循環(huán)流化床鍋爐自控技術(shù)的應(yīng)用

張永剛

（青島海西熱電有限公司，山東青島 266400）

1 國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐的研制雖然在20世紀(jì)60年代初就已經(jīng)開始，但我國循環(huán)式流體化床鍋爐的研制卻相對(duì)較晚，直到1989年11月，山東明水電廠才投入使用第一臺(tái)35t/h 循環(huán)流化床鍋爐。此后，各中小型電廠相繼投產(chǎn)一批中小型循環(huán)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(huán)流化床鍋爐（約75t/h）。三臺(tái)鍋爐+二臺(tái)發(fā)電機(jī)或二臺(tái)鍋爐+一臺(tái)發(fā)電機(jī)的配置現(xiàn)在很流行，其中大部分是在國內(nèi)開發(fā)的，只有少數(shù)是采用特許技術(shù)生產(chǎn)的。循環(huán)流化床鍋爐的生產(chǎn)和應(yīng)用在短期內(nèi)取得了很大的發(fā)展。由于基礎(chǔ)研究工作落后，我國研制的220t/h （50MW）高壓循環(huán)式流體化床鍋爐除持牌技術(shù)生產(chǎn)的鍋爐外，尚未得到推廣。

2 影響循環(huán)式流體化床鍋爐自動(dòng)控制的因素

一直以來循環(huán)流化床鍋爐自動(dòng)控制都是關(guān)注焦點(diǎn)，而循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制現(xiàn)在存在著各種各樣的問題。其中一些問題是由于鍋爐設(shè)計(jì)不當(dāng)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)配置過于簡單。這些問題大幅降低了自動(dòng)化水平，有的甚至使自動(dòng)控制無法實(shí)現(xiàn)。主要問題列舉如下：

1）火力發(fā)電一般采用三鍋爐二機(jī)主管結(jié)構(gòu)電站設(shè)有循環(huán)流化床鍋爐，三臺(tái)鍋爐通過主管道相互影響，因此其熱負(fù)荷可能會(huì)有較大的波動(dòng)。

2）給煤機(jī)設(shè)計(jì)不合理可能導(dǎo)致堵煤，需要人工清理。二次回路有時(shí)會(huì)發(fā)生堵煤或塊煤下落，引起床層低溫熄火或高溫結(jié)焦。

3）目前大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐缺乏必要的監(jiān)控儀表和調(diào)節(jié)手段，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，儀表配置不合理，測(cè)點(diǎn)較少。如：瞬時(shí)給煤量檢測(cè)信號(hào)不明顯；氧化鋯分析儀運(yùn)行不穩(wěn)定；無法檢測(cè)密相和稀相燃燒區(qū)的比例；床層溫度檢測(cè)點(diǎn)位于同一平面，無法顯示不同平面的溫度；風(fēng)量檢測(cè)點(diǎn)分布不合理，難以精確控制風(fēng)量比例；自平衡回風(fēng)機(jī)構(gòu)造成瞬時(shí)燃燒控制困難；操作人員操作不當(dāng)造成鍋爐頻繁停爐。

（4）目前運(yùn)行的75t/h 循環(huán)流化床鍋爐，排渣系統(tǒng)不完善，沒有安裝冷渣器，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(yán)重的灰渣泄漏，導(dǎo)致氧含量測(cè)量不準(zhǔn)確。

（6）在循環(huán)流化床鍋爐灰渣循環(huán)系統(tǒng)中，除少數(shù)螺旋錐閥外，一般采用J、L 或V 型非機(jī)械閥。非機(jī)械式閥門沒有活動(dòng)部件，開度由供氣控制，操縱性明顯較差。非機(jī)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(jìn)口流量，閥門本身絕對(duì)沒有調(diào)節(jié)功能。另一種非機(jī)械式閥門是 L 形閥，其流量可調(diào)。L 閥最大的問題在于垂直管段的料位測(cè)量。垂直段燃料水平過低會(huì)導(dǎo)致閥門密封不良和結(jié)焦，這些問題會(huì)給自動(dòng)控制帶來很大困難。

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

3 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的檢測(cè)與控制

在討論循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制之前，首先分析了其燃燒原理。循環(huán)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(fēng)和二次風(fēng)排列，一些工廠設(shè)計(jì)有三次風(fēng)。一次風(fēng)送到燃燒室下面的空氣分配器對(duì)煤層進(jìn)行流化。二次空氣以不同等級(jí)和點(diǎn)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(fēng)加強(qiáng)鍋爐的燃燒。燃燒室內(nèi)的物料會(huì)受到流化空氣的強(qiáng)烈干擾，一些固體顆粒會(huì)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(dòng)，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(duì)流氣體管道后離開鍋爐。因?yàn)樵谘h(huán)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(nèi)，所以爐內(nèi)的灰分很高。循環(huán)流化床鍋爐不同于一般只有爐內(nèi)輻射傳熱的鍋爐，它還通過對(duì)流傳熱，大幅提高了鍋爐爐膛的傳熱系數(shù)，保證了鍋爐的額定出力。

燃料床溫度是指密相燃燒區(qū)的流化燃料溫度，即床層溫度。它是關(guān)系鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，在運(yùn)行過程中控制在850～950℃。當(dāng)溫度過高時(shí)，流化床結(jié)焦可能引起鍋爐故障，過低則可能導(dǎo)致低溫結(jié)焦和火焰失效。一般來說，上限是970℃，下限是800℃。在鍋爐運(yùn)行過程中，通過調(diào)整給煤速度、一次風(fēng)量和回煤量，將燃料床溫度控制在允許范圍內(nèi)。但負(fù)荷調(diào)節(jié)也是通過改變給煤速度和一次風(fēng)速度來實(shí)現(xiàn)的，因此當(dāng)燃料床溫度改變時(shí)，鍋爐負(fù)荷也會(huì)改變。這樣就形成了一個(gè)明顯的沖突。如果燃料床溫度可以用另一種獨(dú)立的方式控制，那就沒問題了。雖然回煤溫度的調(diào)整可能改變?nèi)剂蠈訙囟龋瑢?duì)鍋爐負(fù)荷影響不大，但由于目前使用的循環(huán)流化床鍋爐大多數(shù)僅采用自平衡式回流裝置，這種改變?nèi)剂蠈訙囟鹊姆椒ㄊ遣滑F(xiàn)實(shí)的。此外，大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐的溫度檢測(cè)點(diǎn)現(xiàn)在都安排在同一個(gè)平面上，不能即時(shí)準(zhǔn)確地顯示不同層面的實(shí)際溫度，如果在設(shè)計(jì)時(shí)更合理地安排這些溫度檢測(cè)點(diǎn)，控制工作就更容易。

燃料床壓差是反映燃料床深度的參數(shù)。一般而言，氣室與燃燒室上邊界面之間的實(shí)測(cè)壓差被看作是燃料床壓差的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。燃料床深度越大，測(cè)得的壓差越大。在鍋爐運(yùn)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(huì)變差，從而導(dǎo)致爐膛結(jié)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(shí)，應(yīng)設(shè)定合理的深度上限和下限。目前運(yùn)行的75t/h 循環(huán)流化床鍋爐，排渣系統(tǒng)不完善，沒有安裝冷渣器，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(yán)重干擾了控制系統(tǒng)。爐膛壓差反映爐膛內(nèi)固體物質(zhì)的濃度。一般來說，測(cè)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(cè)量值。一般來說，壓差越大，爐內(nèi)物質(zhì)的濃度越高。爐膛的傳熱系數(shù)越大，鍋爐的有效負(fù)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(jié)束除灰，應(yīng)設(shè)置上限和下限。

通過改變回煤流量來控制鍋爐運(yùn)行是一個(gè)明顯的特點(diǎn)與循環(huán)流化床鍋爐燃燒時(shí)，返渣起著重要的作用，而返渣實(shí)際上是熱載體，將熱量從燃燒室傳遞到爐膛上部，從而使?fàn)t內(nèi)溫度場(chǎng)更加均勻。循環(huán)流化床鍋爐由于采用多種傳熱方式，其傳熱系數(shù)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(jìn)一步控制鍋爐負(fù)荷。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制包括燃料床溫度控制和鍋爐負(fù)荷控制，其中循環(huán)流化控制受到高度重視。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的原理可知，循環(huán)式流體化床鍋爐實(shí)際上是指燃料流化和飛灰循環(huán)。所以循環(huán)流化床鍋爐的控制實(shí)際上是對(duì)燃料流化和循環(huán)的控制，而循環(huán)流化的關(guān)鍵問題在于返灰和排渣，對(duì)此我國目前還沒有找到一個(gè)較好的解決辦法。如果這個(gè)問題能解決，循環(huán)流化床鍋爐燃燒參數(shù)的控制將變得更加容易。

鍋爐運(yùn)行時(shí)風(fēng)量調(diào)節(jié)，一般通過改變風(fēng)門開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量。但是，這對(duì)循環(huán)流化床鍋爐來說顯然是不夠的，因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐對(duì)風(fēng)量有精確的要求。在正常情況下，當(dāng)一次風(fēng)已滿足流化要求時(shí)，只需改變二次風(fēng)和三次風(fēng)，如果需要調(diào)整總風(fēng)量，則保持一次風(fēng)恒定。由于一次風(fēng)量與流化質(zhì)量有直接的關(guān)系，其下限已在以往操作前的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中確定。一次風(fēng)低于下限時(shí)，燃料流化不好，如果這種情況持續(xù)較長時(shí)間，可能會(huì)結(jié)焦。對(duì)于二次風(fēng)，根據(jù)過熱器后煙氣中的氧含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制在3%～5% 左右。如果氧氣含量過高，則意味著風(fēng)量過大，會(huì)增加煙氣損失，如果氧氣含量過低，則會(huì)引起不合格燃燒，從而增加化學(xué)不合格燃燒損失和機(jī)械不合格燃燒損失。在運(yùn)行過程中，如果總風(fēng)量不足，應(yīng)逐漸提高送、引風(fēng)量以滿足燃燒要求，然后逐一調(diào)整一、二、三次風(fēng)，使鍋爐達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。目前運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐主風(fēng)量計(jì)量裝置沒有儀表盤，無法精確控制風(fēng)量調(diào)節(jié)和配風(fēng)量。此外，有時(shí)氧氣測(cè)量可能不可靠，由于太大的空氣泄漏。根據(jù)鍋爐負(fù)荷情況，對(duì)燃料床壓差、溫度、爐膛壓差、回煤溫度等進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)改變給煤量、風(fēng)量和回煤灰量，獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)合理的鍋爐的負(fù)荷不應(yīng)與其燃料床溫度相沖突，即如果鍋爐是根據(jù)制造商提供的負(fù)荷-風(fēng)量曲線運(yùn)行，其床溫應(yīng)保持在允許的范圍內(nèi)。如果在正常條件下，鍋爐負(fù)荷升高時(shí)床層溫度大幅度升高，導(dǎo)致溫度升高或結(jié)焦，則意味著鍋爐本身設(shè)計(jì)不合理，鍋爐無法承受如此高的負(fù)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(fù)荷-風(fēng)量-床溫功能變送器和自識(shí)別工況選擇器。該控制器可根據(jù)實(shí)際燃燒條件，根據(jù)優(yōu)先關(guān)系智能確定控制負(fù)荷或床層溫度。一般在床層溫度不會(huì)導(dǎo)致結(jié)焦的情況下，采用控制給煤量的指令，同時(shí)，還要感應(yīng)爐膛壓差來調(diào)節(jié)負(fù)荷，實(shí)際的方法是通過增加一次風(fēng)壓和二次風(fēng)量來提高負(fù)荷。同時(shí)，根據(jù)合理的風(fēng)煤比和經(jīng)濟(jì)燃燒原理，按比例調(diào)整一、二次風(fēng)量，保證經(jīng)濟(jì)燃燒。只有當(dāng)床層溫度上升到一定程度時(shí)，一、二次風(fēng)之間的協(xié)調(diào)作用才會(huì)轉(zhuǎn)向降低床層溫度一側(cè)。床層溫度可以通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)和二次風(fēng)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(gè)限度，只能通過增加或減少給煤量來調(diào)節(jié)床溫。

4 結(jié)語

循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中遇到了許多問題，這些問題隨著鍋爐的技術(shù)和類型的不同而有很大的差異。針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計(jì)、制造、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行等過程中可能出現(xiàn)的問題，提出了鍋爐制造商、設(shè)計(jì)商和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)商應(yīng)相互配合，盡力為其他部分的設(shè)計(jì)和制造提供方便，以便在不久的將來獲得滿意的循環(huán)流化床鍋爐控制。