1、循環流化床鍋爐控制方案前言隨著我國環保規范的發展，對環境的保護已經在電廠廢物排放中開始實施連續監測處理（脫硫、脫氮），然而卻是在增加投資的基礎上進行的。由于煤粉爐的燃燒效率不高，使得脫硫、脫氮的成本也高，從而使能源也有部分的流失。由此，開發高效清潔的煤利用技術，是能源利用和環境保護的雙重需要。在煤的清潔利用技術中，循環流化床技術由于具有上述特點而越來越多的采用。其燃燒效率高、煤種適應性強、低污染排放的特點，使其發展前景廣泛。循環流化床的崛起，預示著對傳統媒粉燃燒的革命性挑戰。目前，CFB鍋爐在發達國家已經迅速地發展，從世界第一臺投運（電力行業）以來，十多年間已經有約數百臺CFB鍋爐投產發電，大

2、至200MW機組配套的CFB鍋爐已投產多年，而且與300MW機組配套的CFB鍋爐也在建設中。已發展到大容量的水平，說明CFB鍋爐潛力巨大。CFB鍋爐在我國的發展也很快。目前已經投運的CFB鍋爐最大的容量是410T/H，是進口設備。國產最大的是220T/H。近幾年來，CFB鍋爐的安裝臺數明顯增加。隨著國內環保要求的不斷提高，循環流化床技術已經進入飛速發展的一個重要時期。CFB鍋爐的基本構成與燃燒原理循環流化床鍋爐一般可分成兩個部分：第一部分由爐膛、分離器、回料器等組成，形成一個固體物料循環回路；第二部分則為對流煙道，布置有過熱器、省煤器、空氣預熱器等，與常規煤粉爐相近。燃燒所需要的一次風和二次風

3、分別由爐膛的底部和側墻送入。原煤塊經過破碎后，通過刮板式給煤機將煤送入煤斗，煤斗下方有螺旋式給煤機，經播煤風將煤吹入爐內。爐膛出口水平煙道內裝有多級煙灰分離器，分離出的高溫灰落入灰斗。經鎖灰裝置和J閥回送至爐膛。飛灰通過分離器經尾部煙道受熱面進入除塵器經灰溝沖到沉灰池，床體下部已燃盡的灰渣定期排放。煤進入爐膛后，首先在主床燃燒。經過預熱器的高壓風，從爐床床下風室向上進入爐膛，使在床上煤顆粒沸騰燃燒，當煙氣達到一定速度，大量的顆粒就會離開床層，由煙氣攜帶到爐膛上部燃燒，并隨煙氣直至爐膛出口。在爐膛出口處一般裝有多級煙灰分離器，對顆粒和煙氣進行分離，而后進入煙道。為了使顆粒上升、分離，穿過并離開爐

4、膛，要求煙氣必須達到某一最小速度。分離后的煙氣流入煙道，通過省煤器、空氣預熱器得到進一步的冷卻。而分離后的顆粒，下落回到爐膛繼續燃燒，再次進行燃燒上升、分離，形成顆粒循環。由于顆粒反復循環延長了在爐內的停留時間，因此，各煤種均可在850950的低溫下得到充分的燃燒，提高了燃盡度。因為爐膛內燃燒溫度較低，使得NOX的生存能得到有效控制。這個爐溫范圍，也有利于使為脫硫而加入爐膛的石灰石顆粒在循環燃燒中與燃料中的硫化物發生反應，達到最佳的脫硫效果。而排放的爐渣由于是低溫燃燒，又可重新得到利用，如水泥制品。CFB鍋爐控制特點從CFB鍋爐構成看，與常規鍋爐不同的是增加了分離器回料系統、石灰石給料系統、冷

5、渣器系統等。因而，有不同于常規鍋爐的控制系統。CFB鍋爐和煤粉爐在汽水系統方面的運行監視與調整是基本相同的，都設有汽包水位調節、給水差壓調節和汽溫控制，而且原理和方法都相同。兩者的差異主要表現在燃燒系統上，相應的儀表監視和調節手段有較大的差異。因此，對CFB鍋爐燃燒及調節機理的理解是設計監視儀表和自動控制系統的關鍵。根據新華公司在CFB鍋爐DCS工程上取得的經驗，床溫、一次風量與料層差壓是CFB鍋爐運行監視與控制的關鍵。為了保證物料循環系統正常運行，還必須保證返料風風壓、風量正常，返料風是運行中的另一主要控制對象。另外，物料循環系統還應輔助監視分離器溫度與阻力和返料器溫度。下面對幾個典型的CF

6、B鍋爐控制回路進行說明。床溫控制從燃燒反應動力學的角度看，CFB鍋爐內的燃燒反應控制在動力燃燒區或者過渡區內。由于CFB鍋爐內相對來說溫度不高，并有大量的固體顆粒的強烈混合，因而其燃燒速率主要取決于化學反應速度，也就是取決于溫度水平。換言之，床溫水平是控制燃燒速率的主導因素。這是床溫控制的重要性的理論依據。影響床溫的主要因素有：煤種、煤量、一、二次風量、返料量和灰渣排放量等。因而床溫控制是一個典型的多變量控制回路。如果床溫偏差大且經調整無效，應限制鍋爐負荷并處理床溫。床溫正常后再重新帶負荷。爐膛內要有效抑制NOX的生成和達到最佳脫硫效果，就必須將床溫控制在一定的低溫范圍內（根據煤種和主機廠推薦

7、值確定）。研究指出，脫硫的最佳溫度是850950。同時，由于采用了分級送風低溫燃燒方式，抑制了NOX的生成。但是近期的研究指出，低溫燃燒時易生產N2O，其生產量隨溫度的上升而急劇下降，因此，一般運行溫度控制以安全運行范圍內略高為宜。根據清華大學和中國科學院的傳熱研究，CFB鍋爐中，粒子粒度小，濃度高，床溫高，傳熱增強；氣流表觀速度對CFB鍋爐的傳熱無明顯作用，但是作為吸熱介質，風量對床溫有明顯影響。雖然給煤量、循環灰量也影響床溫，但是其作用不獨立；風量是一個獨立調節床溫特別是密相區溫度的變量。在循環倍率和煤種一定的情況下，主要調節風量，控制床溫。一般情況采用：l 調節一、二次風控制爐膛內氧的濃

8、度，使爐膛燃燒穩定在一定的溫度范圍內；l 調節返料量（可以通過調節循環灰風量）大小以控制床溫；床溫控制也可通過床料的粒徑分布的調整而實現。調整床料的粒徑分布即調整爐膛上部和下部的壓差比，是通過改變進入爐膛的煤、床料、石灰石的粒徑來實現的，有冷灰器的CFB鍋爐也可通過冷灰器的運行來調整床料粒徑分布。具有煙氣再循環系統的CFB鍋爐中，通過改變再循環煙氣量（類似于調整一、二次風比例）可以調節床溫，這種影響在負荷較低時作用更加明顯。在不同的負荷水平下床溫控制亦有不同的特點。在低負荷時，風量、煤量均小，床溫容易控制，可以長期保持在某一溫度線上；在高負荷時，由于一、二次風調節裕量變小，煤對床溫調節的作用增

9、加。實際運行中表現為，燃用高熱值、低揮發份煤時，床溫水平較高，排渣量明顯減少；燃用低熱值煤時，床溫水平較低，排渣量明顯增加。一般情況下，當床溫高時可適當地減小給煤量，經過一段時間的延遲后，床溫將下降；當床溫低時適當地增加給煤量。用給煤量調整床溫時，必須注意此時系統的動態響應具有較大的延遲。鑒于床溫控制的非線性特性以及床溫在CFB鍋爐安全穩定運行中的重要性，采用常規的控制策略難以奏效，為此考慮采用如圖1所示的智能控制系統，以增強控制系統的魯棒性和實用性。模糊控制器A模糊控制器B模糊控制器C床溫偏差氧量調整一、二次風比例調整給煤量調整返料量圖1 床溫控制原理圖其中一些主要規則描述如下：l 當負荷穩

10、定，床溫偏差較小時，通過調整一、二次風比例控制床溫；l 當負荷穩定，床溫偏差較大時，通過調整返料量控制床溫；l 當負荷穩定，床溫偏差更大時，通過調整給煤量控制床溫；l 低負荷時，主要依靠調整一、二次風比例控制床溫；l 高負荷時，主要依靠調整給煤量和返料量控制床溫；此時風量的調節裕量較小；l 變負荷時，主要依靠調整返料量控制床溫；此時風量和給煤量主要隨負荷變化，只能在小范圍內調整以適應床溫。在實際運行中，將根據實際運行情況對上述控制策略進行調整。根據CFB鍋爐的實際運行情況，有可能并不需要三種控制方法，例如僅利用改變一、二次風比例已可將床溫控制在運行需要的溫度范圍內。此外，對上述控制策略作如下說

11、明：l 氧量也能表征爐膛內化學反應速度，且響應較床溫靈敏，可用作床溫響應的導前信號；l 在正常運行中，床溫可根據負荷，設定為一相應的目標值；l 床溫的動態響應具有典型的遲延，因此在設計控制系統時必須考慮此因素。自1998年起新華公司采用模糊控制應用于200MW以上單元機組的大遲延對象控制，取得了良好的效果，積累了豐富的經驗。風量控制CFB鍋爐的風量控制包括總風量和一、二次風量比例的控制。在正常運行中，總風量根據燃料信號獲得，并自動根據過量空氣系數修正。總風量的改變受到風煤比的限制，這與常規煤粉爐是相同的，所不同的是一、二次風的配比。一、二次風的配比是負荷和煤種發熱量的函數。根據CFB鍋爐的運行

12、特點，主要是二次風機的運行特點，風量控制有兩種不同的設計方法，但是具有相同的原理。第一種情況是二次風機的投運時間較早；第二，二次風機只有在負荷達到較高水平后才投運。這里假設為第一種情況。風量分配系數、過?？諝庀禂岛脱趿啃拚c負荷的關系見圖2。用于風量計算的煤負荷F(X)F(X)F(X)F(X)過量空氣系數 11.4氧量修正 0.5%5%二次風比例 0.20.6下部二次風比例 0.20.8圖2 風量分配系數與負荷的關系曲線運行人員可以在50的范圍內調節二次風量，這種大調節范圍設計主要是為了通過一、二次風的配比調節來控制床溫。二次風又分為上部二次風和下部二次風，這里也有一個分配系數的問題，改變這個

13、分配系數可以控制CO、NOX、SOX的排放。一、二次風及上、下二次風的配比系數都是負荷的函數。CFB鍋爐的一次風量有一個下限值，在任何運行工況下一次風量都不能低于這個下限值。在啟動過程中，一次風量保持下限值不變，只有當開始投煤或者開始正常運行帶負荷時，才投入一次風量的控制。二次風系統的控制回路設計成可以進行風量控制和壓力控制，其中，下部二次風控制風量，上部二次風控制風壓。這種控制回路設計使得正常運行時煤的燃燒、啟動時油槍燃燒、油煤切換時所需空氣都能控制自如。正常運行時，二次風壓的選擇應使二次風系統與爐膛壓差處于允許的最小值，以減小二次風機的電耗；而在有燃燒器運行時，二次風系統與爐膛壓差有一固定

14、值，而風壓的控制通過調節上部二次風的擋板實現。二次風量是根據煤量和油槍狀態及負荷計算得到的，二次風量也有一個下限值，在控制回路中與煤的計算風量取最大值，從而實現在任何工況下二次風量都不低于此下限值。參見圖3。用于風量計算的煤負荷F(X)過量空氣系數 11.4F(X)F(X)F(X)氧量修正 0.5%5%二次風比例0.20.6下部二次風比例 0.20.8氧量控制輸出0.91.1XXXXXXX+-1根據煤量計算出的風量運行人員修正0.91.1運行人員修正0.51.5下部二次風量二次風量一次風量圖3 氧量校正以及風量分配計算料層差壓控制料層差壓控制也稱為料層控制。通過測量運行中料層差壓來控制，維持床

15、料高度在適當數值。若料層高，太厚則使布風板阻力加大，分層嚴重，可能引起床下風室風道振動，且增大風機電耗；若料層薄，高度太小則會發生吹穿，燃燒熱量減小，運行不穩定，帶負荷能力受到影響。由于料層高度與床壓近似成比例關系，用差壓大小了解床料高度，當差壓變大時，床料厚度增加，可打開鍋爐排灰渣裝置，進行排渣，隨著排渣量增加，床料減少，床壓下降。反之，當差壓過小時，可通過適當加料補充，控制床位。鍋爐排渣方式有兩種：連續排渣、間歇排渣。值得注意的是：排渣時對床溫有較大的影響，具體選擇應結合運行床溫、床位的參數變化選擇。在不影響料層的運行時，排渣也是調整床溫的一種方式?；以谂懦銮?，其溫度要控制在一定范圍內，

16、以避免燒損冷渣器?？刂圃鼫乜刹扇★L量冷卻和噴水調節。需要注意的是，當煤質變化較大時，料層差壓不能正確反映物料濃度的實際情況。例如，灰分變小時，如未及時補充物料，料層差壓便會降低，系統不進行排渣，運行一段時間后，一次風系統振動變大，料層差壓波動幅度增大。這個現象實際上表明，爐膛濃度已經降得很低，這時的料層阻力實際上是床上已經變得粗大化的渣的阻力。為了防止這種情況，在運行中應對密相區中上部至爐膛出口區的壓力降進行監視。為了控制和調節物料粒徑，保證爐膛稀相區上部物料濃度，要及時將床內大顆粒渣排出。對于煤種偏離設計值的運行工況，如果灰平衡受到破壞不能維持稀相區的物料濃度，并且在運行中排渣量不足或粗大化

17、的情況時，要及時補充物料，以保持爐內物料平衡和粒度要求。給料量控制CFB鍋爐的給料量控制包括兩個部分：給煤量控制和石灰石給量控制。l 給煤量控制是通過調節給煤機出力來實現。由熱負荷輸出作為煤量需求指令并與總風量低選后作為煤量的給定值；給煤量主要受到負荷指令和風燃料比聯鎖的控制。首先根據負荷指令，計算出要求的燃料量，減去油量即是要求煤量；然后根據風燃料比的要求，從實際風量計算出所允許的最大燃料量，減去油量即是允許最大煤量。去負荷要求煤量和風量允許最大煤量中的小值作為煤量的控制信號。這就保證了在升負荷時要先加風量再加煤量，減負荷時先減煤量再減風量。這與普通煤粉爐是一致的。l 石灰石給量控制是由環保

18、對SO2排放的測量是否達到要求，對石灰石的加入量進行控制。其調節需由主調節和副調節組成串級控制回路。石灰石量給定值由石灰石給量與當前煤量的合適比例確定，再由煙氣中SO2含量對其比值進行修正，改變進入爐膛石灰石粉量，控制這個鈣硫比，保證SO2排放量要求，達到最佳脫硫效率。CFB鍋爐主要聯鎖控制與熱工報警主要聯鎖是指：主燃料跳閘（MFT），包括以下內容：l 當喪失所有引風機，或者喪失所有送風機都將使主燃料跳閘裝置動作。若只喪失一臺引風機或者一臺風機或者因為其他原因造成風量較大的減少，則應切除部分燃料，以便維持合適的風燃料比例；l 爐膛壓力大于其正常規定值，主燃料跳閘，防止由于管子破裂、擋板故障等原

19、因造成的不正常爐膛工況；l 床溫高跳閘，防止機組因超溫而損害；l 床溫低且啟動燃燒器無火焰，啟動主燃料跳閘；l 風量低跳閘，風量不得小于最小流化風量；l 發生緊急事故時，手動搬動跳閘開關使主燃料跳閘；l 分離器進口溫度高/分離器出口溫度高，保護分離器，防止結焦；l 汽包水位，主蒸汽壓力超過定值等事故狀態時，主燃料跳閘；l 鍋爐輔機：如給煤機、引風機、送風機、高壓風機在啟停及事故掉閘時的順序聯鎖和各相關風門的聯鎖。報警應采用聲光報警。除聯鎖動作時發出相應的報警外，還應有下列報警：l 燃燒器霧化蒸汽或者空氣壓力低；l 燃燒器燃料總管壓力高和低；l 給煤機、石灰石給料機跳閘；l 輸送料粉風機跳閘；l

20、 燃料出現堵塞；l 爐膛壓力高或低；l 任一運行的風機喪失；l 鍋爐總風量低；l 失去聯鎖系統電源；l 流化床鍋爐安全聯鎖，燃燒控制電源喪失；l 床溫、床位超限；l 灰渣冷卻器排渣溫度高。CFB鍋爐與常規煤粉爐在保護和控制方面的比較相同點l CFB鍋爐保護的觸發條件及動作與煤粉爐是一樣的，其保護主要是爐膛正壓、負壓、汽包水位、主蒸汽溫度。l 風燃料比聯鎖是一般鍋爐燃燒必須滿足的，CFB鍋爐的燃料量和總風量的計算也沒有什么特殊之處，總的就是滿足負荷要求的同時，使燃料量和風量相當，使燃燒處于最優狀態。l 由于CFB鍋爐僅僅是燃燒方式不同，汽水側的設備與常規煤粉爐是一樣的，因此其汽水側的控制，如給水

21、流量和主蒸汽溫度控制，與常規煤粉爐是相同的。l CFB鍋爐的順序控制系統（SCS）與常規煤粉爐基本相同。特殊性l 由于燃燒方式改變，鍋爐主燃料跳閘（MFT）的觸發條件也改變了。雖然MFT引起的動作都是切斷燃料供應，但由于燃燒設備及某些輔機的特殊性，所以具體動作也不一樣。CFB鍋爐還增加了床溫保護，另外在某些條件下可不經吹掃而直接復位MFT繼電器。l 燃燒器管理系統在CFB鍋爐控制系統中的地位與煤粉爐不同。由于CFB鍋爐在正常運行中不需要投入燃燒器，只有在啟動和床溫過低時投運燃燒器，因此CFB鍋爐的燃燒器一般都叫做啟動燃燒器，其燃燒器管理系統在整個控制系統中的地位不如煤粉爐重要。l 風量的分配比

22、例與煤粉爐完全不同，其風量分配的計算和一、二次風各占地份額都與煤粉爐不同。一般CFB鍋爐中一、二次風的比例為60:40。l 床溫控制、床壓控制等是CFB鍋爐所特有的，也是CFB鍋爐運行中比較重要的控制參數。CFB鍋爐順序控制系統采用XDPS-400系統設計實現的順序控制系統是一個具備完善人機接口和聯鎖保護功能的分級、模塊化控制系統。用于完成整臺機組中的各主要設備的監視操作、順序啟停和聯鎖保護等功能，同時在本系統中實現所有電動門的操作功能。順序控制系統設計為分級式結構，包括：組級順控、子組級順控和設備級控制。子組級順控是將某臺輔機及其附屬設備作為一個整體進行控制。為了減輕操作人員的操作負擔和縮短

23、機組的啟停時間，子組級順控設計用于自動完成輔機的啟動及并列或輔機的停運。各順控子組的啟、停均可獨立進行操作。通過CRT可顯示每個子組及其相關設備的系統流程圖，包括設備的狀態、操作方式、允許條件、操作順序以及下一步完成的動作。并能對輔機設備的手動啟動或停止的操作順序提供操作指導。子組級順控充分考慮了輔機設備的安全保護條件，并能在CRT上顯示出重要輔機跳閘條件。步序邏輯模塊定義了組級順控和子組級順控邏輯的標準實現方法。步序邏輯模塊的主要功能為：l 步序邏輯的啟動、中止和結束l 步序邏輯的超馳/保護條件l 步序邏輯的允許/閉鎖條件l 置相關設備委順控方式l 步序動作完成后的自動進步l 故障時步序的中

24、止步序超時限中止運行人員跳步和置步步序狀態和步序操作時間顯示l 步序故障顯示和操作指導步序邏輯接受上級順控邏輯或運行人員的啟動指令，并將相應設備置為順控方式。步序的執行既是邏輯條件觸發的，也是基于時間的。當前步的操作成功并且反饋信號到達后，程序自動進行下一步。如出現故障并經一定時間延遲仍未消失或達到步序設定時間后操作仍未完成，步序邏輯被終止。當順控邏輯啟動后，運行人員可在任意時刻人工中止程序，或選擇跳步、置步。跳步、置步在滿足設備安全條件下才被執行。導致步序邏輯中斷地故障原因或運行人員的干涉，都能在CRT上顯示且從打印機打印。對操作步數超過46布的設備都設計有步序邏輯模塊以完成設備的自動操作。

25、設備級控制包括了單臺設備的基本控制回路和聯鎖保護邏輯?？捎缮弦患夗樋刂噶詈?或運行人員在CRT上對進入順控系統的每個受控設備進行操作。根據受控設備的類型不同，設備級的控制設計為幾種標準的設備控制模塊。這些設備控制模塊包括了設備的輸入、輸出；手動/順控操作和其它聯鎖信號的接口以及設備的監控保護邏輯。能滿足不同類型的電氣及熱控設備接口的要求。主要順序控制子組為：一次風機子組二次風機子組高壓風機子組引風機子組吹灰系統子組給料系統子組底灰系統子組鍋爐排污、疏水子組電動給水泵子組輔助蒸汽子組開式循環冷卻水子組凝汽器真空子組汽機和軸封子組凝結水泵子組高加子組低加子組除氧器子組疏水系統子組爐膛安全監控系統采用XDPS-400系統實現的爐膛安全監控系統的主要功能是在鍋爐啟動、停止核正常運行等各種方式下，連續監視燃燒系統的各種參數與狀態，根據順序邏輯程序和安全聯鎖條件控制各種聯鎖裝置和燃燒系統中的相關設備，完成必要的設備操作或事故處理，防止爆炸性的燃料和空氣混合物在鍋爐的任何部位積聚，避免鍋爐爆炸等未遂事故的發生，保障鍋爐的運行安全。FSS