大型循环流化床锅炉控制系统.doc

大型循环流化床锅炉控制系统（叶敏、刘建江 新华控制工程有限公司）主题词：循环流化床锅炉、控制系统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100300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2220t/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275t/h和江苏沛县热电公司275t/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5t/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2450t/h循环流化床、2100MW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构成一体化控制系统（见图二）。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型CFB锅炉完整的热控系统。下面就结合上述工程的实际情况对CFB锅炉的控制系统特点作一些简单的分析。图二：保定热电厂2450t/h循环流化床XDPS-400分散控制系统配置图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。图三：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。2.1. 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015mm）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. 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。2.3. 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35%）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1:16:4。而一次风压一般为1013KPa，二次风压为68.5KPa。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（如图四所示）。图四：循环流化床锅炉风量控制系统框图2.4. 返料风控制CFB的返料器多采用非机械密封阀，锅炉物料循环系统的循环动力来源于返料器进口侧立管中的物料差压，为了保证物料的可靠循环，CFB锅炉还设置有一路高压的返料风。返料风可以从一次风管引出，或来自高压罗茨风机。返料风压力高但风量较小，一般小于2%。返料风压与返料阀形式、锅炉布置方式等密切相关。中、小CFB为1320KPa，大型CFB为5060KPa。在不参与床温调节时，返料风压的控制是一个单回路控制系统，通过返料风一次风联通管档板控制返料阀的流化风压。一些大型的CFB锅炉还设计有专门的播煤风机，播煤风压为912KPa。也有相应的风量或风压控制回路。2.5. 床温控制系统床温控制系统是循环流化床锅炉特有的，也是至关重要的控制系统，床温的控制直接影响着炉内的脱硫和脱硝。煤等燃料中的硫在燃烧过程中形成硫化物，石灰石再吸收硫化物形成干的硫酸钙固体，从而降低硫化物排放量。能有效地去除SO2和NOX的最佳床温是850950。但在实际运行中，要将床温控制在某一确定温度是相当困难的，几乎不可能。而只是将床温度控制在一定范围内。而且，影响床温的主要因素比较多，如煤种、燃料的粒径、床料量、一、二次风量、返料量和冷灰循环等等。因此，不同的CFB锅炉采用的床温控制方式也各不相同。比较典型的有：调整一、二次风比例；调节给煤量；控制灰循环流量。图五：CFB典型床温风量调节曲线大多数75t/h和容量更小的循环流化床锅炉，由于一、二次风门均没有设计自动手段，除灰也是采用手动方式，所以床温控制系统一般设计为床温-燃料串级调节系统。通过调节给煤量来调整床温。也有采用调节返料量（高压罗茨风机转速或返料风调节挡板），亦即改变料层厚度的方法来调节床温。而对大容量的循环流化床锅炉，往往是采用改变一、二次风比率的方法来调节床温，（见图四、五）。有烟气再循环的CFB锅炉，还可以通过烟气再循环流量来调节床温。同时，除尘器的冷灰也可以通过所设置的飞灰再循环回路重新进入炉膛，通过改变床料的粒径分布调整炉膛温度。2.6. 床压控制（床料高度控制）循环流化床底部的床料是由灰、渣及大颗粒的燃料组成，一次风由底部吹入，不停扰动这些床料。和沸腾炉不同，CFB锅炉没有明显的料床厚度，但仍有密相区和稀相区之分，料层厚度是指密相区静止时的料层厚度。料层的厚度不仅影响床温，而且对锅炉的经济运行影响很大，差压过高会使布风板阻力增大，并可能造成风道和风室振动。差压过低时负荷又带不上去。通过测量一次风室与稀相区的压差及一次风量可以测算出料层的厚度。而床压的控制一般是通过排渣量的调节来实现的。由于排渣对CFB锅炉的燃烧和床温有较大影响，所以排渣的方式有周期性排渣和连续排渣两种。目前CFB锅炉有两种主要的排渣冷却装置，一种是水冷螺旋冷渣器。可以控制排渣机的转速调节差压保持设定值。另一种是风冷或水风冷流化床冷渣器（如图五所示Pyroflow型循环流化床锅炉冷渣器）。采用脉冲阀的开启时间来控制底灰的排放量。同时，可以通过控制再循环烟气压力调整床温。除了可以通过控制出渣量来调节床压外，还设计有灰冷却的控制回路。而福斯特惠勒公司的CFB锅炉则设计有选择性排渣器，每个冷渣器分隔成三个小室，分别为选择室，第一和第二冷却室。被加热的冷风和筛选的细颗粒，再送回炉膛参加燃烧。其床压的控制可以通过螺旋排渣机或选择排渣阀来调节。2.7. 炉膛压力控制炉膛压力调节的目的是保持炉膛压力为一定的负压。CFB锅炉的炉膛负压控制也是通过调节引风机挡板实现的。但是，CFB锅炉炉膛负压的调节特点与普通的煤粉锅炉略有不同。进入烟道的烟气顺序经过过热器、省煤器、空预器等受热面，然后进入电除尘器后由引风机抽至烟囱排走。炉膛下部床面附近是微正压，在低负荷时炉膛负压点较低，高负荷时负压点升高。也就是说炉膛负压取样点的控制参数是锅炉负荷的函数。压力调节器定值也可手动设定。一、二次风量之和作为负压调节回路的前馈信号，当锅炉负荷变化时，一、二次风量相应变化，预先动作引风机调节挡板。图六：Pyroflow型循环流化床锅炉冷渣器示意图3炉膛安全监控系统FSSSCFB锅炉的安全保护侧重于燃料投运操作的正确顺序和联锁关系，以保证CFB锅炉稳定燃烧。按照煤粉锅炉的习惯仍将有关CFB锅炉的保护功能称作炉膛安全监控系统FSSS。同样地，套用煤粉锅炉FSSS的功能划分方法，整个FSSS系统又分为锅炉安全系统FSS和燃烧器控制系统BCS。主要功能有：主燃料跳闸MFTCFB锅炉吹扫启动油系统泄漏试验CFB锅炉冷态启动（建立流化风和初始床料）CFB锅炉升温控制CFB锅炉热态启动风道油燃烧器控制启动油燃烧器控制油燃烧器火焰检测煤及石灰石系统控制一次、二次风机、高压风机、引风机、播煤风机联锁控制CFB锅炉的燃烧方式与煤粉锅炉不同，在正常运行时有大量的高温床料作为恒定的点火源，不易因为灭火造成爆炸性混合物不恰当地积聚，进而引发爆燃或爆炸。所以也不必煤粉炉那样需要通过火焰检测等手段连续监测煤燃烧器和整个炉膛的燃烧。同时，因为CFB锅炉在正常运行时也不像带有数量众多煤或油燃烧器的煤粉锅炉那样需要根据负荷或运行情况投切各层或各角的煤或油燃烧器。CFB锅炉仅在启动或床温较低时才需投入油燃烧器，数量也比煤粉炉要少得多。所以其燃烧器管理系统也比煤粉炉简单得多。图八：CFB锅炉燃烧器启动顺序3.1. 油燃烧器的控制大型的CFB锅炉一般均采用热烟气床下点火方式。同时，在密相区和二次风口还可设置助燃用的启动燃烧器和床枪。锅炉启动采用床料循环加热，即冷床料在流化并循环的条件下加热升温。启动时，最先投运风道燃烧器，以热烟气和空气混合物加热床料；之后投运启动燃烧器，使温度按照升温升压曲线上升，当床温达到500时，可根据需要投运床枪，使床温进一步升高至600，这时便可开始逐步投煤。典型的启动流程见图八。图九：CFB锅炉油燃烧器示意图3.2. 煤燃烧器启停控制为了避免床内积聚过多的可燃物而引起结焦或爆燃，CFB锅炉的初始给煤采用间歇加入方式。具体为：在油燃烧器负荷不变的情况下，启动第一台给煤机，开始以较低给煤量运行，延时12分钟后停给煤机，在给煤机停止时仔细观测床温和炉膛出口烟气氧量的变化，如确定床温上升，氧量下降，则再次启动给煤机，重复三次上述过程。再次启动给煤机，并确认给入煤己燃烧时，就可启动其它给煤机，进而根据燃烧及负荷需求，减油加煤，逐步转换为全燃煤运行。此时床温度大于800。当锅炉各参数都达额定值并平稳运行时，锅炉由手动转为自动方式运行。在自动控制状态下，给煤机给煤量自动地对应于主蒸汽压力而变化。为避免炉内和循环回路中耐火材料因温度剧变产生的热应力而损坏，制造厂家规定了严格的炉内温度变化速率。锅炉应按照这个温度变化速率升温或降温。为此，CFB锅炉燃烧器顺序控制逻辑设计了燃烧器的投切自动监控程序。4CFB锅炉顺序控制系统循环流化床的循序控制系统设计思想与常规煤粉炉是一致的。按照分层设计的原则，可以实现设备级、子组级和组级的循序控制。图十是一个CFB锅炉的典型顺序启动逻辑。图十：循环流化床锅炉启动流程图5保定热电厂450t/h循环流化床锅炉控制系统简介保定热电厂2450t/h循环流化床、2100MW双抽汽轮发电机组。锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司生产的DG450/9.81-1型高温高压循环流化床锅炉、全模式水冷壁炉膛、单汽包自然循环、岛式半露天布置、汽冷式旋风分离、高温回灰。锅炉设六个进料口，布置在前墙水冷壁下部的炉膛密相区，燃煤分别经六个计量式给煤机进入气力播煤装置，由给料口进入炉膛。石灰石也由给料口同时送入炉膛。系统配置两台播煤风机、两台石灰石粉输送风机、两台高温回灰用J阀回料风机。锅炉采用二级点火，即：点轻柴油点细煤。两台床下风道点火器，四台床上点火器。整个循环流化床锅炉的控制包括数据采集系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、炉膛安全监控系统均采用新华控制工程有限公司XDPS-400实现。主要控制功能包括：5.1. 模拟量控制系统 机炉协调控制系统 机前蒸汽压力控制 锅炉床压控制 炉膛温度及料位控制 燃料供给控制 石灰石控制 锅炉负荷控制 炉膛通风控制 汽包水位调节 主汽温度控制 燃油压力控制 高、低压加热器水位控制 凝汽器水位控制 除氧器压力控制 除氧器水位控制5.2. 顺序控制系统的功能 一次风机功能组 二次风机功能组 引风机功能组 石灰石系统功能组 飞灰再循环系统 给煤机功能组 主汽系统 汽包水位系统 床温及料位系统 给水泵功能组 凝结水泵功能组 厂用蒸汽系统 凝结水系统 汽机凝汽器系统 汽机轴封供汽系统 汽机循环水系统 汽机进汽抽汽系统 汽机润滑油系统 汽机盘车系统 汽机控制油系统 汽机抽真空系统 汽机疏水系统 高压加热器系统 低压加热器系统 除氧器系统5.3. 炉膛安全监控系统的功能 锅炉炉膛吹扫、建立流化风和初始床料 根据锅炉汽包壁温差控制锅炉升温速度 炉前油系统的泄露检查 油枪的投入和推出 油