循环流化床锅炉床位测量与控制.docx

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循环流化床锅炉床位测量与控制

循环流化床锅炉床位测量与控制

文章摘要：

摘　要：

本文重点叙述了循环流化床锅炉床位的测量方法，并在此基础上给出了一种控制方法。

给出了床位测量实例。

关键词：

CFB锅炉　床位　测量　控制

CFB锅炉运行中，床位的控制关系到床料的流化质量、经济燃烧、厂用电率消耗、带负荷能力等，所以控制好床位，对CFB锅炉安全经济运行具有重要意义。

要控制好床位必须解决床位的测量问题。

但是，由于CFB锅炉的床料在流化状态下没有上界面，难以直接测量床位的高低。

运行中通常以一次风室压力或床压差作为被调参数，间接代表床位。

由于一次风室压力（在忽略炉膛压力影响下）或床压差是布风板空板阻力和料层阻力之和，能够反映床位的只是料层阻力。

空板阻力与一次风量呈二次曲线关系，在调整负荷或床温时需要调整一次风量，当用一次风室压力或床压差作为被调整参数时则会发生下图所示的连锁反映：

图1

可见，自动调节的结果在系统设定值没变时，实际床位因一次风量变化而发生了变化，使系统发生错误的操作。

解决上述问题的方法是要测出床位。

1　床位的测量方法

在做布风板阻力特性测试时，我们可得出布风板阻力与一次风量对应关系的一组数据。

一般说来，布风板阻力与流过风嘴平均流速有如下的关系：

ΔPb=ξρW2/2-------------

（1）

式

（1）中：

ΔPb----- ---布风板阻力[KPa]

ρ--------空气密度[kg/m3

ξ--------风帽阻力系数

W--------一次风流过风帽风嘴的平均流速[m/s]

W=QIN/NnF ------------

（2）

式中

（2）:

N----布风板上风帽数量

n----每个风帽出口数

QIN----标准状态（一标准大气压，20℃）的流量[m3/s]

F----风帽出口流通面积[m2]

由

（1）、

（2）两式得：

ΔPb=ξρQIN2/2N2n2F2-----（3）

实践证明，由布风板阻力特性实验测得的布风板阻力、一次风量数据与公式（3）有较大偏差。

为求得较精确的经验公式，可采用多项式回归方法求出布风板阻力与一次风量的回归方程。

为避免计算过于繁琐，采用二次多项式

ΔPb=a+bQIN+cQIN2-----（4）

式中：

a、b、c为所求回归方程的常系数。

将QIN和QIN2分别视为两个变量，便可以将求（4）式的一元二次回归方程化简为求二元一次线性回归方程，使求解过程简化。

只要实验数据读数准确，求得回归方程精度是很高的（参见附录：

床位测量实例）。

式（4）是在冷态下求得布风板阻力与一次风量的关系，称为布风板阻力特性方程。

锅炉在实际运行中，一次风的温度和压力与实验时相比差别很大。

对应相同的标准状态下的一次风量QIN在冷态实验状态下与实验运行状态下在布风板上产生的阻力是有很大差别的。

所以应将冷态得出的布风板阻力特性公式转换为热态下的布风板阻力特性公式。

转换的实质是将实验时测得的标准风量QIN换算为工作状态下的风量QIt，

QIt=PNTtQIN/PtTN--------------（5）

式中：

Pt=PN+PB；

 PN=101.325KPa ----标准大气压；

PB？

？

？

？

  一次风室表压力[kpa]；

Tt？

？

？

？

-- 流过风帽的一次风绝对温度，

Tt= TN+ts[0k];

TN=（273.15+20）0k？

？

？

？

？

标准状态下的绝对温度;

ts？

？

？

？

？

？

流过风帽的风温[℃].

令：

β=PNTt/PtTN---------（6）

将（5）、（6）两式代入得热态下布风板阻力为

     　　ΔPbt=a+bβQIN+cβ2QIN2------（7）

这样我们便可以根据测得的床压差求出热态下的料层阻力：

ΔPtL=ΔPtL+b-ΔPbt

   　　　　　　　　　　  =ΔPtL+b-（a+bβQIN+cβ2QIN2）------------（8）

式中：

ΔPtL+b -----床压差实时测量值

从流化试验测得的料层阻力特性曲线知，料层阻力特性具有如下性质：

过临界流化风量继续增加一次风量时，1.料层阻力与一次风量呈线性关系，且曲线基本平坦；2.料层阻力与料层厚度呈线性关系。

在锅炉实际运行中通常选择一个一次风量的工作范围QIL～QIH,这个区间内的料层阻力与一次风量及床位的关系为如图-2所示:

 （a）曲线稍向上倾        　     （b）曲线稍向下倾

图2 ΔPL与QIN、H三者之间关系

图中：

H？

？

？

料层厚度，H1>H2>H3

在QIL～QIH区间内读取n组（一般取n？

5）ΔPL、QIN、H对应数据进行列表（见附录）,用二元线性回归方法取料层厚度H、料层阻力ΔPL和二次风量QIN间的回归方程:

H=d+eQIN+fΔPL ------------（9）

式中，d、e、f为待定常系数。

有时，由实验测得的料层阻力特性曲线在QIL～QIH区间内很平坦，即与一次风量几乎没有关系，则（9）式中的e≈0，于是有

H=d+fΔPL ---------------（9a）

这便可用一元线性回归方法去求床位的回归方程，使计算大为简化。

（9）、（9a）式为冷态下求得的床位回归方程。

在热态时，一次风穿过风帽时，吸收炉膛热量温度升高，体积膨胀。

煤与空气中氧燃烧生成烟气，其化学成分发生了变化，介质的密度粘度都发生变化，这种变化会对床料阻力产生一定的影响，目前尚缺乏这方面的研究，难以给出定量关系。

但只要在充分流化状态下，粒子间的间距被充分拉开，从料层阻力基本不随流化风量的变化这一特性推测，其影响程度可以忽略。

因此可以近似地将（9）、（9a）式的冷态关系推广到热态关系，有：

Ht≈d+eQIN+fΔPLt -----------（10）

Ht=d+fΔPLt-------------（10a）

将（8）式代入（10）、（10a）式得热态下床位表达式为：

Ht=d+eQIN+f[ΔPtL+b？

（a+bβQIN+cβ2QIN2）]---（11）

Ht=d+f[ΔPtL+b？

（a+bβQIN+cβ2QIN2）] ----（11a）

这样，测出一次风量QIN、床压差ΔPtL+b、流过风帽气流的温度ts,一次风室压力PB便可以换算出实时运行下床位Ht来，用以指导运行调整或实现床位的自动控制。

需提起注意的是，风帽经长时间运行会产生磨损，特别是煤的颗粒度偏大和煤中灰分较大，含块状矸石较多时，风帽的磨损会加重。

被磨损的风帽阻力下降，布风板阻力特性曲线下移。

为使床位测量准确，要利用停炉时间重新测试布风板阻力特性，进而对上述床位公式进行修定。

2　床位的控制

 循环流化床锅炉之所以在床温不变即炉膛温度不变的情况下能够改变负荷，就在于改变床层的密度和炉内动力特性可改变炉内传热系数。

当需要增加负荷时，就得增加给煤量，同时增加一次风量，保持给煤与一次风量的比率。

这时在将床位适量的增加，床层密度得以提高，使炉膛内循环量加大，由内循环形成的壁面流加速将热量传给水冷壁；一次风量跟随煤量的增加，一方面增强了浓相区的燃烧率，另一方面加强了外循环，增加循环倍率的同时也加强了浓相区的内循环，促使热量的传递。

有的锅炉在炉膛出口后安装有对流式蒸发器，一次风量的增加，更有利于对流式蒸发器的热量吸收。

由此看来，当负荷要求改变时，调整燃烧率的同时调整床位有利于负荷的调整。

另一方面，当需要改变负荷调整燃烧率时，例如增加负荷时，需要增加给煤量，由煤燃烧后转化为床料的量随之增加，如果我们保持床位不变，必须将因增加负荷而增加的床位量全部排出炉膛，这样势必使床层物料的平均停留时间缩短，则床料将因燃烧时间缩短而燃尽度降低，增加物理热损失。

所以从这个角度讲，增负荷时也有必要适量增加床位，以保证床料在炉膛的平均停留时间。

当然，过高的床位将因一次风机出口压力增加过多消耗电能，还可能因床位过高而节涌影响床料的流化质量。

此外，燃烧不同的煤种，对床位的高低应有不同，高挥发份易燃煤种，因燃尽时间短，可将床位控制低一点，反之，应将床位控制高一点。

3　床位与负荷的关系

床位的控制应在一定范围内随负荷的增加而增高，并因煤种不同对设定值作人工修正，设定值与负荷的关系如图-3中虚折线所示，图中画阴影线宽带表示人工改变设定范围。

图-3　床位改变值与负荷的关系

经理论分析和现场辩识，床位调节通道的动态特性为一阶惯性环节，其传递函数可表示为：

W（S）=KH/（THS+1） ------------（11）

式中：

KH？

--排渣机转速与床位静态转换系数；

     TH？

？

床位惯性时间常数；

由于对象特性简单，只需用回路调节系统便能满足要求。

根据以上的分析，设计的床位调节系统原理为图-3所示。

图中，床位的测量详见附录。

出渣机

图-3床位控制系统原理图

附录，床位测量实例

冷态试验测的布风板阻力与一次风量数据列于附表？

1。

附表1

1.根据表中实测数据求得回归方程的常系数

a=74.4；b=-0.0027；c=1.993×10-6

代入（4）式得布风板阻力与一次风量的回归方程为

 ΔP=74.4-0.0027QIN+1.993×10-6Q2IN------（f-1）

按上式求得对应表中一次风量下的布风板阻力理论值和实际测量值的相对误差分别填写在上表的第三、四栏内。

可以看出,所求回归方程与实测值最大误差为-0.63%,精度足够高。

2.按（6）、（7）两式将冷态布风板阻力特性转换成热态布风板阻力特性。

根据实际运行经验，我厂一次风室压力运行在PB=12KPa附近，一次风空预器出口风温约为150℃，考虑到一次风在风帽中升温约50℃（注这种估计虽不够准确，但对计算结果影响并不大），故tS≈200℃，将数据代入（6）式得

ß≈1.43-------------（f---2）

将ß、a、b、c的值代入（7）式得热态下的布风板阻力回归方程为

  ΔPbt=74.4-0.0039QIN+4.150×10-6QIN2-----（f？

3）

3.按（8）式求得热态下料层阻力公式为

       ΔPlt=ΔPtL+b-（74.4-0.0039QIN+4.150×10-6QIN2）--（f-4）

4.根据流化实验数据求出料层厚度经验公式

三个料层厚度下的流化实验数据见附表2-1、附表2-2、附表2-3。

根据表中数据绘出的料层阻力ΔPL和一次风量QIN关系曲线见附图-1。

由附图-1求得的临界流化风量约为36100m3/h.并结合运行经验确定一次风量上下限为：

QINH=50000m3/h

QINL=40000m3/h       ---------------（f-5）

附表2-1　　　　　　　　　　流化实验记录表

附表2-2    　　　　　　　流化实验记录表

附表2-3  　　　　　　　  流化实验记录表

在附图1中读取一次风量在40000？

50000m3/h范围内H、ΔPL和QINH的对应值填入附表3内。

附图1 料层阻力特性曲线

附表3　　　　　　　　从附图1读取的H、ΔPL和QIN数据

  根据表3数据求H、ΔPL和QIN回归方程得常系数

d=42;e=0.000005386;f=0.08080

将上述数据代入（9）式得冷态下床位回归方程

    H=42+0.000005386QIN+0.08080ΔPL-----------（f-6）

由于e的数值很小，说明回归方程中eQIN项在方程中占的份额很小。

如果忽略次项，则（f-6）式变为：

       H=42+0.0808ΔPL--------------------（f-6a）

附表4                观察数据与按回归方程计算数据对照表

附表4是观察数据与按（f-6）和（f-6a）式计算数据对照表。

从表中可看出，按（f-6）计算与实际观察数据最大相对误差为-1.08%；忽略e的因素，按（f-6a）计算与实际观察数据最大相对误差为-1.13%。

二者相差无几。

可见在充分流化状态下，一次风量对床位H的测量影响很小，这说明式（9）和（9a）的实用意义。

同时也说明式（9）和（9a）可以推广到热态关系式（10）和（10a）。

因此得热态下床位方程为：

Ht=42+0.000005386QIN+0.0808ΔPtL-----------（f-7）

Ht=42+0.0808ΔPtL-----------------（f-7a）

将（f-4）式代入上两式整理得床位最终经验公式：

Ht=0.08080ΔPtL+b+36+0.0003205QIN-0.3353QIN2-----（f-8）

Ht=0.08080ΔPtL+b+36+0.0003151QIN-0.3353QIN2-----（f-8a）

使用于上述公式的床位测量系统组态如附图2。

由于床压差和一次风量的测量信号都含有高频噪声，所以，在它们的测量通道中串入一阶惯性环节作为低通滤波器来滤除这中高频噪声。

附图2　床位测量系统组态

作者简介：

韩邦志（1946？

？

），南，高级工程师，安徽滁州热电厂，热控专业，安徽滁州紫薇南路47号，邮编23900，