循環流化床鍋爐自控技術的應用

張永剛

（青島海西熱電有限公司，山東青島 266400）

1 國內循環流化床鍋爐的應用現狀

國內循環流化床鍋爐的研制雖然在20世紀60年代初就已經開始，但我國循環式流體化床鍋爐的研制卻相對較晚，直到1989年11月，山東明水電廠才投入使用第一臺35t/h 循環流化床鍋爐。此后，各中小型電廠相繼投產一批中小型循環式流體化床鍋爐，特別是近年來，山東省許多自備熱電廠采用了大量中小型循環流化床鍋爐（約75t/h）。三臺鍋爐+二臺發電機或二臺鍋爐+一臺發電機的配置現在很流行，其中大部分是在國內開發的，只有少數是采用特許技術生產的。循環流化床鍋爐的生產和應用在短期內取得了很大的發展。由于基礎研究工作落后，我國研制的220t/h （50MW）高壓循環式流體化床鍋爐除持牌技術生產的鍋爐外，尚未得到推廣。

2 影響循環式流體化床鍋爐自動控制的因素

一直以來循環流化床鍋爐自動控制都是關注焦點，而循環流化床鍋爐的自動控制現在存在著各種各樣的問題。其中一些問題是由于鍋爐設計不當或系統設計不合理造成的，另一些問題則是由于投資不足造成控制系統配置過于簡單。這些問題大幅降低了自動化水平，有的甚至使自動控制無法實現。主要問題列舉如下：

1）火力發電一般采用三鍋爐二機主管結構電站設有循環流化床鍋爐，三臺鍋爐通過主管道相互影響，因此其熱負荷可能會有較大的波動。

2）給煤機設計不合理可能導致堵煤，需要人工清理。二次回路有時會發生堵煤或塊煤下落，引起床層低溫熄火或高溫結焦。

3）目前大多數循環流化床鍋爐缺乏必要的監控儀表和調節手段，監控系統不完善，儀表配置不合理，測點較少。如：瞬時給煤量檢測信號不明顯；氧化鋯分析儀運行不穩定；無法檢測密相和稀相燃燒區的比例；床層溫度檢測點位于同一平面，無法顯示不同平面的溫度；風量檢測點分布不合理，難以精確控制風量比例；自平衡回風機構造成瞬時燃燒控制困難；操作人員操作不當造成鍋爐頻繁停爐。

（4）目前運行的75t/h 循環流化床鍋爐，排渣系統不完善，沒有安裝冷渣器，無法實現連續排渣。排出的紅色熔渣不僅帶走熱量，而且影響燃料床的壓差，即燃料床深度。

（5）爐體密封不良，造成嚴重的灰渣泄漏，導致氧含量測量不準確。

（6）在循環流化床鍋爐灰渣循環系統中，除少數螺旋錐閥外，一般采用J、L 或V 型非機械閥。非機械式閥門沒有活動部件，開度由供氣控制，操縱性明顯較差。非機械閥可分為兩種類型，一種是自平衡型，如J 型、V 型、回路密封口等，這些閥門的出口流量取決于進口流量，閥門本身絕對沒有調節功能。另一種非機械式閥門是 L 形閥，其流量可調。L 閥最大的問題在于垂直管段的料位測量。垂直段燃料水平過低會導致閥門密封不良和結焦，這些問題會給自動控制帶來很大困難。

（7）循環流化床鍋爐最突出的優點是裝載和燃料的靈活性。在30%～110% 的大負荷范圍內，各種貧煤和煤矸石均可用于鍋爐。然而，正是它的優點給它的自動控制帶來了很大的困難。由于在不同的鍋爐負荷條件下，不同煤種燃燒時，鍋爐特性有很大差異。所以操作和控制參數也大不相同，這意味著控制將非常困難。目前國內循環流化床鍋爐燃燒的煤種不固定，產生的熱負荷波動較大。

3 循環流化床鍋爐燃燒系統主要熱力參數的檢測與控制

在討論循環流化床鍋爐燃燒控制之前，首先分析了其燃燒原理。循環流化床鍋爐是一種低溫燃燒鍋爐，燃料由前部給煤器送出。一般有一次風和二次風排列，一些工廠設計有三次風。一次風送到燃燒室下面的空氣分配器對煤層進行流化。二次空氣以不同等級和點的燃燒室高度送出，為燃料燃燒提供足夠的氧氣。采用三次風加強鍋爐的燃燒。燃燒室內的物料會受到流化空氣的強烈干擾，一些固體顆粒會被高速的空氣流帶入熔爐。在熔爐中，較大的顆粒沿著爐壁向下流動，而較小的顆粒則與逃出熔爐一起飛入分離器，在那里固體和氣體被分離。分離出來的固體通過分離器底部的回流裝置返回燃燒室，而氣體通過對流氣體管道后離開鍋爐。因為在循環流化床鍋爐中，提供了一種高性能的分離器，在此之后固體顆粒被送回爐內，所以爐內的灰分很高。循環流化床鍋爐不同于一般只有爐內輻射傳熱的鍋爐，它還通過對流傳熱，大幅提高了鍋爐爐膛的傳熱系數，保證了鍋爐的額定出力。

燃料床溫度是指密相燃燒區的流化燃料溫度，即床層溫度。它是關系鍋爐安全穩定運行的關鍵參數，在運行過程中控制在850～950℃。當溫度過高時，流化床結焦可能引起鍋爐故障，過低則可能導致低溫結焦和火焰失效。一般來說，上限是970℃，下限是800℃。在鍋爐運行過程中，通過調整給煤速度、一次風量和回煤量，將燃料床溫度控制在允許范圍內。但負荷調節也是通過改變給煤速度和一次風速度來實現的，因此當燃料床溫度改變時，鍋爐負荷也會改變。這樣就形成了一個明顯的沖突。如果燃料床溫度可以用另一種獨立的方式控制，那就沒問題了。雖然回煤溫度的調整可能改變燃料層溫度，對鍋爐負荷影響不大，但由于目前使用的循環流化床鍋爐大多數僅采用自平衡式回流裝置，這種改變燃料層溫度的方法是不現實的。此外，大多數循環流化床鍋爐的溫度檢測點現在都安排在同一個平面上，不能即時準確地顯示不同層面的實際溫度，如果在設計時更合理地安排這些溫度檢測點，控制工作就更容易。

燃料床壓差是反映燃料床深度的參數。一般而言，氣室與燃燒室上邊界面之間的實測壓差被看作是燃料床壓差的實測數據。燃料床深度越大，測得的壓差越大。在鍋爐運行中，燃料床深度直接影響流化程度。如果加熱深度過大，流化效果會變差，從而導致爐膛結焦或火焰失效。一般來說，燃料床壓差控制在7 000～9 000Pa。通過打開爐底的擋渣墻，可以控制渣層的深度。操作時，應設定合理的深度上限和下限。目前運行的75t/h 循環流化床鍋爐，排渣系統不完善，沒有安裝冷渣器，無法實現連續排渣。排出的紅渣不僅帶走熱量，而且影響燃料床深度、溫度和爐膛壓力。這種人工除渣的方法嚴重干擾了控制系統。爐膛壓差反映爐膛內固體物質的濃度。一般來說，測得的燃燒室上邊界面與爐膛出口之間的壓力差就是爐膛壓力差的測量值。一般來說，壓差越大，爐內物質的濃度越高。爐膛的傳熱系數越大，鍋爐的有效負荷就越大，因此爐膛壓差總是隨著載荷的變化而變化，通過在鍋爐分離器下面排出一定量的灰渣，爐膛壓差通常控制在500～2 000Pa。開始和結束除灰，應設置上限和下限。

通過改變回煤流量來控制鍋爐運行是一個明顯的特點與循環流化床鍋爐燃燒時，返渣起著重要的作用，而返渣實際上是熱載體，將熱量從燃燒室傳遞到爐膛上部，從而使爐內溫度場更加均勻。循環流化床鍋爐由于采用多種傳熱方式，其傳熱系數較高（為煤粉鍋爐的4～6倍）。通過改變回灰流量可以控制燃料床溫度和爐膛壓差，進一步控制鍋爐負荷。循環流化床鍋爐的燃燒控制包括燃料床溫度控制和鍋爐負荷控制，其中循環流化控制受到高度重視。根據循環流化床鍋爐的原理可知，循環式流體化床鍋爐實際上是指燃料流化和飛灰循環。所以循環流化床鍋爐的控制實際上是對燃料流化和循環的控制，而循環流化的關鍵問題在于返灰和排渣，對此我國目前還沒有找到一個較好的解決辦法。如果這個問題能解決，循環流化床鍋爐燃燒參數的控制將變得更加容易。

鍋爐運行時風量調節，一般通過改變風門開度來調節風量。但是，這對循環流化床鍋爐來說顯然是不夠的，因為循環流化床鍋爐對風量有精確的要求。在正常情況下，當一次風已滿足流化要求時，只需改變二次風和三次風，如果需要調整總風量，則保持一次風恒定。由于一次風量與流化質量有直接的關系，其下限已在以往操作前的冷態實驗中確定。一次風低于下限時，燃料流化不好，如果這種情況持續較長時間，可能會結焦。對于二次風，根據過熱器后煙氣中的氧含量進行調節，控制在3%～5% 左右。如果氧氣含量過高，則意味著風量過大，會增加煙氣損失，如果氧氣含量過低，則會引起不合格燃燒，從而增加化學不合格燃燒損失和機械不合格燃燒損失。在運行過程中，如果總風量不足，應逐漸提高送、引風量以滿足燃燒要求，然后逐一調整一、二、三次風，使鍋爐達到最佳運行狀態。目前運行的循環流化床鍋爐主風量計量裝置沒有儀表盤，無法精確控制風量調節和配風量。此外，有時氧氣測量可能不可靠，由于太大的空氣泄漏。根據鍋爐負荷情況，對燃料床壓差、溫度、爐膛壓差、回煤溫度等進行嚴格監測，以便及時改變給煤量、風量和回煤灰量，獲得最佳運行狀態。設計合理的鍋爐的負荷不應與其燃料床溫度相沖突，即如果鍋爐是根據制造商提供的負荷-風量曲線運行，其床溫應保持在允許的范圍內。如果在正常條件下，鍋爐負荷升高時床層溫度大幅度升高，導致溫度升高或結焦，則意味著鍋爐本身設計不合理，鍋爐無法承受如此高的負荷。北京航天億來電子科技有限公司研制了一種燃燒控制裝置，裝有負荷-風量-床溫功能變送器和自識別工況選擇器。該控制器可根據實際燃燒條件，根據優先關系智能確定控制負荷或床層溫度。一般在床層溫度不會導致結焦的情況下，采用控制給煤量的指令，同時，還要感應爐膛壓差來調節負荷，實際的方法是通過增加一次風壓和二次風量來提高負荷。同時，根據合理的風煤比和經濟燃燒原理，按比例調整一、二次風量，保證經濟燃燒。只有當床層溫度上升到一定程度時，一、二次風之間的協調作用才會轉向降低床層溫度一側。床層溫度可以通過調節一次風和二次風的比例或改變回灰流量來控制。床溫允許為850～950℃，允許誤差為 ± 5%。如果超過這個限度，只能通過增加或減少給煤量來調節床溫。

4 結語

循環流化床鍋爐在設計和運行中遇到了許多問題，這些問題隨著鍋爐的技術和類型的不同而有很大的差異。針對循環流化床鍋爐在設計、制造、系統設計、安裝、運行等過程中可能出現的問題，提出了鍋爐制造商、設計商和控制系統設計商應相互配合，盡力為其他部分的設計和制造提供方便，以便在不久的將來獲得滿意的循環流化床鍋爐控制。