循環(huán)流化床鍋爐的自控設(shè)計和儀表測點

1、<p>　　循環(huán)流化床鍋爐的自控設(shè)計和儀表測點</p><p>　　【摘要】　介紹了循環(huán)流化床鍋爐的運行和控制特點，闡述了對鍋爐幾個主要輔助設(shè)備控制問題的看法以及鍋爐儀表測點的布置原則和用途，提出了哈鍋在進行自控調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖保護設(shè)計時的一些思路和做法。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】　CFB鍋爐；自動控制；儀表測點</p><p><b>　　0　

2、前言</b></p><p>　　能源的高效、低污染應(yīng)用已成為世界各國共同追求的目標(biāo)。隨著國家環(huán)保政策的逐步完善和國民環(huán)保意識的日益提高，清潔煤燃燒技術(shù)尤其是循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。CFB鍋爐以其燃料適應(yīng)范圍廣、爐內(nèi)脫硫、低NOx排放、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大、灰渣綜合利用等優(yōu)點成為清潔煤燃燒技術(shù)的主要發(fā)展方向。隨著CFB鍋爐在數(shù)量上和容量上的不斷發(fā)展，與之相適應(yīng)的大容量CFB

3、鍋爐的自動控制問題也成為業(yè)內(nèi)的熱點。CFB鍋爐和常規(guī)煤粉爐的區(qū)別主要在燃燒側(cè)，工質(zhì)側(cè)基本相同。因此在控制方式上的最大不同點就是CFB鍋爐特有的對循環(huán)物料的監(jiān)測、調(diào)節(jié)和控制方式。</p><p>　　哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司是國內(nèi)最早開發(fā)大容量循環(huán)流化床鍋爐的企業(yè)之一，目前其技術(shù)水平已處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，市場份額逐年擴大。我國首臺50MWCFB鍋爐、首臺國產(chǎn)IOOMWCFB鍋爐、首臺125MW和135MWCFB鍋爐均

4、由哈鍋研制。近10年來，我們對CFB鍋爐的可控性和特殊設(shè)備的控制機理進行了探人的研究。根據(jù)掌握的由哈鍋設(shè)計制造并已投運的幾臺220t/hCFB鍋爐的安裝、調(diào)試、運行經(jīng)驗，結(jié)合引進德國ALSTOM公司的50-125MW等級CFB鍋爐設(shè)計制造技術(shù)，以對物料循環(huán)系統(tǒng)的機理研究為切人點，從一次傳感元件和執(zhí)行機構(gòu)人手，逐漸總結(jié)出了一套完整的CFB鍋爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計思想和對特殊設(shè)備控制問題的解決方案，并且根據(jù)國際國內(nèi)可參照的標(biāo)準(zhǔn)和運行經(jīng)驗，制訂出

5、切實可行的、合理的循環(huán)流化床鍋爐儀表測點的布置原則。這對于CFB鍋爐大型化后的安全運行和自動控制水平的提高有著十分重要的意義。本文對我們的一些經(jīng)驗和在以往工程中的一些作法進行概括性的總結(jié)，與業(yè)內(nèi)同行交流，同時也希望同行們多提寶貴意見，以利今后改進，為我國電力事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。</p><p>　　1　CFB鍋爐的運行特點</p><p>　　針對循環(huán)流化床鍋爐燃燒側(cè)的特點，在其運行

6、過程中特別要注重對床溫、分離器人口溫度、風(fēng)煤比以及床壓的監(jiān)測、調(diào)節(jié)及控制，注重對影響物料流化、循環(huán)及燃燒的各種風(fēng)量的監(jiān)控，確保建立一個平穩(wěn)、足夠的熱物料循環(huán)，從而完成鍋爐燃燒側(cè)的燃料燃燒及熱量傳遞過程。一般說來，CFB鍋爐燃燒側(cè)的調(diào)節(jié)控制主要包括以下內(nèi)容：</p><p>　　a.鍋爐主控；b.二次風(fēng)控制；c.一次風(fēng)控制；d.床溫控制；e.煙氣監(jiān)測；f.引風(fēng)控制；g.燃料控制；h.石灰石控制；i.底灰控制；j.啟

7、動燃燒器及其風(fēng)量控制。</p><p>　　由此可以看出，其區(qū)別于常規(guī)煤粉爐之處在于以下幾個方面：</p><p>　　a.通過調(diào)節(jié)流經(jīng)布風(fēng)板的一次風(fēng)量和直接進入爐膛的二次風(fēng)量之比來維持床溫，使其處于最有利于爐內(nèi)石灰石脫硫的溫度。</p><p>　　b.通過控制排渣系統(tǒng)來維持爐膛床壓恒定，也即確保爐內(nèi)的灰平衡和床料構(gòu)成。</p><p>　

8、　c.通過調(diào)節(jié)人爐石灰石數(shù)量以控制S02的排放量，降低對大氣的污染。</p><p>　　d.采用旋風(fēng)分離器人口煙溫過高信號，或去布風(fēng)板一次風(fēng)量過低信號，而不是采用爐膛火焰喪失信號去觸發(fā)主燃料跳閘(MFT)，以此作為爐膛安全保護的重要手段之一。</p><p>　　e.要求啟動油燃燒器有足夠大的出力調(diào)節(jié)范圍，以此精確控制爐膛燃燒率，以確保爐內(nèi)耐磨材料的溫度變化合理，不致造成損壞。</

9、p><p>　　f.床溫和床壓測量元件均采用耐熱防磨及防堵措施使所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠并且有代表性。</p><p>　　對于控制系統(tǒng)而言，隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的日臻完善，分散式控制系統(tǒng)(DCS)的功能日益強大，安全性、可靠性不斷提高，實現(xiàn)上述調(diào)節(jié)控制功能的硬件主機已經(jīng)不成問題了。然而由于國際上幾大鍋爐廠商對鍋爐爐型及外圍輔助系統(tǒng)的設(shè)計千差萬別，對排渣和啟動等影響CFB鍋爐運行的主要輔助系統(tǒng)及其

10、設(shè)備的設(shè)計也各不相同，這就使得人們越發(fā)關(guān)注CFB鍋爐的可控制性及主要輔助設(shè)備諸如冷渣器、L閥和啟動燃燒器的控制機理及硬件水平。事實上，這些主要輔助設(shè)備的控制水平已經(jīng)成為決定大型CFB鍋爐自動化水平和DCS投入率的關(guān)鍵因素，是關(guān)系著CFB鍋爐能否向更大容量更高參數(shù)發(fā)展的問題，因而運行過程中對這些輔助設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)檢測的準(zhǔn)確性、實效性和代表性也就成了問題的關(guān)鍵所在。</p><p>　　2　CFB鍋爐的主要本體測點&l

11、t;/p><p><b>　　2.1測點情況簡介</b></p><p>　　基于運行、控制和檢測的需要，CFB鍋爐在汽水管道、煙風(fēng)通道和固體物料流道上均布置了大量的儀表測點，以使運行人員能夠?qū)崟r地掌握鍋爐的運行狀況，自動控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測取運行參數(shù)并且按照預(yù)先編制的控制方案調(diào)整和修正運行中出現(xiàn)的偏差。</p><p>　　CFB.鍋爐汽水側(cè)的測

12、點及其作用與普通煤粉爐相同，煙風(fēng)側(cè)增加了一些為CFB鍋爐專設(shè)的風(fēng)機風(fēng)道的壓力、溫度和流量的測點，其測量方法也同普通煤粉鍋爐相同。CFB鍋爐在參數(shù)測量方面的特別之處在于對爐膛、分離器、回料閥和冷渣器等固體流道參數(shù)的檢測。</p><p>　　由于CFB鍋爐內(nèi)進行固體燃料的循環(huán)燃燒，流動的物料極容易堵塞壓力測點和測壓管線，同時對測溫元件產(chǎn)生強烈的磨蝕，用常規(guī)手段難以進行準(zhǔn)確可靠的連續(xù)測量，而床溫、床壓等參數(shù)對保證CF

13、B鍋爐的安全經(jīng)濟運行至關(guān)重要，因此必須采用特殊的防堵、防磨測量手段。我們以應(yīng)用在大連化學(xué)工業(yè)公司220t/hCFB鍋爐上的床溫、床壓測量技術(shù)為例作一介紹。</p><p><b>　　2.2床溫的測量</b></p><p>　　床溫是CFB鍋爐的重要運行參數(shù)。為了測量準(zhǔn)確，必須對床溫的測點布置、一次元件的安裝方法及測量數(shù)據(jù)的處理加以深入研究。</p>

14、<p>　　CFB鍋爐的床溫一般是指密相區(qū)的床溫。以一臺220t/h容量的PyrofIow型鍋爐為例，它設(shè)置了3層床溫測點，下層6個測點，中層4個測點，上層4個測點，它們分別距布風(fēng)板上端面450mm，1050mm和2000mm，均在二次風(fēng)口以下，密相區(qū)之內(nèi)，每層測點沿爐膛四壁均勻、對稱布置，每層測點的輸出送人平均值計算回路，若某測點輸出因故障與平均值偏差超過±150℃，即將其從平均值計算中剔除，下層和中層測點的輸出參

15、與床溫的聯(lián)鎖控制，而上層測點的輸出僅供CRT顯示。</p><p>　　考慮到密相區(qū)內(nèi)磨損嚴(yán)重，熱電偶元件必須套在耐熱、耐磨的金屬套管內(nèi)伸出爐內(nèi)耐火層壁面約5lmm，即使如此，測溫套管的壽命仍然較短。</p><p><b>　　2.3床壓的測量</b></p><p>　　床壓一般是指密相區(qū)的床壓，床壓測孔一般布置在距布風(fēng)板上端面250mm處

16、，左側(cè)2個，右側(cè)1個，將3個壓力測量值通過3取中邏輯判斷后送至顯示及報警回路；3者取平均值作為床壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋信號。由于床壓測孔位于正壓高濃度床料區(qū)，為防止堵塞必須向測孔引入一股恒壓吹掃空氣，其壓頭應(yīng)在22.5kPa左右。為此，必須對實測值進行標(biāo)定，即消除作為背壓的吹掃恒壓頭的影響，現(xiàn)場是通過遷移壓力變送器零位的辦法來實現(xiàn)的。</p><p>　　在CFB鍋爐床壓測量方面，目前已有更為先進的內(nèi)外反吹補償技術(shù)投入

17、商業(yè)應(yīng)用，效果很好。</p><p>　　3　幾個關(guān)鍵輔助設(shè)備的控制檢測策略</p><p>　　3.1冷渣器的控制問題</p><p>　　目前應(yīng)用在CFB鍋爐上的冷渣器種類較多，常用的有純風(fēng)冷冷渣器，風(fēng)水聯(lián)合冷渣器和水冷螺旋式冷渣器等。采用水冷螺旋式冷渣器除渣系統(tǒng)的好處是系統(tǒng)簡單、控制方便。通過控制調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)鍋爐的排渣量。但缺點也很明顯：冷卻能力小，對

18、煤種的適應(yīng)性差，設(shè)備抗熱沖擊能力差，磨損嚴(yán)重。我公司根據(jù)美國PPC公司技術(shù)制造的幾臺早期CFB鍋爐均采用這種冷渣器，運行中其優(yōu)缺點均充分暴露。采用純風(fēng)冷冷</p><p>　　渣器除渣系統(tǒng)的優(yōu)點是設(shè)備抗熱沖擊能力強，幾乎無磨損問題。它的缺點是對煤種的適應(yīng)性雖比水冷螺旋式冷渣器要好，但冷卻能力較小，系統(tǒng)及控制較水冷螺旋式冷渣器復(fù)雜。在國外，有的電廠將純風(fēng)冷冷渣器和水冷螺旋式冷渣器串聯(lián)使用，收到較好的效果，既解決了設(shè)

19、備的熱沖擊問題，又提高了系統(tǒng)的除渣能力，但其系統(tǒng)復(fù)雜，控制也復(fù)雜。采用風(fēng)水聯(lián)合冷渣器除渣系統(tǒng)的優(yōu)點是冷卻能力大，煤種適應(yīng)性廣。缺點是系統(tǒng)復(fù)雜，控制較復(fù)雜，冷渣器內(nèi)的埋管有磨損問題。</p><p>　　由于我國動力用煤質(zhì)量不斷下降，發(fā)熱值低、灰分大，總灰量的絕對值增大；另外，由于煤的成灰特性、入爐煤粒度偏大等原因，使底渣量與飛灰量之比增大，造成實際排渣量往往比設(shè)計值大很多。為了避免引起冷渣器長期超負(fù)荷運轉(zhuǎn)致使設(shè)備

20、損壞，我公司近期生產(chǎn)的十幾臺大容量CFB鍋爐均采用煤種適應(yīng)性廣、冷卻能力強的風(fēng)水聯(lián)合冷渣器。風(fēng)水聯(lián)合冷渣器的主要原理是用冷卻水和流化風(fēng)聯(lián)合作用，將從鍋爐中排出的850~900~C的熱渣降到150~C以下，以滿足灰渣輸送的要求。</p><p>　　哈鍋設(shè)計的風(fēng)水聯(lián)合冷渣器通常有3個倉室，示意圖見圖1。</p><p>　　風(fēng)水聯(lián)合冷渣器是目前循環(huán)流化床鍋爐普遍采用的一種有效的冷渣裝置。第一

21、室是個空室，其內(nèi)部不布置水冷受熱面，第二室和第三室中有水冷受熱面，第二室和第三室之間有分隔墻。3個倉室下部均有各自的流化風(fēng)室通過布風(fēng)板向冷渣器供風(fēng)。</p><p>　　從鍋爐中排出的熱渣首先進入一室，在此與流化風(fēng)強烈混合、流化并得到初步的分離，因此一室也被稱為“預(yù)混室”或“預(yù)分離室”。流化后的渣很快進入二室，經(jīng)二室中的水冷受熱面和流化風(fēng)的冷卻后，一部分渣會從分隔墻上部溢流進入第三室。渣在第三室中繼續(xù)被水冷受熱面

22、和流化風(fēng)冷卻，最終被冷卻下來的渣經(jīng)排渣管排出冷渣器，一部分細(xì)渣隨流化風(fēng)一起通過回灰管又回送到爐膛。</p><p>　　在冷渣器布風(fēng)板處還設(shè)有2個大渣排渣口，用來定期排除那些難以流化的顆粒較大的渣塊。</p><p>　　我們在冷渣器的不同部位布置了一些溫度、壓力測點和差壓測點，以監(jiān)視冷渣器的運行情況，其中一些測點還參與調(diào)節(jié)和保護。</p><p>　　a.冷渣器一

23、室/風(fēng)室差壓；b.冷渣器二室/風(fēng)室差壓；c.冷渣器三室/風(fēng)室差壓；d.冷渣器一室溫度；e.冷渣器二室上部溫度；f，冷渣器二室下部溫度；s.冷渣器三室上部溫度；h.冷渣器三室下部溫度；i.冷渣器出渣口溫度。</p><p>　　冷渣器內(nèi)的溫度取樣要采用耐磨熱電偶，壓力取樣要采用防堵型壓力取樣器</p><p>　　3.2l閥的控制問題</p><p>　　由于物料床存

24、量與床壓成正比，因此控制床壓是確保CFB鍋爐物料平衡，進而獲得良好的爐內(nèi)流化效果，實現(xiàn)良好的傳熱過程的重要手段?？刂拼矇菏峭ㄟ^調(diào)節(jié)排渣量來實現(xiàn)的。當(dāng)前CFB鍋爐上常用的排渣控制裝置有錐形調(diào)節(jié)閥、L閥及脈動風(fēng)管等。對于錐形閥，我們可以把它簡單地看成是一個電動調(diào)節(jié)閥，運行時其閥桿需要冷卻水冷卻。目前全世界正在CFB鍋爐上服役的錐形閥幾乎全部產(chǎn)自德國的Laun公司，執(zhí)行機構(gòu)配德國SIEMENS公司的SIPOS5系列電動執(zhí)行機構(gòu)。錐形閥以其排渣

25、量大、渣流可控性好而受到大容量CFB鍋爐的青睞，但由于價格昂貴使其成為奢侈晶，從性能價格比上看，較適合在410t/h及以上CFB鍋爐上使用。脈動風(fēng)管排渣系統(tǒng)簡單，排渣量小，渣流可控性較差，適用于采用純風(fēng)冷冷渣器的CFB鍋爐。</p><p>　　L閥作為CFB鍋爐的回料閥在國內(nèi)已有應(yīng)用，德國ALSTOM公司把L閥應(yīng)用在排渣系統(tǒng)上。近期哈鍋簽訂的一些CFB鍋爐也多采用L閥來控制排渣。L閥具有排渣量大，渣流可控性好的

26、優(yōu)點。但系統(tǒng)復(fù)雜。</p><p>　　L閥上布置有若干個空氣噴嘴。正常運行時通人干冷空氣來流化、運送灰渣。灰渣在L閥中的傳輸可以是連續(xù)的，也可以是斷續(xù)的。</p><p>　　哈鍋為某電廠設(shè)計的L閥主體上布置了13個流化風(fēng)噴嘴，流化風(fēng)進入每個噴嘴之前均經(jīng)過一個手動調(diào)節(jié)閥、浮子流量計和一個手動截止閥。這些支路上的流化風(fēng)均受安裝在總管上的一個電動流化風(fēng)調(diào)節(jié)閥控制。支路流化風(fēng)調(diào)節(jié)閥一般在啟動初

27、期調(diào)整確定一次后就不再調(diào)整。</p><p>　　L閥的流化風(fēng)噴嘴設(shè)置如下(從進渣端算起)：</p><p>　　立管上2個流化風(fēng)噴嘴；彎頭處4個流化風(fēng)噴嘴；水平段7個流化風(fēng)噴嘴；總管上流化風(fēng)的流量受電動調(diào)節(jié)閥控制，電動調(diào)節(jié)閥接受床壓調(diào)節(jié)器輸出信號，根據(jù)床壓情況進行開度調(diào)節(jié)。</p><p>　　在電動調(diào)節(jié)閥前的總管路上裝有浮子流量計以監(jiān)視流化風(fēng)的總流量。</

28、p><p>　　在L閥彎頭處還設(shè)有捅渣棒，以備爐渣堵塞L閥使用。</p><p>　　L閥本體流化風(fēng)母管設(shè)有壓力開關(guān)，向運行人員提供流化風(fēng)壓力高、低報警信號。</p><p>　　3.3啟動燃燒器的控制問題</p><p>　　由于CFB鍋爐的爐膛密相區(qū)和旋風(fēng)分離器等多個部位設(shè)有較厚的耐磨耐火材料，因此，在啟動過程中必須嚴(yán)格控制加熱升溫速度，以防

29、止這些非金屬材料因受熱不均而爆裂脫落。這就要求CFB鍋爐的啟動燃燒器設(shè)計既要位置合理又要有較寬的調(diào)節(jié)比，而且操作靈活，可控性高。</p><p>　　CFB鍋爐的啟動燃燒器一般有3類，即布置在布風(fēng)板上的床上啟動燃燒器、床槍和布置在布風(fēng)板下的熱煙發(fā)生器。</p><p>　　床上啟動燃燒器和床槍都是用火焰直接加熱床料，床料升溫較快，但不夠均勻，投煤后的油煤混燒階段易使煤結(jié)焦。熱煙發(fā)生器是將通

30、人布風(fēng)板下水冷風(fēng)室的一次風(fēng)加熱到900℃左右，再由熱風(fēng)去加熱床料，所以加熱均勻，床溫容易控制。但由于采用熱煙發(fā)生器的鍋爐其布風(fēng)板下的水冷風(fēng)室實際上是一個燃燒室，故又帶來了燃燒室的安全保護等一系列問題。另外只使用熱煙發(fā)生器不會把床料溫度加熱得太高，對燒無煙煤或貧煤等低揮發(fā)份煤質(zhì)的鍋爐，熱煙發(fā)生器還要有床上啟動燃燒器或床槍配合才能把床料加熱到投煤溫度。</p><p>　　哈鍋早期生產(chǎn)的幾臺大型CFB鍋爐均采用單一的

31、床上啟動燃燒器。近期設(shè)計制造的CFB鍋爐視煤質(zhì)情況采用了只設(shè)熱煙發(fā)生器或以熱煙發(fā)生器為主配以床上啟動燃燒器、床槍的設(shè)計方案。靈活的啟動燃燒器配置方案使鍋爐對煤種的適應(yīng)性更廣了，也給鍋爐啟動和運行帶來了方便。另外，燃燒器系統(tǒng)的運行方式也可以不同，按油槍的型式分，一般有蒸汽霧化系統(tǒng)，簡單機械霧化系統(tǒng)和中間回油式機械霧化系統(tǒng)等幾種。我們?yōu)閱尤紵髟O(shè)計的就地操作箱內(nèi)不設(shè)邊輯器件，也就是說就地操作箱的操作和顯示功能完全由DCS實現(xiàn)。換言之，在D

32、CS沒有投入運行，即在鍋爐沒有保護措施的情況下，不允許鍋爐點火。</p><p>　　床上啟動燃燒器、床槍和熱煙發(fā)生器的操作和運行必須嚴(yán)格遵守有關(guān)規(guī)程的要求。對于熱煙發(fā)生器來說，它的投運更要考慮水冷風(fēng)室的安全要求。哈鍋設(shè)計的CFB鍋爐為水冷風(fēng)室設(shè)置了若干溫度和壓力測點，在保護水冷風(fēng)室不致因超溫或超壓運行而損壞的同時，更考慮到運行時的風(fēng)/燃料配比和退出運行時風(fēng)量的無擾切換。</p><p>

33、<b>　　4　結(jié)論</b></p><p>　　大容量循環(huán)流化床鍋爐是一項較新的清潔燃燒技術(shù)，對其控制策略的研究方興未艾。由于特殊的燃燒機理和氣固兩相流技術(shù)的特性所致，加之一些諸如煤的破碎粒度變化等人為因素的影響，使得一些過程的控制還無法實現(xiàn)全自動，許多運行參數(shù)的設(shè)定值要在現(xiàn)場運行試驗后才能確定。另外，針對CFB鍋爐的新設(shè)備、新技術(shù)層出不窮，這就要求自動控制專業(yè)的技術(shù)人員要不斷地自我更新，