粉爐要少得多。所以其燃燒器管理系統也比煤粉爐簡單得多。圖七、CFB鍋爐燃燒器啟動順序. 油燃燒器的控制 大型的CFB鍋爐一般均采用熱煙氣床下點火方式。同時，在密相區和二次風口還可設置助燃用的啟動燃燒器和床槍。鍋爐啟動采用床料循環加熱，即冷床料在流化并循環的條件下加熱升溫。啟動時，最先投運風道燃燒器，以熱煙氣和空氣混合物加熱床料；之后投運啟動燃燒器，使溫度按照升溫升壓曲線上升，當床溫達到500時，可根據需要投22、運床槍，使床溫進一步升高至600，這時便可開始逐步投煤。典型的啟動流程見圖七。圖八、CFB鍋爐油燃燒器示意圖 煤燃燒器啟停控制 為了避免床內積聚過多的可燃物而引起結焦或爆燃，CFB鍋爐的初始給煤采用間歇加入方式。具體為：在油燃燒器負荷不變的情況下，啟動第一臺給煤機，開始以較低給煤量運行，延時12分鐘后停給煤機，在給煤機停止時仔細觀測床溫和爐膛出口煙氣氧量的變化，如確定床溫上升，氧量下降，則再次啟動給煤機，重復三次上述過程。再次啟動給煤機，并確認給入煤己燃燒時，就可啟動其它給煤機，進而根據燃燒及負荷需求，減油加煤，逐步轉換為全燃煤運行。此時床溫度大于800。 當鍋爐各參數都達額定值并平穩運行時，鍋爐由手動轉為自動方式運行。在自動控制狀態下，給煤機給煤量自動地對應于主蒸汽壓力而變化。 為避免爐內和循環回路中耐火材料因溫度劇變產生的熱應力而損壞，制造廠家規定了嚴格的爐內溫度變化速率。鍋爐應按照這個溫度變化速率升溫或降溫。為此，CFB鍋爐燃燒器順序控制邏輯設計了燃燒器的投切自動監控程序。2.4 CFB鍋爐順序控制系統 循環流化床的循序控制系統設計思想與常規煤粉爐是一致的。按照分層設計的原則，可以實現設備級、子組級和組級的循序控制。圖九是一個CFB鍋爐的典型順序啟動邏輯。