循環(huán)流化床鍋爐的基本構(gòu)成與燃燒原理分析綜述1.1CFB鍋爐基本構(gòu)成循環(huán)流化床鍋爐所使用到的設(shè)備主要分成兩個(gè)部分：第一部分主要由爐膛、回料器、分離器等結(jié)構(gòu)組成，同時(shí)組成一個(gè)固體物料的循環(huán)路線[9]；第二部分與傳統(tǒng)的煤粉爐類似，由布設(shè)了過(guò)熱器、再熱器、省煤器和預(yù)熱器等的對(duì)流煙道組成00。鍋爐燃燒時(shí)，一次風(fēng)從鍋爐爐膛的底部風(fēng)道送入，二次風(fēng)從鍋爐爐膛的側(cè)壁風(fēng)道送入。原材料煤炭經(jīng)破碎處理后，通過(guò)給煤機(jī)到達(dá)煤斗。煤斗的下面有螺旋式給煤機(jī)，可以利用風(fēng)把煤炭吹進(jìn)爐子里。在鍋爐爐膛的出口處，連接一個(gè)水平煙道。其中設(shè)置了多級(jí)煙灰分離器?？梢苑蛛x出高溫灰。通過(guò)分離器后，落入灰斗，后又回收進(jìn)入鍋爐爐膛，產(chǎn)生的飛灰會(huì)進(jìn)入除塵器，排放到沉灰池中[10]。煤塊進(jìn)入鍋爐爐膛后，首先會(huì)在主床里進(jìn)行燃燒。，床上的煤顆粒在來(lái)自通過(guò)預(yù)熱器的高壓風(fēng)力吹動(dòng)下翻滾沸騰燃燒。當(dāng)煙氣速度達(dá)到一定時(shí)，大部分煤炭顆粒會(huì)被吹離床層，被煙氣產(chǎn)生的浮力托舉到爐膛上部進(jìn)行燃燒，并一路伴隨煙氣帶到爐膛出口。爐膛出口處會(huì)安裝多級(jí)煙灰分離器，它可以將顆粒與煙氣在進(jìn)入煙道前進(jìn)行分離。在這個(gè)過(guò)程中，煙氣的速度在保證能夠帶動(dòng)煤碳顆粒上升而且能夠到達(dá)分離器和離開爐膛的同時(shí)要盡量達(dá)到一個(gè)最小的速度。煙氣在分離后將流入煙道，省煤器以及空氣預(yù)熱器將對(duì)分離后的煙氣進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻處理。而煤炭顆粒在分離后，將下落回到爐膛中再次進(jìn)行燃燒，然后又將進(jìn)行前面的過(guò)程形成顆粒循環(huán)。煤炭顆粒在這個(gè)不斷循環(huán)往復(fù)的過(guò)程中提高了停留在爐膛內(nèi)的時(shí)間。因此，無(wú)論是精品煤或者劣質(zhì)煤均可以在850～950℃的溫度下充分燃燒，提升了煤炭的燃燒率。而且因?yàn)闇囟鹊陀谄渌仩t，能更少的生成氮氧化合物。煤炭中的硫化物會(huì)在循環(huán)往復(fù)的燃燒過(guò)程中，可以與添加的石灰石顆粒反復(fù)發(fā)生反應(yīng)，所以產(chǎn)生的硫化污染物含量非常低。1.2CFB鍋爐控制特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐與以往鍋爐在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別為增加了冷渣器系統(tǒng)、石灰石給料系統(tǒng)、分離器回料系統(tǒng)等裝置。所以它在控制的方法上也和傳統(tǒng)鍋爐有部分差別。循環(huán)流化床鍋爐和傳統(tǒng)鍋爐在運(yùn)行時(shí)的監(jiān)視系統(tǒng)與實(shí)時(shí)調(diào)控基本相同，包括汽溫控制系統(tǒng)、水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及給水差壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這些調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理和控制方法都相同。兩種鍋爐最大的差別在于燃燒控制系統(tǒng)。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。由新華公司在循環(huán)流化床鍋爐工程上取得的研究成果和實(shí)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一次風(fēng)量控制和床溫控制是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制的關(guān)鍵之處。本節(jié)將介紹幾個(gè)典型的循環(huán)流化床鍋爐控制回路。1.2.1床溫控制從鍋爐燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，循環(huán)流化床內(nèi)的燃燒反應(yīng)主要控制在動(dòng)力燃燒區(qū)域和過(guò)渡區(qū)域[11]。因?yàn)檠h(huán)流床鍋爐內(nèi)溫度不比其他鍋爐高，物料顆粒在鍋爐中都是混合顆粒狀態(tài)，由此可知，燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)速度，是決定循環(huán)流化床鍋爐效率的重要因素。也就是說(shuō)，床溫是控制鍋爐燃燒速度的主要因素。這是循環(huán)流化床鍋爐床溫控制的重要理論依據(jù)。在循環(huán)流化床床溫的影響因素中，包括煤炭種類、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、返料量和灰渣等。由此可知循環(huán)流化床床溫控制系統(tǒng)是典型的多變量控制系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐溫度偏差大并經(jīng)過(guò)調(diào)整無(wú)效時(shí)，應(yīng)該限制循環(huán)流化床鍋爐的負(fù)荷同時(shí)處理床溫。中國(guó)科學(xué)院和清華大學(xué)對(duì)傳熱研究指出，循環(huán)流化床鍋爐中，煤碳顆粒粒子度小，濃度高，床溫高，可以增強(qiáng)傳熱。雖然空氣流速對(duì)鍋爐的傳熱沒(méi)有明顯的影響，但空氣作為吸熱介質(zhì)，風(fēng)量能夠極大影響床層溫度。盡管煤的進(jìn)料量和循環(huán)灰的量也影響床溫，但它們的作用不是獨(dú)立的。風(fēng)量可以獨(dú)立調(diào)節(jié)床溫尤其是密相區(qū)。所以在循環(huán)速率和煤炭種類確定時(shí)，主要通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)控制床層溫度。一般使用：調(diào)節(jié)一次，二次空氣，控制爐內(nèi)氧氣濃度，使?fàn)t膛在一定溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒；在不同的負(fù)荷水平下，床溫控制會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。負(fù)荷低時(shí)，風(fēng)量減小，進(jìn)煤量減小小，床層溫度就容易控制，可長(zhǎng)時(shí)間保持在一定的溫度線；負(fù)荷高時(shí)，由于一次空氣和二次空氣的調(diào)節(jié)余量變小，因此煤對(duì)床層溫度調(diào)節(jié)的影響增加。在實(shí)際操作中，燃燒高熱值煤時(shí)，床層溫度較高，排渣量明顯減少。燃燒低熱值煤時(shí)，排渣量明顯增加，溫度也較低。在正常情況下，當(dāng)床溫高時(shí)，可以適當(dāng)減少煤的加入量。延后一段時(shí)間后，床溫將下降。當(dāng)床溫低時(shí)，可以適當(dāng)增加煤量。當(dāng)根據(jù)煤量調(diào)節(jié)床溫時(shí)，必須注意系統(tǒng)將表現(xiàn)出大延遲的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于床溫控制具有非線性特性，床溫控制對(duì)于保證循環(huán)流化床鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行有巨大的作用，常規(guī)的控制方法很難取得好的效果，為所以考慮采用如圖2-1所示的智能控制系統(tǒng)，以增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性和實(shí)用性。圖2-1循環(huán)流化床鍋爐床溫控制原理圖根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，可能不需要三種控制方法。例如，僅使用改變一次空氣和二次空氣的比例可以將床溫度控制在操作所需的溫度范圍內(nèi)。另外，上述控制策略描述如下：1.氧含量還可以表征爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度，其響應(yīng)比床溫更敏感，可用作床溫響應(yīng)的先導(dǎo)信號(hào)；2.正常運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)負(fù)載將床溫設(shè)置為相應(yīng)的目標(biāo)值；3.在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)必須考慮床溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有典型的延遲特性。新華公司自1998年以來(lái)，將模糊控制應(yīng)用于200MW以上機(jī)組大延時(shí)對(duì)象的控制，取得了非常良好的效果并為后續(xù)發(fā)展建立了好的基礎(chǔ)[12]。1.2.2風(fēng)量控制總風(fēng)量控制和一次風(fēng)量與二次風(fēng)量比例的控制是循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)量的兩張控制方式。在正常的運(yùn)行過(guò)程中，由燃燒燃料處傳出的信號(hào)控制總風(fēng)量，過(guò)量空氣系數(shù)可以自動(dòng)比對(duì)改正信號(hào)?？傦L(fēng)量的變化受空氣與煤的比率的限制影響，這與傳統(tǒng)的粉煤爐相同，但區(qū)別在于一次空氣和二次空氣的比率。一次空氣和二次空氣的比例是負(fù)荷和煤類型的熱值的函數(shù)。根據(jù)CFB鍋爐的運(yùn)行特性，可以設(shè)計(jì)出兩種原理相同的風(fēng)量控制方法。第一種情況是二次風(fēng)機(jī)提前投入運(yùn)行，第二種是只有在負(fù)載達(dá)到較高水平后，二次風(fēng)機(jī)才能運(yùn)行。這是第一種情況?？諝饬糠峙湎禂?shù)，過(guò)量空氣系數(shù)以及氧氣量校正和負(fù)載之間的關(guān)系如圖2-2所示。圖2-2CFB鍋爐風(fēng)量分配系數(shù)與負(fù)荷的關(guān)系操作員可以將二次風(fēng)量調(diào)節(jié)在50％以內(nèi)。為了進(jìn)行床溫控制，就可以調(diào)節(jié)一次風(fēng)量和二次風(fēng)量的占比來(lái)實(shí)現(xiàn)。分配系數(shù)也存在問(wèn)題。更改此分配系數(shù)可以控制一氧化碳，氮氧化物和硫化物的排放。負(fù)載的函數(shù)包括一次風(fēng)和二次空風(fēng)的比率系數(shù)以及上下二次風(fēng)的比率系數(shù)。循環(huán)流化床鍋爐的一次風(fēng)量具有下限值，一次風(fēng)量無(wú)論在各種情況下均不得低于該下限值。啟動(dòng)時(shí)一次風(fēng)量下限不變，一次風(fēng)量控制僅在煤炭啟動(dòng)時(shí)或負(fù)載運(yùn)行開始時(shí)激活。設(shè)計(jì)的二次風(fēng)系統(tǒng)的控制回路能夠進(jìn)行風(fēng)量控制和壓力控制。參見(jiàn)圖2-3。圖2-3氧量校正以及風(fēng)量分配示意圖1.2.3料層差壓控制料層壓差控制也叫做料層控制。通過(guò)在操作過(guò)程中測(cè)量料層的壓差來(lái)控制它，使得鍋爐床上的物料高度保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。如果料層太厚，空氣分配板的阻力會(huì)增大，可能會(huì)引起物料層分開，導(dǎo)致床層下方氣室的風(fēng)道產(chǎn)生振動(dòng)，增加風(fēng)扇的功耗。如果料層太薄而且高度不能滿足最低要求，則會(huì)發(fā)生吹穿情況，使得燃燒過(guò)程的熱量下降，不能保證穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步影響帶動(dòng)負(fù)荷的能力。由于材料層的高度大約與床層壓力成正比，因此床層材料的高度可以通過(guò)壓差的大小來(lái)理解。當(dāng)壓差變大時(shí)，床層材料的厚度增加，并且鍋爐灰和渣排放裝置可以打開以排放渣。排渣量的增加，會(huì)導(dǎo)致床層材料減少，進(jìn)而床層壓力下降。相反，當(dāng)壓差過(guò)小時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料來(lái)補(bǔ)充壓差，以控制床的位置。需要說(shuō)明的是，當(dāng)煤質(zhì)變化較大時(shí)，物料層壓差不能準(zhǔn)確反映出物料濃度的實(shí)際情況。例如，如果灰分含量變小，則如果不及時(shí)補(bǔ)充物料，物料層的壓差將減小，系統(tǒng)將不會(huì)排放爐渣。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，一次空氣系統(tǒng)的振動(dòng)將增加，并且材料層壓差的波動(dòng)范圍將增加。實(shí)際上，這種現(xiàn)象表明爐子的濃度下降得非常低，此時(shí)材料層的電阻實(shí)際上就是床層上變粗的爐渣的電阻。為了杜絕這種情況發(fā)生，在操作過(guò)程中應(yīng)監(jiān)控從密相區(qū)中上部到熔爐出口區(qū)的壓降。為了控制和調(diào)節(jié)物料的顆粒直徑大小并確保物料在爐膛稀相區(qū)的上部的密度，必須及時(shí)清理出床中的大爐渣顆粒。1.2.4給料量控制循環(huán)流化床鍋爐的進(jìn)料速度控制包括兩個(gè)部分：煤的進(jìn)料速度控制和石灰石的進(jìn)料速度控制。通過(guò)調(diào)節(jié)給煤機(jī)的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)給煤控制。熱負(fù)荷輸出用作煤炭需求指令，并以總風(fēng)量作為煤炭的給定值進(jìn)行選擇；進(jìn)煤率主要受負(fù)荷指令和風(fēng)燃比聯(lián)鎖控制。首先，根據(jù)負(fù)荷指令計(jì)算出所需的燃油量，減去所需的燃油量即為所需的煤量。然后根據(jù)風(fēng)燃比的要求，從實(shí)際空氣量中計(jì)算出最大允許燃料量，再減去該燃料量，得到最大允許量[13]。將負(fù)荷所需的煤炭量最大容許風(fēng)量中的最小值作為煤量