300MW循环流化床锅炉模拟量控制系统设计要点.pdf

2 0 0 9 年第3 期 华 中 电 力 第2 2 卷 3 0 0 m w 循环流化床锅炉模拟量 控制系统设计要点 王卫涛 f 湖北省 电力试验研究院 ， 湖北武汉4 3 0 0 7 7 ) 摘要： 根据湖北宜都东阳光 3 0 0 mw 循环流化床锅炉的基本特点， 对 c f b锅炉模拟量控制系统的方案进行 了探讨， 从而设计出了可靠、 稳妥的湖北宜都东阳光 3 0 0 mw 循环流化床锅炉的模拟量控制系统， 保证 了循环流化床机组 的安 全 、 稳 定 运行 。 关键 词 ： 循 环流化床 ； 锅 炉： 模拟量控制 系统 中图分类号 ： t k 2 2 9 6 + 6 文献标识码 ： a 文章编号 ： 1 0 0 6 6 5 1 9 ( 2 0 0 9 ) 0 3 0 0 6 4 0 3 ke y p o i n t s i n 3 0 0 mw cf b bo i l e r an a l o g u e co n t r o l s y s t e m de s i g n w ang w e i - t a o ( hu b e i e l e c t r i c p o w e r t e s t i n g &re s e a r c h i n s t i t u t e ， wu h a n 4 3 0 0 7 7 ， c h i n a ) ab s t r a c t ： ac c o r d i n g t o t h e b a s i c t r a i t o f t h e do n g ya n g g u a n g 3 0 0 m w cf b bo il e r ， d i s c u s s e d t h e s c h e me o f t h e cf b b o i l e r a na l o g ue c on t r o l s y s t e m ， t he n t he r e ha b l e s c he m e o f t he don g ya ng g ua n g 3 0 0 m w cf b b o ile r a n a l o gu e c on t r o l s ys t e m wa s d e s i g n e d， i t e n s u r e d t ha t t he u ni t c a n b e r u n s a f e l y a n d s t a b l y ke y wo r d s ： cf b；b o il e r ；a n a l o g u e c o n t r o l s y s t e m o前 言 循环流化床( c f b ) 锅炉技术是上世纪 7 0年代 发展起来的新技术 ， 它发展的动力在于人类社会对 环境保护的 日益重视 ，作为一种清洁燃烧技术 ， 其 特殊 的燃烧方式大大地减少 了作为世界主要大气 污染源燃煤 电站 的二氧化硫( s o 2 ) 和氮氧化物 ( n o ) 排放 ， 即从根本上解决了酸雨问题 ； c f b锅炉 还可以将煤矿挑选剩下的煤矸石、 劣质煤、 煤泥作为 燃料来发电。 大型 c f b锅炉的热效率普遍达 9 0 以 上 ， 其负荷适应性 比较广 ， 负荷调节范围比较宽 ， 从 3 0mc r 1 0 0mc r均不 需投 油助 燃 而能稳 定 燃 烧。因此作为世界上能源技术发展的三大方 向之 一 ，该技术在全世界得到迅猛发展 ， 不断地在工业 锅炉和电站锅炉行业得到实践和应用。为此 ， 湖北 省宜都市东阳光实业发展有 限公司 自备热 电厂决 定选 用 东方 锅 炉 厂 d g1 0 2 5 1 7 4 5 一 i i 1 6型 3 0 0 mw 循环流化床锅炉 ， 建设两台 3 0 0 mw 级国产亚临界 燃 煤 热 电联 产机 组 来 满足 地 方经 济 对 电 能 和热 能 的需要 。 1 湖北宜都 东阳光 3 0 0 mw 循环流 化床锅 炉模拟量控制系统的基本特点 1 1循环 流化床 锅炉 的燃 烧原 理 循环 流化 床锅 炉属 低温 燃烧 锅炉 ， c f b锅 炉 的 燃料一般 由煤和石灰石两部分组成 ， 燃料被破碎成 粒径8 mm的颗粒后 。这种燃煤颗粒比普通煤粉 炉 的煤粉大得多 ， 通过给煤系统送入炉膛 。当煤粒 进入炉膛后 ， 将发生下列过程： ( 1 )煤粒和高温床料 混合后加热并干燥 ； ( 2 )热解及挥发分燃烧 ； ( 3 )对 某些煤种会发生颗粒膨胀和一级破碎现象。 送风一般设有一次风和二次风 一次风 由布风 板下部送人燃烧室 ， 主要保证料层流化 ； 二次风 沿 燃烧室高度分级多点送入 ， 主要是增加燃烧室的氧 量保证燃料燃烬。 燃烧室内的燃料在一定的流化风速作用下 ， 发 生剧烈扰动 ， 部分固体颗料在高速气流的携带下离 开燃烧室进入炉膛 ， 其 中较大颗料因重力作用沿炉 收 稿 日期 ： 2 0 0 90 22 0 作者简介 ： 王卫涛( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 江苏省南京市人 ， 高级工程师， 硕士研究生， 研究方向为热工自动化协调控制系统 6 4 第2 2卷 3 0 0 mw 循环 流化床锅 炉模拟量控制 系统设计要 点 2 0 0 9年第3 期 膛 内壁 向下 流动 ， 一 些较小 颗料 随烟气 飞 出 炉膛 进人物 料分离 装置 ， 炉膛 内形成气 固两 相 流 ： 进入分离装置的烟气经过固气分离， 被分离 下来的颗料沿分离装置下部的返料装置送回到燃烧 室，经过分离的烟气通过对流烟道内的受热面吸热 后 ， 离开锅 炉 1 2 循 环流 化床 锅 炉的控 制 特点 通过对循环流化床锅炉的燃烧原理进行分析 可以知道循环流化床主要有以下控制特点。 f 1 )循环流化床锅炉存在燃料循环和流化 2个 过程 ，而普通煤 粉炉存在流化 1 个过程 。这表 明 c f b锅炉 比常规煤粉 炉具 有更多 的输入 输出变 量 ， 耦合关系也更为复杂 ， 参看图 1 。 给水 流 量 减 温 水 流 量 燃 料量 一 次 风 量 二次 风 量 引风 量 循环 物 料 堵 、 ， 一 ，-_ ， ，一 ，一 、_ 、， ， 、， 、 、 、 循 化床 粥 堤 汽 包 水 位 蒸 汽温 度 蒸 汽 压 力 炉 末 温 度 烟气含氧量 炉膛 负压 床 层 差 压 炉项温度 图 1循 环 流 化 床 控 制特 性 原 理 图 f 2 1由于 c f b锅 炉的燃料是通过给煤 系统送 入 流 化 床 上 ， 先 行 加 热 、 干 燥 、 颗 粒 膨 胀 、 热 解 和 挥 发分 燃烧 ，只有将床 温控制在适宜 的范 围 ， 才 能 实现 上 述 一 系 列 燃 料 热 解 过 程 。床 温 过 低 ， 燃 料无法热解 ： 床温过 高 ， 燃 料可能先行燃 烧 不能 在 炉膛 中形成 中心火焰 。而流化床 的面积较大 ， 温度测 点较 多 ，表 明床 温是一 个 时变 的分布 参 数 ， 这就带 来流 化床床 温 的控 制难 题 ， 保 证 控制 效果 的均匀性 是一个 不容易解决 的问题 。 同时影 响主汽压力 的因素也会 对床温产生作 用 ， 它们之 间存在 严重 的耦合关 系 ， 给燃烧系统实现 自动控 制带来 较大困难 。 f 3 1由于燃 料 被破 碎 成粒 径 8 i n ll l的颗粒 后 、 送 入 炉 膛 燃 烧 ， 这 种 燃 烧 方 式 不 同 煤 粉 炉 中 煤 粉 燃 料 被 一 次燃 烬 ， 而 是 在 于颗 粒 离 开 炉 膛 出 口后 经旋风 分离 器和返 料装 置不 断送 回炉膛 燃 烧 。煤粒完全燃烬需要 约 8 1 0 mi n ， 比普通煤粉 炉的煤粉燃烧过程长 得多 ， 造成锅炉燃烧 过程滞 后时间非常长 。 再加 上燃烧 室 内的床料具 有相 当 大 的热惯性 和蓄热 能力 ， 因此 ， 其 动态 特 性主要 表现为燃烧 室及外置床 内流化层热容量大 ， 动态 过程滞后 时间长 。 这种特性造成 了当给煤量 变化 后 ， 主蒸汽压 力的响应 比普通 煤粉炉 的迟延 和惯 性 要 大 得 多 2 3 0 0 mw 循 环流化床锅炉模拟量控制 系 统方 案设计 通过对 c f b锅炉的燃烧原理和控制特点进行 分析 ，可以认识到 c f b锅炉控制系统的控制 目标 是保证锅炉安全经济运行 ， 保证主汽压力稳定在设 定值 、 锅炉水位稳定在正常范围内、 床温在允许 的 范 围内变化和主蒸汽温度稳定在设定值等任务 。 为 此 。将 c f b锅 炉分 为 以下 几个 相 对 独立 的控 制 系 统单独进行分析 。 2 1 燃 烧 控 制 系统 燃烧控制系统主要包括机炉协调控制系统 ， 煤 量控制系统 ， 石灰石量控制系统。 ( 1 1机炉协调控制系统 ： 机组协调控制系统采 用以锅炉跟随为基础 的协调控制策略 利用锅炉热 量 释放 信号 hr来 与机组 的能量 需求 指 令信 号 d e b相平衡。由于 c f b锅炉具有较大蓄热的特性， 采用 hr热量信号与 d e b热量指令构成的协调控 制系统 比一般 的协调控制组 态更符合循环流化床 机组的协调控制功能。 锅炉主控器通过控制给煤量 和风量来改变锅 炉负荷 ， 以维持机前压力 ； 汽机主 控指令根据负荷偏差 和压力偏差产生 ，它与 d e h 来的负荷参数进行 比较后 向 d e h系统发送控制信 号 ， 控制调 门的开度以维护机组的负荷和主汽压力 在要求值 ( 2 )煤 量控制系统 ： 调节采用分配控制 的一级 给煤机 ，最终使锅炉给煤量满足锅炉指令要求 ， 使 参与调节的给煤机的给煤量相等。 f 3 )石灰石量控制系统 ： 控制 回路一般设计采 用 串级调节方式。上级调节器为 s o 调节器 ， 下级 调 节 器 为 石灰 石 量 调 节 器 。 当 s o ， 变 化 时 ， 调 节石 灰石输送风机 的转速 ， 使进入炉膛石灰石量相应变 化。 在这个调节回路中， 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 s o 信号进 行校正 ， 可以减少调节延迟 。 2 2 风 烟 控制 系统 风烟控制系统 主要 包括炉膛 压力控 制系统 、 次 风控 制系统 、 二次 风控制 系 统 、 流化 风控 制 系 统 。 一 65 2 0 0 9 年第3 期 华 中 电 力 第2 2 卷 f 1 )炉膛压力控制系统 ： 通过调节引风机静叶 ， 使炉膛压力满足设定值要求。 同时应考虑送入炉膛 总风量对炉膛压力 的影 响 ， 将 总风量或一次 、 二次 风量引入炉膛压力调节器 的前馈环节。 f 2 1一次风控制系统 ： 一次风控制系统包括一 次风量调节和一次风压调节。 一次风量调节是通过 锅炉负荷指令与一次风量 曲线 ， 计算 出一次风量设 定值 ， 调节一次风量调 门， 使一次风量满足设定要 求 。 一次 风压 调节是 通过 锅炉 负荷 与一次 风压 曲线 计算 出一次风压设定值 ，调节一次风机入 口导叶 ， 使一次风母管压力满足设定要求 f 3 )二次风控制系统 ： 二次风控制系统包括氧 量调节和二次风压调节。 氧量调节由串级调节回路 组成 ， 副回路由风煤交叉环节的大选值得到总风量 设 定值 ， 使 总 风 量满 足 要求 ； 主 回路 由热 负荷 与 氧 量设定值 曲线给 出主调器设定值 使氧量满足要 求 。二次风压控制是通过锅炉负荷与二次风压 曲 线 ， 计算出二次风压设定值 ， 调节二次风机导叶使 二次风母管压力满足设定要求。 f 4 1流 化 风 控 制 系 统 ： 流 化 风 控 制 系 统 包 括 流 化 风母 管 压 力 控 制 系 统 、 回 料 阀 流 化 风量 控 制 系统 、 冷渣器 流化风量 控制 系统等 。流化风母管 压力调节类 似于一次风压 调节 ， 由锅 炉负荷 与流 化风母管压力曲线 ， 计算 出流化风母 管压 力设定 值 ， 控 制流化风机入 口导叶 ， 使流化风母 管压力满 足设定要求。回料 阀流化风量控制系统 、 冷渣器流 化风量控制 系统均为单 回路控制系统 其风量设 定值固定 。 2 3 床温床压控制系统 床温床压控 制系统主要包括锅炉床温控制系 统 ， 床 压控 制系统 等 。 f 1 1锅炉床温控制系统 ： 床温 的设定值 由锅炉 热负荷与床温曲线给出。 另外影响床温的还有给煤 量、 再热器锥形阀开度、 一次风与总风 比例 、 上二次 风 与总 二次 风 比例 、 料 床床 压 ， 在 调 节 中应 考 虑 这 些量 的前馈补偿 ， 根据 现场的扰动量与床温 、 锥形 阀开度与床温动态特性确定补偿函数 f 2 )床压控制系统 ： 床压的控制关系到床料的 流化质量 、 经济燃烧 、 厂用 电率 消耗 、 带负荷 能力 等 ，所 以控制好床压对 c f b锅炉安全经济运行具 有重要意义 。由锅炉负荷与床压 曲线 ， 计算 出床压 设定值 ， 控制排渣器调节门， 使左右两侧床压一致 。 6 6 2 4 蒸 汽温 度控 制 系统 蒸汽温度控制系统主要包括主蒸汽温度控制 系统 ， 再热蒸汽温度控制系统。 f 1 1主蒸汽温度控制系统 ： 过热器系统采用喷 水减 温作 为 汽温 调 节 和保 护 各 级受 热 面 管 子 的手 段 ， 整个 过热 器系统 共 布置有 两级 喷 水 。一级减 温 器布置在低过出口至屏过人 口管道上 。作为粗调； 二级减温器位于屏过与高过之间的连接管道上 ， 作 为细调。每级减温设计为 串级调节。 f 2 )再热蒸 汽温 度控 制系统 ： 再热 汽温采 用 尾 部 双 烟 道 挡 板 调 温 作 为 主 要 调 节 手 段 ， 通 过 调 节尾部 过热器 和再热 器平行 烟道 内烟气调 节挡 板 ，从 而控制 流经再 热器侧 和过热 器侧 的烟气 量 ， 达 到调节再热汽温 的 目的 。 同时 ， 为增加再热 蒸 汽 汽 温调 节 的灵