夏青林（天津?yàn)I海新區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，天津 塘沽 300400）

于現(xiàn)軍（北京和隆優(yōu)化控制技術(shù)有限公司，北京 100096）

1 引言

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐以其燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、污染物排放低等顯著特點(diǎn)而在我國(guó)獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國(guó)第一臺(tái)裝備于電站的循環(huán)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(guó)的出現(xiàn)才二十多年，但無(wú)論從數(shù)量到單機(jī)規(guī)模目前都走在了世界前列。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至到2008年底我國(guó)共有35t/h以上不同容量等級(jí)的循環(huán)流化床鍋爐5000多臺(tái)。

對(duì)循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的最重要的操作是對(duì)返料灰循環(huán)量的控制，如果返料灰的循環(huán)出現(xiàn)問(wèn)題，則整個(gè)循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)將無(wú)法正常地建立起來(lái)甚至?xí)?dǎo)致高溫結(jié)焦、停爐等安全事故。從返料溫度等級(jí)來(lái)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(duì)床溫的控制主要體現(xiàn)在煤與風(fēng)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(duì)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℃，返料灰的多少不僅會(huì)極大地影響鍋爐負(fù)荷、汽溫，更會(huì)直接影響到床溫乃至整個(gè)鍋爐的安全，因此在中低溫返料CFB鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)如何使鍋爐負(fù)荷、汽溫和床溫都得到安全、穩(wěn)定地保證是一個(gè)相對(duì)困難的問(wèn)題。

本文將以福建石獅熱電有限責(zé)任公司的兩臺(tái)燃用福建無(wú)煙煤的上海東鍋生產(chǎn)的75t/h中溫返料CFB鍋爐（DG75/3.82-11型）為例探討這個(gè)問(wèn)題。

2 中溫返料CFB鍋爐及其低負(fù)荷運(yùn)行問(wèn)題

2.1 福建無(wú)煙煤及CFB鍋爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)

福建無(wú)煙煤是世界上有名的劣質(zhì)煤之一，具有著火點(diǎn)高（900℃~950℃）、揮發(fā)份低（一般為2%~4%）且析出時(shí)間長(zhǎng)、灰熔點(diǎn)低（灰的變形溫度t1一般在1100℃左右）以及煤質(zhì)脆燃燒易爆裂和細(xì)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(zhì)的福建無(wú)煙煤，福建石獅熱電有限責(zé)任公司與東鍋在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)就采用了低流速、高爐膛、中物料循環(huán)倍率、敷設(shè)長(zhǎng)衛(wèi)燃帶等措施；高過(guò)、低過(guò)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(yùn)行數(shù)據(jù)表明：DG75/3.82-11型鍋爐可燃用低位發(fā)熱值13.6~27.5MJ/kg、含碳量36%~86%的福建無(wú)煙煤，出力可從40~90t/h ，平均熱效率曾達(dá)到84.52%，比同容量燃用福建無(wú)煙煤的煤粉爐還高2%~3%以上。

2.2 低負(fù)荷運(yùn)行工況分析

福建石獅熱電有限責(zé)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(yè)，這時(shí)常造成一天中鍋爐負(fù)荷從50%到110%的波動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，負(fù)荷控制回路必定會(huì)減煤，煤的減少造成床溫降低，此時(shí)床溫控制回路又將循環(huán)灰量減少，循環(huán)灰量的減少使得爐床上的熱量被轉(zhuǎn)移出去的強(qiáng)度以及爐膛中的受熱面與高溫?zé)煔獾膿Q熱強(qiáng)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(guān)閉，但仍避免不了主汽溫度會(huì)低于控制點(diǎn)（440℃~445℃）10℃~20℃以上，蒸汽溫度低會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)末幾級(jí)的濕度增加，蒸汽中的水分會(huì)對(duì)汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生較大的沖蝕和過(guò)大的推力，這給汽輪機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了不利影響。低負(fù)荷與高汽溫是一個(gè)矛盾，如何在低負(fù)荷下通過(guò)實(shí)施特殊控制策略來(lái)解決汽溫偏低的問(wèn)題呢？

3 中溫返料CFB鍋爐床溫-汽溫協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果

3.1 循環(huán)灰在汽溫協(xié)調(diào)上的重要性

循環(huán)灰在CFB鍋爐運(yùn)行中的重要性是不言而喻的，可以說(shuō)如果一臺(tái) CFB鍋爐的返料器（灰）工作不正常必定造成整臺(tái)鍋爐運(yùn)行的不正常。無(wú)論是具有自平衡功能的高溫返料CFB鍋爐或是通過(guò)控制返料灰量來(lái)控制床溫和負(fù)荷的中低溫返料CFB鍋爐，在固定負(fù)荷下都有如下幾個(gè)動(dòng)態(tài)平衡：

（1）熱量平衡

（2）循環(huán)灰量平衡

（3）進(jìn)煤量與飛灰量和放渣量平衡

（4）進(jìn)水量與發(fā)汽量和排污量平衡

就熱量平衡來(lái)說(shuō)，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?jī)H占床料的5%左右，因此可以認(rèn)為當(dāng)入爐煤量發(fā)生極小變化在某個(gè)特定時(shí)間段的ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4、ΔQ5、ΔQ6都可以忽略不計(jì)，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(shè)入爐煤的流量為10t/h，熱值為20000 KJ/kg，蒸汽負(fù)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)

那么又如何在保證床溫穩(wěn)定的前提下，把這141kg/h的煤的熱量傳遞給爐膛出口的受熱面—高過(guò)和低過(guò)從而使主汽溫度提高20℃呢？很自然可以通過(guò)按特定規(guī)則同時(shí)微量調(diào)整進(jìn)煤量和循環(huán)灰量，使它們的放熱與傳熱達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，即根據(jù)汽溫降低的情況確定所需的熱量，進(jìn)而確定入爐煤的增量及帶走這些煤所產(chǎn)生熱量的循環(huán)灰量，就可以在實(shí)現(xiàn)在保證床溫基本不變、負(fù)荷基本不變的前提下使汽溫提高。

3.2 床溫-汽溫協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)則如下：

（1）當(dāng)汽溫低于某值（432℃）時(shí)，而床溫不低于某值、相對(duì)平穩(wěn)且有上升趨勢(shì)（0.2℃/m），則通過(guò)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(guò)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(dāng)下列條件滿足其一即停止對(duì)循環(huán)灰量的協(xié)調(diào)：床溫呈下降趨勢(shì)（-0.2℃/m）或協(xié)調(diào)時(shí)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

圖1 模型操作界面圖

圖3 循環(huán)灰量的協(xié)調(diào)量與實(shí)際汽溫的運(yùn)行曲線（二）

Δu2*=K1*(TR-TE)/20*Δu

（4）協(xié)調(diào)條件仍然滿足的前提下，也要經(jīng)過(guò)固定的時(shí)間（120秒）后再進(jìn)行下一次協(xié)調(diào)。模型操作界面如圖1所示。

3.3 運(yùn)行效果分析

基于協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，通過(guò)同時(shí)調(diào)整返料灰量和進(jìn)煤量來(lái)實(shí)現(xiàn)中溫返料循環(huán)流化床鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)在保證床溫穩(wěn)定、汽壓穩(wěn)定的前提下提高汽溫的實(shí)踐是成功的，該數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)是基于北京和隆優(yōu)化控制技術(shù)有限公司的BCS系統(tǒng)完成的。一年多的運(yùn)行效果表明：

（1）在鍋爐負(fù)荷低于50t/h時(shí)汽溫要長(zhǎng)期低于415℃，但采用該協(xié)調(diào)模型后平均汽溫提高了17℃以上；

（2）盡管采用同時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)煤和返料量，但床溫仍運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度可達(dá)到R±5℃，比人工手動(dòng)控制精度提高五倍以上；

（3）該協(xié)調(diào)優(yōu)化模型抗干擾能力強(qiáng)，具有自適應(yīng)功能。

圖2、圖3所示為循環(huán)灰量的協(xié)調(diào)量與實(shí)際汽溫的運(yùn)行曲線。途中直線為汽溫控制點(diǎn)，方波狀曲線為循環(huán)灰量控制閥開(kāi)度的增量。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)中低溫返料循環(huán)流化床鍋爐來(lái)說(shuō)高床溫意味著高爐效，但在其低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)即便是高床溫但也不一定帶來(lái)高汽溫，本協(xié)調(diào)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。

[1] 陳朝柱, 蔣昌盛. 福建無(wú)煙煤的特性及在電站鍋爐中的應(yīng)用[J]. 福建能源開(kāi)發(fā)與節(jié)約, 2000-03.

[2] 何宏舟, 蘇建民. 燃燒福建無(wú)煙煤的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及運(yùn)行性能分析[J]. 華東電力, 2003-04.

[3] 吳劍恒. DG75/3.82-11型循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J]. 鍋爐技術(shù), 2004-01.

[4] 俞金樹(shù). 基于BCS的故障容錯(cuò)及自愈控制技術(shù)在CFB鍋爐上的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化博覽, 2010-12.