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循环流化床（CFB）锅炉控制策略 |
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作者：上海自动化仪表股份有限公司 郑祖坤 |
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摘 要：在循环流化床（CFB）锅炉应用越来越广泛的背景下，结合工程设计实践，详细描述了包括锅炉负荷控制、风量控制、燃料控制、床温控制等CFB锅炉的16种控制策略，并指出，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，结合运行经验、针对复杂控制回路研制专门控制算法也很必要。
关键词：循环流化床锅炉控制策略 锅炉负荷控制 风量控制 燃料控制 床温控制
引言
循环流化床（CFB）锅炉燃料适应能力强、环保性能佳和负荷调节范围宽等优点已广为人知。但经过长期的运行实践，人们更加体会到CFB锅炉控制的难度和控制策略的重要性。现在，再次论及CFB锅炉控制策略，一方面是对以往工程设计进行一定的回顾和总结；另一方面希望与同行们进行更进一步的交流和探讨，达到抛砖引玉的目的。
1 CFB锅炉控制策略
1.1 锅炉负荷控制
1.1.1 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(图1)。鉴于CFB锅炉的大惯性，燃料量的快速改变不能引发蒸汽参数的快速响应且不利于床温稳定，故协调主控宜采用机跟炉方式。此时，锅炉负荷指令根据电功率(MW)指令通过前馈(作主调量)+偏差校正运算，再经变化率限制及高低值限制后获得。汽机调速系统接受协调系统中汽机主控调节器输出，汽机调门控制主汽压力。为了充分利用锅炉蓄热提高负荷响应速度，在汽机主控调节器给定值上引入基于电功率(MW)偏差的函数校正，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。锅炉负荷指令由主汽压力PID调节器输出经变化率限制及高低值限制后获得。此时，汽机调速系统不接受协调系统指令，相反,协调主控系统中汽机主控调节器输出跟踪汽机调门阀位值。
1.1.2 母管制机组锅炉负荷指令
在母管制机组中，负荷控制以维持母管压力为目标，每台锅炉的负荷指令由母管负荷调节器的输出进行分配运算，再经变化率限制及高低值限制后获得。而分配运算方法按母管负荷调节方式确定，如指定一台或多台锅炉依次或同时调整负荷，其余锅炉带基本负荷运行。
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。
1.2 风量控制
1.2.1 总风量指令
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。
图1 CFB锅炉单位元发电机组负荷控制系统
1.2.2 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。根据总风量指令分配的一次风量(床下配风)指令，经床温控制校正信号修正，与最小一次风量设定值取大值，作为一次风量的给定值。通过PID调节回路控制一次风挡板开度，确保一次风量在不低于安全流化风量的前提下，满足锅炉负荷及床温调整的要求。
一次风压力需要与锅炉负荷保持一定的对应关系，通过调节一次风机入口挡板开度或一次风机转速使其满足锅炉运行要求。
1.2.3 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，从不同高度送入还可均衡各段床温。根据总风量指令分配的二次风量(床上配风)指令，经烟气含氧量修正和床温控制校正信号修正，作为二次风量的给定值。通过PID调节回路控制相应的二次风挡板开度，使二次风量满足运行要求。
烟气含氧量调节器的输出作为二次风量(床上配风)指令的有限幅的修正系数，并设置手/自动切换接口。在正常运行时调整烟气含氧量为期望值，保证锅炉燃烧经济性；当氧量信号故障时也不会造成二次风量的大幅突变，有利于炉内流化稳定。
大中型CFB锅炉的二次风由单独配置的一台甚至两台二次风机提供。通过调节二次风机入口挡板或二次风机转速，控制二次风母管风压为需要值。
1.3 燃料控制
锅炉燃料量指令由锅炉负荷指令与实际进入锅炉的总风量取小值，并经床温控制校正信号修正后获得。锅炉燃料量指令作为燃料主控的给定值，所有输入锅炉的燃煤量测量值的总和经发热量补偿运算后所得值，与燃油折算煤量之和作为反馈值，燃料主控PID输出值经分配后调整各给煤机的出力，保证总热量输入满足锅炉负荷及床温调整的要求。
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时，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，并保持合适给煤量。
由于系统中一般配有多台给煤机，控制回路中需要解决各台给煤机的出力分配问题。我公司的DCS为此专门设计了“PARTICIPATION”自动分配算法模块，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。
对于采用气力播煤装置的系统，还需对播煤风压和风量进行调节，使之与给煤量相适应，才能实现煤粒在密相区床面上的均匀分布。
1.4 床温控制
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。
床温通过在燃烧室密相区布置多支热电偶进行测量。将多个测量值进行综合运算后得出床温表征值。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，床温需控制在850℃—900℃。
对于采用高温回料系统的CFB锅炉，循环灰(回料)温度与炉内床温十分接近，循环灰量不能明显影响床温且在正常运行中不单独调整(保证返料风在正常范围时，循环灰量具有平衡能力)。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。
为达到控制床温的目的，采取串级校正调节方式。床温信号进入床温调节器与床给定值比较所得偏差经不同的函数转换后生成校正指令分别送至一次风调节器、二次风调节器和燃料调节器对其给定值进行修正，这样通过调节一、二次风的比率来实现床温调节基本满足床温控制的要求，同时一次风量的调整还必须受安全流化风量的限制。
有的CFB锅炉为床温控制还设有专用的调节措施(如烟气再循环、物料添加等)，则可充分利用相应的措施对床温实现有效的控制。
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。
1.5 回料器配风控制(返料风控制)
CFB锅炉最基本的工况之一就是要建立物料按照炉膛—分离器—回料器—炉膛的流程的单向循环。而回料器是这一循环中的关键部件，它是一个具有自密封特性的非机械式物料输送装置。通过对回料器下降段用风、底部用风和上升段用风的合理控制，实现回料器的畅通和物料单向输送，即单向返料。在回料器进口立管中的物料形成的静压与炉膛床压之间的差压是物料循环的根本动力。
回料器用风要求有较高压力。小容量CFB锅炉的回料器用风由一次风提供，回料器用风压力由一次风机保证。大中型CFB锅炉的回料器用风则由专门的罗茨风机(组)提供，回料器用风压力通过罗茨风机(组)出口母管至一次风管的旁路阀(溢流阀)来调节，该压力控制回路是一个单回路PID调节系统。
在保证回料器用风压力足够的前提下，还需控制各段用风风量均达到相应的必须值，且各段风量应保持一定比例，才能保证物料的可靠循环。
1.6 床层厚度控制(排渣控制)
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的料层厚度。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SO２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，一定的锅炉负荷需要保持一个适当的床层厚度。
床层厚度的测量有两种方式：一种是测量床层差压，另一种是测量床压。床层差压测量方式受底部风室压力影响小；床压(绝对值)测量方式受底部风室压力影响较大，此时应考虑床层厚度在这一影响下能够适用的偏离程度，当底部风室压力大幅度变化时则不能再简单以床压(绝对值)作为床层厚度的表征值。
床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根据锅炉负荷确定的设定值比较后经PI调节器运算，其输出控制排渣执行机构调节底渣的排放量。
底渣排放方式对床层厚度控制的效果有直接影响，不同锅炉采用不同的排渣装置。
小型CFB锅炉多采用水冷绞龙排渣机构，水冷绞龙安装在炉膛排渣管出口。这种方式调节迅速快捷，但高温底渣易导致旋转机构故障，而且排渣出力受到一定限制。
大中型CFB锅炉多采用风冷式冷渣器排渣。冷渣器是非机械的低速流化床，分为多个小室，进料口通过进渣管接至炉膛排渣口。进渣管有一定倾斜度，管上布置有高压松动及流化风使底渣自炉膛流至冷渣器。在冷渣器中，灰渣在底部流化风的作用下，按预定流程从第一仓室流动到末级仓室，在流动中被再次燃尽和冷却，最后由末级仓室出口侧的旋转阀排除。床层厚度调节器控制的排渣执行机构即是冷渣器出口旋转阀。
可见，通过风冷式冷渣器实现炉膛排渣必须具备以下条件：进渣管流化良好，通畅；冷渣器各仓室流化良好，仓室之间灰渣流程通畅；冷渣器排渣管通畅；排渣旋转阀转动和调速灵活。
所以，采用风冷式冷渣器排渣方式调节床层厚度是一个多因素共同作用的过程，需要综合调节多个相关参数，才能获得良好的控制效果。
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。
1.7 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)乘以给煤量得到预估值，再由SO2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SO2排放量达到环保要求。
SO2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SO2调节器精确调整所需石灰石量，控制烟气中SO2含量为给定值。当SO2调节回路未处于自动状态时（如SO2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的给定值，进而给出相应的石灰石量。
这一回路结构还减小了尾部烟气中SO2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。
1.8 风道燃烧器控制
大多数CFB锅炉采用风道燃烧器完成点火启动。每台风道燃烧器装有一支油枪，布置有内通道风、外通道风和出口冷却风。内通道风和外通道风由一次风经点火风机增压后提供。内通道风为油枪提供稳燃风，外通道风为油枪提供燃尽风，出口冷却风调节风道燃烧器烟温。
风道燃烧器的配风需要加以控制。根据油枪的流量计算出所需内、外通道风量，经PID调节控制相应挡板开度，保证油枪稳定和完全燃烧。出口烟温按单回路PID调节，通过控制出口冷却风挡板开度调整冷却风量稳定出口烟温，以避免烟温过高造成风道燃烧器內衬的保温材料坍塌甚至穿壁事故。
1.9 冷渣器控制
① 冷渣器风室风量控制：根据各仓室内床温通过函数运算获得所需风量给定值，经PID调节控制本仓室流化风调节挡板开度，使风量达到给定值。
② 冷渣器风室床压控制：冷渣器风室床压是由灰渣存留量和流化风压共同建立的。冷渣器风室床压需保持在一定范围，通过对排渣进行适当修正来调节。
1.10 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，控制引风机入口挡板开度或引风机转速，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，炉膛压力设定值随负荷变化应进行适当调整。
1.11 给水全程控制
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，由汽包水位单冲量调节回路控制启动给水调节阀开度，调整给水流量，实现汽包水位控制。在正常运行时，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主给水调节阀开度或给水泵转速，调整给水流量，实现汽包水位控制。通过一套专门设计的切换逻辑实现单冲量调节与三冲量调节的双向无扰切换。
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，所得输出值控制启动给水调节阀开度，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(ID)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，所得输出值控制主给水调节阀开度或给水泵转速，调整给水流量，维持水位在给定值。
1.12 过热器蒸汽温度控制
典型的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内。
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的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給定值。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的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給定值。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规定范围内。
1.13 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喷水减温控制来实现的。
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规定的范围内。
1.14 暖风器控制
该控制系统用于控制末级空气预热器冷端温度，以保证这一温度高于烟气中硫酸露点，从而防止冷端金属腐蚀。在空气进入末级预热器前，调整进入暖风器的蒸汽量以保证进入空气预热器的风温度足够高，使得空气预热器冷端烟气温度高于酸露点。
本系统采用单回路PID调节，采用末级预热器空气入口风温和烟气温度的平均值为反馈值，通过控制加热蒸汽调节阀开度调整加热蒸汽流量，维持末段空气预热器冷端烟气温度在安全范围内。
1.15 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。
1.16 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。
2 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系统实际情况进行设计。
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)研制专门的控制算法也很有必要。(end)
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(12/31/2010) |
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