2.1概述
循環(huán)流化床鍋爐（Circulating Fludized Bed Boiler，以下簡(jiǎn)稱CFB鍋爐）作為一種煤的清潔、高效燃燒技術(shù)自八十年代初進(jìn)入燃煤鍋爐的商業(yè)市場(chǎng)以來(lái)，在中小型鍋爐中已占有了相當(dāng)?shù)姆蓊~。并在技術(shù)日趨成熟的同時(shí)逐漸向更大容量發(fā)展。
CFB鍋爐的研究始于七十年代，它是從鼓泡床沸騰爐和化工行業(yè)的循環(huán)流化床工藝發(fā)展而來(lái)的。1982年，德國(guó)魯奇（Lurgi）公司的第一臺(tái)50t/h循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行宣告了循環(huán)流化床鍋爐的誕生。此后，世界上的主要鍋爐制造商均投入了CFB鍋爐的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。
國(guó)外在CFB鍋爐的發(fā)展過(guò)程中也形成了幾種技術(shù)流派，比較有代表性的有芬蘭奧斯龍公司（Ahlstrom，現(xiàn)被福斯特·惠勒公司并購(gòu)）的Pyroflow型循環(huán)流化床鍋爐；德國(guó)魯奇公司開(kāi)發(fā)的Lurgi型循環(huán)流化床鍋爐；德國(guó)巴布科克公司的Circofluid型循環(huán)流化床鍋爐；福斯特·惠勒公司的整體化換熱床（Intrex）；美國(guó)貝特爾實(shí)驗(yàn)室（Battele）的多固體型（Multisolid）循環(huán)流化床鍋爐等等。
圖一、循環(huán)流化床鍋爐示意圖
國(guó)內(nèi)從八十年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)CFB鍋爐，中科院工程物理所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)和有關(guān)鍋爐廠合作先后研制開(kāi)發(fā)了10t/h、20t/h、35t/h、75t/h循環(huán)流化床鍋爐。通過(guò)這些鍋爐的研制、生產(chǎn)和運(yùn)行，積累了不少經(jīng)驗(yàn)。
進(jìn)入九十年代后，東方鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠和上海鍋爐廠等又分別通過(guò)與美國(guó)福斯特·惠勒公司和美國(guó)PPC公司引進(jìn)技術(shù)或合作生產(chǎn)的方式，開(kāi)始生產(chǎn)制造130t/h、220t/h的循環(huán)流化床鍋爐。并具備了生產(chǎn)更大容量CFB鍋爐的能力。國(guó)內(nèi)“八五”重點(diǎn)能源環(huán)?？蒲许?xiàng)目?jī)?nèi)江循環(huán)流化床示范電站從芬蘭奧斯龍公司引進(jìn)的410t/h循環(huán)流化床也已經(jīng)投入運(yùn)行。
從CFB鍋爐的控制方面看，這些年國(guó)內(nèi)大多數(shù)已投運(yùn)的中小型循環(huán)流化床的自動(dòng)化水平同大型電站煤粉鍋爐相比，仍相當(dāng)落后。有的甚至還完全依賴手動(dòng)操作。一些設(shè)計(jì)采用了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的75t/h循環(huán)流化床鍋爐也只是將其作為常規(guī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輔助監(jiān)控手段。僅設(shè)計(jì)了少量的汽壓、給水、汽溫等常規(guī)模擬控制回路。輸入／輸出點(diǎn)數(shù)僅100～300點(diǎn)左右。同時(shí)，由于CFB鍋爐本身在本體設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐（尤其是在運(yùn)行的可靠性和可控性方面）仍有許多需完善之處，所以造成了人們對(duì)其控制機(jī)理和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些畏難和模糊認(rèn)識(shí)。
隨著國(guó)內(nèi)安裝投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐容量增大和中小熱電廠自動(dòng)化水平的提高，計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)DCS開(kāi)始真正應(yīng)用于整個(gè)CFB鍋爐的控制。一些引進(jìn)的大型CFB鍋爐，如新華控制工程有限公司承擔(dān)的金陵石化熱電廠引進(jìn)芬蘭奧斯龍公司2×220t/h循環(huán)流化床鍋爐DCS等項(xiàng)目即采用DCS實(shí)現(xiàn)了整個(gè)CFB鍋爐的監(jiān)視、控制和聯(lián)鎖保護(hù)功能。單臺(tái)鍋爐的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)超過(guò)1000點(diǎn)。相當(dāng)于一臺(tái)100MW等級(jí)煤粉鍋爐的控制點(diǎn)數(shù)。
同時(shí)，新華控制工程有限公司也采用XDPS-400分散控制系統(tǒng)成功完成了大屯煤礦自備電廠2×75t/h和江蘇沛縣熱電公司2×75t/h CFB鍋爐的數(shù)據(jù)采集、模擬量控制和順序控制系統(tǒng)。鍋爐分別為北京巴布科克公司和唐山巴高公司生產(chǎn)的７5t/h Circofluid型循環(huán)流化床鍋爐。整個(gè)DCS系統(tǒng)的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)達(dá)到2000點(diǎn)。
1999年，新華公司又陸續(xù)承接完成了湖北松木坪電廠和河南南陽(yáng)電廠等CFB項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)，其中CFB鍋爐分別為上海鍋爐廠生產(chǎn)的130t/h循環(huán)流化床鍋爐和東方鍋爐廠生產(chǎn)的120t/h循環(huán)流化床鍋爐的DCS系統(tǒng)。功能更為完整，覆蓋了數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制和爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)。
2000年，新華公司又有多個(gè)CFB鍋爐DCS項(xiàng)目中標(biāo)。其中，河北保定熱電廠采用的東方鍋爐廠按福斯特·惠勒公司技術(shù)生產(chǎn)的DG450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐是目前國(guó)內(nèi)容量最大的CFB鍋爐。整個(gè)2×450t/h循環(huán)流化床、2×100MW雙抽汽輪發(fā)電機(jī)組XDPS-400系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制、爐膛安全保護(hù)、電氣控制、廠用公用控制、熱網(wǎng)控制，單臺(tái)機(jī)組的I/O接近5000點(diǎn)，與新建300MW燃煤機(jī)組DCS規(guī)模相當(dāng)，并和新華公司DEH-IIIA構(gòu)成一體化控制。
至此，新華公司已經(jīng)通過(guò)消化吸收和實(shí)際應(yīng)用國(guó)外成熟的大型CFB鍋爐控制技術(shù)，采用XDPS-400實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外幾種主要的大中小型CFB鍋爐完整的熱控系統(tǒng)。
下面就結(jié)合已工程的實(shí)際情況對(duì)CFB鍋爐的控制系統(tǒng)特點(diǎn)作一些簡(jiǎn)單的分析。
2.2循環(huán)流化床鍋爐的控制特點(diǎn)
從CFB鍋爐的工藝特性來(lái)看，它與常規(guī)煤粉鍋爐（Pulverize Coal Boiler）一樣，具有多參數(shù)、非線性、時(shí)變和多變量緊密耦合的特點(diǎn)，而且，CFB煤粉鍋爐比普通鍋爐具有更多的輸入/輸出變量，耦合關(guān)系也更為復(fù)雜。
圖二、CFB鍋爐控制對(duì)象的耦合特性
一個(gè)典型的循環(huán)流化床鍋爐的模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括以下功能：
負(fù)荷指令回路
主汽壓調(diào)節(jié)
床溫調(diào)節(jié)
給煤量調(diào)節(jié)
總風(fēng)量調(diào)節(jié)
石灰石量調(diào)節(jié)
一次風(fēng)量調(diào)節(jié)
二次風(fēng)量調(diào)節(jié)
二次風(fēng)壓調(diào)節(jié)
高壓風(fēng)壓力調(diào)節(jié)
主汽溫調(diào)節(jié)
汽包水位調(diào)節(jié)
燃油母管壓力調(diào)節(jié)
啟動(dòng)燃燒器風(fēng)量調(diào)節(jié)
啟動(dòng)燃燒器燃油壓力/流量調(diào)節(jié)
床槍燃油壓力/流量調(diào)節(jié)
爐膛壓力調(diào)節(jié)
料床差壓調(diào)節(jié)
底灰壓力、溫度調(diào)節(jié)（采用流化床冷灰器）
其中，CFB鍋爐的汽水系統(tǒng)與常規(guī)煤粉爐差異不大，因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也大同小異。給水控制系統(tǒng)也采用汽包水位、蒸汽流量和給水流量三沖量控制，通過(guò)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速或給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，維持汽包水位的平衡；鍋爐出口主蒸汽溫度采用噴水減溫調(diào)節(jié)。
但是，CFB鍋爐的燃燒系統(tǒng)及其控制和常規(guī)煤粉爐有較大的差異，同時(shí)，根據(jù)其工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，還設(shè)計(jì)有其它一些獨(dú)特的控制回路。
2.2.1 CFB鍋爐燃燒控制
CFB鍋爐的燃燒設(shè)備主要由給煤系統(tǒng)、燃燒室、分離器和返料系統(tǒng)組成。其燃燒過(guò)程與常規(guī)煤粉爐有很大區(qū)別，突出表現(xiàn)在循環(huán)和流化兩方面。
CFB鍋爐的燃料一般由煤和石灰石兩部分組成，物料（煤粒和石灰石）由給料口進(jìn)入爐膛密相區(qū)下部后，被高溫物料包圍而迅速著火，并在燃燒室中伴以高速風(fēng)流在沸騰懸浮狀態(tài)下進(jìn)行燃燒。同時(shí)，高溫?zé)煔鈹y帶爐料和大部分未燃燼的煤粒飛逸出燃燒室頂部，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出的未燃燼燃料由返料器返送回爐膛底部，再次進(jìn)入爐膛循環(huán)燃燒。
與煤粉鍋爐不同，CFB鍋爐不需要制粉系統(tǒng)，經(jīng)破碎符合一定粒度要求（粒徑0~15mm）的煤從前墻和／或回料閥的多處給料點(diǎn)直接送入爐膛。由于煤倉(cāng)一般布置在鍋爐的前部或側(cè)部，所以給煤系統(tǒng)又往往分為兩個(gè)給料子系統(tǒng)。分別采用2級(jí)或3級(jí)給煤機(jī)串聯(lián)布置。給煤機(jī)的型式可采用稱重式給煤機(jī)、刮板給煤機(jī)或螺旋式給煤機(jī)串聯(lián)，將煤送入給料點(diǎn)進(jìn)入爐膛。
給煤量主要受負(fù)荷指令和風(fēng)－燃料交叉聯(lián)鎖信號(hào)的控制。首先根據(jù)負(fù)荷指令計(jì)算出要求的燃料量，然后，根據(jù)風(fēng)－燃料比要求，從實(shí)際風(fēng)量計(jì)算出允許的最大燃料量，二者低選信號(hào)再作為燃料主調(diào)節(jié)器的輸出分別控制各臺(tái)給煤機(jī)速度控制回路。這樣也就保證了動(dòng)態(tài)過(guò)程中先加風(fēng)后加煤，先減煤后減風(fēng)。這和常規(guī)煤粉爐的控制機(jī)理是相同的。
給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速控制一般推薦采用線性較好的變頻調(diào)節(jié)方式。多臺(tái)給煤機(jī)也設(shè)計(jì)有增益自校正回路，可以無(wú)擾動(dòng)的任意切投不同給煤機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)。
2.2.2 石灰石量控制
CFB鍋爐的燃料以一定的循環(huán)倍率在爐膛內(nèi)不停地循環(huán)燃燒，所以CFB鍋爐能夠燃用各種劣質(zhì)煤，適用范圍廣。而且，在燃燒過(guò)程中加入的石灰石可以與燃燒中產(chǎn)生SO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成CaSO4，起到脫硫的作用。
調(diào)節(jié)給石灰石量的目的是滿足鍋爐SO2排放量的要求?？刂苹芈芬话阍O(shè)計(jì)采用串級(jí)調(diào)節(jié)方式。上級(jí)調(diào)節(jié)器為SO2調(diào)節(jié)器，下級(jí)調(diào)節(jié)器為石灰石量調(diào)節(jié)器，當(dāng)SO2變化時(shí)，調(diào)節(jié)給石灰石旋轉(zhuǎn)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)入爐膛石灰石量相應(yīng)變化。
在這個(gè)調(diào)節(jié)回路中，總給煤量作為前饋信號(hào)加入給石灰石量調(diào)節(jié)器。鍋爐入爐煤量變化時(shí)，SO2肯定也要相應(yīng)變化。如果僅根據(jù)SO2信號(hào)調(diào)石灰石量，則延遲比較大。將給煤量作為前饋信號(hào)，使石灰石量先根據(jù)煤量變化，然后再根據(jù)SO2信號(hào)進(jìn)行校正，可以減少調(diào)節(jié)延遲。
2.2.3 風(fēng)量控制
CFB鍋爐的風(fēng)系統(tǒng)比一般常規(guī)煤粉爐復(fù)雜。主要由一、二次風(fēng)、返料風(fēng)和播煤風(fēng)等組成。根據(jù)鍋爐的型式不同，設(shè)計(jì)有一次、二次風(fēng)機(jī)，高壓羅茨風(fēng)機(jī)等，對(duì)采用氣力播煤的鍋爐，還設(shè)計(jì)有播煤風(fēng)機(jī)。
一次風(fēng)可分為兩路。在燃燒過(guò)程中，一路一次風(fēng)由爐膛下部的一次風(fēng)箱進(jìn)入，通過(guò)布風(fēng)板進(jìn)入燃燒室，擾動(dòng)由煤和石灰石組成的床料使之流化，并攜帶床料向上移動(dòng)通過(guò)整個(gè)燃燒室。這是CFB鍋爐特有的送風(fēng)方式。
另一路一次風(fēng)（又稱為下二次風(fēng)，也可以由二次風(fēng)總管送入）和二次風(fēng)分別從爐膛的不同高度上進(jìn)入燃燒室，補(bǔ)充懸浮區(qū)燃燒需用的空氣量。使燃料在上升的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒。
燃燒所需的一、二次風(fēng)從不同高度進(jìn)入爐膛助燃，形成分級(jí)燃燒，使得CFB鍋爐爐膛內(nèi)的溫度比較低，減少了NOX的排放，同時(shí)也減少了結(jié)渣的機(jī)會(huì)。
二次風(fēng)由爐膛密相區(qū)上部四周爐墻分層給入，確保煤粒在懸浮段充分燃燒。同時(shí)為啟動(dòng)燃燒器提供燃燒風(fēng)。一部分二次風(fēng)（一般為一次風(fēng)的3～5%）還可作為播煤風(fēng)和正壓輸煤系統(tǒng)的密封風(fēng)。一次、二次風(fēng)率一般設(shè)計(jì)為1:1~6:4。而一次風(fēng)壓一般為10～13KPa，二次風(fēng)壓為6～8.5KPa。
風(fēng)量控制包括總風(fēng)量控制和一、二次風(fēng)比率的控制?？傦L(fēng)量根據(jù)燃料指令獲得，并根據(jù)過(guò)?？諝庀禂?shù)校正，形成總風(fēng)量指令。這與常規(guī)煤粉爐是一樣的。所不同的是一次風(fēng)和二次風(fēng)的分配。為了保證正常流化，一次風(fēng)的流量一般有一個(gè)設(shè)定的下限值。而且，一、二次風(fēng)的比例還要受到床溫控制回路的校正（如圖三所示）。
