夏車奎

（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315100）

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐（CFBB）以其具有燃煤效率高、燃料適應(yīng)性廣、脫硫效率高、氮氧化物（NOX）排放低、燃燒

熱強度大、爐膛體積小、負荷調(diào)節(jié)范圍大、灰渣易于實現(xiàn)綜合利用等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面[1]。循環(huán)流化床鍋爐的燃料是有一定顆粒度的煤，燃燒過程是處于流化狀態(tài)下的，這也是與其它類型鍋爐最主要的區(qū)別。其燃料及脫硫劑經(jīng)過多次循環(huán)，反復(fù)地進行燃燒，不但排放低，也有著與煤粉爐相媲美的燃燒效率[2]。

但是，要保證循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定經(jīng)濟地運行，完備的自動化控制系統(tǒng)是不可或缺的。其控制系統(tǒng)主要包括以下3個關(guān)鍵子系統(tǒng)：汽包水位控制子系統(tǒng)、蒸汽溫度控制子系統(tǒng)和燃燒控制子系統(tǒng)，而處于燃燒控制子系統(tǒng)中的煙氣氧含量控制是提高鍋爐燃燒效率，節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵[3]。

1 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)特性

1.1 燃燒控制系統(tǒng)的基本功能

循環(huán)流化床鍋爐燃燒自動化控制最基本的作用是使燃料產(chǎn)生的熱量滿足鍋爐蒸汽負荷的需要。當(dāng)鍋爐負荷需求改變時，通過改變?nèi)剂狭縼韯討B(tài)地適應(yīng)負荷的變化。而這個過程中，還需保證鍋爐安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定地運行[4]。燃燒控制系統(tǒng)主要有以下幾個功能：

1）保持主汽壓力平穩(wěn)。一旦主汽壓力發(fā)生變化，就表明鍋爐的產(chǎn)汽量和耗汽量不相適應(yīng)，需要通過調(diào)節(jié)燃料量來改變鍋爐的產(chǎn)汽量。

2）爐膛負壓的保持。引風(fēng)量和送風(fēng)量相互配合來維持一定的爐膛負壓。

3）確保鍋爐運行的經(jīng)濟性。鍋爐燃料量的改變，相應(yīng)地應(yīng)調(diào)節(jié)鍋爐的總風(fēng)量。

4）保證脫硫脫硝的效果。為保證鍋爐的脫硫效率和較低的NO2排放，需合理地控制料床溫度。

5）確保流化效果和循環(huán)倍率。返料量和回料量的控制將會對循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率產(chǎn)生直接影響。

6）保持合理的料床高度。料床高度與鍋爐的安全連續(xù)運行密切相關(guān)，合適的料層厚度，既能使爐料達到完全的流化狀態(tài)，又不會讓一次風(fēng)吹滅爐火。

1.2 燃燒控制系統(tǒng)的耦合性

循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)以上功能，擁有眾多的控制回路。如燃料量控制回路、各類風(fēng)量控制回路、爐膛負壓控制回路以及料床溫度和高度的控制回路等。

通過分析這些控制回路的相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，與其它類型鍋爐一樣，其典型特征除了多參數(shù)、時變、非線性等難點外，更具有多變量緊密耦合的特性[5]。表1是循環(huán)流化床鍋爐的參數(shù)耦合關(guān)系表，可以發(fā)現(xiàn)，其多變量強耦合的特性涉及燃燒控制系統(tǒng)中的各個參數(shù)，可以說是牽一發(fā)而動全身。

1.3 燃燒控制系統(tǒng)的特點

通過分析循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)具有滯后大、耦合強、多輸入多輸出的非線性時變的特點[6,7]。其強耦合性在各個參數(shù)之間的相互影響，體現(xiàn)在兩個方面：

1）一個參數(shù)同時受到多個調(diào)節(jié)變量的影響，以煙氣含氧量為例，其可以用燃料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、引風(fēng)量、排渣量等多個調(diào)節(jié)變量進行調(diào)節(jié)。

2）一個參數(shù)又可以同時影響多個其它參數(shù)，如一次風(fēng)量可以同時影響主汽壓力、過熱蒸汽溫度、床溫、爐膛負壓、煙氣含氧量、料層高度、汽包水位等參數(shù)。

因此，鍋爐燃燒效率的關(guān)鍵指標，煙氣氧含量與其它參數(shù)的這種強烈耦合，造成了鍋爐負荷變化時，常規(guī)的自動控制系統(tǒng)很難投入。

表1 循環(huán)流化床鍋爐參數(shù)耦合表Table 1 Coupling table of parameters for circulating fluidized bed boilers

2 循環(huán)流化床鍋爐煙氣氧含量控制

煙氣氧含量控制的目的是為了提高循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率，從而達到節(jié)能減排的效果。然而，為提高鍋爐的燃燒效率，就需要保證燃料量和空氣量的最佳配比[8,9]。空氣量和燃料量的比例過大或過小，都會降低鍋爐的燃燒效率?？諝獗壤^大，會造成額外的能量損耗，是因為空氣中的N2占79%，而這些N2又不參與燃燒，吸收燃燒過程中的熱量后，在排入大氣的同時，也帶走了熱量。雖然這種能量損耗是不可避免的，但是可以設(shè)法降低。反之，空氣比例過小，就不能保證燃料的充分燃燒，不但損失燃料的熱量，燃燒過程中產(chǎn)生的大量CO，H2等有毒可燃氣體也會造成大氣環(huán)境的污染。所以，在保證爐膛中燃料能夠充分燃燒利用的前提下，盡可能地減少進入鍋爐爐膛的總風(fēng)量是提高循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的有效方法，而煙氣氧含量就是衡量空氣過剩還是不足的較好指標。

圖1為能量損失與煙道氣成分的關(guān)系圖。由圖可知，過?？諝庠蕉?，能量的損失就越大；空氣越不足，能量的損失也會增大。而空氣不足還會產(chǎn)生大量的有毒可燃氣體，不但加大能量損失，還造成安全風(fēng)險和環(huán)境污染，所以應(yīng)盡量避免這種工況。而衡量循環(huán)硫化床鍋爐燃燒是否充分的最優(yōu)指標，就是煙氣氧含量。如圖1所示，只要將燃燒不充分產(chǎn)生的可燃氣體和煙氣氧含量這兩個參數(shù)通過函數(shù)疊加后，會形成另一條曲線，這條曲線就是能量損失曲線。其隨著過?？諝饬康脑黾?，先變小后增大，能量損失的最低點即是鍋爐的最佳燃燒點。在這一點上，燃燒損失的能量最小，效率最高。而實際過程中，由于燃燒是一個動態(tài)的過程，很難把燃燒過程始終控制在最佳燃燒點上，它必定會沿著曲線變化。于是在最佳燃燒點附近，劃分出一個區(qū)域，稱為理想?yún)^(qū)域，使得鍋爐燃燒效率相對較高?？梢岳醚醴治鰞x，先測出煙氣氧含量，從而計算出空氣燃料比，也可稱之為風(fēng)燃比或過剩空氣系數(shù)。循環(huán)流化床鍋爐煙氣氧含量控制的最終目的，就是通過調(diào)節(jié)風(fēng)燃比來控制鍋爐燃燒系統(tǒng)的燃燒點，使其盡可能地長期處于理想?yún)^(qū)域中。

圖1 能量損失與煙道氣成分的關(guān)系Fig.1 Relationship between energy loss and flue gas composition

圖3 氧量信號校正送風(fēng)量反饋信號的送風(fēng)控制Fig.3 Air supply control of oxygen signal correction air supply feedback signal

實現(xiàn)應(yīng)用中，多采用氧化鋯分析儀來測量鍋爐煙氣中的含氧量。為縮短煙氣氧含量測量的響應(yīng)時間，氧化鋯分析儀一般以插入式的形式，安裝在循環(huán)流化床鍋爐的省煤器之前位置。

2.1 帶氧含量校正的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

煙氣氧含量的控制通過調(diào)節(jié)風(fēng)燃比進行控制，而風(fēng)燃比的控制一般是通過爐膛的總送風(fēng)量進行調(diào)節(jié)。因為循環(huán)流化床鍋爐的燃料量隨蒸汽負荷變化而變化，當(dāng)燃料量隨負荷變化時，單單通過氧含量來調(diào)節(jié)總送風(fēng)量，往往太過滯后，同時因為煤質(zhì)的變化和燃燒工況的不同，燃燒系統(tǒng)的最佳風(fēng)燃比并不是一成不變的，合適的方案是以負荷變化指令為主，來間接地平衡風(fēng)燃比，然后通過煙氣氧含量信號來進行修正和微調(diào)，以維持爐內(nèi)燃燒的經(jīng)濟性。如圖2所示的用煙氣氧含量信號校正總送風(fēng)量反饋信號的控制方案。

圖2 帶氧量校正信號的送風(fēng)控制系統(tǒng)Fig.2 Air supply control system with oxygen correction signal

通過分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)負荷不同時，不但合適的風(fēng)燃比會發(fā)生變化，最佳的氧含量值也會發(fā)生變化。這時，可以通過建立數(shù)學(xué)模型F(x)，直接給出各種負荷下最佳的風(fēng)燃比和氧含量值，用F(x)計算出的空燃比去直接控制總風(fēng)量的同時，再用F(x)校正后的氧含量值來修正風(fēng)量反饋值。如圖3所示，這就是通過改進的送風(fēng)控制方案。這里增加了一個氧量校正環(huán)節(jié)，負荷指令通過數(shù)學(xué)模型F(x)直接給出各種負荷下的最佳含氧量給定值，通過PID控制器，直接輸出總風(fēng)量信號。同時，還增加了“負荷與最佳氧含量關(guān)系”的運算回路。另外，圖3中還增加了負荷指令的前饋調(diào)節(jié)，一定程度上可以改善送風(fēng)調(diào)節(jié)回路的遲延和慣性。通過兩個方案對比可知，圖3方案的控制性能應(yīng)該更好。

2.2 燃料、送風(fēng)的雙交叉燃燒控制

然而在機組實際操作時，由于燃燒系統(tǒng)的強耦合性，當(dāng)負荷變化時，想要燃料量和空氣量配合得十分準確是非常難的一件事。尤其是送風(fēng)量不足時，燃燒系統(tǒng)的不充分燃燒，甚至?xí)l(fā)生冒黑煙的現(xiàn)象，從而造成安全風(fēng)險和環(huán)境污染。所以，當(dāng)負荷變化時，應(yīng)保證總風(fēng)量一直稍大于燃料量，這里可以采取燃料、送風(fēng)雙交叉限制措施。如圖4所示，通過最小允許風(fēng)量的小選模塊和最大燃料量的大選模塊，可以實現(xiàn)：當(dāng)鍋爐負荷增加時，先增加總送風(fēng)量，然后再增加總?cè)剂狭浚划?dāng)鍋爐負荷減小時，先減少總?cè)剂狭?，然后再減少總送風(fēng)量。這樣就可以在負荷變化的過程中，一直保持一定的總風(fēng)量裕量，以避免發(fā)生冒黑煙的現(xiàn)象。此方案相較圖3方案，加了一個保證充分燃燒的保護措施，使得燃燒系統(tǒng)能更加穩(wěn)定運行。

3 實例分析

某熱島中心項目，建設(shè)規(guī)模為2×490t/h（CFB）鍋爐+1×CC125MW高溫高壓抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組+1×CB30MW高溫高壓抽背式汽輪發(fā)電機組。

圖5 490t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣氧含量控制邏輯圖Fig.5 490t/h Circulating fluidized bed boiler smoke oxygen content control logic

圖4 燃料送風(fēng)交叉限制控制Fig.4 Fuel air cross-limit control

煙氣氧含量測量儀表采用的是氧化鋯分析儀，量程0%～21%，響應(yīng)時間T90＜10s，精度±1%，法蘭連接，220V AC供電。測量位置位于鍋爐煙道低過出口處，測點為兩個，取值采用二路輸入除去壞點取平均值，控制器采用DCS實現(xiàn)。鍋爐煙氣氧含量控制邏輯圖如圖5所示。

初步風(fēng)量指令來自于鍋爐的負荷控制回路，經(jīng)過函數(shù)器后，與通過實際總?cè)剂狭坑嬎愠鰜淼淖钚≡试S風(fēng)量和30%BMCR的風(fēng)量同時送入大選器，取最大值作為最終的總風(fēng)量值。計算出的最終總風(fēng)量值與實際總風(fēng)量值之間的偏差送入PID控制器后，其輸出值去控制二次風(fēng)量。然后，通過控制二次風(fēng)量來控制總風(fēng)量。另外，把鍋爐負荷參數(shù)經(jīng)過函數(shù)器后，作為此控制器的前饋信號。

鍋爐負荷經(jīng)過函數(shù)器計算后，得到煙氣氧含量的理想值。將此理想值與氧化鋯分析儀的實測值的偏差送入PID控制器，得到的輸出值去修正之前得到二次風(fēng)量值。

除自動控制模式外，還應(yīng)設(shè)置手動模式。所以，圖5方案允許操作人員通過DCS操作員站來手動控制。需要注意的是，當(dāng)操作人員手動直接給定總風(fēng)量值時，需切換總風(fēng)量控制器，使其處于手動模式。同樣，當(dāng)二次風(fēng)量調(diào)節(jié)回路也由操作人員手動調(diào)節(jié)時，總風(fēng)量控制器也應(yīng)切換到手動模式。最佳氧含量通過負荷計算得出后，根據(jù)實際工況，操作人員也可以進行微調(diào)，如總風(fēng)量控制器處于手動模式，氧含量控制器也應(yīng)切換到手動模式。

實際工程應(yīng)用中，為了操作需要，燃燒控制系統(tǒng)各個子回路，大部分都設(shè)置了的手動/自動投切按鈕。這是因為鍋爐的最佳燃燒工況，其影響因素很多，數(shù)學(xué)模型可能不適配每臺具體的鍋爐。所以通過函數(shù)器得出的最佳燃燒點也存在一定的偏差，這就需要操作人員在鍋爐調(diào)試運行時，通過手動模式逐漸進行修正。同時，這也是為了保證鍋爐最低限度安全運行的手段。此熱島中心項目，先通過手動模式運行，后逐漸投切入自動模式，最終取得了較好的效果。

4 結(jié)語

近年來，隨著環(huán)保節(jié)能要求越來越高，對循環(huán)流化床的節(jié)能減排提出了更高的要求。通過對幾種鍋爐煙氣氧含量控制做法的對比分析，得出氧量信號校正送風(fēng)量反饋信號的送風(fēng)控制結(jié)合燃料送風(fēng)交叉限制控制的綜合控制方案是比較好的。它通過控制煙氣氧含量對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，不但提升鍋爐燃燒經(jīng)濟性、降低排污、節(jié)能環(huán)保效果，還提高了循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，通過應(yīng)用于實際項目，驗證了其可實施性，對今后循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試亦具有參考價值。