【摘 要】CFB鍋爐因其具有可操作負荷范圍寬、燃燒效率高、可燃用劣質(zhì)煤等顯著(zhù)特點(diǎn)而在我國獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但CFB鍋爐在低負荷運行時(shí)往往會(huì )因為燃煤量和返料灰量的減少而使床溫、汽溫的安全操作變得異常困難，對中低溫返料CFB鍋爐更是如此。本文介紹了筆者基于協(xié)調優(yōu)化控制技術(shù)解決中溫返料循環(huán)流化床鍋爐在低溫運行過(guò)程中床溫和汽溫如何同時(shí)兼顧的難題，一年多來(lái)的實(shí)際運行數據表明：當75t/h中溫返料CFB鍋爐運行在額定負荷的50%~60%時(shí)，在保持其相對高床溫的前提下，對汽溫的協(xié)調操作收到了良好的效果—可提高平均汽溫20度以上，有效地保證了汽輪發(fā)電機組的安全與經(jīng)濟運行。

    【關(guān)鍵詞】CFB鍋爐；中溫返料；低負荷；協(xié)調優(yōu)化；床溫；汽溫  

    Abstract: With the advantages of the wide load adjusting ability, high combustion efficiency, low quality coal to be used, CFBB has been applied widely in China. But in a low load condition，with the reducing fuel and circulating ash , operators will meet many abnormal difficulties in safety operation both for bed temperature and steam temperature, especially it is more obvious to operate CFBB with Medium temperature material-returning system. In this article, based on coordination optimum control technology , a solution is provided to harmonize the conflict between bed temperature and steam temperature. More than one year actual running indicates that the steam temperature can be raised 20 degree and the bed temperare can be kept in a relative high level at the same time, and safety running can be assured effectively for steam turbine system.

    Key words: Circulating Fluidized Bed Boiler;Medium Temperature Material-returning System;Low Load; Coordination Optimum ;Bed Temperature ;Steam Temperature

    1 引言

    循環(huán)流化床（CFB）鍋爐以其燃料適應性強、燃燒效率高、負荷調節性能好、污染物排放低等顯著(zhù)特點(diǎn)而在我國獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國第一臺裝備于電站的循環(huán)流化床鍋爐于1988年誕生于山東明水熱電廠(chǎng)，盡管CFB鍋爐在我國的出現才二十多年，但無(wú)論從數量到單機規模目前都走在了世界前列。據統計：截至到2008年底我國共有35t/h以上不同容量等級的循環(huán)流化床鍋爐5000多臺。

    對循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的最重要的操作是對返料灰循環(huán)量的控制，如果返料灰的循環(huán)出現問(wèn)題，則整個(gè)循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的運行狀態(tài)將無(wú)法正常地建立起來(lái)甚至會(huì )導致高溫結焦、停爐等安全事故。從返料溫度等級來(lái)劃分CFB鍋爐有高溫返料和中低溫返料。高溫返料CFB 鍋爐由于返料溫度與床溫持平，對床溫的控制主要體現在煤與風(fēng)的搭配上，由于其返料量的多少是建立在自平衡之上的，其操作就相對容易一些；但中低溫返料CFB鍋爐則由于其返料灰溫度比床溫低300~500度，返料灰的多少不僅會(huì )極大地影響鍋爐負荷、汽溫，更會(huì )直接影響到床溫乃至整個(gè)鍋爐的安全，因此在中低溫返料CFB鍋爐低負荷運行時(shí)如何使鍋爐負荷、汽溫和床溫都得到安全、穩定地保證是一個(gè)相對困難的問(wèn)題。

    本文將以福建石獅熱電有限責任公司的兩臺燃用福建無(wú)煙煤的上海東鍋生產(chǎn)的75t/h中溫返料CFB鍋爐（DG75/3.82-11型）為例探討這個(gè)問(wèn)題。

    2 中溫返料CFB鍋爐及其低負荷運行問(wèn)題

    2.1 福建無(wú)煙煤及CFB鍋爐設計特點(diǎn)

    福建無(wú)煙煤是世界上有名的劣質(zhì)煤之一，具有著(zhù)火點(diǎn)高（900-950℃）、揮發(fā)份低（一般為2~4%）且析出時(shí)間長(cháng)、灰熔點(diǎn)低（灰的變形溫度t1一般在1100℃左右）以及煤質(zhì)脆燃燒易爆裂和細小顆粒含量多（小于1mm的煤粒占一半左右）等特性，在鏈條爐上都是很難燃燒的。

    為了能夠燃用劣質(zhì)的福建無(wú)煙煤，福建石獅熱電有限責任公司與東鍋在設計生產(chǎn)時(shí)就采用了低流速、高爐膛、中物料循環(huán)倍率、敷設長(cháng)衛燃帶等措施；高過(guò)、低過(guò)受熱面安裝在爐膛出口，主汽溫度控制采用噴淋式減溫器。近十年的運行數據表明：DG75/3.82-11型鍋爐可燃用低位發(fā)熱值13.6~27.5MJ/Kg、含碳量36~86%的福建無(wú)煙煤，出力可從40~90t/h ，平均熱效率曾達到84.52%，比同容量燃用福建無(wú)煙煤的煤粉爐還高2~3%以上。

    2.2 低負荷運行工況分析

    福建石獅熱電有限責任公司主要以供熱為主，下游蒸汽用戶(hù)有五十多家，其中不乏“白天冒煙，晚上歇班”的企業(yè)，這時(shí)常造成一天中鍋爐負荷從50%到110%的波動(dòng)。當負荷降低時(shí)，負荷控制回路必定會(huì )減煤，煤的減少造成床溫降低，此時(shí)床溫控制回路又將循環(huán)灰量減少，循環(huán)灰量的減少使得爐床上的熱量被轉移出去的強度以及爐膛中的受熱面與高溫煙氣的換熱強度大大減弱，這就造成汽溫控制回路即使已把減溫水閥全部關(guān)閉，但仍避免不了主汽溫度會(huì )低于控制點(diǎn)（440~445℃）10~20度以上，蒸汽溫度低會(huì )導致汽輪機末幾級的濕度增加，蒸汽中的水分會(huì )對汽輪機葉片產(chǎn)生較大的沖蝕和過(guò)大的推力，這給汽輪機組的安全與經(jīng)濟運行造成了不利影響。低負荷與高汽溫是一個(gè)矛盾，如何在低負荷下通過(guò)實(shí)施特殊控制策略來(lái)解決汽溫偏低的問(wèn)題呢？

    3 中溫返料CFB鍋爐床溫-汽溫協(xié)調優(yōu)化控制模型設計及運行效果

    3.1 循環(huán)灰在汽溫協(xié)調上的重要性

    循環(huán)灰在CFB鍋爐運行中的重要性是不言而喻的，可以說(shuō)如果一臺 CFB鍋爐的返料器（灰）工作不正常必定造成整臺鍋爐運行的不正常。無(wú)論是具有自平衡功能的高溫返料CFB鍋爐或是通過(guò)控制返料灰量來(lái)控制床溫和負荷的中低溫返料CFB鍋爐，在固定負荷下都有如下幾個(gè)動(dòng)態(tài)平衡：

    （1）熱量平衡

    （2）循環(huán)灰量平衡

    （3）進(jìn)煤量與飛灰量和放渣量平衡

    （4）進(jìn)水量與發(fā)汽量和排污量平衡

    就熱量平衡來(lái)說(shuō)，存在如下方程：

    Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

    其中：Qr：1kg燃料帶入鍋爐的熱量（KJ/kg）；

    Q1：鍋爐有效利用熱量（KJ/kg）；

    Q2：排出煙氣所帶走的熱量（KJ/kg）；

   Q3：氣體不完全燃燒熱損失（KJ/kg）；

   Q4：固體不完全燃燒熱損失（KJ/kg）；

   Q5：鍋爐的散熱損失（KJ/kg）；

   Q6：灰渣帶走的物理熱量（KJ/kg）。

    鑒于入爐煤量?jì)H占床料的5%左右，因此可以認為當入爐煤量發(fā)生極小變化在某個(gè)特定時(shí)間段的ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4、ΔQ5、ΔQ6都可以忽略不計，即：ΔQr≈ΔQ1/η

    其中：

    ΔQr=ΔFm*Qdw

    ΔQ1=2.25*ΔTq*Fq

    則有：ΔFm≈2.25*ΔTq*Fq/ Qdw/η

    假設入爐煤的流量為10t/h，熱值為20000 KJ/kg，蒸汽負荷為50t/h，汽溫為420℃，汽壓為3.5MPa，排污量為0，上水溫度為150℃，鍋爐效率為80%，則把汽溫提升20℃所需的煤量大致為：

    ΔFm=2.25*20*50*1000/20000/0.8=141(Kg/h)

    那么我們又如何在保證床溫穩定的前提下，把這141 Kg/h的煤的熱量傳遞給爐膛出口的受熱面—高過(guò)和低過(guò)從而使主汽溫度提高20℃呢？很自然我們可以通過(guò)按特定規則同時(shí)微量調整進(jìn)煤量和循環(huán)灰量，使它們的放熱與傳熱達到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，即根據汽溫降低的情況確定所需的熱量，進(jìn)而確定入爐煤的增量及帶走這些煤所產(chǎn)生熱量的循環(huán)灰量，就可以在實(shí)現在保證床溫基本不變、負荷基本不變的前提下使汽溫提高。

    3.2 床溫-汽溫協(xié)調優(yōu)化控制模型設計

    協(xié)調優(yōu)化規則如下：

    （1）當汽溫低于某值（432℃）時(shí)，而床溫不低于某值、相對平穩且有上升趨勢（0.2℃/m），則通過(guò)加大返料灰量從床料蓄熱中瞬間提取一部分熱量到爐膛上部并使過(guò)熱器中蒸汽吸收而得以提高其溫度；

    （2）返料量按3）中控制模型加大后，當下列條件滿(mǎn)足其一即停止對循環(huán)灰量的協(xié)調：床溫呈下降趨勢（-0.2℃/m）或協(xié)調時(shí)間已夠(120秒)；

    （3）返料量和煤量增量的控制輸出為：Δu1*=(TR-TE)/20*Δu   Δu2*=K1*(TR-TE)/20*Δu

    （4）協(xié)調條件仍然滿(mǎn)足的前提下，也要經(jīng)過(guò)固定的時(shí)間（120秒）后再進(jìn)行下一次協(xié)調。模型操作界面如圖1所示。
            
                       
                                         圖1 模型操作界面圖

    3.3 運行效果分析

    基于協(xié)調優(yōu)化模型，通過(guò)同時(shí)調整返料灰量和進(jìn)煤量來(lái)實(shí)現中溫返料循環(huán)流化床鍋爐在低負荷運行時(shí)在保證床溫穩定、汽壓穩定的前提下提高汽溫的實(shí)踐是成功的，該數學(xué)模型的實(shí)現是基于北京和隆優(yōu)化控制技術(shù)有限公司的BCS系統完成的。一年多的運行效果表明：

    （1）在鍋爐負荷低于50t/h時(shí)汽溫要長(cháng)期低于415度，但采用該協(xié)調模型后平均汽溫提高了17度以上；

    （2）盡管采用同時(shí)調節進(jìn)煤和返料量，但床溫仍運行平穩，控制精度可達到R±5℃，比人工手動(dòng)控制精度提高五倍以上；

    （3）該協(xié)調優(yōu)化模型抗干擾能力強，具有自適應功能。

    下面的圖2、圖3為循環(huán)灰量的協(xié)調量與實(shí)際汽溫的運行曲線(xiàn)。途中直線(xiàn)為汽溫控制點(diǎn)，方波狀曲線(xiàn)為循環(huán)灰量控制閥開(kāi)度的增量。
   
                     
                               圖2   循環(huán)灰量的協(xié)調量與實(shí)際氣溫的運行曲線(xiàn)（一）
  
                     
                               圖3    循環(huán)灰量的協(xié)調與實(shí)際氣溫的運行曲線(xiàn)（二）

    4 結語(yǔ)

    對中低溫返料循環(huán)流化床鍋爐來(lái)說(shuō)高床溫意味著(zhù)高爐效，但在其低負荷運行時(shí)即便是高床溫但也不一定帶來(lái)高汽溫，本協(xié)調模型很好地解決了這一矛盾，它在此類(lèi)CFB鍋爐上具有推廣意義。

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    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第七期