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来源：职称驿站所属分类：工业设计论文 发布时间：2013-03-11浏览：45次
摘 要 ：文章就热工控制系统在某火力发电厂的运行情况，全面的论述了循环流化床锅炉的运行特点，并针对性的进行热工控制系统局部改造、系统完善和参数优化，使机组的自动控制水平能很好的满足大型循环硫化床锅炉的控制要求，安全稳定的长期投入运行。
关键词 ：协调控制,循环硫化床锅炉,调节品质
循环流化床锅炉(CFB)是八十年展起来的新一代燃煤流化床锅炉，具有燃烧适应性广，燃烧效率高，燃烧强度大，负荷调节范围大，低污染等特点。它是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反映过程;同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般控制在850～950℃左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可在炉内组织廉价而高效的脱硫工艺，可以使SO2的排放量大大降低，并且采用低温分级送风燃烧，使燃烧始终在过低量空气下进行，从而降低了NOx的生成，使锅炉排放物达到环保标准。
1.流化床机组控制简介
由于循环硫化床锅炉在工艺和燃烧上与常规煤粉炉的较大差异，所以形成了它燃烧调整难度大及多变量耦合的控制特性，本文以山西潞安余吾热电厂的两台480t/h流化床锅炉为例，通过机组调试过程中的经验和问题，以热工角度谈谈其控制特点。首先，流化床锅炉的惯性大、迟延时间长;循环流化床锅炉独特的燃烧特性使其适应煤种的特性很强，其惯性大和迟延时间长，突出表现在压力变化的滞后，与正常的汽机相配合，形成很明显的‘炉慢机快’特性，所以控制压力的稳定就成为影响硫化床机组协调控制的最大障碍。其次，控制方式有其局限性;由于目前电网以安全经济运行为前提，对电厂而言正常运行首先要控制为稳定的负荷，所以流化床机组只能适应‘炉跟机’模式的协调控制系统，即以牺牲压力为前提稳定负荷控制。再次，多变量耦合的控制结构;对一般的闭环控制系统来讲，单一变量或多个变量只主要影响一个控制对象，而硫化床锅炉是一个多变量的耦合结构，是多变量影响多个控制对象且非线性的、主次不分的、时变的、相互矛盾的耦合结构，控制稳定的难度也就可想而知。最后，非定量的控制对象;对流化床锅炉来讲，某些控制对象不要求被控制为一个定量，而是控制在一个范围之内，比如床温控制，它是保证在一定的安全范围之内，这样控制系统的设计就不同于常规的控制对象。
2.流化床锅炉的控制策略
CFB锅炉的结构及运行方式具有自身的特殊性，其控制系统需要针对相应特点进行设计。下面分别对各控制子系统予以描述。
2.1锅炉负荷控制
单元制机组锅炉负荷指令，在单元制机组中，锅炉负荷指令在协调主控系统中形成。以山西潞安余吾热电工程来说，锅炉负荷指令根据主汽压力作为主调量，通过实际压力与运行人员的设定压力偏差校正运算，以电功率(MW)指令、功率给定和实际功率的偏差以及汽包压力作为前馈量，经过修正函数和速率限制环节后作用于负荷控制回路。如下图所示：
汽机调速系统接受协调系统中汽机主控调节器输出，在机跟炉方式下，通过汽机调门控制主汽压力。在协调控制方式下，调节器接受实际电功率和功率设定值的偏差，输出指令至DEH系统，通过汽机调门的开关控制电功率。在对电负荷相对响应速度较快的前提下为了不过分利用锅炉蓄热而使主汽压力有较大波动，在汽机主控调节器输出指令回路引入主汽压力偏差的函数校正前馈，以控制主汽压力适度波动而加快电功率(MW)跟随指令。当汽机侧不能承担主汽压力调节任务时，锅炉负荷以稳定主汽压力为目的。具体见下图：
锅炉负荷指令信号使燃料量和所需的空气量协同改变，在维持CFB运行工况的前提下改变输出蒸汽流量及参数，使之与负荷指令相适应。
2.2风量控制
根据锅炉负荷指令与实际总煤量对应的风量取大值，并考虑烟气含氧量的校正，再经
最小值限制，作为总风量指令信号。该风量可保证升负荷时先增风量，后增燃料;降负荷时先降燃料，后降风量，防止燃料富余。根据此总风量指令信号，按预设的函数关系分配为一次风量(床下配风)指令和二次风量(床上配风)的控制指令。
(1)一次风控制
一次风用来流化床料，并为燃料的燃烧提供初始燃烧氧气。一次风的增减对床温的影响很大，本机组一次风的主调节回路为锅炉密相区的平均床温，经过惯性环节后作为主被调量，锅炉侧的给煤指令经函数修正后作为前馈加入主调指令中，形成副调系统的设定值。副调系统以一次总风量为被调量输出控制指令，控制一次风机入口挡板开度。为了确保一次风量不低于最小安全流化风量，在自动调节过程中设置了入口挡板的最低开度指令，通过实际运行中得到两台一次风机的入口挡板不能低于22.3%的最小流化风量开度，以满足锅炉安全运行及床温调整的要求。其控制回路见下图：
(2)二次风控制
二次风为床料提供燃尽风，主要承担调节烟气含氧量的任务，以保证锅炉的燃烧率。根据机组实际负荷所对应的氧量值，加上运行人员根据实际情况所设的氧量偏置，作为二次风主调回路的给定值，通过PID调节回路输出主调指令，以锅炉主控指令所对应的风量函数作为前馈，实际上也是风煤比环节，加入主控指令中作为副调系统的设定值。此时要注意锅炉低负荷时所对应风量的最低值，要保证最低燃烧风量。副调系统以总风量为被调量，输出指令控制相应的二次风机液耦开度，使二次风量满足运行要求。控制回路见下图：
山西余吾热电厂的二次风由两台二次风机提供，通过调节二次风机入口挡板及二次风机液耦，控制二次风风量，以满足氧量需求和保证炉膛内的充分燃烧。
2.3燃料控制
锅炉负荷指令是由系统的主汽压力与压力设定值的相比较的主PID输出，加以电功率和汽包压力的前馈函数，通过炉主控输出到给煤环节的。，在燃料控制系统中，炉主控指令并经床温控制校正信号修正后作为给煤调节的设定值，所有输入锅炉的燃煤量测量值作为过程值，给煤主控PID输出值经分配后作用于各给煤机，保证总煤量输入满足锅炉负荷及床温调整的要求。具体如下图所示：
在锅炉的冷态启动过程中，先启动点火燃烧器，按预定的升温曲线对启动床料加热。当床温升高到可以燃烧主燃料的程度，允许间断投运给煤机。破碎的煤粒进入炉膛燃烧，床温继续升高，当床温超过某限定值时，允许停止投油，并保持合适的给煤量。
由于系统中配有4台给煤机，根据运行人员的需要，专门做了给煤机同操器，同操指令为总给煤量指令，自动时接收给煤调节的控制指令。在4台给煤机都在手动位时跟踪当前的总煤量，当给煤机投自动后，同操便以手动方式通过运行人员来控制煤量，煤量指令减去非自动给煤机给煤量，再除以投自动给煤机台数，实现煤量指令的平均分配。同时每台给煤机设置有偏置，可以方便地实现多台给煤机的出力分配，以及手/自动和故障状态下的出力再分配和跟踪。
2.4床层厚度控制(冷渣器控制)
CFB锅炉炉膛中没有明显的料层界面，但有密相区和稀相区之分。床层厚度是指密相区内静止时料层厚度。床层厚度直接影响到炉内流化状态、床温和传热效率，另外还影响到S02脱除率。在运行中，床料存量必须控制在一定的范围内。若床料存量小，则料层太薄，一方面炉膛内传热强度低，限制锅炉出力，对锅炉稳定运行不利;另一方面床料存量少，排渣可燃物含量高。若床料存量大，则料层太厚，流动阻力必然增加，导致风机电耗加大。所以，为了保证稳定和经济运行，对于一定的锅炉负荷，需要相应保持一个适当的床层厚度。
在本机组中，料层厚度控制系统的任务，就是通过调节排渣量维持床层差压或床压在锅炉负荷要求的适当值。床层厚度调节器的测量值与运行人员经验设定值比较后，经PI调节器运算，其输出指令控制冷渣器的运行频率，以调节底渣的排放量。
如果连续排渣控制过程遭受破坏而影响排渣效果时，CFB锅炉还可采用间断排渣运行方式。间断排渣运行必须遵循合适的操作程序，以避免对炉内工况产生过大影响。
2.5石灰石给料控制回路
石灰石量的给定值由石灰石量与煤量的比值(Ca/S)乘以给煤量作为预估值，再由S02调节器输出值作为修正系数与预估值相乘后获得。石灰石量给定值与测量值的偏差经调节器PI运算，其输出控制石灰石给料装置，从而改变石灰石量来保证烟气中S02排放量达到环保要求。
S02调节器输出设置手/自动切换和限值功能(如0.8～1.2)。在SO2调节回路投入自动运行时，回路可由S02调节器精确调整所需石灰石量，控制烟气中S02含量为给定值。当S02调节回路未处于自动状态时(如S02测量信号故障时回路退出自动)，回路也可获得一个相对合适的石灰石量给定值，进而给入相应的石灰石量。这一回路结构还减小了尾部烟气中S02含量变化相对于给煤量变化的滞后对匹配石灰石量调节带来的延迟，提高了石灰石量调节的快速性。石灰石由给料装置给出后，多数CFB锅炉采用高压空气通过管道完成其后续的输送任务。这种系统中，还需要控制高压输送空气的风压和风量，以保证石灰石颗粒被可靠输送到炉膛。
2.6炉膛压力控制
本控制回路是一个带前馈的单回路PID调节系统，控制引风机液耦，通过调节引风机转速来改变引风量，以维持炉膛压力的平衡。为减小动态偏差，引入送风(含一、二次风)执行机构位置(经适当加权运算后)作为前馈信号，可使引风机迅速响应总风量的变化，维持炉膛压力在设定值。由于炉内床料存量随负荷而变化，从运行的经济性考虑，炉膛压力设定值应随着负荷的变化进行适当调整。
2.7给水控制系统
该系统的目标是保证锅炉汽包中的水位稳定在安全运行的范围内，并实现汽包水位全程控制。在启动和低负荷期间，采用单冲量调节回路控制给水旁路调节阀开度，调整给水流量，实现汽包水位控制。在正常运行时，切至给水主路，并由汽包水位、主蒸汽流量和给水流量构成的三冲量调节回路，控制给水泵勺管，调整给水流量，实现汽包水位控制。给水采用单冲量控制时，经压力补偿的汽包水位信号(三取中)作为水位调节器的反馈信号，与给定值的偏差通过比例积分运算，所得输出值控制给水旁路调节阀开度，调整给水流量，维持水位在给定值。
给水采用串级三冲量控制时，经压力补偿的汽包水位信号(三取中)作为水位调节器(PI)的反馈信号，与水位给定值的偏差通过比例积分运算，再与主蒸汽流量(前馈)相加后作为主给水调节器(PID)的给定值。此给定值与作为反馈信号的主给水流量的偏差，通过PID运算，所得输出值控制给水泵转速，调整给水流量，维持水位在给定值。
2.8过热器蒸汽温度控制
余吾热电工程其过热蒸汽温度控制分两级完成，通过串级方式控制一、二级喷水减温，使锅炉的主蒸汽温度控制在允许范围。
第一级喷水主调节器响应二级过热器出口温度和给定值(根据锅炉负荷计算确定)之间的偏差，副调节器响应由主调节器修改的温度和一级减温器出口温度之间的偏差。为了克服负荷扰动下过热器喷水调节过程的滞后和惯性，还将代表负荷扰动的主蒸汽流量作为前馈信号，加到副调节器的给定值上。一旦负荷发生变化，则提前调节减温水流量，快速消除扰动，维持二级过热器出口蒸汽温度在期望值。
第二级喷水主调节器响应末段过热器出口蒸汽温度和手动调节设定值之间的偏差，副调节器响应由主调节器修改的温度和二级减温器出口温度之间的偏差。为了克服负荷扰动下过热器喷水调节过程的滞后和惯性，还将代表负荷扰动的主蒸汽流量作为前馈信号，加到副调节器的给定值上。一旦负荷发生变化，则提前调节减温水流量，快速消除扰动，提高了控制品质，确保主汽温度稳定在严格的规定范围内。
2.9再热器蒸汽温度控制
再热蒸汽温度的精确控制，通常是通过控制喷水减温来实现的。控制回路采用串级方式，主调节器响应再热器出口蒸汽温度和设定值之间的偏差，副调节器响应由主调节器修改的温度和减温器出口温度之间的偏差，调节减温水流量，确保再热器蒸汽温度稳定在严格的规定范围内。
2.10燃油压力控制
本系统采用单回路PID调节，通过控制油泵转速或燃油压力调节阀，维持燃油母管压力为运行设定值。
2.11其它辅助控制 其它辅助控制系统与典型的煤粉锅炉相似，此处不再累述。
3. 结束语
CFB锅炉系统复杂，且不同制造商所提供设备的结构亦有所差异，所以具体的CFB锅炉控制方案需要针对现场的实际情况进行设计。
CFB锅炉控制系统中使用了较多函数(曲线)，这些函数(曲线)是根据平时机组运行过程特性建立的，并且需要在现场调试时予以精确校正。因而，了解过程特性和现场调试工作，对获得良好的控制效果是非常重要的。此外，结合运行经验，针对复杂的控制回路(如床温控制、排渣控制等)也很有必要。另外在机组试运过程中，发现床温是CFB锅炉运行状态的重要表征参数，也是较难控制的参数之一。这是因为床温是燃料燃烧发热和床料放热综合作用的结果，而影响燃料发热和床料放热的因素较多，如燃料热值、粒度尺寸、物料流速、物料浓度、入炉风量、入炉风温以及吸热工质参数等等。通过在燃烧室密相区布置有8支热电偶温度计，进行床温测量。将8个测量值进行综合运算后，得出平均床温值。为了保证CFB锅炉的稳定燃烧，并有利于获得最佳脱硫效果和减少NOX排放量，额定负荷下床温需控制在850℃～900℃。影响床温的主要因素是一次风与二次风比率和燃料量。一次风为床料提供流化动力和初始燃烧氧气，但同时对密相区有明显的冷却效果;二次风为床料提供燃尽风，从不同高度送入可均衡各段床温，二次风还主要承担调节烟气含氧量的任务。燃料量直接影响炉内发热量，与锅炉负荷相适应的风煤比是决定床温的最终因素。所以，为达到控制床温的目的，采取串级校正调节方式。床温信号进入调节器与床温给定值比较，所得偏差经不同的函数转换后生成校正指令，送至一次风调节器和燃料调节器，对其给定值进行修正。这样基本满足了床温控制的要求。同时，一次风量的调整还必须受安全流化风量的限制。在本机组中设置一次风机自动调节过程中的入口挡板开度最低不得低于22.3%的开度，以保证最小流化风量。当床温低至一定程度时，可投运油燃烧器以稳定床温，或减缓床温下降速度。
我们相信，随着CFB锅炉性能的不断优化、配套装置性能的全面提高和对锅炉特性的深入掌握，通过严谨的系统设计和精心的现场调试，一定能够实现CFB锅炉的优化控制，全面提高CFB锅炉机组的运行水平。
本文选自《工业设计》。 《工业设计》杂志是目前国内唯一专业报道工业设计的综合性期刊。《工业设计》杂志为月刊，国内外公开发行，内页128P国内统一刊号：CN23-1516/T，国际标准刊号：ISSN1672-7053，全彩精印。
《浅谈如何控制大型循环流化床锅炉》
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文章名称： 浅谈如何控制大型循环流化床锅炉
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