新华公司循环流化床锅炉控制方案

2.1概述 循环流化床锅炉（Circulating Fludized Bed Boiler，以下简称CFB锅炉）作为一种煤的清洁、高效燃烧技术自八十年代初进入燃煤锅炉的商业市场以来，在中小型锅炉中已占有了相当的份额。并在技术日趋成熟的同时逐渐向更大容量发展。 CFB锅炉的研究始于七十年代，它是从鼓泡床沸腾炉和化工行业的循环流化床工艺发展而来的。1982年，德国鲁奇（Lurgi）公司的第一台50t/h循环流化床锅炉投入运行宣告了循环流化床锅炉的诞生。此后，世界上的主要锅炉制造商均投入了CFB锅炉的研究和产品开发工作。 国外在CFB锅炉的发展过程中也形成了几种技术流派，比较有代表性的有芬兰奥斯龙公司（Ahlstrom，现被福斯特·惠勒公司并购）的Pyroflow型循环流化床锅炉；德国鲁奇公司开发的Lurgi型循环流化床锅炉；德国巴布科克公司的Circofluid型循环流化床锅炉；福斯特·惠勒公司的整体化换热床（Intrex）；美国贝特尔实验室（Battele）的多固体型（Multisolid）循环流化床锅炉等等。 图一、循环流化床锅炉示意图 国内从八十年代开始研究开发CFB锅炉，中科院工程物理所、清华大学、浙江大学、华中理工大学和有关锅炉厂合作先后研制开发了10t/h、20t/h、35t/h、75t/h循环流化床锅炉。通过这些锅炉的研制、生产和运行，积累了不少经验。 进入九十年代后，东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂和上海锅炉厂等又分别通过与美国福斯特·惠勒公司和美国PPC公司引进技术或合作生产的方式，开始生产制造130t/h、220t/h的循环流化床锅炉。并具备了生产更大容量CFB锅炉的能力。国内“八五”重点能源环保科研项目内江循环流化床示范电站从芬兰奥斯龙公司引进的410t/h循环流化床也已经投入运行。 从CFB锅炉的控制方面看，这些年国内大多数已投运的中小型循环流化床的自动化水平同大型电站煤粉锅炉相比，仍相当落后。有的甚至还完全依赖手动操作。一些设计采用了计算机控制系统的75t/h循环流化床锅炉也只是将其作为常规调节系统的辅助监控手段。仅设计了少量的汽压、给水、汽温等常规模拟控制回路。输入／输出点数仅100～300点左右。同时，由于CFB锅炉本身在本体设计和运行实践（尤其是在运行的可靠性和可控性方面）仍有许多需完善之处，所以造成了人们对其控制机理和自动控制系统设计的一些畏难和模糊认识。 随着国内安装投运的循环流化床锅炉容量增大和中小热电厂自动化水平的提高，计算机分散控制系统DCS开始真正应用于整个CFB锅炉的控制。一些引进的大型CFB锅炉，如新华控制工程有限公司承担的金陵石化热电厂引进芬兰奥斯龙公司2×220t/h循环流化床锅炉DCS等项目即采用DCS实现了整个CFB锅炉的监视、控制和联锁保护功能。单台锅炉的输入／输出点数超过1000点。相当于一台100MW等级煤粉锅炉的控制点数。 同时，新华控制工程有限公司也采用XDPS-400分散控制系统成功完成了大屯煤矿自备电厂2×75t/h和江苏沛县热电公司2×75t/h CFB锅炉的数据采集、模拟量控制和顺序控制系统。锅炉分别为北京巴布科克公司和唐山巴高公司生产的７5t/h Circofluid型循环流化床锅炉。整个DCS系统的输入／输出点数达到2000点。 1999年，新华公司又陆续承接完成了湖北松木坪电厂和河南南阳电厂等CFB项目的DCS系统，其中CFB锅炉分别为上海锅炉厂生产的130t/h循环流化床锅炉和东方锅炉厂生产的120t/h循环流化床锅炉的DCS系统。功能更为完整，覆盖了数据采集、模拟量控制、顺序控制和炉膛安全保护系统。 2000年，新华公司又有多个CFB锅炉DCS项目中标。其中，河北保定热电厂采用的东方锅炉厂按福斯特·惠勒公司技术生产的DG450/9.81-1型循环流化床锅炉是目前国内容量最大的CFB锅炉。整个2×450t/h循环流化床、2×100MW双抽汽轮发电机组XDPS-400系统包括了数据采集、模拟量控制、顺序控制、炉膛安全保护、电气控制、厂用公用控制、热网控制，单台机组的I/O接近5000点，与新建300MW燃煤机组DCS规模相当，并和新华公司DEH-IIIA构成一体化控制。 至此，新华公司已经通过消化吸收和实际应用国外成熟的大型CFB锅炉控制技术，采用XDPS-400实现了国内外几种主要的大中小型CFB锅炉完整的热控系统。 下面就结合已工程的实际情况对CFB锅炉的控制系统特点作一些简单的分析。 2.2循环流化床锅炉的控制特点 从CFB锅炉的工艺特性来看，它与常规煤粉锅炉（Pulverize Coal Boiler）一样，具有多参数、非线性、时变和多变量紧密耦合的特点，而且，CFB煤粉锅炉比普通锅炉具有更多的输入/输出变量，耦合关系也更为复杂。 图二、CFB锅炉控制对象的耦合特性 一个典型的循环流化床锅炉的模拟量调节系统包括以下功能： 负荷指令回路 主汽压调节 床温调节 给煤量调节 总风量调节 石灰石量调节 一次风量调节 二次风量调节 二次风压调节 高压风压力调节 主汽温调节 汽包水位调节 燃油母管压力调节 启动燃烧器风量调节 启动燃烧器燃油压力/流量调节 床枪燃油压力/流量调节 炉膛压力调节 料床差压调节 底灰压力、温度调节（采用流化床冷灰器） 其中，CFB锅炉的汽水系统与常规煤粉炉差异不大，因此，控制系统的设计也大同小异。给水控制系统也采用汽包水位、蒸汽流量和给水流量三冲量控制，通过调节给水泵转速或给水调节阀开度，维持汽包水位的平衡；锅炉出口主蒸汽温度采用喷水减温调节。 但是，CFB锅炉的燃烧系统及其控制和常规煤粉炉有较大的差异，同时，根据其工艺系统的特点，还设计有其它一些独特的控制回路。 2.2.1 CFB锅炉燃烧控制 CFB锅炉的燃烧设备主要由给煤系统、燃烧室、分离器和返料系统组成。其燃烧过程与常规煤粉炉有很大区别，突出表现在循环和流化两方面。 CFB锅炉的燃料一般由煤和石灰石两部分组成，物料（煤粒和石灰石）由给料口进入炉膛密相区下部后，被高温物料包围而迅速着火，并在燃烧室中伴以高速风流在沸腾悬浮状态下进行燃烧。同时，高温烟气携带炉料和大部分未燃烬的煤粒飞逸出燃烧室顶部，经旋风分离器分离出的未燃烬燃料由返料器返送回炉膛底部，再次进入炉膛循环燃烧。 与煤粉锅炉不同，CFB锅炉不需要制粉系统，经破碎符合一定粒度要求（粒径0~15mm）的煤从前墙和／或回料阀的多处给料点直接送入炉膛。由于煤仓一般布置在锅炉的前部或侧部，所以给煤系统又往往分为两个给料子系统。分别采用2级或3级给煤机串联布置。给煤机的型式可采用称重式给煤机、刮板给煤机或螺旋式给煤机串联，将煤送入给料点进入炉膛。 给煤量主要受负荷指令和风－燃料交叉联锁信号的控制。首先根据负荷指令计算出要求的燃料量，然后，根据风－燃料比要求，从实际风量计算出允许的最大燃料量，二者低选信号再作为燃料主调节器的输出分别控制各台给煤机速度控制回路。这样也就保证了动态过程中先加风后加煤，先减煤后减风。这和常规煤粉炉的控制机理是相同的。 给煤机的转速控制一般推荐采用线性较好的变频调节方式。多台给煤机也设计有增益自校正回路，可以无扰动的任意切投不同给煤机的手动和自动。 2.2.2 石灰石量控制 CFB锅炉的燃料以一定的循环倍率在炉膛内不停地循环燃烧，所以CFB锅炉能够燃用各种劣质煤，适用范围广。而且，在燃烧过程中加入的石灰石可以与燃烧中产生SO2进行化学反应，生成CaSO4，起到脱硫的作用。 调节给石灰石量的目的是满足锅炉SO2排放量的要求。控制回路一般设计采用串级调节方式。上级调节器为SO2调节器，下级调节器为石灰石量调节器，当SO2变化时，调节给石灰石旋转给料机的转速，使进入炉膛石灰石量相应变化。 在这个调节回路中，总给煤量作为前馈信号加入给石灰石量调节器。锅炉入炉煤量变化时，SO2肯定也要相应变化。如果仅根据SO2信号调石灰石量，则延迟比较大。将给煤量作为前馈信号，使石灰石量先根据煤量变化，然后再根据SO2信号进行校正，可以减少调节延迟。 2.2.3 风量控制 CFB锅炉的风系统比一般常规煤粉炉复杂。主要由一、二次风、返料风和播煤风等组成。根据锅炉的型式不同，设计有一次、二次风机，高压罗茨风机等，对采用气力播煤的锅炉，还设计有播煤风机。 一次风可分为两路。在燃烧过程中，一路一次风由炉膛下部的一次风箱进入，通过布风板进入燃烧室，扰动由煤和石灰石组成的床料使之流化，并携带床料向上移动通过整个燃烧室。这是CFB锅炉特有的送风方式。 另一路一次风（又称为下二次风，也可以由二次风总管送入）和二次风分别从炉膛的不同高度上进入燃烧室，补充悬浮区燃烧需用的空气量。使燃料在上升的过程中实现分级燃烧。 燃烧所需的一、二次风从不同高度进入炉膛助燃，形成分级燃烧，使得CFB锅炉炉膛内的温度比较低，减少了NOX的排放，同时也减少了结渣的机会。 二次风由炉膛密相区上部四周炉墙分层给入，确保煤粒在悬浮段充分燃烧。同时为启动燃烧器提供燃烧风。一部分二次风（一般为一次风的3～5%）还可作为播煤风和正压输煤系统的密封风。一次、二次风率一般设计为1:1~6:4。而一次风压一般为10～13KPa，二次风压为6～8.5KPa。 风量控制包括总风量控制和一、二次风比率的控制。总风量根据燃料指令获得，并根据过剩空气系数校正，形成总风量指令。这与常规煤粉炉是一样的。所不同的是一次风和二次风的分配。为了保证正常流化，一次风的流量一般有一个设定的下限值。而且，一、二次风的比例还要受到床温控制回路的校正（如图三所示）。