循环流化床锅炉控制方案(xh)

-1-循环流化床锅炉控制方案前言随着我国环保规范的发展，对环境的保护已经在电厂废物排放中开始实施连续监测处理（脱硫、脱氮），然而却是在增加投资的基础上进行的。由于煤粉炉的燃烧效率不高，使得脱硫、脱氮的成本也高，从而使能源也有部分的流失。由此，开发高效清洁的煤利用技术，是能源利用和环境保护的双重需要。在煤的清洁利用技术中，循环流化床技术由于具有上述特点而越来越多的采用。其燃烧效率高、煤种适应性强、低污染排放的特点，使其发展前景广泛。循环流化床的崛起，预示着对传统媒粉燃烧的革命性挑战。目前，CFB锅炉在发达国家已经迅速地发展，从世界第一台投运（电力行业）以来，十多年间已经有约数百台CFB锅炉投产发电，大至200MW机组配套的CFB锅炉已投产多年，而且与300MW机组配套的CFB锅炉也在建设中。已发展到大容量的水平，说明CFB锅炉潜力巨大。CFB锅炉在我国的发展也很快。目前已经投运的CFB锅炉最大的容量是410T/H，是进口设备。国产最大的是220T/H。近几年来，CFB锅炉的安装台数明显增加。随着国内环保要求的不断提高，循环流化床技术已经进入飞速发展的一个重要时期。-2-CFB锅炉的基本构成与燃烧原理循环流化床锅炉一般可分成两个部分：第一部分由炉膛、分离器、回料器等组成，形成一个固体物料循环回路；第二部分则为对流烟道，布置有过热器、省煤器、空气预热器等，与常规煤粉炉相近。燃烧所需要的一次风和二次风分别由炉膛的底部和侧墙送入。原煤块经过破碎后，通过刮板式给煤机将煤送入煤斗，煤斗下方有螺旋式给煤机，经播煤风将煤吹入炉内。炉膛出口水平烟道内装有多级烟灰分离器，分离出的高温灰落入灰斗。经锁灰装置和J阀回送至炉膛。飞灰通过分离器经尾部烟道受热面进入除尘器经灰沟冲到沉灰池，床体下部已燃尽的灰渣定期排放。煤进入炉膛后，首先在主床燃烧。经过预热器的高压风，从炉床床下风室向上进入炉膛，使在床上煤颗粒沸腾燃烧，当烟气达到一定速度，大量的颗粒就会离开床层，由烟气携带到炉膛上部燃烧，并随烟气直至炉膛出口。在炉膛出口处一般装有多级烟灰分离器，对颗粒和烟气进行分离，而后进入烟道。为了使颗粒上升、分离，穿过并离开炉膛，要求烟气必须达到某一最小速度。分离后的烟气流入烟道，通过省煤器、空气预热器得到进一步的冷却。而分离后的颗粒，下落回到炉膛继续燃烧，再次进行燃烧上升、分离，形成颗粒循环。由于颗粒反复循环延长了在炉内的停留时间，因此，各煤种均可在850～950℃的低温下得到充分的燃烧，提高了燃尽度。因为炉膛内燃烧温度较低，使得NOX的生存能得到有效控制。这个炉温范围，也有利于使为脱硫-3-而加入炉膛的石灰石颗粒在循环燃烧中与燃料中的硫化物发生反应，达到最佳的脱硫效果。而排放的炉渣由于是低温燃烧，又可重新得到利用，如水泥制品。CFB锅炉控制特点从CFB锅炉构成看，与常规锅炉不同的是增加了分离器回料系统、石灰石给料系统、冷渣器系统等。因而，有不同于常规锅炉的控制系统。CFB锅炉和煤粉炉在汽水系统方面的运行监视与调整是基本相同的，都设有汽包水位调节、给水差压调节和汽温控制，而且原理和方法都相同。两者的差异主要表现在燃烧系统上，相应的仪表监视和调节手段有较大的差异。因此，对CFB锅炉燃烧及调节机理的理解是设计监视仪表和自动控制系统的关键。根据新华公司在CFB锅炉DCS工程上取得的经验，床温、一次风量与料层差压是CFB锅炉运行监视与控制的关键。为了保证物料循环系统正常运行，还必须保证返料风风压、风量正常，返料风是运行中的另一主要控制对象。另外，物料循环系统还应辅助监视分离器温度与阻力和返料器温度。下面对几个典型的CFB锅炉控制回路进行说明。床温控制从燃烧反应动力学的角度看，CFB锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧-4-区或者过渡区内。由于CFB锅炉内相对来说温度不高，并有大量的固体颗粒的强烈混合，因而其燃烧速率主要取决于化学反应速度，也就是取决于温度水平。换言之，床温水平是控制燃烧速率的主导因素。这是床温控制的重要性的理论依据。影响床温的主要因素有：煤种、煤量、一、二次风量、返料量和灰渣排放量等。因而床温控制是一个典型的多变量控制回路。如果床温偏差大且经调整无效，应限制锅炉负荷并处理床温。床温正常后再重新带负荷。炉膛内要有效抑制NOX的生成和达到最佳脱硫效果，就必须将床温控制在一定的低温范围内（根据煤种和主机厂推荐值确定）。研究指出，脱硫的最佳温度是850～950℃。同时，由于采用了分级送风低温燃烧方式，抑制了NOX的生成。但是近期的研究指出，低温燃烧时易生产N2O，其生产量随温度的上升而急剧下降，因此，一般运行温度控制以安全运行范围内略高为宜。根据清华大学和中国科学院的传热研究，CFB锅炉中，粒子粒度小，浓度高，床温高，传热增强；气流表观速度对CFB锅炉的传热无明显作用，但是作为吸热介质，风量对床温有明显影响。虽然给煤量、循环灰量也影响床温，但是其作用不独立；风量是一个独立调节床温特别是密相区温度的变量。在循环倍率和煤种一定的情况下，主要调节风量，控制床温。一般情况采用：-5-调节一、二次风控制炉膛内氧的浓度，使炉膛燃烧稳定在一定的温度范围内；调节返料量（可以通过调节循环灰风量）大小以控制床温；床温控制也可通过床料的粒径分布的调整而实现。调整床料的粒径分布即调整炉膛上部和下部的压差比，是通过改变进入炉膛的煤、床料、石灰石的粒径来实现的，有冷灰器的CFB锅炉也可通过冷灰器的运行来调整床料粒径分布。具有烟气再循环系统的CFB锅炉中，通过改变再循环烟气量（类似于调整一、二次风比例）可以调节床温，这种影响在负荷较低时作用更加明显。在不同的负荷水平下床温控制亦有不同的特点。在低负荷时，风量、煤量均小，床温容易控制，可以长期保持在某一温度线上；在高负荷时，由于一、二次风调节裕量变小，煤对床温调节的作用增加。实际运行中表现为，燃用高热值、低挥发份煤时，床温水平较高，排渣量明显减少；燃用低热值煤时，床温水平较低，排渣量明显增加。一般情况下，当床温高时可适当地减小给煤量，经过一段时间的延迟后，床温将下降；当床温低时适当地增加给煤量。用给煤量调整床温时，必须注意此时系统的动态响应具有较大的延迟。鉴于床温控制的非线性特性以及床温在CFB锅炉安全稳定运行中的重要性，采用常规的控制策略难以奏效，为此考虑采用如图1所示的智能控制系统，以增强控制系统的鲁棒性和实用性。-6-图1床温控制原理图其中一些主要规则描述如下：当负荷稳定，床温偏差较小时，通过调整一、二次风比例控制床温；当负荷稳定，床温偏差较大时，通过调整返料量控制床温；当负荷稳定，床温偏差更大时，通过调整给煤量控制床温；低负荷时，主要依靠调整一、二次风比例控制床温；高负荷时，主要依靠调整给煤量和返料量控制床温；此时风量的调节裕量较小；变负荷时，主要依靠调整返料量控制床温；此时风量和给煤量主要随负荷变化，只能在小范围内调整以适应床温。在实际运行中，将根据实际运行情况对上述控制策略进行调整。根据CFB锅炉的实际运行情况，有可能并不需要三种控制方法，例如仅利用改变一、二次风比例已可将床温控制在运行需要的温度范围内。此外，对上述控制策略作如下说明：氧量也能表征炉膛内化学反应速度，且响应较床温灵敏，可用作床温响应的导前信号；模糊控制器A模糊控制器B模糊控制器C床温偏差氧量调整一、二次风比例调整给煤量调整返料量-7-在正常运行中，床温可根据负荷，设定为一相应的目标值；床温的动态响应具有典型的迟延，因此在设计控制系统时必须考虑此因素。自1998年起新华公司采用模糊控制应用于200MW以上单元机组的大迟延对象控制，取得了良好的效果，积累了丰富的经验。风量控制CFB锅炉的风量控制包括总风量和一、二次风量比例的控制。在正常运行中，总风量根据燃料信号获得，并自动根据过量空气系数修正。总风量的改变受到风煤比的限制，这与常规煤粉炉是相同的，所不同的是一、二次风的配比。一、二次风的配比是负荷和煤种发热量的函数。根据CFB锅炉的运行特点，主要是二次风机的运行特点，风量控制有两种不同的设计方法，但是具有相同的原理。第一种情况是二次风机的投运时间较早；第二，二次风机只有在负荷达到较高水平后才投运。这里假设为第一种情况。风量分配系数、过剩空气系数和氧量修正与负荷的关系见图2。用于风量计算的煤负荷F(X)F(X)F(X)F(X)过量空气系数1~1.4氧量修正0.5%~5%二次风比例0.2~0.6下部二次风比例0.2~0.8-8-图2风量分配系数与负荷的关系曲线运行人员可以在50％的范围内调节二次风量，这种大调节范围设计主要是为了通过一、二次风的配比调节来控制床温。二次风又分为上部二次风和下部二次风，这里也有一个分配系数的问题，改变这个分配系数可以控制CO、NOX、SOX的排放。一、二次风及上、下二次风的配比系数都是负荷的函数。CFB锅炉的一次风量有一个下限值，在任何运行工况下一次风量都不能低于这个下限值。在启动过程中，一次风量保持下限值不变，只有当开始投煤或者开始正常运行带负荷时，才投入一次风量的控制。二次风系统的控制回路设计成可以进行风量控制和压力控制，其中，下部二次风控制风量，上部二次风控制风压。这种控制回路设计使得正常运行时煤的燃烧、启动时油枪燃烧、油煤切换时所需空气都能控制自如。正常运行时，二次风压的选择应使二次风系统与炉膛压差处于允许的最小值，以减小二次风机的电耗；而在有燃烧器运行时，二次风系统与炉膛压差有一固定值，而风压的控制通过调节上部二次风的挡板实现。二次风量是根据煤量和油枪状态及负荷计算得到的，二次风量也有一个下限值，在控制回路中与煤的计算风量取最大值，从而实现在任何工况下二次风量都不低于此下限值。参见图3。-9-图3氧量校正以及风量分配计算料层差压控制料层差压控制也称为料层控制。通过测量运行中料层差压来控制，维持床料高度在适当数值。若料层高，太厚则使布风板阻力加大，分层严重，可能引起床下风室风道振动，且增大风机电耗；若料层薄，高度太小则会发生吹穿，燃烧热量减小，运行不稳定，带负荷能力受到影响。由于料层高度与床压近似成比例关系，用差压大小了解床料高度，当差压变大时，床料厚度增加，可打开锅炉排灰渣装置，进行排渣，随着排渣量增加，床料减少，床压下降。反之，当差压过小时，可通过适当加料补充，控制床位。用于风量计算的煤负荷F(X)过量空气系数1~1.4F(X)F(X)F(X)氧量修正0.5%~5%二次风比例0.2~0.6下部二次风比例0.2~0.8氧量控制输出0.9~1.1XXXXXXX+-1根据煤量计算出的风量运行人员修正0.9~1.1运行人员修正0.5~1.5下部二次风量二次风量一次风量-10-锅炉排渣方式有两种：连续排渣、间歇排渣。值得注意的是：排渣时对床温有较大的影响，具体选择应结合运行床温、床位的参数变化选择。在不影响料层的运行时，排渣也是调整床温的一种方式。灰渣在排出前，其温度要控制在一定范围内，以避免烧损冷渣器。控制渣温可采取风量冷却和喷水调节。需要注意的是，当煤质变化较大时，料层差压不能正确反映物料浓度的实际情况。例如，灰分变小时，如未及时补充物料，料层差压便会降低，系统不进行排渣，运行一段时间后，一次风系统振动变大，料层差压波动幅度增大。这个现象实际上表明，炉膛浓度已经降得很低，这时的料层阻力实际上是床上已经变得粗大化的渣的阻力。为了防止这种情况，在运行中应对密相区中上部至炉膛出口区的压力降进行监视。为了控制和调节物料粒径，保证炉膛稀相区上部物料浓度，要及时将床内大颗粒渣排出。对于煤种偏离设计值的运行工况，如果灰平衡受到破坏不能维持稀相区的物料浓度，并且在运行中排渣量不足或粗大化的情况时，要及时补充物料，以保持炉内物料平衡和粒度要求。给料量控制CFB锅炉的给料量控制包括两个部分：给煤量控制和石灰石给量控制。给煤量控制是通过调节给煤机出力来实现。由热负荷输出作为煤量需求指令并与总风量低选后作为煤量的给定值；给煤量主要受到负荷指令和风－燃料比联锁的控制。首先根据负-11-荷指令，计算出要求的燃料量，减去油量即是要求煤量；然