300MW循环流化床机组协调系统控制解析Word文件下载.docx
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300MW循环流化床机组协调系统控制策略研究
毕业论文专题题目：
毕业论文主要内容和要求：
内容：
300MW循环流化床机组协调系统及实例分析
要求：
①对300MW循环流化床锅炉做简单介绍
②对协调控制系统做基本介绍
③电厂协调系统实例分析
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摘要
循环流化床锅炉（CirculatingFluidizedBedBoiler，简称CFBB或CFB锅炉）作为高效、低污染、燃料适应性广、负荷调节性能好的洁净燃煤技术，在全世界受到广泛重视，正在成为燃煤技术的主力军。
本文以300MW循环流化床锅炉作为研究对象，对循环流化床锅炉的结构、特点、组成、控制系统等做了简要的说明，其中对其协调控制系统做了简要分析。
根据理论基础和现场实例，对协调控制系统的原理、组成、功能、分类做了阐述。
尤其对协调系统的几个重要组成部分，如主汽压力设定值、锅炉主控、汽机主控、燃料主控进行单独分析说明。
关键词：
循环流化床；
协调控制；
锅炉主控；
汽机主控
ABSTRACT
CFBB（CirculatingFluidizedBedBoiler）hasmanyadvantages,suchaslittlepollutiontotheenvironment,strongfueladaptability,highboilerthermalefficiencyandsoon.CFBBbecomesoneofthebestchosentechnologyforpowerplantandthermoelectricplant,it’sprovedreliablecleancoalburningtechnologyandpeopleregardit.
Inthispaper,300MWcirculatingfluidizedbedboilerasanobjectofstudy,circulatingfluidizedbedboilerstructure,characteristics,compositionandcontrolsystemgivesabriefdescriptionofitscoordinatedcontrolsysteminwhichabriefanalysis.Accordingtothetheoreticalbasisandfieldexamplesofcoordinatedcontrolsystemtheory,composition,function,classificationmadeelaborate.Inparticular,severalimportantpartofthecoordinationofthesystem,suchasmainsteampressuresetpoint,themasterboiler,thesteammachinecontrol,fuelmasteranalyzedseparatelydescribed.
Keywords:
circulatingfluidizedbed;
coordinatedcontrol;
boilermaster;
steammachinecontrol
目录
1绪论1
1.1循环流化床锅炉概述1
1.2循环流化床锅炉发展3
1.2.1国内外循环流化床锅炉发展趋势3
1.2.2循环流化床锅炉技术发展趋势4
1.2.3循环流化床机组结构特点5
1.2.4循环流化床机组性能特点5
1.3300MW循环流化床机组6
1.4CFB锅炉协调控制策略的研究现状7
1.5本章小结8
2循环流化床锅炉简介及基本控制系统9
2.1循环流化床锅炉的工艺流程简介9
2.2循环流化床锅炉组成11
2.2.1布风装置11
2.2.2密相区11
2.2.3稀相区11
2.2.4床内受热面12
2.2.5气固分离装置12
2.2.6返料装置13
2.2.7排渣装置13
2.2.8尾部受热面14
2.3CFB锅炉协调系统14
2.4CFB锅炉燃烧系统15
2.5CFB锅炉汽水系统15
2.6控制系统中的主要控制方式15
2.6.1单回路控制系统15
2.6.2串级控制系统16
2.6.3前馈控制系统17
2.6.4比值控制系统18
2.7本章小结19
3循环流化床机组的协调控制19
3.1协调控制系统的基本概念19
3.2协调控制系统的主要功能20
3.3协调控制系统的原理21
3.4协调控制系统的组成23
3.5协调系统的分类24
3.5.1以炉跟机为基础的协调控制24
3.5.2以机跟炉为基础的协调控制25
3.5.3按指令间接平衡的协调控制（DIB）27
3.5.4按指令直接平衡的协调控制（DEB）30
3.6本章小结32
4300MW循环流化床机组协调控制系统实例32
4.1机组负荷指令处理回路33
4.1.1机组负荷指令处理回路的工作方式35
4.1.2机组最大可能出力和最小可能出力36
4.1.3.负荷指令的变化速率限制36
4.1.4负荷指令生成回路36
4.1.5负荷限制回路37
4.2压力设定值形成回路37
4.3锅炉主控制系统41
4.4汽机主控44
4.5燃料主控47
4.6本章小结48
5结论与展望48
5.1本文主要研究成果48
5.2目前存在的问题及下一步研究内容49
参考文献50
翻译部分52
英文原文52
中文译文61
致谢68
1绪论
中国是以煤炭为主的能源消费大国，高效清洁地利用煤炭是国家的基本能源政策，循环流化床（Circulatingfluidizedbed以下简称CFB）燃烧技术作为一种清洁煤燃烧技术，因对优化电力产业结构、降低污染物排放具有重要意义而受到国家的高度重视。
近几年来，循环流化床锅炉用于燃煤电站的步伐不断加快，机组大型化势在必行。
1.1循环流化床锅炉概述
锅炉是将燃料的化学能转换为热能的装置，锅炉通过燃烧将煤的化学能转换为热能，锅炉按照燃烧方式可分为层燃、煤粉燃烧和流化床燃烧三种方式，相应的锅炉称为层燃炉、煤粉炉和流化床炉[1]。
流化床锅炉炉膛内气固两相流所采用的流态介乎层燃炉与煤粉炉之间，即流态介于固定床与气力输送状态之间。
总体上，随着气体流速的提高，颗粒床层依次从处于固定床状态逐渐转入鼓泡流化床，进而随着气固扰动的进一步加剧而使床层进入湍动流化床状态，随后过度到与鼓泡流化床循环流化床锅炉是在鼓泡流化床锅炉技术的基础上发展起来的新炉型，它与鼓泡床锅炉的最大区别在于炉内流化风速较高（一般为4～8m/s），在炉膛出口加装了气固物料分离器，将分离下来的固体颗粒，通过回送装置再次送入炉膛燃烧。
CFB锅炉的工作流程为，煤经由运送皮带等相关传送设备送入然料仓，经破碎机破碎成直径小于6mm的颗粒后，与脱硫剂分别由给煤机和给料机从流化床燃烧室布风板上部加入炉膛，并迅速与燃烧室大量高温惰性物料混合，着火燃烧（由于受脱硫最佳温度的限制，炉膛内温度一般保持在850℃左右），燃烧同时还进行脱硫反映，煤和脱硫剂混合颗粒在较高烟气流速的作用下向炉膛上部运动，在运动过程中，对水冷壁和炉内布置的屏式过热器或屏式再热器等受热面放热，粗大粒子进入悬浮区后在重力及外力作用下偏离主气流，贴壁下流，还有大量固体颗粒被烟气流带出燃烧室，由旋风分离器分离出来送回炉膛，再次进行循环燃烧，未被分离的细小粒子随烟气进入尾气烟道，对流式过热器、省煤器和空气预热器进行加热，最后经过布袋除尘器或静电除尘器除尘后，排至大气。
循环流化床燃烧过程中，被流化风携带离开炉膛的颗粒进入分离器之后大部分被分离下来，经过回料系统，返送回炉膛形成循环燃烧，这延长了燃料在炉膛内燃烧停留的时间。
由于循环燃烧的特点，循环流化床燃烧方式可以在相对较低的燃烧温度下获得与煤粉锅炉较高燃烧温度下同等燃尽水平。
CFB锅炉炉膛内温度一般在850-920℃，这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，而且低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔融带来的一系列问题。
这种低温燃烧的好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性降低，高温灰冷却无需很大空间，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价高效的脱硫工艺。
从燃烧反应动力学角度看，CFB锅炉内的燃烧反应属于动力控制燃烧区内，相对来说，由于炉内温度不高，并有大量固体颗粒强烈混合，燃料的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而扩散与质量传递过程不再是控制燃烧速率的主导因素，CFB锅炉燃料的燃尽度很高，通常情况下，性能良好的CFB锅炉燃烧效率可达98%-99%以上。
CFB锅炉存在由炉膛、分离器和回料系统组成的外循环系统以及循环物料（包括燃料、底渣、循环灰、石灰石及脱硫副产品等）构成的物料外循环过程。
而与此同时，炉膛内还存在大量固体物料构成的内循环，即炉膛中心区域颗粒在流化风的作用下向上运动，当达到一定高度后，颗粒沿四周贴壁向下运动构成物料循环过程。
整个燃烧过程以及脱硫过程都是在两种形式的循环运动的动态过程中逐步完成的。
由于两种循环过程的存在，CFB锅炉炉内的物料浓度也大大高于普通煤粉锅炉的浓度，这在带来更佳的传热、传质与燃烧特性的同时，也会大大增加对炉内受热面的磨损[2]。
在CFB锅炉中，不再有鼓泡床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个炉膛，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，炉膛内的固体颗粒浓度比较高，而且颗粒不断成团、分解，并向各个方向运动。
因此，循环流化床中气固两相的混合比较充分。
在这种流动方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分剧烈的，并使整个炉膛高度的温度分布变的均匀，通过人为操作改变物料循环量以及炉内固体物料的分布规律，可以改变炉内热量、质量和动量传递过程，从而适应不同燃烧工况的需要。
1.2循环流化床锅炉发展
1.2.1国内外循环流化床锅炉发展趋势
近30年来，循环流化床锅炉技术在国外得到了快速的发展，国外循环床锅炉的生产主要集中在FosterWheeler、Ahlstrom公司和Asltom公司旗下的几个子公司。
目前，循环流化床锅炉的检验规程和安全规程已列入美国ASME标准，这是其技术成熟的一个重要标志。
近年来，国外循环流化床锅炉技术快速地往大型化和高参数方向发展。
250MW循环流化床锅炉已于1996年投入运行，300MW级的循环流化床锅炉已于2002年投入运行，更高容量的460MW级、600MW级超临界循环流化床锅炉已进入设计阶段。
我国的循环流化床燃烧技术分为自主开发、国外引进及引进技术的消化吸收三个主要来源。
90年代以来，我国循环流化床锅炉数量和单台容量逐年增加。
目前，我国已成为世界上循环流化床锅炉台数最多和总蒸发量最大的国家，总运行台数已超过世界其它地区所有循环流化床锅炉的总和。
近年来，在吸收和消化引进技术的基础上，我国自主开发的循环流化床锅炉技术水平有了长足进步，并已在一些核心技术上取得了突破。
浙江大学、清华大学等都做出了成功的示范。
目前，我国130t/h及以下的循环流化床锅炉技术水平已达到或领先于世界先进水平，其他级别的循环流化床锅炉通过消化引进技术和结合自己研发经验的基础上，已基本掌握了设计和制造技术。
与世界先进技术水平相比，差距正在逐步缩小。
1.2.2循环流化床锅炉技术发展趋势
①大型化、超临界方向发展
目前，世界上单台循环流化床锅炉机组的容量最大已达到600MW，300MW容量等级的机组也已商业运行。
目前技术成熟的炉膛单元的容量为125MW，增加炉宽可以合成到250MW；
采用加中间隔墙方式，合成为三炉室炉膛时，容量即达到300MW规模。
国内外的研究测算认为，600MW将是未来主力发电机组的最低界限。
因此，可以预见：
今后我国循环流化床锅炉发展的一个趋势将是大力发展600MW以上超临界参数锅炉技术。
②提高燃烧效率
对于难燃煤种，总的技术趋势是将床温提高到900℃，增加炉膛有效高度，延长一次停留时间，适当提高循环倍率。
③深度脱硝
氮氧化物低温燃烧时生成率高，而高温燃烧时解离率高。
燃烧氮转化生成氧化物的过程主要发生在密相区初始燃烧阶段。
因而采用密相区微欠氧燃烧方式，可提高氧化物还原为氮气的解离率，从而控制氧化物生成。
④深度脱硫
目前循环流化床锅炉炉内脱硫的优点正受到了挑战。
比如与湿法脱硫相比，循环流化床锅炉炉内脱硫尚有Ca／S摩尔比高，脱硫效率低等不足。
因此，需要在技术层面上予以改进，这是循环流化床锅炉技术发展的内在要求。
⑤能源综合利用
主要体现在三个方面，一是循环流化床锅炉平台对一些低级能源资源综合优化利用；
二是循环流化床锅炉与其它能源或原材料加工系统整合从事能源高效利用，这是循环流化床锅炉技术今后应重点发展的一个方向；
三是循环流化床锅炉燃烧后产生的灰渣综合利用，如考虑在源头上杜绝飞灰的产生。
1.2.3循环流化床机组结构特点
循环流化床锅炉最具代表性、大型化后至今仍具有较大生命力的主要有三种炉型，德国鲁奇公司开发的Lurgi型、原芬兰奥斯龙开发的Pyroflow型和美国FW公司开发的FW型。
Lurgi型CFB锅炉的特点是在灰循环回路布置外置床换热器（EHE），并用机械式锥型阀控制循环灰向外置床的分流，Pyroflow型CFB锅炉不布置外置换热器，整体结构比较简单，但须将大量受热面布置在炉膛中，FW型CFB锅炉采用独特结构的外置换热器INTREX，INTREX与炉膛联成一体，结构紧凑，此外，其分离器首先采用了汽冷旋风分离器。
锅炉结构为（单）双锅筒横置式自然循环锅炉，炉膛出口配置有平行的高温旋风分离器，运行稳定，分离效率高。
采用进口耐热钢制作的旋风喉管，耐高温、耐磨损。
返料器采用两个小U型阀，实行双点回料，如炉回料分布均匀，不会形成在布风板上局部堆积而影响流化质量。
U型返料器，进料量与回料量自动平衡，运行中无需人为调节。
炉膛下部水冷壁管及烟窗管均缠绕耐热钢丝，确保受热面使用寿命。
炉膛内部不布置埋管受热面，不存在埋管的磨损问题。
流化床炉膛、旋风分离器等部位均采用流化床耐磨成型砖和流化床耐磨浇筑料，保证锅炉长期安全运行。
1.2.4循环流化床机组性能特点
循环流化床锅炉通过直接向炉内添加石灰石，可有效脱除90%甚至更多的二氧化硫，技术与工艺流程相对简单，投资费用也较低，循环流化床锅炉采用较低的燃烧温度（850-920℃）和空气分级燃烧，其氮氧化物排放浓度很低（<
250mg/m³
），只有煤粉炉的四分之一，不需要设置额外的脱硝设备就能实现氮氧化物低排放，可以满足现行国家环保标准要求，循环流化床锅炉具有极佳的燃料适应性，几乎可以设计燃用任何化石燃料，循环流化床锅炉具有很好的调峰能力，可以在30%额定负荷下不投油稳定燃烧，循环流化床锅炉燃烧效率高，对不同煤种燃烧效率均可达97%-99.5%，循环流化床锅炉燃烧强度高，炉膛截面积小，炉膛单位截面积的热负荷高，这有利于锅炉容量的放大和受热面的合理布置，循环流化床锅炉灰渣活性好，可以作为建筑填充材料、路基好水泥的生产原料等，CFB锅炉还具备传热系数高、可以压火运行、不存在炉内和受热面结渣、不会灭火放炮等优点[3]。
同样的，也应看到，虽然循环流化床技术具有一系列优点，但由于其发展时间尚短，相对于煤粉炉技术来说不够成熟，发展过程中也暴露了一些问题，如烟风阻力大，厂用电率高，一氧化二氮排放较高，需大量敷设耐磨耐火浇注料，飞灰含碳量高，底渣冷却系统问题，炉膛、分离器以及回料系统及其之间的膨胀和密封问题，炉膛温度偏高以及石灰石选择不合理导致脱硫效率降低问题等。
1.3300MW循环流化床机组
CFB锅炉自身的技术特点，特别适合于将超临界直流锅炉技术和CFB锅炉相结合。
由于CFB锅炉炉内截面热负荷较低（约3.5MW／m2）、炉内燃烧温度较低（850℃～900℃）且沿炉高分布均匀，炉内热流密度低于煤粉炉，热流密度较高区域对应于工质温度最低的炉膛下部，因此水冷壁管内出现膜态沸腾（DNB）和蒸干（DRO）现象的可能性大为减小，允许采用较小的质量流速（500～700kg／（m2·
s））和较为简单的一次上升垂直管圈构成炉膛水冷壁。
CFB锅炉炉内水冷壁由于灰颗粒的冲刷而较为清洁，无积灰和结渣，使水冷壁具有较好的传热性能，同样有利于避免发生两类传热危机。
循环流化床锅炉的低温燃烧使得炉膛内的温度水平低于一般煤灰的灰熔点，加上炉膛内较高的固体颗粒浓度，所以水冷壁上基本没有积灰结渣，保证了水冷壁的吸热能力。
与煤粉炉相比，循环流化床锅炉炉膛内的温度非常均匀，尤其是宽度和深度方向上的热负荷分布比煤粉炉均匀得多，因而水冷壁沿宽度和深度方向的吸热也更加均匀。
可见，循环流化床所具有的特性使其更适合与超临界循环相结合。
随着循环流化炉床锅炉技术的日益成熟，超临界蒸汽循环和循环流化床燃烧技术相结合具有突出的优点。
超临界循环流化床锅炉兼备了循环流化床燃烧技术和超临界压力蒸汽循环的优点，超临界循环流化床锅炉作为下一代循环流化床燃烧技术，由于可以得到较高的供电效率，脱硫成本比烟气脱硫低50％以上，很可能是一种适于在中国大量推广的高效洁净煤发电技术，其商业前途十分光明。
1.4CFB锅炉协调控制策略的研究现状
CFB锅炉已经成为各个机构的研究重点，从传统控制、智能控制、现代控制等方面来研究CFB锅炉的协调控制系统。
王付生[4]等人所著的135MW循环流化床锅炉协调控制系统的设计与实施，根据现场经验和试验调试，在锅炉主控中加入前馈信号，优化了DEB公式，完善了CFB锅炉的协调控制策略。
王俊杰[5]所著的循环流化床锅炉燃烧控制系统优化，结合了实际工程，利用XD-APC技术改进了CFB锅炉的控制效果，提高了控制精度。
马宝萍[6]等人所著的基于遗传算法的循环流化床锅炉床温模糊控制系统，提出了新型的床温控制策略，利用改进的遗传算法来设计床温模糊控制器。
俞海斌[7]等人所著的CFB锅炉汽包水位的专家PID控制，把专家智能控制应用于CFB锅炉系统，实现了控制床温稳定以及在此基础上维持主蒸汽压力稳定的2个目标，试验证明控制效果良好。
牛培峰[8]所著的循环流化床锅炉热工自动控制系统，提出了以PID调节为主，辅助各种前馈、串级等控制策略，在75t/hCFB锅炉的燃烧控制和给水控制取得了一定的成果。
赵日晖[9]等人所著的PID参数模糊自整定循环流化床床温控制系统，利用动态控制建模的方法，利用理论和经验建立出410t/hCFB锅炉床温动态特性的数学模型。
郝勇生[10]等人所著的300MW循环流化床锅炉负荷、床温和床压的动态特性分析，基于300MWCFB锅炉现场数据，利用最小二乘法，拟合出在200MW和250MW工况下锅炉负荷、床压和床温的阶跃响应模型，并分析了动态响应特性，叙述了控制难点。
李劲[11]所著的粤连发电厂440t/h循环流化床锅炉控制系统设计，结合440t/hCFB锅炉的工程实例，对燃料控制系统、风量控制系统和床压控制系统的控制策略和设计进行了详细的介绍。
牛培峰[12]等人所著的两层模糊控制在循环流化床床温控制系统中的应用，设计了双层模糊控制系统对CFB床温进行控制，结合了PID控制器和模糊控制，改善了PID控制的不足，优化了动态性能，增加了抗干扰能力。
潘维加[13]等人所著的循环流化床与直吹式煤粉锅炉燃烧控制系统的对比分析，将CFB锅炉和普通煤粉炉的燃烧控制系统进行了对比，并对其控制策略进行分析。
1.5本章小结
本章节主要对循环流化床做了简单介绍，其中包括循环流化床的概述、循环流化床的发展、循环流化床机组的结构特点和性能特点。
并单独着重的介绍了300MW循环流化床机组，以及循环流化床协调控制策略的研究现状，对循环流化床机组有了一个基本的认识，并对目前循环流化床机组的协调控制的研究现状有了基本了解。
后文会对循环流化床机组做个更为详细的介绍，明白循环流化床的组成构造及其主要的控制系统，并对主要控制方式做简单介绍，了解基本控制策略，然后着重介绍了协调控制，包括协调系统的原理，组成和功能等，并根据实例详细分析，更加全面深入的了解协调控制系统。
2循环流化床锅炉简介及基本控制系统
2.1循环流化床锅炉的工艺流程简介
流化床燃烧，就是床料在流化状态下进行的一种燃烧方式，循环流化床的燃料可以是化石燃料、工业、农业废弃物、生活废弃物以及各种生物质的燃料等。
如图2.1所示，是循环流化床锅炉的主要设备和基本工作流程。
由图2.1可知，煤先被制成一定粒度的宽筛分煤，再由给料机经给煤口送入循环流化床的密相区燃烧，其中有很多细颗粒物料进入稀相区继续燃烧，与此同时，有部分随烟气会飞出炉膛。
飞出炉膛的大多数细颗粒由旋风分离器分离后经返料器送回炉膛再次燃烧。
燃烧过程中会产生很多高温烟气，高温烟气会通过过热器、再热器、省煤器、空气预热器等受热面，接着进入除尘器中，进行除尘处理，最后通过引风机排到烟囱流入大气。
锅炉给水先进入省煤器，再进入汽包，然后通过下降管进入水冷壁。
燃料燃烧而产生的热量会在炉膛内经过辐射和对流等传热方式传递给水冷壁，用来加热水冷壁内的给水，用来产生汽水混合物。
产生的汽水混合
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