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      循環流化床鍋爐控制

      欄目:控制系統 發布時間:2018-08-22

      內容摘要:循環流化床鍋爐自八十年初進入商業運行以來,發展迅速,  占中小型燃煤鍋爐市場的份額不斷擴大,  已成為世界新世紀能源的發展方向之一。但由于其燃燒過程較為復雜,影響因素多而不易控制,不能簡單地套用常規煤粉爐的控制方法。本文在結合循環流化床鍋爐特性的基礎上,著重分析其控制系統,  并提出相應的控制方案。

      關鍵詞  循環流化床鍋爐  控制

       

        隨著循環流化床(CFB—Circulating  Fluidized  bed)鍋爐的不斷投產,技術不斷進步,在中小型鍋爐中優勢明顯,并迅速向大型化邁進。鑒于我國以燃煤發電為主導的格局在長時期內將不會有大的改變,面對日益嚴格的環保要求,CFB鍋爐前景看好。目前,我國已訂貨和投運的CFB鍋爐已近千臺,但主要為小型(3575th)鍋爐,可控性較差、控制復雜、自動化程度參差不齊,對運行人員要求高,實際運行情況并不如預期的好,控制和運行水平對機組的實際性能影響很大。    要提高控制水平,就必須對CFB鍋爐的工藝過程有足夠的認識,特別是對CFB鍋爐與常規煤粉爐不同的特性有足夠的認識。

          CFB鍋爐是在鼓泡床鍋爐的基礎上發展起來的。主要原理是床料在爐膛內充分流化,通過旋風分離實現循環,使燃料在爐膛內平均停留時間較煤粉爐幾十倍的增加,達到充分燃燒的目的,同時在爐內加入石灰石,實現脫硫。燃料在爐膛內,經過強烈的攪拌、磨擦,本身也具有破碎作用,因而不需要常規煤粉爐具有的制粉系統及磨煤機,燃料制備系統簡單;且具有獨特的回料系統、石灰石加料系統及點火系統;同時CFB鍋爐有大量固體床料的運動慣性和熱能慣性,對控制影響大,與常規煤粉爐具有顯著的區別。

          CFB鍋爐的控制可分為燃燒控制系統(Combustion Control System)和燃燒安全保護系統(Combustion Safeguard Control Systern),下文以具有代表性的美國福斯特?惠勒(FW—Foster Wheeler)公司循環流化床鍋爐為參照控制對象,分別敘述。

          1.燃燒控制系統一般由以下控制系統組成:

          鍋爐負荷控制;

          煤量控制;

          風量控制(包括一次、二次風量及J閥風量);

          床溫控制;

          床料控制;

          石灰石控制;

          其中鍋爐負荷、爐膛壓力等控制與常規煤粉爐相同。其余各參數由于相互耦合、一個被調量同時受幾個調節量的影響,而一個調節量又影響幾個被調量,控制復雜,需全盤統一考慮;既要實現充分燃燒,又要確保床溫的穩定。因此,總的控制策略是:首先在確保床溫在正常范圍內,保證負荷;然后根據負荷控制總風量及給煤量,保證最佳的風煤比;再根據總風量來合理分配一、二次風量,保證物料能處于良好的流化狀態,及具有足夠的氧量;同時維持床壓、爐膛壓力穩定,控制石灰石給料量,實現鍋爐的安全高效燃燒及環保特性。以下是燃燒系統各主要參數的控制總圖(1)

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         對各參數的控制有了總體了解后,現具體分述如下:

         1負荷控制(2)

          對單元制機組,通過改變鍋爐燃燒率維持主蒸汽壓力恒定,引入主汽壓力與汽機調速級后壓力比值經微分作為調節器前饋,以控制機前壓力保持給定為目標,主蒸汽壓力作為主調信號,與壓力給定值比較后的偏差信號經調節器PI運算后作為風量及給煤量的控制。當汽機負荷改變后,風量及給煤量協調動作,以使鍋爐快速響應負荷變化,機組壓力波動范圍小。在低負荷及特殊情況時,可人為設定風量及給煤量的設定值。

       

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         對于母管制機組,以保持主蒸汽母管壓力恒定為目標,合理進行各鍋爐負荷分配,保證機組安全、經濟運行。各鍋爐根據負荷指令控制風量及給煤。

          CFB鍋爐由于熱慣性大,機組負荷變化而引發鍋爐參數變化時,應考慮先調節風量,充分利用其熱慣性,燃料量后調節。

          1,煤量控制(3)

          CFB鍋爐由于燃燒機理獨特而不需要復雜的制粉系統,由皮帶給煤機結合氣力播煤,將燃料直接送入爐膛。給煤機一般采用變頻調節,可接受遠方(如分散控制系統)420mA控制信號,通過調節轉速來控制給煤量。

          在控制框圖中,鍋爐負荷控制輸出的信號與實際總風量信號取小值作為調節器的給定,以保證增負荷時,先加風,后加煤;減負荷時,先減煤,后減風(保證一定的過??諝饬?,滿足爐膛安全燃燒需要)。由于煤量控制影響床溫,所以,在床溫超過一定溫度時,需限制給煤增加(如設置一定的虛假給煤量,減少調節器輸出),以防床溫進一步升高,造成結焦。

          1風量控制(包括總風量、一次風量、二次風量及J閥風量等)

          13總風量控制(4)

          進入爐膛的風量有:一次風、二次風、J閥風、播煤風等??傦L量控制指令由鍋爐主負荷調節器輸出??傦L量中一、二次風所占比例最大,同時直接影響鍋爐的運行、燃燒。因此,總風量控制就是通過改變一、二次風量的調節指令來保證鍋爐所需的總風量。在控制回路中將主汽壓控制來的總風量信號與實際總煤量信號取大值作為總風量調節器的設定值,以保證負荷變化時滿足先加風、后加煤或先減煤、后減風的要求。同時設有總風量對煤量的限制。

          13一次風量控制(5)

          一次風作用是保證物料處于良好的流化狀態以維持正常的物料循環,正常的物料循環要求流化速度不低于l—3ms,而流化速度與風量密切相關.通常情況下,一次風量占總風量的60%。  (不同CFB鍋爐不完全一致,大至在40%~60%之間。我國由于環保標準中沒有規定對NOX的排放要求,所以,一次風通常在60%以上)。

          在控制回路中,來自總風量調節的一次風量指令作為一次風量調節的設定值。通過調節一次風擋板達到所需的一次風量。

          需注意在通過調節給煤量和風量來控制鍋爐負荷時,要求床溫維持在一定的范圍內,才能保證鍋爐正常燃燒,所以,一次風量控制還應與床溫控制結合起來考慮。同時從布風板上測得的床溫也可幫助床料是否處于良好的流化狀態。

       

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       13二次風量控制(6)

          二次風作用是維持爐膛內煤粉的燃燒有恰當的空氣量,通過分級送風,調節各級風量使爐膛溫度基本均勻,降低NOX的生成,同時也使爐膛下部處于缺氧燃燒狀態,有利于將床溫維持在要求的范圍內。

      可采用具有氧量校正回路的串級調節,由副調節器控制二次風量滿足總風量的一、二次風比例要求,同時氧量校正回路進一步細調這一比例,實現最經濟燃燒。調節對象是二次風上下兩層總管的二次風擋板。

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       134  J(回料閥)風量控制

          回料系統是CFB鍋爐的重要組成部分,通過控制回料器上升段及下降段的風量,來維持正常的物料循環,將床溫穩定在要求的范圍內,同時需保證旋風分離器底部起密封作用的物料具有一定高度。防止爐膛煙氣反串燃燒引起回料系統結焦。

          一般設兩臺J閥回料器,每個回料器有多只風管供風,適當選擇其中幾只用于調節J(回料閥)風量以控制回料量,通過回料量控制床溫。由于不同的CFB鍋爐結構不同,床溫控制方法也有差異,將在床溫控制部分詳細講述。

          1床溫控制

          床溫是CFB鍋爐較難控制的參數,同時又是保證鍋爐安全、穩定運行必不可少的條件。煤種、給煤量、回料量、風量、風煤比、床壓、負荷等的變化均可引起床溫的變化。在正常范圍內,負荷上升時,同時增加投煤量和風量會使床溫升高。   

          一般床溫通過布置在密相區及爐膛各處的熱電偶監測,從提高燃燒效率及傳熱系數角度講,希望床溫高一些;從脫硫(理想的反應溫度是840900℃,溫度超過950℃時,反應就不能發生了)、降低NOx排放的角度講,希望床溫低一些,因此一般CFB鍋爐床溫要求在820900℃,燒無煙煤時稍高一些。但均應保證密相區溫度低于灰的變形溫度,否則會引發結焦,破壞正常的流化燃燒,使運行被迫中斷,造成事故;相反過低的床溫則使鍋爐出力不足,嚴重時造成鍋爐滅火。

          床溫控制具體來說,根據循環流化床鍋爐的分級燃燒特性,可調節一、二次風比和合理的風煤比維持在要求的范圍內。床溫高一值時,將一次風量及煤量減少一定比例;床溫高二值時,一、二次風、煤量全切為手動。

          中低溫的CFB鍋爐主要通過改變回料量(J閥風量控制)來控制床溫,床溫升高時增加回料,反之減少。

          CFB鍋爐裝有熱交換器(從發展趨勢來看,大型CFB鍋爐均要求設置熱交換器),則對床溫控制有很大的幫助,通過控制被熱交換器冷卻了經再循環送入燃燒室的固體物料量宋控制床溫。熱交換器一般為外置式,目前世界已投運最大的,  由法國阿爾斯登(Srein)公司制造的250MW循環流化床鍋爐就采用于外置式熱交換器,其中兩只熱交換器內布置中溫過熱器,用于控制爐膛溫度。

          1床料控制

          床料高度的穩定對正常運行很重要,床料過高使阻力增大,可能造成風室和風道的振動;床料過低時鍋爐帶負荷能力降低,出力不足;而且床料過高或過低都會影響流化質量,引發結焦。

          調節排渣口開度控制放渣量控制床料高度(排渣口開度未設自動時,可設定床層壓降或控制點壓力,到達上限時放渣,下限停止放渣;如床料過低,可適當添加石灰石或渣補充)。

       1石灰石控制(7)

          

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          進入燃燒室的石灰石用于CFB鍋爐脫硫,石灰石受熱分解為氧化鈣和二氧化碳,其中氧化鈣與燃燒產生的二氧化硫反應生成硫酸鈣,同時石灰石也作為床料起到傳熱作用。

          采用串級控制系統。需控制石灰石與煤比例(鈣硫比);由于石灰石送入爐膛需要的空氣量與爐內脫硫反應所需的空氣量不能完全抵消,將影響爐內原有的過??諝庀禂?,所以調節中引入了氧量校正。

          2  燃燒安全保護系統

        CFB鍋爐燃燒安全保護系統用于監視、控制燃燒室內的燃料與空氣,防止燃料與空氣混合物產生的不安全工況。必要時,切除燃料系統,以保證鍋爐安全運行,  目標與常規煤粉爐一致。

          CFB鍋爐燃燒安全保護系統可分為爐膛監測和主燃料跳閘(MFT)兩部分。

          2爐膛監測

          CFB鍋爐由于爐內溫度分布均勻,爐膛徑向和軸向溫度波動小,爐膛內物料濃度大,無常規煤粉爐燃燒形成的典型火焰,所以不采用常規煤粉爐的光學火焰監測裝置,一般通過布置在爐膛內適當位置的熱電偶測量溫度來監視,并與設定值比較后確定采取相應的措施。但風道燃燒器(風道點火器)內可裝設符合要求的光學火檢裝置。用于監視鍋爐點火過程。

        2主燃料跳閘(MFT—Main fuel Trip)

          CFB鍋爐在檢測到發生危害人身和設備安全工況時,發出主燃料跳閘(MFT)信號。以下是CFB鍋爐特有的MFT工況:

          I.床溫低(當風道燃燒器不運行時);

          II.裝有熱交換器的CFB鍋爐,流經熱交換器的水量不足;

          以上兩種跳閘均帶有延時。除停燃料給煤外,還停一、二次風機運行,與常規煤粉爐不同,風機停延時一般為5分鐘。用以排除燃燒室和煙道內的可燃物。

          CFB鍋爐與常規煤粉爐均具有的MFT工況:

          I.所有送風機(一、二次風機)或引風機跳閘;

          II.爐膛壓力過高或過低;

          III.汽包水位超限3分鐘;

          IV.手動MFT

          某些不良的運行工況,如給煤波動、煤質等變化造成床溫波動時,根據實際情況,可不必實施MFT,如通過輔助油槍穩燃等維持運行。

          隨著計算機技術及控制水平的提高,  目前中小型機組也大量采用了分散控制系統(DCS-Distribute Control System),循環流化床鍋爐由于控制復雜,對運行人員要求高,更需要提高自動化水平,采用DCS是大勢所趨。

          結束語:

      以上是本人對CFB鍋爐控制系統的分析。結合了福建省石獅熱電廠2×35th75th循環流化床鍋爐的控制設計,并參考寧波220th循環流化床鍋爐(均為東鍋引進福斯特——惠勒公司技術生產)及內江410th示范循環流化床鍋爐等大型CFB鍋爐的控制系統。由于CFB鍋爐的容量日益大型化,影響控制的因素眾多,需要控制的項目不斷增加,所以在實際工程應用中還需結合具體情況加以完善和改進。 

       

      文章作者:王 毅(福建省電力勘測設計院  350003)

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