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    【摘 要】CFB鍋爐因其具有可操作負荷范圍寬、燃燒效率高、可燃用劣質煤等顯著特點而在我國獲得突飛猛進的發展。但CFB鍋爐在低負荷運行時往往會因為燃煤量和返料灰量的減少而使床溫、汽溫的安全操作變得異常困難，對中低溫返料CFB鍋爐更是如此。本文介紹了筆者基于協調優化控制技術解決中溫返料循環流化床鍋爐在低溫運行過程中床溫和汽溫如何同時兼顧的難題，一年多來的實際運行數據表明：當75t/h中溫返料CFB鍋爐運行在額定負荷的50%~60%時，在保持其相對高床溫的前提下，對汽溫的協調操作收到了良好的效果—可提高平均汽溫20度以上，有效地保證了汽輪發電機組的安全與經濟運行。

    【關鍵詞】CFB鍋爐；中溫返料；低負荷；協調優化；床溫；汽溫  

    Abstract: With the advantages of the wide load adjusting ability, high combustion efficiency, low quality coal to be used, CFBB has been applied widely in China. But in a low load condition，with the reducing fuel and circulating ash , operators will meet many abnormal difficulties in safety operation both for bed temperature and steam temperature, especially it is more obvious to operate CFBB with Medium temperature material-returning system. In this article, based on coordination optimum control technology , a solution is provided to harmonize the conflict between bed temperature and steam temperature. More than one year actual running indicates that the steam temperature can be raised 20 degree and the bed temperare can be kept in a relative high level at the same time, and safety running can be assured effectively for steam turbine system.

    Key words: Circulating Fluidized Bed Boiler;Medium Temperature Material-returning System;Low Load; Coordination Optimum ;Bed Temperature ;Steam Temperature

    1 引言

    循環流化床（CFB）鍋爐以其燃料適應性強、燃燒效率高、負荷調節性能好、污染物排放低等顯著特點而在我國獲得突飛猛進的發展，我國第一臺裝備于電站的循環流化床鍋爐于1988年誕生于山東明水熱電廠，盡管CFB鍋爐在我國的出現才二十多年，但無論從數量到單機規模目前都走在了世界前列。據統計：截至到2008年底我國共有35t/h以上不同容量等級的循環流化床鍋爐5000多臺。

    對循環流化床（CFB）鍋爐的最重要的操作是對返料灰循環量的控制，如果返料灰的循環出現問題，則整個循環流化床（CFB）鍋爐的運行狀態將無法正常地建立起來甚至會導致高溫結焦、停爐等安全事故。從返料溫度等級來劃分CFB鍋爐有高溫返料和中低溫返料。高溫返料CFB 鍋爐由于返料溫度與床溫持平，對床溫的控制主要體現在煤與風的搭配上，由于其返料量的多少是建立在自平衡之上的，其操作就相對容易一些；但中低溫返料CFB鍋爐則由于其返料灰溫度比床溫低300~500度，返料灰的多少不僅會極大地影響鍋爐負荷、汽溫，更會直接影響到床溫乃至整個鍋爐的安全，因此在中低溫返料CFB鍋爐低負荷運行時如何使鍋爐負荷、汽溫和床溫都得到安全、穩定地保證是一個相對困難的問題。

    本文將以福建石獅熱電有限責任公司的兩臺燃用福建無煙煤的上海東鍋生產的75t/h中溫返料CFB鍋爐（DG75/3.82-11型）為例探討這個問題。

    2 中溫返料CFB鍋爐及其低負荷運行問題

    2.1 福建無煙煤及CFB鍋爐設計特點

    福建無煙煤是世界上有名的劣質煤之一，具有著火點高（900-950℃）、揮發份低（一般為2~4%）且析出時間長、灰熔點低（灰的變形溫度t1一般在1100℃左右）以及煤質脆燃燒易爆裂和細小顆粒含量多（小于1mm的煤粒占一半左右）等特性，在鏈條爐上都是很難燃燒的。

    為了能夠燃用劣質的福建無煙煤，福建石獅熱電有限責任公司與東鍋在設計生產時就采用了低流速、高爐膛、中物料循環倍率、敷設長衛燃帶等措施；高過、低過受熱面安裝在爐膛出口，主汽溫度控制采用噴淋式減溫器。近十年的運行數據表明：DG75/3.82-11型鍋爐可燃用低位發熱值13.6~27.5MJ/Kg、含碳量36~86%的福建無煙煤，出力可從40~90t/h ，平均熱效率曾達到84.52%，比同容量燃用福建無煙煤的煤粉爐還高2~3%以上。

    2.2 低負荷運行工況分析

    福建石獅熱電有限責任公司主要以供熱為主，下游蒸汽用戶有五十多家，其中不乏“白天冒煙，晚上歇班”的企業，這時常造成一天中鍋爐負荷從50%到110%的波動。當負荷降低時，負荷控制回路必定會減煤，煤的減少造成床溫降低，此時床溫控制回路又將循環灰量減少，循環灰量的減少使得爐床上的熱量被轉移出去的強度以及爐膛中的受熱面與高溫煙氣的換熱強度大大減弱，這就造成汽溫控制回路即使已把減溫水閥全部關閉，但仍避免不了主汽溫度會低于控制點（440~445℃）10~20度以上，蒸汽溫度低會導致汽輪機末幾級的濕度增加，蒸汽中的水分會對汽輪機葉片產生較大的沖蝕和過大的推力，這給汽輪機組的安全與經濟運行造成了不利影響。低負荷與高汽溫是一個矛盾，如何在低負荷下通過實施特殊控制策略來解決汽溫偏低的問題呢？

    3 中溫返料CFB鍋爐床溫-汽溫協調優化控制模型設計及運行效果

    3.1 循環灰在汽溫協調上的重要性

    循環灰在CFB鍋爐運行中的重要性是不言而喻的，可以說如果一臺 CFB鍋爐的返料器（灰）工作不正常必定造成整臺鍋爐運行的不正常。無論是具有自平衡功能的高溫返料CFB鍋爐或是通過控制返料灰量來控制床溫和負荷的中低溫返料CFB鍋爐，在固定負荷下都有如下幾個動態平衡：

    （1）熱量平衡

    （2）循環灰量平衡

    （3）進煤量與飛灰量和放渣量平衡

    （4）進水量與發汽量和排污量平衡

    就熱量平衡來說，存在如下方程：

    Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

    其中：Qr：1kg燃料帶入鍋爐的熱量（KJ/kg）；

    Q1：鍋爐有效利用熱量（KJ/kg）；

    Q2：排出煙氣所帶走的熱量（KJ/kg）；

   Q3：氣體不完全燃燒熱損失（KJ/kg）；

   Q4：固體不完全燃燒熱損失（KJ/kg）；

   Q5：鍋爐的散熱損失（KJ/kg）；

   Q6：灰渣帶走的物理熱量（KJ/kg）。

    鑒于入爐煤量僅占床料的5%左右，因此可以認為當入爐煤量發生極小變化在某個特定時間段的ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4、ΔQ5、ΔQ6都可以忽略不計，即：ΔQr≈ΔQ1/η

    其中：

    ΔQr=ΔFm*Qdw

    ΔQ1=2.25*ΔTq*Fq

    則有：ΔFm≈2.25*ΔTq*Fq/ Qdw/η

    假設入爐煤的流量為10t/h，熱值為20000 KJ/kg，蒸汽負荷為50t/h，汽溫為420℃，汽壓為3.5MPa，排污量為0，上水溫度為150℃，鍋爐效率為80%，則把汽溫提升20℃所需的煤量大致為：

    ΔFm=2.25*20*50*1000/20000/0.8=141(Kg/h)

    那么我們又如何在保證床溫穩定的前提下，把這141 Kg/h的煤的熱量傳遞給爐膛出口的受熱面—高過和低過從而使主汽溫度提高20℃呢？很自然我們可以通過按特定規則同時微量調整進煤量和循環灰量，使它們的放熱與傳熱達到一個動態平衡，即根據汽溫降低的情況確定所需的熱量，進而確定入爐煤的增量及帶走這些煤所產生熱量的循環灰量，就可以在實現在保證床溫基本不變、負荷基本不變的前提下使汽溫提高。

    3.2 床溫-汽溫協調優化控制模型設計

    協調優化規則如下：

    （1）當汽溫低于某值（432℃）時，而床溫不低于某值、相對平穩且有上升趨勢（0.2℃/m），則通過加大返料灰量從床料蓄熱中瞬間提取一部分熱量到爐膛上部并使過熱器中蒸汽吸收而得以提高其溫度；

    （2）返料量按3）中控制模型加大后，當下列條件滿足其一即停止對循環灰量的協調：床溫呈下降趨勢（-0.2℃/m）或協調時間已夠(120秒)；

    （3）返料量和煤量增量的控制輸出為：Δu1*=(TR-TE)/20*Δu   Δu2*=K1*(TR-TE)/20*Δu

    （4）協調條件仍然滿足的前提下，也要經過固定的時間（120秒）后再進行下一次協調。模型操作界面如圖1所示。
            
                       
                                         圖1 模型操作界面圖

    3.3 運行效果分析

    基于協調優化模型，通過同時調整返料灰量和進煤量來實現中溫返料循環流化床鍋爐在低負荷運行時在保證床溫穩定、汽壓穩定的前提下提高汽溫的實踐是成功的，該數學模型的實現是基于北京和隆優化控制技術有限公司的BCS系統完成的。一年多的運行效果表明：

    （1）在鍋爐負荷低于50t/h時汽溫要長期低于415度，但采用該協調模型后平均汽溫提高了17度以上；

    （2）盡管采用同時調節進煤和返料量，但床溫仍運行平穩，控制精度可達到R±5℃，比人工手動控制精度提高五倍以上；

    （3）該協調優化模型抗干擾能力強，具有自適應功能。

    下面的圖2、圖3為循環灰量的協調量與實際汽溫的運行曲線。途中直線為汽溫控制點，方波狀曲線為循環灰量控制閥開度的增量。
   
                     
                               圖2   循環灰量的協調量與實際氣溫的運行曲線（一）
  
                     
                               圖3    循環灰量的協調與實際氣溫的運行曲線（二）

    4 結語

    對中低溫返料循環流化床鍋爐來說高床溫意味著高爐效，但在其低負荷運行時即便是高床溫但也不一定帶來高汽溫，本協調模型很好地解決了這一矛盾，它在此類CFB鍋爐上具有推廣意義。

    參考文獻：

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    [3] 吳劍恒.DG75/3.82-11型循環流化床鍋爐設計特點[J].鍋爐技術，2004-1.

    [4] 俞金樹.基于BCS的故障容錯及自愈控制技術在CFB鍋爐上的應用[J].自動化博覽，2010-12.

    摘自《自動化博覽》2011年第七期