内容摘要：循环流化床锅炉自八十年初进入商业运行以来，发展迅速，  占中小型燃煤锅炉市场的份额不断扩大，  已成为世界新世纪能源的发展方向之一。但由于其燃烧过程较为复杂，影响因素多而不易控制，不能简单地套用常规煤粉炉的控制方法。本文在结合循环流化床锅炉特性的基础上，着重分析其控制系统，  并提出相应的控制方案。

关键词  循环流化床锅炉  控制

  随着循环流化床(CFB—Circulating  Fluidized  bed)锅炉的不断投产，技术不断进步，在中小型锅炉中优势明显，并迅速向大型化迈进。鉴于我国以燃煤发电为主导的格局在长时期内将不会有大的改变，面对日益严格的环保要求，CFB锅炉前景看好。目前，我国已订货和投运的CFB锅炉已近千台，但主要为小型(35～75t／h)锅炉，可控性较差、控制复杂、自动化程度参差不齐，对运行人员要求高，实际运行情况并不如预期的好，控制和运行水平对机组的实际性能影响很大。    要提高控制水平，就必须对CFB锅炉的工艺过程有足够的认识，特别是对CFB锅炉与常规煤粉炉不同的特性有足够的认识。

    CFB锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的。主要原理是床料在炉膛内充分流化，通过旋风分离实现循环，使燃料在炉膛内平均停留时间较煤粉炉几十倍的增加，达到充分燃烧的目的，同时在炉内加入石灰石，实现脱硫。燃料在炉膛内，经过强烈的搅拌、磨擦，本身也具有破碎作用，因而不需要常规煤粉炉具有的制粉系统及磨煤机，燃料制备系统简单；且具有独特的回料系统、石灰石加料系统及点火系统；同时CFB锅炉有大量固体床料的运动惯性和热能惯性，对控制影响大，与常规煤粉炉具有显著的区别。

    CFB锅炉的控制可分为燃烧控制系统(Combustion Control System)和燃烧安全保护系统(Combustion Safeguard Control Systern)，下文以具有代表性的—美国福斯特•惠勒(FW—Foster Wheeler)公司循环流化床锅炉为参照控制对象，分别叙述。

    1．燃烧控制系统一般由以下控制系统组成：

    ☆锅炉负荷控制；

    ☆煤量控制；

    ☆风量控制(包括一次、二次风量及J阀风量)；

    ☆床温控制；

    ☆床料控制；

    ☆石灰石控制；

    其中锅炉负荷、炉膛压力等控制与常规煤粉炉相同。其余各参数由于相互耦合、一个被调量同时受几个调节量的影响，而一个调节量又影响几个被调量，控制复杂，需全盘统一考虑；既要实现充分燃烧，又要确保床温的稳定。因此，总的控制策略是：首先在确保床温在正常范围内，保证负荷；然后根据负荷控制总风量及给煤量，保证最佳的风煤比；再根据总风量来合理分配一、二次风量，保证物料能处于良好的流化状态，及具有足够的氧量；同时维持床压、炉膛压力稳定，控制石灰石给料量，实现锅炉的安全高效燃烧及环保特性。以下是燃烧系统各主要参数的控制总图(图1)：

   对各参数的控制有了总体了解后，现具体分述如下：

   1．1  负荷控制(图2)

    对单元制机组，通过改变锅炉燃烧率维持主蒸汽压力恒定，引入主汽压力与汽机调速级后压力比值经微分作为调节器前馈，以控制机前压力保持给定为目标，主蒸汽压力作为主调信号，与压力给定值比较后的偏差信号经调节器PI运算后作为风量及给煤量的控制。当汽机负荷改变后，风量及给煤量协调动作，以使锅炉快速响应负荷变化，机组压力波动范围小。在低负荷及特殊情况时，可人为设定风量及给煤量的设定值。

   对于母管制机组，以保持主蒸汽母管压力恒定为目标，合理进行各锅炉负荷分配，保证机组安全、经济运行。各锅炉根据负荷指令控制风量及给煤。

    CFB锅炉由于热惯性大，机组负荷变化而引发锅炉参数变化时，应考虑先调节风量，充分利用其热惯性，燃料量后调节。

    1，2  煤量控制(图3)

    CFB锅炉由于燃烧机理独特而不需要复杂的制粉系统，由皮带给煤机结合气力播煤，将燃料直接送入炉膛。给煤机一般采用变频调节，可接受远方(如分散控制系统)4～20mA控制信号，通过调节转速来控制给煤量。

    在控制框图中，锅炉负荷控制输出的信号与实际总风量信号取小值作为调节器的给定，以保证增负荷时，先加风，后加煤；减负荷时，先减煤，后减风(保证一定的过剩空气量，满足炉膛安全燃烧需要)。由于煤量控制影响床温，所以，在床温超过一定温度时，需限制给煤增加(如设置一定的虚假给煤量，减少调节器输出)，以防床温进一步升高，造成结焦。

    1．3  风量控制(包括总风量、一次风量、二次风量及J阀风量等)

    1．3．1  总风量控制(图4)

    进入炉膛的风量有：一次风、二次风、J阀风、播煤风等。总风量控制指令由锅炉主负荷调节器输出。总风量中一、二次风所占比例最大，同时直接影响锅炉的运行、燃烧。因此，总风量控制就是通过改变一、二次风量的调节指令来保证锅炉所需的总风量。在控制回路中将主汽压控制来的总风量信号与实际总煤量信号取大值作为总风量调节器的设定值，以保证负荷变化时满足先加风、后加煤或先减煤、后减风的要求。同时设有总风量对煤量的限制。

    1．3．2  一次风量控制(图5)

    一次风作用是保证物料处于良好的流化状态以维持正常的物料循环，正常的物料循环要求流化速度不低于l—3m／s，而流化速度与风量密切相关．通常情况下，一次风量占总风量的60％。  (不同CFB锅炉不完全一致，大至在40％～60％之间。我国由于环保标准中没有规定对NOX的排放要求，所以，一次风通常在60％以上)。

    在控制回路中，来自总风量调节的一次风量指令作为一次风量调节的设定值。通过调节一次风挡板达到所需的一次风量。

    需注意在通过调节给煤量和风量来控制锅炉负荷时，要求床温维持在一定的范围内，才能保证锅炉正常燃烧，所以，一次风量控制还应与床温控制结合起来考虑。同时从布风板上测得的床温也可帮助床料是否处于良好的流化状态。

 1．3．3  二次风量控制(图6)

    二次风作用是维持炉膛内煤粉的燃烧有恰当的空气量，通过分级送风，调节各级风量使炉膛温度基本均匀，降低NOX的生成，同时也使炉膛下部处于缺氧燃烧状态，有利于将床温维持在要求的范围内。

可采用具有氧量校正回路的串级调节，由副调节器控制二次风量满足总风量的一、二次风比例要求，同时氧量校正回路进一步细调这一比例，实现最经济燃烧。调节对象是二次风上下两层总管的二次风挡板。

 1．3．4  J阀(回料阀)风量控制

    回料系统是CFB锅炉的重要组成部分，通过控制回料器上升段及下降段的风量，来维持正常的物料循环，将床温稳定在要求的范围内，同时需保证旋风分离器底部起密封作用的物料具有一定高度。防止炉膛烟气反串燃烧引起回料系统结焦。

    一般设两台J阀回料器，每个回料器有多只风管供风，适当选择其中几只用于调节J阀(回料阀)风量以控制回料量，通过回料量控制床温。由于不同的CFB锅炉结构不同，床温控制方法也有差异，将在床温控制部分详细讲述。

    1．4  床温控制

    床温是CFB锅炉较难控制的参数，同时又是保证锅炉安全、稳定运行必不可少的条件。煤种、给煤量、回料量、风量、风煤比、床压、负荷等的变化均可引起床温的变化。在正常范围内，负荷上升时，同时增加投煤量和风量会使床温升高。   

    一般床温通过布置在密相区及炉膛各处的热电偶监测，从提高燃烧效率及传热系数角度讲，希望床温高一些；从脱硫(理想的反应温度是840～900℃，温度超过950℃时，反应就不能发生了)、降低NOx排放的角度讲，希望床温低一些，因此一般CFB锅炉床温要求在820～900℃，烧无烟煤时稍高一些。但均应保证密相区温度低于灰的变形温度，否则会引发结焦，破坏正常的流化燃烧，使运行被迫中断，造成事故；相反过低的床温则使锅炉出力不足，严重时造成锅炉灭火。

    床温控制具体来说，根据循环流化床锅炉的分级燃烧特性，可调节一、二次风比和合理的风煤比维持在要求的范围内。床温高一值时，将一次风量及煤量减少一定比例；床温高二值时，一、二次风、煤量全切为手动。

    中低温的CFB锅炉主要通过改变回料量(由J阀风量控制)来控制床温，床温升高时增加回料，反之减少。

    如CFB锅炉装有热交换器(从发展趋势来看，大型CFB锅炉均要求设置热交换器)，则对床温控制有很大的帮助，通过控制被热交换器冷却了经再循环送入燃烧室的固体物料量宋控制床温。热交换器一般为外置式，目前世界已投运最大的，  由法国阿尔斯登(Srein)公司制造的250MW循环流化床锅炉就采用于外置式热交换器，其中两只热交换器内布置中温过热器，用于控制炉膛温度。

    1．5  床料控制

    床料高度的稳定对正常运行很重要，床料过高使阻力增大，可能造成风室和风道的振动；床料过低时锅炉带负荷能力降低，出力不足；而且床料过高或过低都会影响流化质量，引发结焦。

    调节排渣口开度控制放渣量控制床料高度(排渣口开度未设自动时，可设定床层压降或控制点压力，到达上限时放渣，下限停止放渣；如床料过低，可适当添加石灰石或渣补充)。

 1．6  石灰石控制(图7)

    进入燃烧室的石灰石用于CFB锅炉脱硫，石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳，其中氧化钙与燃烧产生的二氧化硫反应生成硫酸钙，同时石灰石也作为床料起到传热作用。

    采用串级控制系统。需控制石灰石与煤比例(钙硫比)；由于石灰石送入炉膛需要的空气量与炉内脱硫反应所需的空气量不能完全抵消，将影响炉内原有的过剩空气系数，所以调节中引入了氧量校正。

    2  燃烧安全保护系统

  CFB锅炉燃烧安全保护系统用于监视、控制燃烧室内的燃料与空气，防止燃料与空气混合物产生的不安全工况。必要时，切除燃料系统，以保证锅炉安全运行，  目标与常规煤粉炉一致。

    CFB锅炉燃烧安全保护系统可分为炉膛监测和主燃料跳闸(MFT)两部分。

    2．1  炉膛监测

    CFB锅炉由于炉内温度分布均匀，炉膛径向和轴向温度波动小，炉膛内物料浓度大，无常规煤粉炉燃烧形成的典型火焰，所以不采用常规煤粉炉的光学火焰监测装置，一般通过布置在炉膛内适当位置的热电偶测量温度来监视，并与设定值比较后确定采取相应的措施。但风道燃烧器(风道点火器)内可装设符合要求的光学火检装置。用于监视锅炉点火过程。

  2．2  主燃料跳闸(MFT—Main fuel Trip)

    CFB锅炉在检测到发生危害人身和设备安全工况时，发出主燃料跳闸(MFT)信号。以下是CFB锅炉特有的MFT工况：

    I．床温低(当风道燃烧器不运行时)；

    II．装有热交换器的CFB锅炉，流经热交换器的水量不足；

    以上两种跳闸均带有延时。除停燃料给煤外，还停一、二次风机运行，与常规煤粉炉不同，风机停延时一般为5分钟。用以排除燃烧室和烟道内的可燃物。

    CFB锅炉与常规煤粉炉均具有的MFT工况：

    I．所有送风机(一、二次风机)或引风机跳闸；

    II．炉膛压力过高或过低；

    III．汽包水位超限3分钟；

    IV．手动MFT等

    某些不良的运行工况，如给煤波动、煤质等变化造成床温波动时，根据实际情况，可不必实施MFT，如通过辅助油枪稳燃等维持运行。

    随着计算机技术及控制水平的提高，  目前中小型机组也大量采用了分散控制系统(DCS-Distribute Control System)，循环流化床锅炉由于控制复杂，对运行人员要求高，更需要提高自动化水平，采用DCS是大势所趋。

    结束语：

以上是本人对CFB锅炉控制系统的分析。结合了福建省石狮热电厂2×35t／h及75t／h循环流化床锅炉的控制设计，并参考宁波220t／h循环流化床锅炉(均为东锅引进福斯特——惠勒公司技术生产)及内江410t／h示范循环流化床锅炉等大型CFB锅炉的控制系统。由于CFB锅炉的容量日益大型化，影响控制的因素众多，需要控制的项目不断增加，所以在实际工程应用中还需结合具体情况加以完善和改进。 

文章作者：王 毅(福建省电力勘测设计院  350003)