CFB鍋爐爐內脫硫石灰石輸送控制步序的改進

摘要：循環流化床鍋爐（CFB）因具有效率高、負荷調節靈活、燃料適應性廣、環保性能好等優點而被火力發電廠廣泛應用。某電廠脫硫采用的是爐內噴鈣脫硫技術，以爐內噴鈣的方式作為脫硫吸收劑來降低煙氣二氧化硫的排放濃度。爐內石灰石量的控制直接影響鍋爐煙氣二氧化硫的環保排放濃度，石灰石自動控制功能的完善直接關系到機組環保指標的控制和機組的經濟運行。為了提高系統的整體輸送出力，避免發生石灰石斷料情況，結合系統的實際控制流程對原設計的石灰石注料控制步序進行優化改進，有效縮短了石灰石輸送系統注料控制步序的循環運行時間。

關鍵詞：CFB；爐內脫硫；石灰石；控制步序

中圖分類號：TK323" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0070-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.018

0" " 引言

某電廠4×200 MW機組鍋爐采用中國科學院工程熱物理研究所和上海鍋爐廠合作研制的超高壓、自然循環、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣循環流化床鍋爐，型號為SG-690/13.7-M451。鍋爐原有爐內脫硫石灰石輸送系統為上海中芬電氣工程有限公司設計制造，設計脫硫系統出力為6 t/h。鍋爐設計有石灰石粉倉和石灰石氣力輸送系統，石灰石輸送系統采用正壓稀相氣力輸送方式，由于鍋爐燃燒煤種含硫量高，現有的脫硫系統無法滿足排放濃度環保新要求。

為了保證石灰石系統穩定長期運行，滿足環保排放新要求，電廠實施了鍋爐脫硫石灰石輸送系統的改造，改造保留原石灰石粉倉，將原石灰石粉倉的下料口由原來的單下料口擴口改造為褲衩型雙下料口，并分別在兩個下料口各布置了一套給料機出力為15 t/h的石灰石輸送系統（系統包含進氣系統、給料系統、管道輸送系統、控制系統等）[1]。在鍋爐正常運行過程中，石灰石粉倉的石灰石粉通過重力進入石灰石輸送系統的倉泵，通過兩個倉泵交替進料，將石灰石粉通過變頻給料機和氣力輸送管線輸送至鍋爐前后墻附近，然后通過各支路分別從爐后分離器回料閥和前墻二次風口噴入爐膛內部[2]，實現爐內噴鈣脫硫的目的。石灰石輸送系統結構如圖1所示，系統改造對原粉庫增加氣化加熱系統，石灰石系統輸送流程如圖2所示。

石灰石輸送系統改造的系統調試過程中，在機組高負荷狀態下發現原設計的石灰石輸送系統控制流程無法滿足系統輸送的出力，影響鍋爐的整體脫硫效率和環保排放，為最大限度提高石灰石輸送系統設備的出力，通過對石灰石輸送系統原控制流程的優化，縮短輸送系統注料控制步序的循環運行時間，從而提高石灰石系統的整體輸送出力，確保鍋爐的整體脫硫效率和環保達標排放，使機組發電生產更加安全、環保及經濟。

1" " 石灰石輸送系統工作原理

石灰石輸送系統的石灰石粉料采用正壓稀相氣力輸送方式，輸送氣源來自專用輸送空壓機。一般由粉罐車通過氣力輸送方式將石灰石粉由粉倉的進料管道輸送到粉倉，石灰石粉倉頂部配備有除塵風機為粉倉維持壓力平衡，并實現粉倉除塵，粉倉作用主要是存儲石灰石粉。改造后的石灰石輸送系統（以單側為例）由共用粉倉、兩個壓力容器、一個容積式給料器和壓縮空氣配氣組件構成，結構如圖3所示。其中容積式給料器通過齒輪箱由變頻電機驅動，通過變頻器調節電機速度來調節設備出力。兩個壓力容器垂直布置，上邊的稱為收料泵，下邊的叫給料泵，每個泵的進口裝氣動圓頂閥，通過給圓頂閥密封膠圈充氣，從而實現嚴密密封。該系統在正常情況下連續運行，物料輸送時，給料泵將被充氣加壓，而收料泵的作用是依據料位信號連續、及時地將石灰石物料注入給料泵中，并把具有輸送壓力的給料泵和石灰石粉倉相互隔離，防止輸送壓縮空氣串入粉倉，從而保證物料連續被輸送到回料閥和爐膛中。

2" " 石灰石程控控制步序的改進

2.1" " 原石灰石輸送系統注料程控步序

原石灰石輸送系統注料程控步序的初始狀態：收料泵圓頂閥處于關閉狀態，收料泵處于空倉狀態。

當給料泵內部的音叉式低料位開關未被石灰石覆蓋而被觸發料位低時，石灰石給料過程按照如下方式開始：打開收料泵排氣圓頂閥進行排氣，收料泵內壓力逐漸開始下降，收料泵內余壓氣體被排出，當余壓排放壓力達到低限收料泵入口圓頂閥打開，石灰石粉料依靠重力由石灰石粉倉落入收料倉泵內。當收料倉泵頂部的音叉式高料位開關觸發或當設定的進料定時器計時完成，收料泵的入口圓頂閥關閉，同時排氣圓頂閥關閉，然后打開收料泵的壓力均衡閥，此時收料泵內壓力開始上升。當收料泵內壓力大于或接近給料泵的壓力時，收料泵的壓力均衡閥關閉。此時給料泵的平衡閥打開，給料泵上部壓縮空氣通過平衡閥返回收料泵，然后給料泵入口圓頂閥打開，石灰石粉料依靠重力從收料泵落入給料泵。當石灰石進料達到預先設定的進料時間后，則石灰石粉料由收料泵落入給料泵的過程結束，此時收料泵的壓力均衡閥、給料泵的入口圓頂閥以及平衡圓頂閥同時關閉。當給料泵圓頂閥關閉并達到密封，則一次石灰石注料過程完成，石灰石通過給料泵底部的變頻給料機輸送至輸送管路，當給料泵的低料開關位信號重新觸發后，系統進行下一個新的注料循環。

石灰石的具體程控步序如下：

步序1：當給料泵的低料位信號被觸發時，收料泵的排氣閥帶電打開，同時排氣定時器（10 s）和填料循環監視定時器（140 s）將開始計時，收料泵中的壓力逐漸開始下降。

步序2：當收料泵的壓力下降到低于定值0.2 bar（g）并且設定的排氣定時時間到，收料泵的進口圓頂閥將帶電打開，同時收料泵的壓力均衡閥也將得電打開，此時收料泵的填料定時器（30 s）將開始計時，物料將通過重力由石灰石粉倉落入收料泵中。

步序3：當收料泵頂部的音叉式高料位開關被石灰石粉覆蓋，或當收料泵的填料定時器完成，收料泵的進口圓頂閥和排氣圓頂閥失電分別關閉后，收料泵壓力均衡閥打開，收料泵的壓力將開始上升。

步序4：當收料泵中的壓力大于等于給料泵中的壓力時，收料泵的壓力均衡閥將失電而關閉，給料泵的進口圓頂閥得電而打開，同時給料泵進口圓頂閥的進料定時器（30 s）將開始計時，石灰石粉料將通過重力由收料泵落入給料泵中。

步序5：給料泵的進口圓頂閥打開后，收料泵的壓力均衡閥和給料泵平衡閥將分別打開。

步序6：當給料泵進口圓頂閥的進料定時器計時完成，收料泵壓力均衡閥、給料泵進口圓頂閥和給料泵平衡閥將分別關閉。

步序7：當給料泵進口圓頂閥和平衡閥被關閉后，循環復位時間（3 s）將開始計時。

步序8：當循環復位定時器已完成，填料循環將被完成。

原石灰石輸送系統注料程控步序存在的問題：從上面的控制步序可以看出，當一個注料循環程序控制完成以后，石灰石輸送注料系統回到初始狀態，系統處于等待狀態，此時收料泵圓頂閥關閉，收料泵為空的狀態，如果此時給料泵料位低信號觸發，收料泵開始執行收料泵進料步序，然后才執行給料泵的進料步序。在鍋爐脫硫石灰石用量大，石灰石給料機出力較大的情況下，給料泵料位低信號觸發后，如按照原控制步序就不能及時執行給料泵的進料步序進行補料，會導致給料泵因料位低而斷料，從而影響輸送系統的整體出力，最終引起石灰石輸送系統爐內噴鈣中斷而影響鍋爐的整體脫硫和環保排放。

2.2" " 石灰石輸送系統注料程控步序的優化

為了縮短系統注料循環運行時間，提高系統的整體輸送出力，避免發生石灰石斷料情況，結合系統的實際控制流程對原設計的石灰石注料控制步序進行優化，縮短石灰石輸送系統注料控制步序的循環運行時間。

通過對原石灰石注料程控步序的分析，在給料泵料位低信號觸發后，要想及時對給料泵進行補料，防止系統斷料，那么必須首先執行給料泵的進料步序而非收料泵的進料步序，這樣的話前提是收料泵內必須有料，這就需要在給料泵低料位信號未觸發時就提前執行收料泵的進料程序，從而將石灰石系統的注料程序控制優化為：在石灰石輸送系統注料程控步序的初始狀態，收料泵圓頂閥關閉，應使收料泵保持在高料位的狀態。此時當給料泵內的低料位開關低信號被觸發，注料程控步序按照如下方式開始：給料泵的平衡閥打開，給料泵上部的壓縮空氣通過平衡閥進入收料泵，當兩側壓力差達到設定值，則給料泵入口圓頂閥打開，處于高料位的收料泵內的石灰石粉料依靠重力從收料泵落入給料泵。同時為了更好地落料，此時應開啟收料泵壓力均衡閥。當落料時間達到預先定時器設定的時間之后，視石灰石粉料由收料泵注入給料泵的過程結束，此時關閉收料泵的壓力均衡閥、給料泵的入口圓頂閥及平衡圓頂閥。當給料泵圓頂閥關閉達到密封壓力，給料泵進料過程完成。此時作為優化重點，在收料泵內物料排空的狀態，高料位開關信號消失，打開收料泵排氣圓頂閥，收料泵內壓力開始下降，收料泵內余壓氣體排出，余壓排放完畢達到設定壓力，則收料泵入口圓頂閥打開，石灰石粉料依靠重力再次由石灰石粉倉落入收料泵內。此時當收料泵高料位開關信號觸發或填料定時器計時已完成，收料泵的入口圓頂閥關閉，并關閉排氣圓頂閥。當系統檢測到收料泵的壓力均衡閥、給料泵的進口圓頂閥及平衡閥關閉后，石灰石的一次石灰石注料過程完成，當給料泵低料位開關信號重新觸發后，則進行下一個循環。

具體優化控制步序如下：

步序1：當給料泵的低料位信號被觸發時，收料泵壓力均衡閥打開，收料泵的壓力開始上升。

步序2：當收料泵中的壓力大于或接近給料泵中的壓力時（30 kPa），收料泵的壓力均衡閥程控關閉，給料泵的平衡閥程控打開。

步序3：給料泵的平衡閥程控被打開后，給料泵的進口圓頂閥和收料泵的壓力均衡排氣閥分別打開，給料泵進料定時器（50 s）將開始計時，石灰石粉料依靠重力將由收料泵落入給料泵倉泵中。

步序4：當給料泵填料定時器已完成，收料泵壓力均衡閥、給料泵進口圓頂閥和給料泵平衡閥分別關閉。

步序5：當收料泵壓力均衡閥、給料泵進口圓頂閥和給料泵平衡閥關閉后，收料泵的排氣閥打開，同時排氣閥的定時器（10 s）計時開始，收料泵中的倉泵壓力將下降。

步序6：當收料泵的倉泵壓力下降到小于20 kPa或排氣的定時器計時到后，收料泵的進口圓頂閥程控打開，倉泵進料定時器（10 s）將開始計時，石灰石粉料將由石灰石粉倉進入收料泵中。

步序7：當收料泵的高料位開關被石灰石粉覆蓋，或進料定時器計時完成，收料泵的入口圓頂閥和排氣圓頂閥將分別關閉，在收料泵的進口圓頂閥與排氣圓頂閥分別關閉后，系統循環復位時間（3 s）將開始計時。

步序8：當循環復位定時器已完成，填料循環將被完成。

3" " 程控控制步序改進后的效果

通過對鍋爐爐內脫硫石灰石輸送系統控制流程的優化，可以有效縮短給料泵料位低狀態下給料泵的補料進料時間，并充分利用給料泵補充進料后系統的循環等待時間，提前執行注料控制步序中的收料泵進料步序，縮短系統注料控制步序的整體循環運行時間，從而保證在給料泵料位低信號觸發時及時對給料泵進行補料，提高石灰石輸送系統的整體輸送出力，確保石灰石輸送系統運行的連續性和穩定性，從而提高爐內脫硫效率，降低SO2排放濃度，使機組發電生產更加安全、環保及經濟。

石灰石輸送注料控制步序前后效果比較如圖4所示。

4" " 結語

電廠#1、#2、#3、#4機組CFB鍋爐脫硫石灰石輸送系統均按上述技術優化方案實施了控制優化，目前系統運行正常，各臺鍋爐石灰石輸送系統運行狀況良好，四臺鍋爐在額定工況下均能保證脫硫石灰石輸送系統的輸送出力，鍋爐SO2排放均能穩定達標。

[參考文獻]

[1] 寇宏偉.循環流化床鍋爐脫硫系統改造及煙氣污染物排放特性試驗[D].北京：華北電力大學，2016.

[2] 胡育芳.小型循環流化床鍋爐投入石灰石脫硫對鍋爐運行的影響及改進措施[C]//2014火電廠污染物凈化與節能技術研討會論文集，2014：129-131.

收稿日期：2022-12-08

作者簡介：閆普（1978—），男，內蒙古包頭人，工程師，從事電廠生產技術管理及熱工控制的優化與研究工作。