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0、引言
    本世紀(jì)以來，國內(nèi)中小型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造技術(shù)已趨成熟，循環(huán)流化床燃燒CFBC (Circulating Fluid-ized Bed Combustion)技術(shù)也作為一種新型，成熟、高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)，具有許多其它燃燒方式不具備的優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制，尤其是燃燒控制是過程控制研究領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。目前我國自主開發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)基本上占領(lǐng)了爐內(nèi)市場(chǎng)。本文以130t/h循環(huán)流化床鍋爐在流化床燃燒系統(tǒng)中配置水冷方形分離器設(shè)計(jì)為例，解析自動(dòng)控制理論，此應(yīng)用也可擴(kuò)展為常壓和增壓鍋爐。爐內(nèi)溫度因受最佳脫硫溫度的限制，一般保持在850℃左右。在燃燒過程中，可較好地從燃燒煙氣中脫除S02，并且NOx排放量低，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
1、循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)機(jī)理
    循環(huán)流化床燃燒是介于層燃燃燒與煤粉燃燒之間的一種燃燒方式，是現(xiàn)代鍋爐燃燒方式中一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。流化床燃燒爐內(nèi)蓄熱量很大，混合又十分強(qiáng)烈，著火和燃燒都很穩(wěn)定，能夠強(qiáng)化燃燒及傳熱，煤種適應(yīng)性廣，適合各種劣質(zhì)燃料，如煤矸石、石煤、褐煤、劣質(zhì)煙煤、高硫煤。大大減少硫和氮氧化合物的生成，并且能使?fàn)t內(nèi)灰渣中的可燃物含量降到1%以下，顆粒中大于∮lmm的顆粒不易被氣流帶走，只有少量細(xì)粉被煙氣帶至懸浮段內(nèi)燃燒，減輕環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。CFBC是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力和優(yōu)勢(shì)的潔凈燃燒技術(shù)，專家估計(jì)：本世紀(jì)流化床燃燒技術(shù)將在大型電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和各種廢物焚燒爐等方面得到廣泛應(yīng)用。流化床燃燒技術(shù)在我國將有極為廣闊的應(yīng)用前景。
1.1循環(huán)流化床鍋爐分散控制系統(tǒng)
    循環(huán)流化床鍋爐分散控制系統(tǒng)DCS是一種基于控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)基礎(chǔ)的綜合控制系統(tǒng)。在循環(huán)流化床鍋爐與汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行中．DCS主要表現(xiàn)出五大功能：數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(DAS)；模擬量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(MCS)；輔機(jī)順序控制系統(tǒng)(SCS)；爐膛安全監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)(FSSS)；汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)ETS。
1.2爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS
    爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)包括了燃燒器控制系統(tǒng)(BCS)和燃料安全系統(tǒng)(FSS)。FSSS提供了與運(yùn)行人員的人機(jī)接口，防止可燃物積聚引發(fā)爐膛爆炸，緊急事故停爐保護(hù)設(shè)備，對(duì)燃料和空氣進(jìn)行管理和控制，燃燒優(yōu)化指導(dǎo)燃燒事故分析。FSSS的重要輸入信號(hào)冗余設(shè)置，采用三取二方式，F(xiàn)SSS的處理器模件按1:1冗余配置。FSSS提供了燃油快關(guān)閥，給煤機(jī)等的緊急跳閘手段，跳閘功能硬接線完成。FSSS通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)及硬接線與DCS其它部分進(jìn)行信息交換，其中用于控制和保護(hù)的重要信號(hào)應(yīng)采用硬接線方式連接。
2建立鍋爐燃燒控制系統(tǒng)模型
    鍋爐燃燒控制系統(tǒng)由機(jī)組主控制器發(fā)出的鍋爐燃燒率指令協(xié)調(diào)燃料量、送風(fēng)量V和引風(fēng)量Q，在保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)燃燒的前提下，使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷需要。鍋爐燃料量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    燃燒量控制能消除燃料側(cè)內(nèi)部的自發(fā)擾動(dòng)，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)。送風(fēng)量控制子系統(tǒng)能使鍋爐送風(fēng)量和燃燒量相協(xié)調(diào)，達(dá)到鍋爐最高的熱效率，保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。引風(fēng)控制子系統(tǒng)保證穩(wěn)定的爐膛負(fù)壓力，爐膛負(fù)壓太小會(huì)變成正壓，會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)火焰和煙氣從測(cè)點(diǎn)孔洞和爐墻縫隙外溢，影響設(shè)備和人員安全；爐膛負(fù)壓太大會(huì)使大量冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)，增大引風(fēng)機(jī)負(fù)荷和排煙熱損失，嚴(yán)重時(shí)甚至引起爐膛爆炸。
2.1循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    循環(huán)流化床鍋爐不需要制粉系統(tǒng)，經(jīng)破碎符合粒徑0—15mm的煤符合粒度要求，從多處給料點(diǎn)前墻和回料閥直接送人爐膛。由于在鍋爐的前部煤倉布置范圍內(nèi)，要求給煤系統(tǒng)將進(jìn)入爐膛煤送入給料點(diǎn)。循環(huán)流化床鍋爐采用熱煙氣床下點(diǎn)火方式燃燒控制系統(tǒng)油燃燒器控制操作。油燃燒器投入運(yùn)行前需燃料引燃，由點(diǎn)火器引燃燃料，點(diǎn)燃點(diǎn)火器火焰，用火焰檢測(cè)器探測(cè)火焰是否出現(xiàn)，然后用點(diǎn)火器火焰引燃燃燒器火焰，同時(shí)，在密相區(qū)和二次風(fēng)口還可設(shè)置助燃用的啟動(dòng)燃燒器和床槍。鍋爐啟動(dòng)采用床料循環(huán)加熱，即冷床料在流化并循環(huán)的條件下加熱升溫。啟動(dòng)時(shí)，最先投運(yùn)風(fēng)道燃燒器，以熱煙氣和空氣混合物加熱床料；之后投運(yùn)啟動(dòng)燃燒器，使溫度按照升溫升壓曲線上升，當(dāng)床溫達(dá)到soo'c時(shí)，可根據(jù)需要投運(yùn)床槍，使床溫進(jìn)一步升高至600℃，這時(shí)便可開始逐步投煤，啟動(dòng)流程如圖2所示。
    負(fù)荷指令和風(fēng)一燃料交叉聯(lián)鎖信號(hào)控制給煤量。依據(jù)負(fù)荷指令計(jì)算出要求的燃料量，從實(shí)際風(fēng)量計(jì)算出允許的最大燃料量，根據(jù)風(fēng)一燃料比要求，選二者信號(hào)低值作為燃料主調(diào)節(jié)器的輸出，分別控制給煤機(jī)速度和控制回路。進(jìn)而保證了先加風(fēng)后加煤，先減煤后減風(fēng)的動(dòng)態(tài)過程。正常運(yùn)行時(shí)，有大量的作為恒定的點(diǎn)火源的高溫床料，混合物不恰當(dāng)?shù)胤e聚不會(huì)因滅火具有爆炸性，進(jìn)而引發(fā)爆燃或爆炸。在正常運(yùn)行時(shí)鍋爐也不需要根據(jù)負(fù)荷或運(yùn)行情況投切各層或各角的煤或油燃燒器。CF-BB僅在啟動(dòng)或床溫較低時(shí)才需投入油燃燒器，所耗燃料低，燃油控制數(shù)據(jù)如圖3所示。
2.2循環(huán)流化床鍋爐燃燒器控制
    循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)煤燃燒器啟停控制操作時(shí)為了避免床內(nèi)積聚過多的可燃物而引起結(jié)焦或爆燃，CF'B鍋爐的初始給煤采用間歇加入方式。在油燃燒器負(fù)荷不變的情況下，啟動(dòng)第一臺(tái)給煤機(jī)，開始以較低給煤量運(yùn)行，延時(shí)1～2分鐘后停給煤機(jī)，在給煤機(jī)停止時(shí)仔細(xì)觀測(cè)床溫和爐膛出口煙氣氧量的變化，如確定床溫上升，氧量下降，則再次啟動(dòng)給煤機(jī)，重復(fù)三次上述過程。再次啟動(dòng)給煤機(jī)，并確認(rèn)給人煤己燃燒時(shí)，就可啟動(dòng)其它給煤機(jī)，進(jìn)而根據(jù)燃燒及負(fù)荷需求，減油加煤，逐步轉(zhuǎn)換為全燃煤運(yùn)行。此時(shí)床溫度大于800℃如圖4所示。
    當(dāng)鍋爐各參數(shù)都達(dá)額定值并平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，鍋爐由手動(dòng)轉(zhuǎn)為自動(dòng)方式運(yùn)行。在自動(dòng)控制狀態(tài)下，給煤機(jī)給煤量自動(dòng)地對(duì)應(yīng)于主蒸汽壓力而變化。
2.3循環(huán)流化床鍋爐床溫控制
    床溫控制系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐特有的也是至關(guān)重要的控制系統(tǒng)，床溫調(diào)節(jié)目的是優(yōu)化和減少煙氣中S02含量，煤等燃料中的硫在燃燒過程中形成硫化物，石灰石再吸收硫化物形成干的硫酸鈣固體，從而降低硫化物排放量，能有效地去除S0：和NOx。床溫的控制直接影響著爐內(nèi)的脫硫和脫硝，需保持850℃—950℃的最佳床溫，但在實(shí)際運(yùn)行中將床溫控制在某一確定溫度是相當(dāng)困難的，幾乎不可能，而只是將床溫度控制在一定范圍內(nèi)。
    安全燃燒的一個(gè)主要指標(biāo)是控制爐膛溫度分布，防止床溫過高出現(xiàn)結(jié)焦或床溫過低出現(xiàn)熄火。控制難點(diǎn)為增給煤或減風(fēng)則升床溫，燃燒處于還原區(qū)時(shí)反而降床溫，二次返料量的增減會(huì)引起床溫的明顯升降。煤質(zhì)，煤濕度變化影響床溫變化。料床（密相區(qū)）高度，特別是間歇放渣引起床溫變化。負(fù)荷變化引起爐膛溫度分布變化。
    影響床溫的主要因素比較多，如煤種、燃料的粒徑、床料量、一、二次風(fēng)量、返料量和冷灰循環(huán)等等。采用調(diào)整一、二次風(fēng)比例、調(diào)節(jié)給煤量、控制灰循環(huán)流量的床溫控制方式。130t/h循環(huán)流化床鍋爐除灰采用手動(dòng)方式，在一、二次風(fēng)門設(shè)計(jì)中可采用自動(dòng)和手動(dòng)方式，床溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是床溫一燃料串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)給煤量來調(diào)整床溫，采用高壓羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或返料風(fēng)調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)返料量，調(diào)節(jié)床溫通過改變料層厚度的方法。經(jīng)常采用改變一、二次風(fēng)比率的方法來調(diào)節(jié)循環(huán)流化床鍋爐床溫如圖5所示。除塵器的冷灰也可以通過所設(shè)置的飛灰再循環(huán)回路重新進(jìn)入爐膛，通過改變床料的粒徑分布調(diào)整爐膛溫度。
3、循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制調(diào)整及故障處理規(guī)則
    循環(huán)流化床鍋爐燃燒調(diào)整主要是適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化，在正常運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵是建立穩(wěn)定的物料循環(huán)，大量的循環(huán)物料起到傳遞質(zhì)量和傳遞熱量的作用，將大量熱量帶到整個(gè)爐膛，從而使?fàn)t膛上下溫度梯度減少，增大了負(fù)荷調(diào)節(jié)的范圍。鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)主要是通過風(fēng)與煤的搭配，來實(shí)現(xiàn)鍋爐循環(huán)量的改變，以達(dá)到調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷的目的。
    正常運(yùn)行中，燃燒室出口壓力保持在-100—Opa，流化床溫度控制在850—990℃，通過調(diào)整給煤量、一次風(fēng)量、控制流化床溫度。在床溫正常范圍內(nèi)盡量保持在上限運(yùn)行。風(fēng)量的調(diào)節(jié)主要是以二次風(fēng)作為變量調(diào)節(jié)的，可參照省煤器后煙氣含氧量，使之保持在2.8～4.2%范圍內(nèi)。運(yùn)行中返料溫度的監(jiān)視與控制要加強(qiáng)對(duì)返料溫度監(jiān)視限定返料器人口煙氣溫度不超過1000℃，當(dāng)返料溫度升得太高可適當(dāng)減少給煤量和負(fù)荷，及時(shí)調(diào)整至正常范圍。反應(yīng)流化床料層厚度的量為料層阻力，一定的料層厚度對(duì)應(yīng)一定的料層阻力，料層太薄，流化床上爐料量少、易造成流化質(zhì)量不良燃燒不穩(wěn)定，同時(shí)爐渣含碳量高造成不經(jīng)濟(jì)。料層太厚，使料層阻力增大，電耗損失增加，料層阻力應(yīng)由排渣量來控制，排渣量大，料阻小，反之亦然，如排渣管堵，要盡快疏通；如園排渣系統(tǒng)故障，應(yīng)用事故排渣，并適當(dāng)減負(fù)荷。
    循環(huán)流化床燃燒過程正常控制狀態(tài)下，按照料床溫度（高、中、低）、爐膛出口溫度（高、中、低）、床溫變化率（快升、慢升、平穩(wěn)、慢降、快降）、出口溫度變化率（快升、慢升、平穩(wěn)、慢降、快降）如表1，表格中每項(xiàng)代表燃燒過程的一個(gè)狀態(tài)。表示料床溫度、爐膛出口溫度、床溫變化率平穩(wěn)、出口溫度變率平穩(wěn)。每個(gè)控制輸出值包括輸出暫時(shí)量和長期量，用于分別克服堵煤等意外暫時(shí)擾動(dòng)和煤質(zhì)變化等偏離平衡位置的擾動(dòng)。暫時(shí)添加的暫時(shí)量，狀態(tài)改變時(shí)必須恢復(fù)}調(diào)整平衡狀態(tài)各輸出值長期量，不必恢復(fù)既避免意外擾動(dòng)后引起控制量太大的不穩(wěn)定，又避免了不敢加控制量導(dǎo)致無法調(diào)整穩(wěn)定。
    循環(huán)流化床燃燒過程故障主要應(yīng)付工藝設(shè)計(jì)不佳帶來的堵煤、堵灰及意外工況可能帶來的熄火和結(jié)焦，處理規(guī)則如表2描述。規(guī)則處理一般為計(jì)算機(jī)控制加報(bào)警，以引起操作人員的足夠重視，記載歷史故障報(bào)警信息進(jìn)行存檔。