3 循环流化床锅炉的DCS控制 6.docx

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3循环流化床锅炉的DCS控制6

《石油化工自动化》

刊登论文

循环流化床锅炉的DCS控制

DCSControlofCirculatingFluidizdeBedCombustionBoiler

浙江省天正设计工程有限公司<浙江省石油化工设计院）

杨学熊<杭州310012）

●本文发表刊登在《石油化工自动化》2006年NO4，中国化工自控设计中心站出版

。

循环流化床锅炉的DCS控制

DCSControlofCirculatingFluidizdeBedCombustionBoiler

杨学熊<杭州310012）

浙江省天正设计工程有限公司<浙江省石油化工设计院）热电分院

［摘要］以130t/hCFB循环流化床锅炉DCS自控设计实例，从CFB锅炉燃烧基理从发，探讨CFB锅炉对控制的要求，并就负荷控制指令，调节系统的实施，设计了相应的调节系统。

［关键词］CFB锅炉，燃烧，密相层，DCS控制，负荷控制指令，调节图

CFB循环流化床锅炉这种高效、低污染、循环流化床形式的锅炉，近期得到较大地发展，这是由于CFB锅炉燃烧效率高，燃料品种广，可以用高灰份、高含硫、低挥发性的劣质燃料，如褐煤、煤矸石、石油沥青焦、甚至木屑和工业可燃废物等，燃料适应性强。

加石灰石脱硫，效率高且经济低成本。

烟气中CO,SOx,NOx污染排放量低，利于环保。

CFB锅炉有利于能源的节约和高效利用，营造经济，清洁的能源环境。

但是由于燃料杂，CFB炉流化循环燃烧系统，有旋风风离器及返料系统，这些特殊的情况给自动控制带来了众多的难题。

本文就CFB锅炉对控制的要求，DCS在燃烧系统实施的智能化功能作一些探讨。

1.CFB锅炉流程概述

130t/h次高压锅炉为国内较为流行的CFB锅炉。

锅炉由一个膜式水冷壁炉膛；两个蜗壳汽冷式旋风分离器和尾部竖井烟道及风机、播煤、给水、点火辅助系统组成。

在尾部竖井烟道依次布置，高低温过热器，省煤器，空气预热器。

在高低温过热器之间布置有一级或二级喷水减温器，以控制过热器出口过热蒸汽温度。

炉膛流化燃烧产生的高温烟气夹带着物料粒，在炉膛向上流动经炉膛上部后水冷壁的两侧的出口切向进入蜗壳汽冷旋风分离器，粗物料分离下落到回料器，返回到布风板之上的炉膛密相层，形成流化返料循环燃烧。

主烟气流从分离器旋出，经包墙进入尾部竖井烟道，传热给高低温过热器，省煤器，空气预热器，经除尘及引风机由烟道烟囱逸出。

循环流化动力由一，二次凤机及引风供给，一次热风进入炉膛底部风室，钻出风帽加热床料并使之流化。

热风使物料<燃料、石灰石、返料灰）向上流化燃烧形成循环，同时脱硫。

二次热风直接进入炉膛中上部的二次风区，作补给燃烧，炉床保持在850～920℃均匀合适温度，该温度能降低NOx生成量。

石灰石经燃烧形成氧化钙，氧化钙与煤中硫形成的SO2反应生成硫酸钙石膏

利用回料器的物料差，返料在高压罗杆凤机作

用，返回密相层形成循环。

2.CFB锅炉对控制的控制

2.1燃料负荷对控制的要求

锅炉要求稳定的蒸汽压力，当需求改变，由蒸汽母管压力对各炉作出不同的指令要求，如2＃3＃炉满负荷，1＃作为调负荷用。

锅炉蒸汽压力<取压在炉出口过热蒸汽联箱）应作为负荷调节的标示。

调负荷手段是调给煤量和风量，并实行交叉燃烧控制，即：

提负荷先加风量，再加煤量；降负荷先减煤量，再减风量。

CFB炉调节性能较好，降负荷可以到额定额的25％，适应调峰的要求。

煤量与煤种、煤粒直径<一般6-8mm）、湿度、灰份有关，所以DCS应该有对煤量的综合指标并进行适当的修正，作为煤量的要求额定值，这是燃料负荷控制的要求。

2.2一次风，二次风，返料风对控制的要求

●一次风是维持流化状态，进行燃烧的基本风量，一次风用于作密相层的欠氧燃烧。

燃料在密相层呈流态化燃烧，燃料大部分热量在密相层释放。

一次风约占总风量的60%。

播煤风，点火风都属一次风范畴。

稳定燃烧时一次风量基本不变，调节任务大部分由二次风量来承担。

一次风在运行过程种有一个最低风量的要求，这个最低风量值的设定必需满足良好流化的最低风量要求。

这个值在冷态调试时确定，并在DCS系统内设定<下限值），这个一次风量的最低限值要注意与炉最低负荷约为25％的限值相匹配。

●二次风温更高一些，二次风是满足稀相层燃烧用空气，在密相层未燃尽的燃料进入稀相层，呈悬浮状态进一步燃烧。

稀相层悬浮燃烧是在富氧状态下进行。

二次风的目的在于稀相层的充分燃烧，目的在于补充调正运行总风量的要求，即小负荷变动，由二次风量改变来承担，大的负荷陡然变化如压火待炉，这就要牵涉到一次风量的改变，以适应总的风、煤比的匹配要求。

二次风中有一个过量空气问题。

在稀相悬浮层为了维持良好的燃烧，应控制炉膛空气适度过量。

即风/煤比中风量适当过量，这个过量值是以尾部烟道出口的氧量来测量控制，大致氧量值为3.1％<以湿烟气为基准的容积比）

●返料风量：

返料由旋风分离的床脚下溜至返料器

高压返料风压约60Kpa，使返料返回密相层，形成床料的再循环，返料回风也有一个最低风量限值值，在冷态调试时确定，进入DCS系统设定为最低限值，当然这与返料床脚灰柱高度有关，具体可在返料风门中实施限值。

●经济燃烧时总风量与煤有一个比值，所以这个风量应该是总风值，这在DCS中可以简单相加而得知。

2.3床温对控制的要求：

炉膛有密相层和稀相层，在炉膛的布风板<板下送入一次风）直至二次风口为密相层，二次风口以上<送入二次风）直至炉膛顶则为稀相层。

这样在炉膛的密相层稀相层分成二级燃烧，密相层欠氧燃料，处于还原性气氛使炭粒不完全燃烧而形成CO，而进入稀相层藉助二次风助燃，进一步燃烧成为CO2。

循环流化床炉膛密相层的温度最好在850-920℃间为佳，，最大可允许在790～950℃范围，这时炉床呈流态化燃烧，该床温低于我国绝大多数煤质的结焦温度，可以避免结焦。

该床温也是常用石灰石脱硫的最佳反应温度，能最大限度地发挥石灰石脱硫的能力。

由于密相层的欠氧还原气氛就使得空气中的氮不易转变为NOx，其锅炉受热面管子凝渣可减轻。

高或低于这温度范围，脱硫效果就显著下降，高出温度就超出燃煤结焦温度，如果在布风板上结焦，只能人工敲打，很麻烦。

温度高可能使喷水减温器不堪重荷而烧毁，也能使蒸汽大大过热超温而危及汽机。

温度低出力会减少或许会使炉膛熄火。

但床温高祸及更甚，一般控制床温使其不超温。

床温超常主要是燃烧造成，控制燃烧煤量、床温、床低一次风、二次补风风量是关键。

另外，返料灰量控制是控制床温的手段。

喷水减温器是事后补救蒸汽温度的办法。

为此床温设有高低报警，最甚应切断主燃料

2.4返料灰量：

返料灰量控制是利用返料床脚的落差及返料风可以使返料量加大，使床温下降，这是很有效的调节床温的手段。

实质上是改变炉膛密相层内固体料量和循环物料量的比例，这样改变了整个锅炉物料的分配<间接也是空气的分配），使床温变化即循环倍率的变化，从而影响负荷变化。

用床温调节负荷比为3：

1到4：

1，调节速率在升负荷时为4％/min，降负荷时为6％/min。

2.5炉膛床压对控制的要求

床压、床层差压，炉膛出口压力，受煤燃料的数量及其颗粒煤炉种影响；返料物料<灰渣量）以及一次风量<流化用，当然影响床层高低），负荷变化影响。

一般要测量密相层差压，稀密相层差压，炉膛全差压，炉膛出口负压，这几组测量值来判断床压变化。

在此为适应负荷的变化，而采取控制手段如下：

●排渣，炉底排渣量<排渣机转速控制），使床层高度得到控制，用密相层高度及布风板下一次风压及负荷来作为排渣控制系统的测量参数

●返料量控制

3.燃烧系统参数分析与控制指令

3.1燃烧控制系统的参数分析：

锅炉燃烧最基本的要求是产生额定汽压的蒸汽并且运行时经济安全。

负荷：

汽压变化表示负荷的变化，即产生的蒸汽量与耗用蒸汽量不适应，保持负荷稳定即改变燃烧，改变产出汽量保证负荷蒸汽汽压的稳定。

经济燃烧:

在给定的汽压给定的负荷下，燃料最省，充分燃烧效率涉及很多。

简略可以用氧分析在3.1％<3～5％）为经济燃烧的指标，可以用SOx,NOx等CEMS烟气连续分析符合环保要求作为绿色燃烧的指标。

负荷控制也就是利用改变燃烧工况，使CFB锅炉燃烧释放的热量适应蒸汽负荷变化的需要，燃烧要求控制的参量<操作参数）为：

燃料与风。

燃烧系统的测量值<被调参数）为：

床温、床压、蒸汽压力

参与燃烧系统用来校正用的测量值<付被调参数）为：

蒸汽流量，烟气的氧含量。

●燃料：

煤量值，不仅仅是指燃煤量，燃烧控制系统也要考虑包括燃煤的品种<灰份、热值、挥发份）颗粒大小，湿度都对燃烧工况有直接影响。

所以在DCS系统中，改变煤量也包括上述煤种的变化在内，在起动与非常时间采用油燃料，这要采用分别热值叠加方法来计算燃料总量。

●空气风：

是燃烧氧气的供给源，包括一次风、二次风，返料风。

这里有形成流化一次风的最低风量限值应进入DCS系统，而适应总风量变化主要变动在与用二次风控制来适应负荷变化。

●床温：

燃烧工况的体现在与床温，用床温作为测量值

●床压：

密相层差压，稀相层差压，排渣返料量的变化都在床压上表现燃烧的工况。

●炉蒸汽压力：

过热蒸汽压力测量，测量比之流量快速，作为负荷调节的测量值，也可以加温度补偿后作为负荷的测量值。

●炉蒸汽流量：

也作为负荷的测量信号与蒸汽压力校正后，作为负荷指令信号。

●烟气氧含量：

作为经济燃烧的指令，控制过氧燃烧校正调节二次风量。

●烟气中NOx含量：

取样在引风机前作为脱硫效果测量，校正加钙量<石灰石）。

3.2燃烧系统的控制执行机构

a.螺旋给煤机用变频调速，一般有3台给煤机

b.一次风机进口风门控制阀

c.二次风机变频调速机构和二次风机进口风门控制阀

d.上播煤风有3个风门控制阀。

下播煤风有3个风门控制阀

e.一次风进炉下风室风门控制阀

f.上二次风进口风门控制阀一般为为2个

下二次风进口风门控制阀一般为2个

g.左回料风进口控制阀，一般为2个；

右回料风进口控制阀，一般为2个

h.高压风机<蜗杆风机为正位移行程风机不能调速度）总管放空控制阀。

i.引风机变频调速机构和进口风门控制阀

j.1＃<2＃）冷渣机调速机构

k.点火燃烧气入口风量控制阀，

l.石灰石给粉机变频调速机构

3.3锅炉负荷控制指令：

锅炉燃煤量的负荷指令，在母管制式时，用母管压力与主蒸汽流量作为流量变值，输出全厂锅炉的负荷控制指令A，经过门的转换作为单炉负荷控制指令，发给每个炉，如作为＃1～＃3炉的负荷控制给定值A01、A02、A03。

实际上操作时，往往把1台炉作为负荷控制状态其余炉则为满发。

例如把1＃炉作为调节负荷用，则2＃、3＃炉就满负荷运转或近似满负荷这些都可以通过DCS组织“门”之类来作调整或舍取。

见图1锅炉负荷控制指令A<母管制式压力控制系统）

3.4燃料/风控制指令：

把母管压力转化来的A01作为1＃炉负荷控制指令，A01作为单炉燃煤系统控制的给定值，当然总风量与燃煤成比值关系也进入系统的给定整定。

其间燃料给定值指令要考虑到煤的品种颗粒，这在DCS中可作调整，燃料包括燃油，如在低负荷或有情况时加入燃油燃料时，也要作出相应调整。

见图2燃料/风控制指令图

3.5总风与分项风量的控制指令：

从负荷主蒸汽压力单炉的负荷指令信号

总风量A2指令控制信号经过单炉总风量与燃料量的函数控制关系后，可以得到单炉分项风量的控制指令：

见图3总风量与分项风量的控制指令.

总风量调节通过A3一次风控制指令，A4二次风控制指令，来保证配需所要的总风量。

4.燃烧调节系统图

4.1燃煤调节图:

1＃炉接受燃料控制指令A1

A1作为1＃炉所属3个给煤机调节的指令值，调节图4中1＃炉1＃给煤机的变频调速机构。

具体见图4燃煤调节图

●给煤机调速

a变频调速装置，接受模拟控制信号，调节燃煤量<4～20mA.AO）系统设有转速反馈信号<4～20mA.AI），A/M手自动切换

上述是给煤机的调速控制，给煤机电机另有开关量控制的设置。

●给煤机联锁：

给煤机调速装置，故障时报警，切为手动。

CFB故障时，主燃料切断MFT动作，报警并切断给煤机。

4.2石灰石调节图

石灰石调节系统接受A3单炉石灰石量给定值指令<见图2），把烟气中SO2作为测量值，控制石灰石给粉机的调速，这里的执行机构为L石灰石给粉机变频调速装置。

具体见图5石灰石调节图

4.3一次风调节图

系统要求：

一次风控制主要根据负荷一次风指令A3来调节一次风门，为燃烧提供经济适当的风量。

测量值：

一次风量经风压与风温的修正作为测量值。

给定值：

一次风指令信号A3经床温修正后作为给定值，因一次风起到流化与调节床温的作用，床温在一次风中仅仅作为修正因素。

具体见图6一次风调节图

4.4二次风调节图：

二次风是总风量的主要调节部分。

用二次风量作为测量值，当然也可以经风压风温校正。

二次风量指令A4作为给定值。

氧量偏置：

为保证富氧燃烧在3～5％，所以要用烟气氧量校正给定值

其方向大小都可以在操作员站设置。

氧量前馈：

从燃料变化到氧量变化测量显示经过很大的滞后，故在系统中设置燃料量进行函数处理后，把此作为氧量的前馈信号<也考虑了一次风及总风指令），把此综合信号，叠加到调节系统的PID输出。

具体见图7二次风调节图

4.5播煤风调节图：

播煤风指令A5作为系统给定领值，播煤风流量值作为测量值，输出去调节播煤风的风门。

具体见图8播煤风调节图

4.6返料风控制流图：

返料量取决于返料风量，返料是控制床温的主要手段，当床温升高，增加返料可降低床温，反之床温降低可通过减少返料来升床温。

故用床温、返料风量作为系统的测量值。

给定值综合考虑单炉负荷指令A01，给煤量，一次风量，二次风量等参数后得到的。

其输出作为返料风门执行机构的调节信号。

具体见图9返料风调节图

4.7床压排渣调节图

床压：

主要用密相层差压来表达床压，即密相层床压厚度，厚度用排渣来保持稳定。

故用密相层差压作为床压测量值，给定值则要综合负荷，烟种等因素作为给定值。

系统输出去调节排渣机转速。

具体见图10床压调节图

4.8炉膛压力调节图

炉膛负压用引风机风量来调节。

炉膛负压与引风机风量处理后值作为测量值，但锅炉惯性滞后，一次风、二次风经过滞后一段时间才能影响炉膛负压，所以用总风量的微分值作为前馈信号，叠加在系统中。

具体见图11炉膛压力调节图

5.汽水调节系统说明

5.1汽包液位三冲量给水调节

测量值为给水总流量、蒸汽流量、汽包液位。

三个测量值的变送器都有双冗余，汽包压力须经修正，蒸汽流量须经压力、温度补偿。

执行机构，为给水主回路调节阀，给水付回路调节阀，二阀作为负荷大小量程互为交替分程使用。

5.2主蒸汽温度调节

CFB炉有配有二级喷水减温<也有用一级喷水减温），测量值为喷水减温器出口蒸汽温度，并加入主蒸汽流量校正信号<因为主汽流量变化，喷水量相应也变化）。

给定值为炉负荷主令与主汽温度。

6.DCS配置总体说明

6.1DCS功能

全厂设计配置：

数据采集

6.2DCS配置

现场I/O控制点，主控电子室模块机柜，软件、电源、通信等，从全厂统计，每机每炉有一操作员站

我们在配置3炉<130t/hCFB），3机<2x2.5MWC+1x12MWB）总I/O点约为3200点。

每炉I/O约为500点。

并且设置汽包水位摄像监视CRT，全场各现场车间的摄像监视用大屏幕显示<也可接入DCS用画中画显示监视画面）。

7.结束语

CFB循环流化床锅炉，调节控制难点主要在于燃烧系统，我们从多次设计开车实践中，探索CFB循环流化床锅炉燃烧基理，从燃烧控制要求设置了必要调节阀执行机构，变频调速等。

用DCS先进功能实施上述的要求，综合了参数的前馈、串级，比值调节性能，有些参数的修正、叠加采用DCS的专家软件包，智能调节多种调节控制手段，取得了燃烧控制系统较好的调节品质，为CFB循环流化床锅炉调节控制完善而前进了一步。