（系统分析与集成专业论文）cfb锅炉燃烧控制系统初探.pdf

摘要 文章开始部分介绍了本课题的意义及研究背景，介绍了循环流化床锅炉 的特点及优点，流化床燃烧技术的国内外发展现状，详细阐述了循环流化床 锅炉的工作机理，及本课题将做的工作。 然后文章集中大量的篇幅对循环流化床锅炉的基本原理进行了详细的 介绍与剖析。首先介绍了流态化过程以及循环流化床的原理与特点、循环流 化床锅炉的工作条件，对c f b 锅炉燃烧控制系统的控制对象特性进行了分析， 找出了与普通锅炉燃烧控制系统的差别，继而对c f b 锅炉的热控方案进行了 总体规划。 接下来的第三章，重点讨论了c f b 锅炉燃烧系统基于t s 模型的模糊控 制研究，介绍了t s 模糊模型的特点，对基于t s 模型的模糊p i d 控制器的 原理进行了详细地分析，设计了基于t s 模型的模糊控制器，并利用m a t l a b 软件分别对给煤一床温控制系统、给煤一主气压控制系统进行了仿真试验， 从仿真曲线看达到了满意的控制效果。 第四章设计了c f b 锅炉燃烧系统的模糊p i d 自适应控制系统，仿真结果 表明即使模型发生较大的变化或者受到较大的干扰，这种控制方法都具有较 好的适应性和抗干扰性，控制品质良好。 文章的最后对本课题的工作进行了总结。 关键词：c f b ；燃烧控制系统；m a t l a b ；模糊控制； a b s t r a c t f i r s t , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h em e a n i n go ft h et o p i ca n dt h er e s e a r c h b a c k g r o u n d ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h em e r i to ft h ec 诎i n g f l u i d i z a t i o nb o i l e r a n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ef l u i db e db u m i n g t e c h n o l o g y ，a n de l a b o m t st h ec i r c u l a t i o nf l u i db e db o i l e r sw o r kp r i n c i p l ea n d w h a tm yt o p i ci sg o i n gt od o t h e nt h ea r t i c l ec o n c e n t r a t e sm a s s i v el e n g t h st og oo nad e t a i l e d i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i st ot h ec i r c u l a t i o nf l u i db e db o i l e rb a s i cp r i n c i p l ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i c ，t h eb o i l e r sw o r k i n gc o n d i t i o n t h e n , w ea n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ec f bb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m , a n dd i s c o v e rt h e d i f f e r e n c e b e t w e e ni ta n dt h eo r d i n a r yb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m s u b s e q u e n t l yw e p u tf o r w o r dt h eo v e r a l ls c h e m et ot h ec f b b o i l e r f u r t h e rm o r e ，i nt h et h i r dc h a p t e r , w ee m p h a t i c a l l yd i s c u s st h e6 l 盈丁c o n t r o l s y s t e mr e s e a r c hb a s e do nt h et - sm o d e la b o u tt h ec f bb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m a n di n t r o d u c ec h a r a e t e r i s t i co ft h et - s 呦m o d e l w ea l s oc a i t yo nt h ed e t a i l a n a l y s i st 0t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ft h ef u z z yp i da n dd e s i g naf u z z yc o n t r o l l e r b a s e do nt h et - sm o d e l a tl a s t , 。w ec a r r y0 1 1t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o rt h e c o a l - h o s tb a r o m e t r i cp r e s s u r e c o n t r o ls y s t e ma n do a l b e dw a l l nc o n t r o ls y s t e mb y u s i n gt h em a t l a b ，s e p a r a t e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l e f f e c ti ss a t i s f y i n g i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w ed e s i g nt h ef i a z z yp i da d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mf o r t h ec f bb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e c o n t r o lm e t h o dh a st h eg o o da d a p t i o na n dt h ea n t i - j a m m i n ge v e ni f b i gc h a n g eo r r e c e i v e sb i gd i s t u r b a n c eo c c u r s i tp r o v e st h es y s t e m sc o n t r o lq u a l i t yi sh i g h a tl a s tw ec a r r yo nt h es m n r l a - yt ot h i st o p i c k e yw o r d s ：c f b ；t h ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m ；m a t l a b ；f u z z y c o n t r o l 曲申师范夫学硕e 学位论文 c f b 锅炉燃烧控制系统初探 第一章前言 能源与环境是当今社会发展的两大问题，我国是产煤大国，也是用煤大 国，目前一次能源消耗中煤炭占7 6 ，在今后若干年内还有上升的趋势，而 这些煤炭中又有8 4 是直接用于燃烧的，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生 的大气污染物还没有得到有效的控制，以至于我国每年排入大气的8 7 s 晚 和6 7 n 0 ，均来源予煤的直接燃烧，可见发展高效、低污染清洁燃煤技术是当 前亟待解决的问题。循环流化床是近年来国际上发展起来的新一代高效、低 污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行 低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈、不但能达到低n o 。排放、9 0 的脱 硫效率和与煤粉炉相似的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能 好、灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。 1 1 循环流化床锅炉的特点及优点 循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备有许多独特的优 点，以下分别加以简述。 1 燃料适应性广 这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计， 燃料仅占床料的1 一3 ，其余是不可燃烧的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂。 循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好，因此 燃料进入炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而 同时床层温度没有明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需 的空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅 助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉即可燃用优质煤，也可以燃用各种 劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以 及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。 曲申师范大学硕e 学位论文 2 燃烧效率高 循环流化床锅炉的效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在 9 7 5 9 9 j 范围内。可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是 因为有下述特点：气一固混合良好；燃烧速率高，特别是对租粒燃料；绝大 部分未燃尽的燃料被再循环至炉膛。 与鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉能在较宽的运行变化范围内保 持高的燃烧效率，甚至燃用细粉含量高的燃料时也是如此。 3 高效脱硫 循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉更加有效。典型的循环流化床 锅炉达到9 0 脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比为1 5 2 5 。鼓泡流化床 锅炉达到9 0 脱硫效率则需脱硫剂化学当量比为2 5 3 ，甚至更高，有时即 使c a s 比再离，鼓泡流化床锅炉也不能达到9 0 的脱硫效率。 与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。为了使氧化钙( 煅烧石灰 石) 充分转化为硫酸钙，烟气中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接 触时间和尽可能大的反应比面积。当然，脱硫剂颗粒的内部并不能完全反应。 鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域的平均停留时间为l 2 s ，在循环流化 床锅炉中则为3 4 s 。循环流化床锅炉中石灰石粒径通常为0 1 0 3 m m ，而 鼓泡流化床锅炉中则为0 5 l m 。0 1 哪颗粒的反应速度是i m m 颗粒的数十 倍。因此，无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫的脱除率，循环流化床锅炉 都要比鼓泡流化床锅炉优越。 4 氮氧化物捧放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验 表明，循环床锅炉的n o 。排放范围为5 0 1 5 0 p p m 或4 0 1 2o i 【l g m j 。循环流 化床锅炉n o ，排放低是由于以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中的氮 一般不会生成n 0 ，；二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为n 0 。并使部分已 生成的n o 。得到还原。 5 其它污染物排放低 循环流化床锅炉的其它污染物如c o 、h c l 、h f 等的排放也很低。 6 。燃烧强度高，炉膛截面积小 曲牟师范大学硕十：学位论文 炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优点之一。循环流 化床锅炉的截面热负荷约为3 5 4 5 m w 一，接近或高于煤粉炉。同样热负荷 下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2 3 倍。 7 给煤点少 循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展 使所需的给煤点数大大减少。如热功率为1 0 0 w 的循环流化床锅炉只需一个 给煤点，而相同容量的鼓泡流化床锅炉则需要2 0 3 0 个给煤点。在循环流 化床锅炉中，燃料经常给入返料管内，这样在进入炉膛前经历一个预热过程， 既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 8 燃料预处理系统简单 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于1 2 聊，因此与煤粉锅炉相比，燃料 的制备破碎系统大为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤( 水 分可达到3 0 以上) ，当燃用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。 9 易于实现灰渣综合利用 循环流化床锅炉燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得 锅炉的灰渣含碳量低，属于低温烧透，易于实现灰渣综合利用，如灰渣作为 水泥掺和料或做建筑材料。同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。 1 0 负荷调节范围大，负荷调节快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流 化床锅炉那样采用分床压火技术。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比 可达( 3 4 ) ：1 。此外，由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉 的负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4 。 1 1 床内不布置埋管受热面 循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉 的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、 结焦处理时间短，同时长时间压火之后可直接启动。 1 2 投资和运行费用适中 循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规煤粉锅炉，但比配置脱硫 装置的煤粉炉低1 5 2 0 。 曲阜师范大学硕十学位论文 1 2 循环流化床的发展概况 第一台成功运行的流化床是德国人温克勒( f r i zw i n k l e r ) 于1 9 2 1 年 1 2 月发明的，快速流化床则是由麻省理工学院的刘易斯( w a r r e nk l e w i s ) 和吉里兰( e d w i nr g i l l i l a n d ) 在1 9 3 8 年1 2 月最早发明的。流化床真正 成为具有工业实用价值的新技术是在五六十年代。 经过几十年的发展，在不同形式的清洁煤发电技术中，循环流化床燃烧 技术作为一种高效、成熟的高效低污染清洁技术成为商业运作中的首选。 流化床燃烧是本世纪6 0 年代发展起来的新型煤燃烧技术，3 0 年来发展 很快，应用范围从工业流化床锅炉发展到电站锅炉，最大容量已达3 0 0 m w ， 流化床燃烧技术本身也由第一代所谓的鼓泡床发展到第二代的循环床，在我 国自1 9 6 5 年建成第一台燃烧油页岩的工业流化床锅炉，很快在我国得到推 广，现在我国有几千台流化床锅炉在安装与运行，最大容量已达到3 0 0 m w ， 世界上许多国家都十分重视这种新型燃煤技术的发展，除不断完善中小型鼓 泡锅炉外还大力发展循环流化床锅炉，在锅炉的大型化和可靠性方面取得了 很大的进展，6 0 0 娜的循环流化床锅炉是下一步发展的趋向。 1 3 本文的主要工作 循环流化床锅炉是一个分布参数、非线性、时变、多变量耦合紧密的控 制对象。在扰动存在的情况下，要保持床温在一定范围变化，需要调节给煤 量或送风量。给煤量的大小与负荷密切相关。如果调节送风量控制床温，会 改变传热系数从而影响负荷( 传热系数是与炉内气体流速、床温、悬浮段物 料密度等密切相关) 。而由此造成的蒸汽量的变化又影响到汽包水位和过热 蒸汽温度。给煤量和送风量的改变又会影响烟气含氧量、炉膛负压和料床高 度，等等。 到目前为止，还难以建立循环流化床锅炉的精确数学模型，传统控制方 法无法发挥其自身的优越性。即使由于众多研究人员的努力，目前己经建立 了c f b 锅炉的复杂的数学模型，但从工程应用角度来说，也必须进行简化， 从而难以保证模型的精度。此p f c f b 锅炉运行状态、内部参数等因素的不确 定性，使得基于现代控制理论的最优控制在实际上往往不能保持最优，有时 甚至会引起控制品质的严重下降。近年来，模糊控制技术得到了长足的发展， 曲阜师范大学硕l ：学位论文 模糊控制在设计系统时不需要建立被控对象的精确数学模型，它是通过总 结、归纳操作人员和领域专家的经验而建立的，并且算法简单、性能优良， 有较强的鲁棒性。大量的工程实践表明模糊控制主要适用于那些由于非线性 和其它建模复杂性引起的结构或参数不确定的系统的控制。同基于精确数学 模型的控制方法相比，模糊控制在处理不精确与启发式知识、控制具有高度 不确定性的复杂系统时具有明显的优越性。 本文针对循环流化床燃烧系统，设计了基于t s 模型的模糊控制器以及 模糊p i d 自适应控制器并进行了仿真，从控制效果来看达到了比较令人满意 的效果，这种控制方法无论是在控制的快速性、稳定性、适应性、鲁棒性还 是抗内扰能力上均比常规的p i d 控制和常规的模糊控制要好得多。本文的框 架结构安排如下： 第一章：前言 第二章：循环流化床锅炉的基本原理 第三章：c f b 锅炉燃烧系统基于t - s 模型的模糊控制研究 第四章：c f 8 锅炉燃烧系统模糊p i d 自适应控制 第五章：结束语 曲宁师范大学硕e 学位论文 第二章循环流化床锅炉的基本原理 2 1 循环流化床的工作原理 2 1 1 流态化过程 当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。流速较低时，颗粒 静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后， 颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个 颗粒来讲，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反地， 在失去了以前的机械支承后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而 言，具有了许多类似流体的性质。这种状态就被称为流态化。颗粒床层从静 止状态转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。 流化床类似流体的性质主要有以下几点： 在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量； 无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层形状也保持容器的形状； 床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口处排出； 密度高于床层表观密度的物体在床内下沉，密度小的物体会浮在床面上； 床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。 一般的液一固流态化，颗粒均匀地分散于床层之中，称之为“散式”流 态化。而一般的气一固流态化，气体并不均匀的流过颗粒床层，一部分气体 形成气泡经床层短路逸出，颗粒则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率 随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。 2 1 2 循环流化床的原理和特点 早期( 4 0 年代) 的许多流化床是运行在相对较高的流化速度下的，此后， 因为技术上的困难，运行流化速度降低。5 0 6 0 年代，许多研究机构开始进 行流态化的研究，研究重点放在流化床的气泡特性等方面。这样，对低速流 化床的认识有了很大提高，而高速流态化过程则几乎被忽略，因此这段时间 投运的流化床也基本上是鼓泡流化床。 最近1 0 多年来，高速流态化过程研究的开展和某些特定工艺的要求， 使得被称为循环流化床的技术得到了广泛的应用，特别是循环流化床锅炉， 更是在短短十几年内从实验室研究发展到了电站应用。 在不同的气流速度下固体颗粒床层的流动状态是不同的。随着气流速度 的增加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床 和气力输送状态。循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下。快速 流态化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体物科被 速度大于单颗物料的终端速度的气流所流化，以颗粒团的形式上下运动，产 生高度的返混。颗粒团向各个方向运动，而且不断形成和解体。在这种流体 状态下，气流还可携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度远大于截面平均 气速，这种气固运动方式中，存在较大的气固两相速度差，即相对速度。循 环流化床由快速流化床( 上升段) 、气固物料分离装置和固体物料回送装置 所组成。 循环流化床的特点可归纳如下： 不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间； 有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解题，并且向各个方向运动； 颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关； 运行流化速度为鼓泡流化床的2 3 倍； 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化； 颗粒横向混合良好： 强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升段 内温度分布均匀； 通过改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟到 数小时范围内调节； 流化气体的整体性状呈塞状流； 流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入。 2 2 循环流化床锅炉的工作原理与特点 2 2 1 循环流化床锅炉的主要工作条件 循环流化床锅的工作条件可归纳如下表： 曲阜师范大学硕士学位论文 表2 - 1 循环流化床锅炉的工作条件 项目蕴值项目数值 温度( ) 8 5 0 9 5 0床层压降( k p a )l l 1 2 流化速度( m s ) 4 6炉内颗粒浓度( k g m 3 )1 5 0 6 0 0 ( 炉膛底部) 床科粒度( “m ) 1 0 0 7 0 01 0 4 0 ( 炉膛上部) 床料密度( k g m 2 ) 1 8 0 0 2 6 0 0c a s 摩尔比1 5 4 燃料粒度( m ) 9 0 9 0 右9 9 1 0 p 3 0 0 p p m 钟大 于5 2 - 3 a h h t r o mp y r o a o w 循环流化床典型燃烧特性 参数燃烧效锅炉效脱硫率n o 。排放量负荷调节负荷调节速 嶷 塞 高硫j 黛低硫煤比 塞 指标 9 9 9 嘴 9 0 7 0 2 0 0 p p m 3 ：l 一4 ：1 每分钟5 负 荷 2 3 循环流化床锅炉燃烧过程控制系统 2 3 1 循环流化床锅炉燃烧控制任务 c f b 锅炉燃烧过程控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应锅炉 蒸汽负荷的需要，同时还要保证锅炉安全经济运行及环保要求。每台锅炉燃 烧过程的具体控制任务及控制系统的选择因燃料种类、燃烧设备以及锅炉的 运行方式的不同而有区别，燃烧控制系统的任务归纳起来有以下几个方面： 维持锅炉主蒸汽压力。如果只有一台锅炉运行，则维持过热器出口汽压， 如果几台锅炉并列运行，则维持母管汽压。汽压的变化表示锅炉的蒸汽 产量与负荷的耗汽量不相适应。这时必须相应的改变燃料的供应量，以 改变锅炉的供汽产量。 保证锅炉燃烧过程的经济性。当燃料量改变时，必须相应地调节送风量， 使它与燃料相配合，保证燃烧过程有较高的经济性。到目前为止，锅炉 曲申师范大学硕e 学位论文 的燃烧效率不能直接测量出来，经常用一些间接地方法来判断燃烧效率， 如用烟气含氧量来修正过量空气系数。 引风量与送风量相配合以保证炉膛压力在一定的范围内( 对于负压炉为 一1 9 6 一4 9 p a ) 。炉膛压力的商低，关系着锅炉的安全经济运行。 料床温度是一个直接影响锅炉能否安全连续运行的重要控制参数，同时 也直接影响着锅炉运行中的脱硫效率及n o ，的产生量。c f b 锅炉要保证安 全稳定运行，床温必须保持在其设计的范围内，根据石灰石与氧气和二 氧化硫之间的吸收反应所确定的最佳床温应在8 5 0 9 5 0 之间。在这个 温度范围内，可以保证正常的流化燃烧工况，最佳的脱硫效率，较低的 n 0 ，生成量及较高的燃烧效率。床温过高会造成床料结渣，过低则易发生 低温结焦及灭火。由此可见，床体温度参数的控制是极为重要的控制参 数。 床高控制也是与锅炉的安全运行联系密切。料层太厚，会把一次风的“风 头”压住，使床料不能达到完全流化的状态；料层太薄首先不能满足带 负荷的要求，其次会使一次风穿透料层吹灭炉火。 二级返料回灰量控制。该量控制的好坏，将直接影响c f b 锅炉的循环倍率 另外床体温度对其也有影响。 2 3 2 循环流化床锅炉燃烧控制特点 循环流化床锅炉在结构和运行方式上与常规煤粉锅炉相比都有着显著 的差异，因此在燃烧控制调节上存在有许多不同之处。循环流化床锅炉控制 难度更大，要求更高。由于c f b 锅炉自身的工艺特点，它比普通锅炉具有更 多的输入和输出变量，耦合关系更加复杂。 当锅炉负荷发生变化( 夕 扰) 或者给煤量、给水量、返料量、减温水量、 引风量、一次风量和二次风量( 内扰) 改变时，所有输出量例如汽包水位、蒸 汽温度、蒸汽压力、炉膛负压、床温等都要发生一定程度的变化。因此，理 想的控制系统应是多回路的控制系统。当系统受到某一扰动时，各个调节量 同时协调动作，使所有的被调量都具有一定的精度。但最，这样的调节比较 困难。目前一殷将循环流化床锅炉的自动控制系统分成几个相对独立的控制 系统，主要包括以下主要控制回路”1 ：汽包水位控制回路，过热汽温控制回 曲宁师范丈学碗_ 卜学位论文 路，主蒸汽压力控制回路，床温控制回路，床层高度控制回路，二级返料回 料控制回路，炉膛负压控制回路，烟气含氧量控制回路，烟气含s o ：量控制回 路。除燃烧控制系统所包括的回路外，其它的控制一般与煤粉炉差别不大， 可按一般煤粉炉的控制方法进行控制，控制结果也比较满意。c f b 锅炉的燃 烧控制足自动控制的难点，它即要满足热负荷的需要( 即稳定蒸汽压力) ，又 要维持床温稳定在8 5 0 9 5 0 范围之内，还肩负着维持合理的风煤比( 送 风量与给煤量必须有合理的配比才能使锅炉正常燃烧) 、保障燃烧效率，控 se j s o 。和n o 。排放量等诸多任务。而且给煤量、空气量、返料量等控制变量间 的耦合关系非常紧密。 在循环流化床锅炉的运行过程中，几乎所有的燃烧控制和调节都是围绕 维持稳定的床温和所要求的蒸汽参数进行的。带有外置式热交换器的循环流 化床锅炉在本体结构上很好地解决了蒸汽压力与床温在控制回路间的紧密 耦合关系。因此，这种锅炉可以采用风煤比调节主蒸汽压力，采用进入外 置式换热器循环物料量的多少来调节床温，故床温自动控制系统一般为常规 单回路反馈控制系统。没有外置式热交换器的循环流化床锅炉结构比较简 单、紧凑，节省材料，因此得到较广泛的应用。国内普遍采用或选型的循环 流化床锅炉的典型结构就是无外置式热交换器。此类锅炉给其燃烧控制系统 实现自动控制带来了极大的困难，因为锅炉主汽压力和床温的控制均是通过 调节给煤量和送风量来实现的，当主汽压力和床温两者中任何一个出现偏差 时，无论调节给煤量还是送风量都会使另一个量发生变化，这样使得主蒸汽 压力和床温成为具有紧密关系的强耦合变量。而且不论调节给煤量或送风 量，都同样会影响负荷，因为给煤量的大小直接与负荷密切相关；若是通过 调节送风量控制床温，则会改变传热系数从而影响负荷( 传热系数是与炉内 气体流速、床温、悬浮段物料密度等密切相关) 。给煤量和送风量的改变又 会影响烟气含氧量、炉膛负压和料床高度，等等。而由此造成的蒸汽量的变 化又影响到汽包水位和过热蒸汽温度。这样各变量之间或强或弱都存在耦合 关系，理想的控制系统应该是多回路的控制系统，当系统受到某一扰动时， 所有的被调量同时协调动作，使所有的被调量都具有一定的控制精度。但是 这样的调节是很艰难的，要使所有的耦合变量都得到精确的控制是不可能 曲电师范大学硕七学位论文 的。 2 4 循环流化床的运行控制分析 2 4 1 锅炉负荷变化时的调节特点 循坏流化床锅炉常常需要在不同的负荷范围内运行。因此负荷是变化最 为频繁的因素。大部分的燃烧调整是根据负荷的变化进行的，根据循环流化 床锅炉的运行特点，在较高负荷下锅炉在循环流化状态下进行而在低负荷 范围内，则是在鼓泡流化状态下运行。因此，在较高锅炉负荷范围内2 5 1 0 0 和在低负荷范围内 2 5 调节方法是有所不同的。 2 4 1 1 在较高负荷范围内负荷变化时的调节 l 、给煤量及风量的调节 对于单元制机组，在通常采用炉跟机运行方式下，蒸汽压力的变化表示 锅炉的蒸汽产量和负荷的耗汽量不相应，必须相应地改变燃料的供应量，以 改变锅炉的蒸汽产量来适应负荷的变化。对带有外置式换热器的循环流化床 锅炉，如果锅炉蒸汽压力下降，说明锅炉负荷增加，此时需要增加给煤量， 并按合适的风煤比增加一次风送风量，以满足炉膛内需要增加的传热量，维 持正常的气温，还需调整二次风量，以满足总风量的要求同时减少进入外置 式换热器的循环灰量，增加直接返料量，以维持额定的床温。对不带有外置 式换热器的循环流化床锅炉，由于存在床温和汽压间的强耦合关系，缺少调 节返料温度的手段，所以不能简单采用根据负荷变化来调节风煤比的方式， 再加之循环流化床锅炉床内物料的热惯性很大，调节滞后大，通常采用给煤 和送风微调的方式，考虑床温和汽压的变化趋势和速率，以维持正常的床温 和汽压。从控制理论的角度，可以采用更完善的解耦控制策略来实现合理的 控制。 2 、一次送风量的影响 对不带外置式换热器的循环流化床锅炉，除了考虑一次风量满足床层流 化和风煤比的要求外，还需要深入考虑一次风送风量对床温的影响规律。在 循环流化床燃煤锅炉中一次风的概念、用途和所占比例与煤粉炉有很大不 同。一次风通过布风板送入燃烧室下部密相区，一方面，一次风量是为了满 足设计密相区燃料燃烧份额对空气的需要，并使密相区处于还原性气氛；另 曲阜师范大学硕卜学位论文 一方面，是将密相区产生的绝大部分热量带到炉膛上部的稀相区，以维持设 计的床层温度，并保证炉内受热面的吸热量。一次风量还是保证正常流化和 调节炉温的最主要的手段之一，因此，对不同设计的锅炉，在不同的运行工 况下，据床温控制和吸热量的要求一次风量的变化幅度可以很大。其送风量 占总风量的4 0 7 0 。一次风风量偏少时，可能造成两方面的影响，一是达 不到燃烧室密相区设计的燃烧份额，放热量减少，有使床温下降的趋势；二 是从密相区带出的热量也少，也有可能造成密相区温度的升高。反之，风量 增加时，在多带出热量的同时，密相区内的燃烧放热量也增加。显然，这是 两个对床温具有相反影响趋势的对立因素。计算与分析表明，在床温较高或 高于8 0 0 的工况下，增加一次风风量从高温床层内带出的热量均大于燃烧 所产生的热量。因此，采取增加一次风量的方法对降低床温的作用显著，而 且，床温对送风量变化的反映十分迅速，一次风量调节也是在床温急剧升高 的危急情况下可采取的有效的非常规操作。随着一次风量增加，带到稀相区 燃烧的稀颗粒量也增加，炉膛上部的温度和受热面的吸热量也相应增加。 3 、二次风风量的调节 二次风风量的控制要满足锅炉总风量的要求，总风量的控制依据是燃烧 室后的烟气含氧量，使锅炉的排烟损失和不完全燃烧损失之和最小为佳。与 煤粉炉一样一般将燃烧室后的烟气含氧量控制在3 5 ，当显示风量不足 时，要及时增加二次风，在低负荷范围内一般无须投入二次风，在4 0 负荷 以上逐渐投入二次风。由于二次风风温较低，大量快速的投入二次风会造成 炉温的较大波动。 4 、返料温度的调节作用 返料温度是指通过返料器送回燃烧室中循环灰的温度，在返料器内均需 布置若干温度测点。对于采用高温绝热性分离器的循环流化床锅炉，其返料 温度一般高出炉膛内料层温度2 0 3 0 ，可以保证燃烧稳定的同时起到调整 燃烧的作用。对于采用中低温分离器的循环流化床锅炉，返料温度显著低于 炉膛内料层温度，所以改变返料量对控制床温将更有效。在采用高温旋风分 离器的情况下，锅炉运行中必须密切监视返料温度，温度过高可能造成返料 器结焦，特别是燃烧无烟煤时，可能会发生飞灰中可燃物在返料器中的燃烧， 曲阜师范大学硕士学位论文 控制不好，则易发生结焦，一般应控制返料温度不超过1 0 0 0 ，如果温度过 高，可适当加大返料风量。 2 4 1 2 低负荷运行时的燃烧控制 l 、床温控制的特点 当循环流化床锅炉在4 0 负荷以下运行时，实际上已经处于鼓泡流化状 态。因此，在低负荷范围内床温的控制与高负荷时循环流化床锅炉是不同的， 在鼓泡流化床状态下运行时，由于床层密相区内的煤燃烧份额大大增加，炉 膛下部密相区与上部稀相区的温度差距加大，燃用煤质较好时，炉内的燃烧 份额加大，温度的差距也更大，也在一定程度上减缓了床温的降低，所以循 环流化床可以达到在很低负荷下的稳定运行。 在锅炉低负荷运行范围内，一般不用投入二次风，仅需投入一次风，此 时，床内的流化风速较低，一次风量在维持鼓泡流化状态的同时，还需保证 总风量的供给，在处于鼓泡流化床燃烧室下部，床层颗粒的浓度远大于上部， 固体颗粒携带量较少，分离器和返料器仅起到飞灰再燃烧的作用，不再具有 返料量调节的作用。因此，在燃烧的调节上与常规鼓泡流化床锅炉相似。 2 、负荷变化时床温的调节 低负荷时，炉膛上部颗粒浓度降低，辐射传热份额快速增加，最低负荷 时辐射传热占总传热量可高达9 0 0 , 6 。因此，当锅炉负荷发生变化时，不能再 依靠调节返料量的手段来改变传热量，以及通过带出床层内的大量热量来维 持正常的床温。低负荷运行时，床温的调节以调节床层厚度和给煤量为主， 根据床温的升降幅度和趋势来改变给煤量及床层厚度，一次风的调整视燃烧 所需的氧量而定。在不同的负荷下，给煤量相应改变，维持基本定的床层 内可燃物量与床料量的比例是维持正常床温的必要条件，也是合理调节床料 存量、床层厚度的基本依据。如果床层内可燃物的含量比例偏高，则会出现 燃烧放热集中，床温升高：若可燃物的含量偏低则床温降低。 当锅炉需要减负荷( 汽压) 时，首先要降低床层的厚度、高度即减少床 料存量，然后减少给煤量，并相应降低一次风量，但必须维持一次风量不能 低于临界流化风量，减少床料存量以适应给煤量和一次风量均减少时仍能维 持较高的床温。另一方面，减少一次风量，减少了带到炉膛上部的热量，以 曲阜师范大学硕卜学位论文 适应减少了的炉膛吸热量。当然，减少床料存量的同时，也减少了床层的阻 力压降，降低了风机的电力消耗，锅炉需要升负荷( 汽压) 时，首先需要增加 床层的厚度、高度，增加炉膛内床料存量，然后在维持正常床温的条件下加 大给煤量和一次风量。 3 、分离器分离效率的影响 在锅炉低负荷运行范围内，分离器入口颗粒浓度和风速均较低，分离器 效率明显下降，使炉膛稀相区的颗粒浓度和循环倍率均维持在低于额定负荷 的水平，造成炉膛内总体传热系数下降。因此，在锅炉炉膛受热面设计时， 要充分考虑这一因素的影响，以满足在低负荷范围内炉膛受热面吸热量的需 要。在低负荷范围内，煤在密相区内燃烧份额随循环倍率下降而有所升高。 2 4 2 蒸汽温度的控制与调节 1 、过热蒸汽温度 在低负荷运行时，炉膛下部的床层颗粒浓度非常高，而炉膛上部区域的 颗粒浓度很小，传热过程主要有辐射传热方式控制，最多可高达9 0 。但是， 由于炉内温度较低，炉膛上部的辐射传热较少。如果在炉膛上部采用较多的 屏式过热器，则可保证锅炉在4 0 负荷时仍维持额定汽温，并可以在全部负 荷范围内获得良好的汽温特性。 在锅炉高负荷运行时，炉膛下部的床层颗粒浓度仍然较高，但上部的颗 粒浓度大大增加，辐射传热份额减少，而颗粒对流传热份额增加。炉膛内床 层与受热面的换热由对流和辐射同时控制，满负荷时辐射传热将占总传热量 的4 0 。 在锅炉变负荷过程中，各段受热面的传热系数变化趋势是一致的。比如， 随负荷的降低，传熟系数均下降，但是，由于烟气中颗粒的浓度也随之显著 下降，所以传热系数的下降幅度也明显不同，密相区的传热系数变化幅度相 对最大，其后的稀相区和炉膛出口后的对流受热面的传热系数变化依次减 少，这给在不同的负荷下维持额定过热汽温带来了一定的难度。 在受热面设计时，一般采用适当增加过热器减温装置能力的方法来适应 影响因素变化所造成的汽温变化。因此，在锅炉受热面设计合理的条件下， 采用常规的过热汽温控制方法完全可以满足循环流化床锅炉过热汽温的控 曲皂师范大学硕l 学位论文 制与调节，并在通常的负荷变化范围内维持额定的过热汽温。 2 、再热蒸汽温度 对于布置再热器的循环流化床锅炉，由于不宜采用喷水减温的方法，因 此，再热汽温的控制具有较大的难度。带再热循环的循环流化床锅炉，般 均考虑设置外置式换热器，其内布置再热器受热面。在锅炉的运行中，采用 调节直接返回炉膛的物料和经过外置式换热器的物料比例来控制再热汽温。 目前，已经投入商业运行的带再热循环的循环流化床锅炉还很少，因此。这 方面的设计和调节经验还十分少见。 2 4 3 床温和蒸汽压力的调节 循环流化床锅炉的运行床温必须保持在其设计的范围内，通常约为8 5 0 9 2 0 ，在此范围内运行可以保证正常的流化与燃烧工况、最佳的脱硫 效率、较低的n o x 生成量和较高的燃烧效率。与运行床温和蒸汽压力密切相 关的因素主要包括：锅炉负荷，煤质，给煤量，一、二次风量和总风量，返 料量，床内存料量，底渣排放量等。 对带有外置式换热器的循环流化床锅炉，可以采用变化风煤比来调节蒸 汽压力，采用控制进入外置式换热器的灰量来调节床温，二者之间不存在紧 密耦合关系。对于不带有外置式换热器的循环流化床锅炉，因为锅炉的主蒸 汽压力和床层温度的控制均是通过调节给煤量和送风量来实现的，所以在控 制理论和实践上，合理处理二者之间的紧密耦合关系是实现燃烧控制系统要 解决的重要问题。在此仅对循环流化床锅炉床温和汽压等的调节规律进行定 性的分析。 2 4 4 床层厚度的控制 在循环流化床锅炉的所有运行方式下，均需有效地控制炉内的床层厚 度。床层厚度控制也就是控制炉内床料的存量，它与锅炉安全经济运行密切 相关，床内料层太厚，会增加流化的阻力消耗，可能使床料达不到正常的流 化状态，俗称压住了一次风的“风头”。料层太薄，热容量降低，不能够满 足带负荷的要求，而且抵御外界因素干扰的能力也下降；其次也可能使一次 风穿透床层，形成沟流而导致熄火。一般情况下，高负荷时，要求床层厚一 些：低负荷时，要求床层薄一些。另外。当床温较低时，要求减少排渣；当 曲阜师范犬学硕十学位论文 床温较高时，就要增加排渣。 炉内床料存量和床层厚度是通过控制底渣排放量和速率来控制的，布风 板下的一次风风室压力或者沿炉膛高度布置的压差测点及床层压差可以直 接反映床层厚度的变化，并通常作为监视料层厚度的信号。在锅炉稳定运行 时，为了维持一定的厚度，需定期放渣，放渣的频率和量与燃煤的灰渣量有 关。在缓慢增负荷时，可以通过减少或终止排渣来增加床料存量；在要求负 荷增加较快的工况下，可向床内加入合适颗粒分布的细灰渣，以迅速增加炉 内需要的物料量。 2 5 循环流化床锅炉的热控方案n 司 现代大型机组的热工控制采甩了先进的分散控制系统( d c s ) 对其进行监 视、操作和控制，对于大型c f b 锅炉，用d c s 实施控制时，可按控制功能分为 以下4 个子系统 数据处理采集系统( d a s ) 主要完成各工艺系统的数据采集、流程画 面显示、参数报警、事故追忆、记录报表打印和往能计算等监视处理 功能 协调控制系统( c c s ) ，根据电网来的机组负荷指令和机组自身状态 产生c f b 和汽轮机的控制指令，这一指令控制循环流化床锅炉的各模 拟量控制系统，使c f b 锅炉的各控制参数维持在要求的范围内 炉膛安全监控系统( f s s s ) 主要完成c f b 的燃烧器控制和炉膛安全监 控功能 顺序控制系统( s c s ) ，执行c f b 各辅机的顺序启停逻辑，完成各工艺 系统设备间的联锁保护控制 由于本文的主旨是讨论c f b 锅炉的燃烧控制系统，故在此谨对c f b 锅炉中 c c s 与常规锅炉的不同点和监控难点加以讨论。 c f b 中的c c s 由产生记录指令的主控系统和各模拟量控制系统组成，通常 模拟量控制系统包括汽包水位调节系统、主汽温控制系统、主汽压控制系统、 燃油控制系统、炉膛压力控制系统、床温控制系统、床压控制系统、石灰石 控制系统、一次风控制系统、二次风控制系统、高压风控制系统等，其中控 制难点在于床温控制系统，不同点在于床压控制系统、石火石控制系统、一 曲率师范大学硕仁学位论文 次风控制系统、二次风控制系统、高压风控制系统 床温控制系统 床温的控制主要通过控制进入炉膛的各种风的风量比例来实现床温的控 制，进入炉内的风有四种，由底部进入的流化燃料的一次风从炉膛 四周不同高度分上下两层进入的用于燃科燃烧的二次风用于将燃料和 石灰石送入炉膛的少量高压播煤风灰料器流化风，床温的实际值通常 是均匀分布在床体上的l o 只热电偶测温值的平均值，这一值与床温要求 值比较后的偏差送p i d 调节器，调节器的输出分别经二个函数运算后作为 一次风控制系统、上下二次风控制系统的设定值去控制各自的系统， 在一次风系统中，一次风的设定值除考虑床温控制系统的要求值外，还 要考虑由燃料计算出的一次风量需求值，同时要保证设定值不超出风量 最大和最小值，最后得出的设定值和实测值相比后，其偏差送p i d 调节器， 控制一次风机挡板开度，得到要求的风量 二次风通常以保证燃烧为目的，但不能影响床温，故在二次风控制系统 中同时考虑了燃烧和控制床湿所需的二次风量。 据主机设备的对象特性，确定c f b 锅炉的燃烧控制系统s a m a 图如下： 1 3 5 m w 级c f b 锅炉通常配4 套暖炉油枪，点火用油为轻柴油，床上点火； 4 套前墙给煤系统；2 套f b a c 冷渣系统；单汽包，平衡通风，管式预热器； 过热器汽温采用二级喷水减温，第二级喷水减温器采用左右两侧布置；再热 器汽温采用尾部烟道挡板调温为主，喷水减温为辅。 曲阜师范大学硕上学位论文 功能逻辑图图例 2 5 1 二次风门挡板控制 详见s a m a 图：( 后墙下排二次风门挡板控制) 、( 后墙上排二次风门挡板 控制) 、( 前墙上排二次风门挡板控制) 、( 前墙下排二次风门挡板控制) 。 因为二次风是流量控制，根据锅炉对象的燃烧特性对二次风门挡板的控 制选用同操或选操控制控制，但最小开度或最大开度是需现场设定，最小开 度通常预设1 0 或8 ，最大开度通常预设1 0 0 或5 0 等。锅炉前墙上排安排 五个二次风执行机构，下排五个，后墙上排四个，下排四个 塑呈窒堡查兰堡圭兰竺丝兰 踺 。 鞣 ：脯棚画仓，齄； l 2