循環流化床鍋爐控制系統的分析與設計

黃金霖

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循環流化床鍋爐控制系統的分析與設計

黃金霖

福建武夷煙葉有限公司

摘 要：作為一種低污染、燃料適應性廣且高效的煤燃燒發電技術，循環流化床近年來在熱電行業有著廣泛的應用。同時，由于循環流化床鍋爐的系統較為復雜，有著分布參數、非線性、時變等諸多因素影響，較難建立精確的數學模型。許多針對普通鍋爐效果較好的常規控制方法卻不適用于循環流化床鍋爐，其自動控制的操作難度成為了其主要推廣障礙之一。因此，對于循環流化床鍋爐控制系統的相關分析與設計的意義也顯得格外重要。

關鍵詞：循環流化床；鍋爐控制系統；具體分析；系統設計

能源問題與環境問題是關乎人類社會發展的兩大重點問題。作為產煤大國與用煤大國，我國在煤的燃燒效率方面較低，對于燃燒過程中的大氣污染物也沒能進行有效的控制。因此政府、企業等機構也一直在探索高效、低污染的清潔燃煤技術，無疑高效、低污染清潔燃煤技術——循環流化床（CFB）技術成功吸引了大眾的目光，由于燃料及脫硫劑的多次循環，在反復進行低溫燃燒和脫硫反應后進行強烈的湍流運動，使得NOx排放降低、脫硫效率提高且燃燒效率與煤粉爐相近，因此循環流化床有負荷調節性能好、燃料適應性廣、灰渣可綜合利用等諸多優點，在被國際廣泛應用推廣的同時，也引發了我國的應用及相關研究。

一、循環流化床鍋爐控制系統概述

（一）系統簡介

循環流化床鍋由固體物料再循環設備、氣固分離器、爐膛、對流煙道及外置熱交換器（有些循環流化床鍋爐無該設備）組成。

（二）發展現狀

相對于國外，目前我國對于循環流化床鍋爐控制系統的分析與設計在研究方面起步較晚，由于循環流化床自身較為復雜的特性，也給其控制系統的研究造成了一定困難。但是目前相關學者已經針對循環流化床鍋爐的流體動力學特性燃燒特性、和傳熱傳質特性，提出了一些先進控制策略，包括模糊控制、自適應控制、專家控制、神經網絡控制等，部分研究已經在實際工業過程有所應用，并取得良好效果。

二、循環流化床鍋爐控制具體分析

（一）工藝特點

相對于普通鍋爐，循環流化床鍋爐主要有以下特點：

（1）循環流化床鍋爐的物料循環系統較為特別，由物料分離器、流化床燃燒室和返料機構三者構成，這也是與其他類型的鍋爐相區分的重要特點；

（2）循環流化床鍋爐的送風燃燒方式為分段式，其中一次風經布風板送入爐膛，二次風則在布風板上；

（3）循環流化床鍋爐的燃燒溫度一般為850℃-950℃，整體而言溫度較低；

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

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

（二）循環流化床鍋爐的工藝要求

本文主要以某某場20噸/時循環流化床鍋爐項目作為案例，其中系統工藝要求額定蒸汽壓力245MP，額定蒸發量20噸/時，額定蒸汽溫度400℃，排煙溫度165℃，一次風預熱溫度60℃，二次風預熱溫度180℃。該項目主要適用燃料為無煙煤、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）循環流化床鍋爐參數的耦合關系

影響循環流化床鍋爐控制系統的相關變量包括：汽包水位、主蒸汽壓力、爐膛負壓、煙氣含氧量、主蒸汽溫度、料床厚度、料床溫度等方面；被調量主要有一次風量、二次風量、引風量、給煤量、排渣量、石灰石量、減溫水流量等方面，各個參數的具體耦合關系如下表所示。

CFB鍋爐參數禍合關系表

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系相對較弱，因此可以自成系統。而在目前的研究中，通常也將循環流化床鍋爐系統分為燃燒控制系統、主蒸汽溫度系統及汽水系統等幾個相對而言較為獨立的控制系統進行分析探索。由于主蒸汽溫度系統和汽水系統的研究可以參考對普通鍋爐的深入分析，因此其中最為復雜的是燃燒控制系統。

三、循環流化床鍋爐控制系統設計

（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，對于整個鍋爐的安全運行十分重要，一旦溫度過高將導致設備損壞，而溫度過低則會降低運行效率。因此對于主蒸汽溫度控制需要進一步重視。在對主汽溫度進行控制時，主要涉及到的設備包括減溫器、減溫控制閥、低溫過熱器及高溫過熱器。

主汽溫度主要受燃料、風煙、負荷、水等諸多因素影響，且因為生產需要決定了過熱蒸汽流量，所以只能采取控制過熱器的噴水量來調節蒸汽溫度。在串級調節的基礎上，由主調節器對過熱器出口溫度及手動調節的設定值進行響應與調節。修正后的溫度與減溫器后蒸汽溫度間的溫差則由副調節器進行響應，最終控制蒸汽溫度在設定范圍內，達到控制作用。

（二）一次風控制

一次風風量的設定值由專業函數進行測算，它所代表的是布風板上的一次風風量以及供給一次風噴咀的實際測量的一次風，同時還需要由床溫信號和氧量自尋優控制器算法進行補償，最終得出結果。為了保證鍋爐噴咀的一次風風量，主要采取一次風量調節器進行調節。該調節器通過機翼元件測量獲得測量信號，之后由調節器輸出控制一次風機入口葉片，以此將風量維持在設定值。

（三）二次風控制和氧量校正控制

二次風的主要作用在于促進懸浮段中微小煤炭粒子燃燒充分。對于二次風量的控制主要將二次風量為測量信號、煙氣含氧量（與負荷有關）作為校正信號、鍋爐負荷指令為設定值，從而對二次風調節擋板開度進行控制。

氧量修正調節回路通過省煤器后煙道剩余空氣的氧量對上部二次風檔板進行調節，從而維持過量風量，一般選用小的過剩空氣系數來推進低氧氣燃燒，從而保證節能效果。其中，一般選用過剩空氣系數的范圍是1.02-1.10（合理值是1）。此外，為了矯正空氣系數、實現氧量閉環控制，還應在設計時引入排煙含量含氧量進行校正，利用這種方式充分保證鍋爐的最佳燃燒狀態。

（四）鍋爐床溫控制

鍋爐床溫調節回路是依據負荷指令把床溫保持在一個預定值。因為在固定的溫度范圍內操作，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的溫度確定至850℃-900℃之間。而燃燒過程的相關控制和床溫調節也正是循環流化床鍋爐的重要特點，為了實現上述目的，控制床溫，需要對一次風量和二次風量進行調整。其中一次風的床溫反映靈敏，主要從爐床底部向上吹；二次風則由于采取分層分布的形式因此對其調節可以有效控制爐內的含氧量，幫助煤粒充分燃燒。因此控制床溫首先是調整一次風量，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其出口的蒸汽壓力來調節壓力調節閥，以維持出口的蒸汽壓力保持在設定值。而減溫減壓溫度控制則應用出口的蒸汽溫度調節噴水調節閥，將出口的蒸汽溫度保持在設定值。

四、結語

由于高效、潔凈與低污染的特性，循環流化床鍋爐控制系統在國際上得到了廣泛應用與高度重視。可以預見的是，在未來的幾十年中，循環流化床技術仍然會是燃煤行業的主要采取方式。我國作為燃煤大國，對于循環流化床技術的設計與升級使用更是迫在眉睫，符合中國國情發展規范的整體循環流化床鍋爐熱系統還有待于進一步研究與加強。包括對循環流化床鍋爐整體控制策略和控制規律的研究、動態數學模型的定量化和完善化的探索、實時仿真與模擬培訓系統的開發、監控與操作指導系統的研究、故障診斷專家系統的開發等等。

參考文獻：

［1］牛培峰等.循環流化床鍋爐熱工自動控制系統與展望［J］.動力工程，1998（06）.

［2］陳蕙等.循環流化床鍋爐控制技術進展［J］.化工自動化及儀表，1997（04）.

［3］章平衡.供電企業固定資產管理中存在的問題及改進建議［J］.節能，2003（12）.