循环流化床锅炉自控技术的应用

张永刚

（青岛海西热电有限公司，山东青岛 266400）

1 国内循环流化床锅炉的应用现状

国内循环流化床锅炉的研制虽然在20世纪60年代初就已经开始，但我国循环式流体化床锅炉的研制却相对较晚，直到1989年11月，山东明水电厂才投入使用第一台35t/h 循环流化床锅炉。此后，各中小型电厂相继投产一批中小型循环式流体化床锅炉，特别是近年来，山东省许多自备热电厂采用了大量中小型循环流化床锅炉（约75t/h）。三台锅炉+二台发电机或二台锅炉+一台发电机的配置现在很流行，其中大部分是在国内开发的，只有少数是采用特许技术生产的。循环流化床锅炉的生产和应用在短期内取得了很大的发展。由于基础研究工作落后，我国研制的220t/h （50MW）高压循环式流体化床锅炉除持牌技术生产的锅炉外，尚未得到推广。

2 影响循环式流体化床锅炉自动控制的因素

一直以来循环流化床锅炉自动控制都是关注焦点，而循环流化床锅炉的自动控制现在存在着各种各样的问题。其中一些问题是由于锅炉设计不当或系统设计不合理造成的，另一些问题则是由于投资不足造成控制系统配置过于简单。这些问题大幅降低了自动化水平，有的甚至使自动控制无法实现。主要问题列举如下：

1）火力发电一般采用三锅炉二机主管结构电站设有循环流化床锅炉，三台锅炉通过主管道相互影响，因此其热负荷可能会有较大的波动。

2）给煤机设计不合理可能导致堵煤，需要人工清理。二次回路有时会发生堵煤或块煤下落，引起床层低温熄火或高温结焦。

3）目前大多数循环流化床锅炉缺乏必要的监控仪表和调节手段，监控系统不完善，仪表配置不合理，测点较少。如：瞬时给煤量检测信号不明显；氧化锆分析仪运行不稳定；无法检测密相和稀相燃烧区的比例；床层温度检测点位于同一平面，无法显示不同平面的温度；风量检测点分布不合理，难以精确控制风量比例；自平衡回风机构造成瞬时燃烧控制困难；操作人员操作不当造成锅炉频繁停炉。

（4）目前运行的75t/h 循环流化床锅炉，排渣系统不完善，没有安装冷渣器，无法实现连续排渣。排出的红色熔渣不仅带走热量，而且影响燃料床的压差，即燃料床深度。

（5）炉体密封不良，造成严重的灰渣泄漏，导致氧含量测量不准确。

（6）在循环流化床锅炉灰渣循环系统中，除少数螺旋锥阀外，一般采用J、L 或V 型非机械阀。非机械式阀门没有活动部件，开度由供气控制，操纵性明显较差。非机械阀可分为两种类型，一种是自平衡型，如J 型、V 型、回路密封口等，这些阀门的出口流量取决于进口流量，阀门本身绝对没有调节功能。另一种非机械式阀门是 L 形阀，其流量可调。L 阀最大的问题在于垂直管段的料位测量。垂直段燃料水平过低会导致阀门密封不良和结焦，这些问题会给自动控制带来很大困难。

（7）循环流化床锅炉最突出的优点是装载和燃料的灵活性。在30%～110% 的大负荷范围内，各种贫煤和煤矸石均可用于锅炉。然而，正是它的优点给它的自动控制带来了很大的困难。由于在不同的锅炉负荷条件下，不同煤种燃烧时，锅炉特性有很大差异。所以操作和控制参数也大不相同，这意味着控制将非常困难。目前国内循环流化床锅炉燃烧的煤种不固定，产生的热负荷波动较大。

3 循环流化床锅炉燃烧系统主要热力参数的检测与控制

在讨论循环流化床锅炉燃烧控制之前，首先分析了其燃烧原理。循环流化床锅炉是一种低温燃烧锅炉，燃料由前部给煤器送出。一般有一次风和二次风排列，一些工厂设计有三次风。一次风送到燃烧室下面的空气分配器对煤层进行流化。二次空气以不同等级和点的燃烧室高度送出，为燃料燃烧提供足够的氧气。采用三次风加强锅炉的燃烧。燃烧室内的物料会受到流化空气的强烈干扰，一些固体颗粒会被高速的空气流带入熔炉。在熔炉中，较大的颗粒沿着炉壁向下流动，而较小的颗粒则与逃出熔炉一起飞入分离器，在那里固体和气体被分离。分离出来的固体通过分离器底部的回流装置返回燃烧室，而气体通过对流气体管道后离开锅炉。因为在循环流化床锅炉中，提供了一种高性能的分离器，在此之后固体颗粒被送回炉内，所以炉内的灰分很高。循环流化床锅炉不同于一般只有炉内辐射传热的锅炉，它还通过对流传热，大幅提高了锅炉炉膛的传热系数，保证了锅炉的额定出力。

燃料床温度是指密相燃烧区的流化燃料温度，即床层温度。它是关系锅炉安全稳定运行的关键参数，在运行过程中控制在850～950℃。当温度过高时，流化床结焦可能引起锅炉故障，过低则可能导致低温结焦和火焰失效。一般来说，上限是970℃，下限是800℃。在锅炉运行过程中，通过调整给煤速度、一次风量和回煤量，将燃料床温度控制在允许范围内。但负荷调节也是通过改变给煤速度和一次风速度来实现的，因此当燃料床温度改变时，锅炉负荷也会改变。这样就形成了一个明显的冲突。如果燃料床温度可以用另一种独立的方式控制，那就没问题了。虽然回煤温度的调整可能改变燃料层温度，对锅炉负荷影响不大，但由于目前使用的循环流化床锅炉大多数仅采用自平衡式回流装置，这种改变燃料层温度的方法是不现实的。此外，大多数循环流化床锅炉的温度检测点现在都安排在同一个平面上，不能即时准确地显示不同层面的实际温度，如果在设计时更合理地安排这些温度检测点，控制工作就更容易。

燃料床压差是反映燃料床深度的参数。一般而言，气室与燃烧室上边界面之间的实测压差被看作是燃料床压差的实测数据。燃料床深度越大，测得的压差越大。在锅炉运行中，燃料床深度直接影响流化程度。如果加热深度过大，流化效果会变差，从而导致炉膛结焦或火焰失效。一般来说，燃料床压差控制在7 000～9 000Pa。通过打开炉底的挡渣墙，可以控制渣层的深度。操作时，应设定合理的深度上限和下限。目前运行的75t/h 循环流化床锅炉，排渣系统不完善，没有安装冷渣器，无法实现连续排渣。排出的红渣不仅带走热量，而且影响燃料床深度、温度和炉膛压力。这种人工除渣的方法严重干扰了控制系统。炉膛压差反映炉膛内固体物质的浓度。一般来说，测得的燃烧室上边界面与炉膛出口之间的压力差就是炉膛压力差的测量值。一般来说，压差越大，炉内物质的浓度越高。炉膛的传热系数越大，锅炉的有效负荷就越大，因此炉膛压差总是随着载荷的变化而变化，通过在锅炉分离器下面排出一定量的灰渣，炉膛压差通常控制在500～2 000Pa。开始和结束除灰，应设置上限和下限。

通过改变回煤流量来控制锅炉运行是一个明显的特点与循环流化床锅炉燃烧时，返渣起着重要的作用，而返渣实际上是热载体，将热量从燃烧室传递到炉膛上部，从而使炉内温度场更加均匀。循环流化床锅炉由于采用多种传热方式，其传热系数较高（为煤粉锅炉的4～6倍）。通过改变回灰流量可以控制燃料床温度和炉膛压差，进一步控制锅炉负荷。循环流化床锅炉的燃烧控制包括燃料床温度控制和锅炉负荷控制，其中循环流化控制受到高度重视。根据循环流化床锅炉的原理可知，循环式流体化床锅炉实际上是指燃料流化和飞灰循环。所以循环流化床锅炉的控制实际上是对燃料流化和循环的控制，而循环流化的关键问题在于返灰和排渣，对此我国目前还没有找到一个较好的解决办法。如果这个问题能解决，循环流化床锅炉燃烧参数的控制将变得更加容易。

锅炉运行时风量调节，一般通过改变风门开度来调节风量。但是，这对循环流化床锅炉来说显然是不够的，因为循环流化床锅炉对风量有精确的要求。在正常情况下，当一次风已满足流化要求时，只需改变二次风和三次风，如果需要调整总风量，则保持一次风恒定。由于一次风量与流化质量有直接的关系，其下限已在以往操作前的冷态实验中确定。一次风低于下限时，燃料流化不好，如果这种情况持续较长时间，可能会结焦。对于二次风，根据过热器后烟气中的氧含量进行调节，控制在3%～5% 左右。如果氧气含量过高，则意味着风量过大，会增加烟气损失，如果氧气含量过低，则会引起不合格燃烧，从而增加化学不合格燃烧损失和机械不合格燃烧损失。在运行过程中，如果总风量不足，应逐渐提高送、引风量以满足燃烧要求，然后逐一调整一、二、三次风，使锅炉达到最佳运行状态。目前运行的循环流化床锅炉主风量计量装置没有仪表盘，无法精确控制风量调节和配风量。此外，有时氧气测量可能不可靠，由于太大的空气泄漏。根据锅炉负荷情况，对燃料床压差、温度、炉膛压差、回煤温度等进行严格监测，以便及时改变给煤量、风量和回煤灰量，获得最佳运行状态。设计合理的锅炉的负荷不应与其燃料床温度相冲突，即如果锅炉是根据制造商提供的负荷-风量曲线运行，其床温应保持在允许的范围内。如果在正常条件下，锅炉负荷升高时床层温度大幅度升高，导致温度升高或结焦，则意味着锅炉本身设计不合理，锅炉无法承受如此高的负荷。北京航天亿来电子科技有限公司研制了一种燃烧控制装置，装有负荷-风量-床温功能变送器和自识别工况选择器。该控制器可根据实际燃烧条件，根据优先关系智能确定控制负荷或床层温度。一般在床层温度不会导致结焦的情况下，采用控制给煤量的指令，同时，还要感应炉膛压差来调节负荷，实际的方法是通过增加一次风压和二次风量来提高负荷。同时，根据合理的风煤比和经济燃烧原理，按比例调整一、二次风量，保证经济燃烧。只有当床层温度上升到一定程度时，一、二次风之间的协调作用才会转向降低床层温度一侧。床层温度可以通过调节一次风和二次风的比例或改变回灰流量来控制。床温允许为850～950℃，允许误差为 ± 5%。如果超过这个限度，只能通过增加或减少给煤量来调节床温。

4 结语

循环流化床锅炉在设计和运行中遇到了许多问题，这些问题随着锅炉的技术和类型的不同而有很大的差异。针对循环流化床锅炉在设计、制造、系统设计、安装、运行等过程中可能出现的问题，提出了锅炉制造商、设计商和控制系统设计商应相互配合，尽力为其他部分的设计和制造提供方便，以便在不久的将来获得满意的循环流化床锅炉控制。