1、循环流化床锅炉的自控设计和仪表测点【摘要】 介绍了循环流化床锅炉的运行和控制特点，阐述了对锅炉几个主要辅助设备控制问题的看法以及锅炉仪表测点的布置原则和用途，提出了哈锅在进行自控调节和联锁保护设计时的一些思路和做法。【关键词】 CFB 锅炉；自动控制；仪表测点0 前言能源的高效、低污染应用已成为世界各国共同追求的目标。随着国家环保政策的逐步完善和国民环保意识的日益提高，清洁煤燃烧技术尤其是循环流化床锅炉(CFB 锅炉)技术得到了迅速发展。CFB 锅炉以其燃料适应范围广、炉内脱硫、低 NOx 排放、燃烧效率高、负荷调节比大、灰渣综合利用等优点成为清洁煤燃烧技术的主要发展方向。随着 CFB 锅炉在
2、数量上和容量上的不断发展，与之相适应的大容量 CFB 锅炉的自动控制问题也成为业内的热点。CFB 锅炉和常规煤粉炉的区别主要在燃烧侧，工质侧基本相同。因此在控制方式上的最大不同点就是 CFB 锅炉特有的对循环物料的监测、调节和控制方式。哈尔滨锅炉厂有限责任公司是国内最早开发大容量循环流化床锅炉的企业之一，目前其技术水平已处于国内领先地位，市场份额逐年扩大。我国首台 50MWCFB 锅炉、首台国产 IOOMWCFB 锅炉、首台 125MW 和 135MWCFB锅炉均由哈锅研制。近 10 年来，我们对 CFB 锅炉的可控性和特殊设备的控制机理进行了探人的研究。根据掌握的由哈锅设计制造并已投运的几台
3、 220t/hCFB 锅炉的安装、调试、运行经验，结合引进德国 ALSTOM 公司的 50-125MW 等级 CFB 锅炉设计制造技术，以对物料循环系统的机理研究为切人点，从一次传感元件和执行机构人手，逐渐总结出了一套完整的CFB 锅炉自动控制系统设计思想和对特殊设备控制问题的解决方案，并且根据国际国内可参照的标准和运行经验，制订出切实可行的、合理的循环流化床锅炉仪表测点的布置原则。这对于 CFB 锅炉大型化后的安全运行和自动控制水平的提高有着十分重要的意义。本文对我们的一些经验和在以往工程中的一些作法进行概括性的总结，与业内同行交流，同时也希望同行们多提宝贵意见，以利今后改进，为我国电力事业
4、的发展做出更大的贡献。1 CFB 锅炉的运行特点针对循环流化床锅炉燃烧侧的特点，在其运行过程中特别要注重对床温、分离器人口温度、风煤比以及床压的监测、调节及控制，注重对影响物料流化、循环及燃烧的各种风量的监控，确保建立一个平稳、足够的热物料循环，从而完成锅炉燃烧侧的燃料燃烧及热量传递过程。一般说来，CFB 锅炉燃烧侧的调节控制主要包括以下内容：a.锅炉主控；b.二次风控制；c.一次风控制；d.床温控制；e.烟气监测；f.引风控制；g.燃料控制；h.石灰石控制；i.底灰控制；j.启动燃烧器及其风量控制。由此可以看出，其区别于常规煤粉炉之处在于以下几个方面：a.通过调节流经布风板的一次风量和直接进
5、入炉膛的二次风量之比来维持床温，使其处于最有利于炉内石灰石脱硫的温度。b.通过控制排渣系统来维持炉膛床压恒定，也即确保炉内的灰平衡和床料构成。c.通过调节人炉石灰石数量以控制 S02 的排放量，降低对大气的污染。d.采用旋风分离器人口烟温过高信号，或去布风板一次风量过低信号，而不是采用炉膛火焰丧失信号去触发主燃料跳闸(MFT)，以此作为炉膛安全保护的重要手段之一。e.要求启动油燃烧器有足够大的出力调节范围，以此精确控制炉膛燃烧率，以确保炉内耐磨材料的温度变化合理，不致造成损坏。f.床温和床压测量元件均采用耐热防磨及防堵措施使所测数据准确、可靠并且有代表性。对于控制系统而言，随着电子技术和通信技
6、术的日臻完善，分散式控制系统(DCS)的功能日益强大，安全性、可靠性不断提高，实现上述调节控制功能的硬件主机已经不成问题了。然而由于国际上几大锅炉厂商对锅炉炉型及外围辅助系统的设计千差万别，对排渣和启动等影响 CFB 锅炉运行的主要辅助系统及其设备的设计也各不相同，这就使得人们越发关注 CFB 锅炉的可控制性及主要辅助设备诸如冷渣器、L 阀和启动燃烧器的控制机理及硬件水平。事实上，这些主要辅助设备的控制水平已经成为决定大型 CFB 锅炉自动化水平和 DCS 投入率的关键因素，是关系着 CFB锅炉能否向更大容量更高参数发展的问题，因而运行过程中对这些辅助设备关键参数检测的准确性、实效性和代表性也
7、就成了问题的关键所在。2 CFB 锅炉的主要本体测点2.1 测点情况简介基于运行、控制和检测的需要，CFB 锅炉在汽水管道、烟风通道和固体物料流道上均布置了大量的仪表测点，以使运行人员能够实时地掌握锅炉的运行状况，自动控制系统能够准确地测取运行参数并且按照预先编制的控制方案调整和修正运行中出现的偏差。CFB.锅炉汽水侧的测点及其作用与普通煤粉炉相同，烟风侧增加了一些为 CFB 锅炉专设的风机风道的压力、温度和流量的测点，其测量方法也同普通煤粉锅炉相同。CFB 锅炉在参数测量方面的特别之处在于对炉膛、分离器、回料阀和冷渣器等固体流道参数的检测。由于 CFB 锅炉内进行固体燃料的循环燃烧，流动的物
8、料极容易堵塞压力测点和测压管线，同时对测温元件产生强烈的磨蚀，用常规手段难以进行准确可靠的连续测量，而床温、床压等参数对保证 CFB 锅炉的安全经济运行至关重要，因此必须采用特殊的防堵、防磨测量手段。我们以应用在大连化学工业公司 220t/hCFB 锅炉上的床温、床压测量技术为例作一介绍。2.2 床温的测量床温是 CFB 锅炉的重要运行参数。为了测量准确，必须对床温的测点布置、一次元件的安装方法及测量数据的处理加以深入研究。CFB 锅炉的床温一般是指密相区的床温。以一台 220t/h 容量的 PyrofIow型锅炉为例，它设置了 3 层床温测点，下层 6 个测点，中层 4 个测点，上层 4 个
9、测点，它们分别距布风板上端面 450mm，1050mm 和 2000mm，均在二次风口以下，密相区之内，每层测点沿炉膛四壁均匀、对称布置，每层测点的输出送人平均值计算回路，若某测点输出因故障与平均值偏差超过150，即将其从平均值计算中剔除，下层和中层测点的输出参与床温的联锁控制，而上层测点的输出仅供 CRT 显示。考虑到密相区内磨损严重，热电偶元件必须套在耐热、耐磨的金属套管内伸出炉内耐火层壁面约 5lmm，即使如此，测温套管的寿命仍然较短。2.3 床压的测量床压一般是指密相区的床压，床压测孔一般布置在距布风板上端面 250mm处，左侧 2 个，右侧 1 个，将 3 个压力测量值通过 3 取中
10、逻辑判断后送至显示及报警回路；3 者取平均值作为床压调节系统的反馈信号。由于床压测孔位于正压高浓度床料区，为防止堵塞必须向测孔引入一股恒压吹扫空气，其压头应在 22.5kPa 左右。为此，必须对实测值进行标定，即消除作为背压的吹扫恒压头的影响，现场是通过迁移压力变送器零位的办法来实现的。在 CFB 锅炉床压测量方面，目前已有更为先进的内外反吹补偿技术投入商业应用，效果很好。3 几个关键辅助设备的控制检测策略3.1 冷渣器的控制问题目前应用在 CFB 锅炉上的冷渣器种类较多，常用的有纯风冷冷渣器，风水联合冷渣器和水冷螺旋式冷渣器等。采用水冷螺旋式冷渣器除渣系统的好处是系统简单、控制方便。通过控制
11、调速电机的转速来调节锅炉的排渣量。但缺点也很明显：冷却能力小，对煤种的适应性差，设备抗热冲击能力差，磨损严重。我公司根据美国 PPC 公司技术制造的几台早期CFB 锅炉均采用这种冷渣器，运行中其优缺点均充分暴露。采用纯风冷冷渣器除渣系统的优点是设备抗热冲击能力强，几乎无磨损问题。它的缺点是对煤种的适应性虽比水冷螺旋式冷渣器要好，但冷却能力较小，系统及控制较水冷螺旋式冷渣器复杂。在国外，有的电厂将纯风冷冷渣器和水冷螺旋式冷渣器串联使用，收到较好的效果，既解决了设备的热冲击问题，又提高了系统的除渣能力，但其系统复杂，控制也复杂。采用风水联合冷渣器除渣系统的优点是冷却能力大，煤种适应性广。缺点是系统
12、复杂，控制较复杂，冷渣器内的埋管有磨损问题。由于我国动力用煤质量不断下降，发热值低、灰分大，总灰量的绝对值增大；另外，由于煤的成灰特性、入炉煤粒度偏大等原因，使底渣量与飞灰量之比增大，造成实际排渣量往往比设计值大很多。为了避免引起冷渣器长期超负荷运转致使设备损坏，我公司近期生产的十几台大容量CFB 锅炉均采用煤种适应性广、冷却能力强的风水联合冷渣器。风水联合冷渣器的主要原理是用冷却水和流化风联合作用，将从锅炉中排出的850900C 的热渣降到 150C 以下，以满足灰渣输送的要求。哈锅设计的风水联合冷渣器通常有 3 个仓室，示意图见图 1。风水联合冷渣器是目前循环流化床锅炉普遍采用的一种有效的
13、冷渣装置。第一室是个空室，其内部不布置水冷受热面，第二室和第三室中有水冷受热面，第二室和第三室之间有分隔墙。3 个仓室下部均有各自的流化风室通过布风板向冷渣器供风。从锅炉中排出的热渣首先进入一室，在此与流化风强烈混合、流化并得到初步的分离，因此一室也被称为“预混室”或“预分离室” 。流化后的渣很快进入二室，经二室中的水冷受热面和流化风的冷却后，一部分渣会从分隔墙上部溢流进入第三室。渣在第三室中继续被水冷受热面和流化风冷却，最终被冷却下来的渣经排渣管排出冷渣器，一部分细渣随流化风一起通过回灰管又回送到炉膛。在冷渣器布风板处还设有 2 个大渣排渣口，用来定期排除那些难以流化的颗粒较大的渣块。我们在
14、冷渣器的不同部位布置了一些温度、压力测点和差压测点，以监视冷渣器的运行情况，其中一些测点还参与调节和保护。a.冷渣器一室/风室差压；b.冷渣器二室/风室差压；c.冷渣器三室/风室差压；d.冷渣器一室温度；e.冷渣器二室上部温度；f，冷渣器二室下部温度；s.冷渣器三室上部温度；h.冷渣器三室下部温度；i.冷渣器出渣口温度。冷渣器内的温度取样要采用耐磨热电偶，压力取样要采用防堵型压力取样器3.2l 阀的控制问题由于物料床存量与床压成正比，因此控制床压是确保 CFB 锅炉物料平衡，进而获得良好的炉内流化效果，实现良好的传热过程的重要手段。控制床压是通过调节排渣量来实现的。当前 CFB 锅炉上常用的排
15、渣控制装置有锥形调节阀、L 阀及脉动风管等。对于锥形阀，我们可以把它简单地看成是一个电动调节阀，运行时其阀杆需要冷却水冷却。目前全世界正在CFB 锅炉上服役的锥形阀几乎全部产自德国的 Laun 公司，执行机构配德国 SIEMENS 公司的 SIPOS5 系列电动执行机构。锥形阀以其排渣量大、渣流可控性好而受到大容量 CFB 锅炉的青睐，但由于价格昂贵使其成为奢侈晶，从性能价格比上看，较适合在 410t/h 及以上 CFB 锅炉上使用。脉动风管排渣系统简单，排渣量小，渣流可控性较差，适用于采用纯风冷冷渣器的 CFB 锅炉。L 阀作为 CFB 锅炉的回料阀在国内已有应用，德国 ALSTOM 公司把
16、 L 阀应用在排渣系统上。近期哈锅签订的一些 CFB 锅炉也多采用 L 阀来控制排渣。L 阀具有排渣量大，渣流可控性好的优点。但系统复杂。L 阀上布置有若干个空气喷嘴。正常运行时通人干冷空气来流化、运送灰渣。灰渣在 L 阀中的传输可以是连续的，也可以是断续的。哈锅为某电厂设计的 L 阀主体上布置了 13 个流化风喷嘴，流化风进入每个喷嘴之前均经过一个手动调节阀、浮子流量计和一个手动截止阀。这些支路上的流化风均受安装在总管上的一个电动流化风调节阀控制。支路流化风调节阀一般在启动初期调整确定一次后就不再调整。L 阀的流化风喷嘴设置如下(从进渣端算起)：立管上 2 个流化风喷嘴；弯头处 4 个流化风喷嘴；水平段 7 个流化风喷嘴；总管上流化风的流量受电动调节阀控制，电动调节阀接受床压调节器输出信号，根据床压情况进行开度调节。在电动调节阀前的总管路上装有浮子流量计以监视流化风的总流量。在 L 阀弯头处还设有捅渣棒，以备炉渣堵塞 L 阀使用。L 阀本体流化风母管设有压力开关，向运行人员提供流化风压力高、低报警信号。
