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    1　CFBB總體結(jié)構(gòu)

    CFBB主要由燃燒系統(tǒng)、循環(huán)分離系統(tǒng)、對(duì)流煙道三部分組合而成。其中燃燒系統(tǒng)包括風(fēng)室、布風(fēng)板、燃燒室、爐膛、給煤系統(tǒng)等幾部分；循環(huán)分離系統(tǒng)包括物料分離裝置和返料裝置兩部分；對(duì)流煙道包括過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等幾個(gè)部分。如圖1所示。
 

圖1 CFBB總體結(jié)構(gòu)圖

    1.1　CFBB燃燒及傳熱特性

    CFBB屬于低溫燃燒鍋爐。燃料由爐前給煤系統(tǒng)送入爐膛，送風(fēng)設(shè)有一次風(fēng)和二次風(fēng)系統(tǒng)，一次風(fēng)由布風(fēng)板下部送入到燃燒室，主要作用是保證料層正常流化；二次風(fēng)沿燃燒室分級(jí)多點(diǎn)送入爐膛，其主要作用是增加燃燒室的氧量以保證燃料燃盡；三次風(fēng)的作用是進(jìn)一步強(qiáng)化燃燒。燃燒室內(nèi)的物料在一定的流化風(fēng)速作用下，發(fā)生劇烈的擾動(dòng)，部分固體顆料在高速氣流的攜帶下離開燃燒室進(jìn)入爐膛，其中較大的顆粒因重力作用沿爐膛內(nèi)壁向下流動(dòng)，一些較小顆粒隨煙氣飛出爐膛進(jìn)入到物料分離裝置，爐膛內(nèi)形成氣固兩相流，進(jìn)入分離裝置的煙氣進(jìn)行分離，分離下來的顆粒沿分離裝置下部返料裝置被送回到燃燒室，經(jīng)過分離的煙氣通過對(duì)流煙道內(nèi)部的受熱面吸熱后離開鍋爐。因CFBB設(shè)有高效率的分離裝置，被分離下來的顆料經(jīng)過返料器又被送回至爐膛，使鍋爐爐膛內(nèi)有足夠高的灰濃度，因此CFBB不同于常規(guī)鍋爐爐膛僅有輻射傳熱方式，并還具有對(duì)流及導(dǎo)熱等傳熱方式，大大提高了爐膛的傳導(dǎo)熱系數(shù)，確保鍋爐達(dá)到額定出力。

    1.2　CFBB主要熱工參數(shù)控制及調(diào)整

    1.2.1　料層溫度

    料層溫度是指燃燒密相區(qū)內(nèi)的流化物料的溫度，是一個(gè)關(guān)系到鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。料層溫度的測(cè)定一般采用不銹鋼套管熱電偶作為一次元件，布置在距布風(fēng)板200～500mm左右的燃燒室密相層內(nèi)，插入到爐墻深度15～25mm，數(shù)量不少于2只。在運(yùn)行過程中必須要加強(qiáng)對(duì)料層溫度的監(jiān)視，一般將料層溫度控制在850℃～950℃之間，如果溫度過高，容易使流化床體結(jié)焦造成停爐事故；溫度太低易發(fā)生低溫結(jié)焦及滅火事故。必須嚴(yán)格控制料層溫度最高不得超過970℃，最低不低于800℃。在鍋爐運(yùn)行中，當(dāng)料層溫度發(fā)生變化的時(shí)候，通過調(diào)節(jié)給煤量、一次風(fēng)量及返料量，調(diào)整料層溫度在控制范圍之內(nèi)。如料層溫度超過970℃時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少給煤量、相應(yīng)的增加一次風(fēng)量并減少返料量，使料層溫度降低；如料層溫度低于800℃時(shí)，應(yīng)首先檢查是否有斷煤現(xiàn)象，并適當(dāng)增加給煤量，減少一次風(fēng)量，并加大返料量，使料層的溫度升高。一旦料層溫度低于700℃，應(yīng)做壓火處理，需待查明溫度降低原因并排除后再啟動(dòng)。

    1.2.2　返料溫度

    返料溫度是指通過返料器送回到燃燒室中的循環(huán)灰溫度，可以起到調(diào)節(jié)料層溫度的作用。采用高溫分離器的CFBB，其返料溫度相對(duì)較高，一般控制返料溫度高出料層溫度20~30℃，可以保證鍋爐穩(wěn)定的燃燒，并同時(shí)起到調(diào)整燃燒的作用。在鍋爐運(yùn)行中必須密切監(jiān)視返料溫度，溫度過高有可能造成返料器內(nèi)結(jié)焦，特別是在燃用較難燃的無煙煤時(shí)，因存在燃料后燃的情況，溫度如果控制不好極易發(fā)生結(jié)焦，運(yùn)行時(shí)應(yīng)控制返料溫度最高不能超過1000℃。 返料溫度可以通過調(diào)整給煤量與返料風(fēng)量來調(diào)節(jié)，如溫度過高，可適當(dāng)減少給煤量并加大返料風(fēng)量，同時(shí)檢查返料器有無堵塞，并及時(shí)清除，以保證返料器的通暢。　

    1.3　其它特別說明的幾個(gè)問題

    1.3.1　返料量

    控制返料量是CFBB運(yùn)行操作時(shí)不同于常規(guī)鍋爐之處，根據(jù)前面提到的CFBB燃燒及傳熱的特性，返料量對(duì)CFBB的燃燒起著舉足輕重的作用，因?yàn)樵跔t膛里，返料灰實(shí)質(zhì)上是一種熱載體，它將燃燒室里的熱量帶到爐膛上部，使?fàn)t膛內(nèi)的溫度場(chǎng)均勻分布，通過多種傳熱方式與水冷壁進(jìn)行換熱，因此有較高的傳熱系數(shù)，(傳熱效率約為煤粉爐的4～6倍)通過調(diào)整返料量可以控制料層溫度和爐膛差壓并且能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷。

    1.3.2　風(fēng)量的調(diào)整

    在鍋爐運(yùn)行過程中，許多用戶只靠風(fēng)門開度的大小來調(diào)節(jié)風(fēng)量，但對(duì)于CFBB來說，其對(duì)風(fēng)量的控制就要求比較準(zhǔn)確。對(duì)風(fēng)量的調(diào)整原則是在一次風(fēng)量滿足流化的前提下，相應(yīng)地調(diào)整二次風(fēng)和三次風(fēng)量。因?yàn)橐淮物L(fēng)量的大小直接關(guān)系到流化質(zhì)量的好壞，CFBB在運(yùn)行前都要進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，并且做出在不同料層差壓下的臨界流化風(fēng)量曲線，在運(yùn)行時(shí)以此作為風(fēng)量調(diào)整的下限，如果風(fēng)量低于此值，料層就可能流化不好，時(shí)間稍長就會(huì)發(fā)生結(jié)焦。對(duì)二次風(fēng)量的調(diào)整主要是依據(jù)煙氣中的含氧量多少來衡量，通常以過熱器后的氧量為準(zhǔn)，一般控制在3～5%左右，如含氧量過高，說明風(fēng)量過大，會(huì)增加鍋爐的排煙熱損失；如過小又會(huì)引起燃燒不完全，增加化學(xué)不完全燃燒損失和機(jī)械不完全燃燒損失。如果在運(yùn)行中總風(fēng)量不夠，應(yīng)逐漸加大鼓引風(fēng)量，用以滿足燃燒要求，并且不斷調(diào)節(jié)一二三次風(fēng)量，使鍋爐達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)。

    2　CFBB燃燒控制的目標(biāo)及難點(diǎn)

    CFBB以其高效、低污染、燃料適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，近年來得到了迅速發(fā)展。但是，由于CFBB燃燒過程的多變量藕合、大慣性、長遲延時(shí)間等特殊特性，自動(dòng)控制問題尚未得到很好的解決，導(dǎo)致影響全廠自動(dòng)化水平、影響生產(chǎn)效率。

    對(duì)于CFBB，控制系統(tǒng)目的是保證鍋爐安全、穩(wěn)定、高效率燃燒。一般分為3個(gè)控制回路：

    一是負(fù)荷跟蹤、保持主汽壓力穩(wěn)定回路；

    二是維持床溫在850～950℃范圍內(nèi)控制回路，該范圍內(nèi)除硫效果最好，不會(huì)產(chǎn)生有毒的氮氧化合物，床溫過低會(huì)熄火，過高會(huì)結(jié)焦；

    三是維持合理的風(fēng)煤比回路，即合理的煙氣含氧量，過低燃燒不充分；過高排煙損失大，降低熱效率。

    CFBB燃燒控制有以下難點(diǎn)：

    （1）首先要保證循環(huán)流化狀態(tài)。當(dāng)一次風(fēng)量由零開始逐漸增大時(shí)，爐床狀態(tài)逐次由鼓泡、沸騰、流化、循環(huán)流化到過流化狀態(tài)轉(zhuǎn)變。只有循環(huán)流化狀態(tài)才是正常工作狀態(tài)。若偏離這一狀態(tài)，燃燒機(jī)理發(fā)生變化，控制規(guī)律將不適用，表現(xiàn)出嚴(yán)重的非線性。

    （2）多變量、強(qiáng)耦合。譬如要增加負(fù)荷就要增加給煤量，但是，煤量的增加又會(huì)引起床溫的升高。用一個(gè)控制量同時(shí)保證兩個(gè)被控量穩(wěn)定在固定的設(shè)定值上是難以做到的。

    （3）大滯后和不確定性。例如給煤進(jìn)入爐內(nèi)有一個(gè)受熱、烘干、爆破、著火的過程，需1～2 min，這期間是吸熱過程。因此，當(dāng)給煤量增加太快時(shí)，可能出現(xiàn)先降溫后升溫的雙向過程，給閉環(huán)控制帶來不利。所以，對(duì)于CFBB的燃燒控制這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其分解為若干簡單的回路，找出各個(gè)回路的主控變量和輔助變量，然后再開發(fā)各種相應(yīng)的控制方法。

    3　控制回路的分解及主控變量的確定

    CFBB燃燒控制有3個(gè)被控量和3個(gè)控制量，其相互關(guān)系如圖2所示。

    實(shí)際上，3個(gè)控制量分別對(duì)3個(gè)被控量都有影響。在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)必須根據(jù)工藝原理找出3個(gè)控制回路（3個(gè)被控量）的主控變量及輔助變量。主控變量用以主回路的閉環(huán)控制，輔助變量用以協(xié)調(diào)控制或通過解耦屏蔽附加擾動(dòng)。
 

圖2 控制量、被控制量關(guān)系圖

    前面提到的多數(shù)控制專家和運(yùn)行人員公認(rèn)的控制原則實(shí)際上規(guī)定了3個(gè)主控回路的主控變量，現(xiàn)作如下分析。

    3.1　調(diào)節(jié)給煤量控制主汽壓力（負(fù)荷）

    從能量守恒的角度，用給煤量控制負(fù)荷是正確的。雖然沒有風(fēng)參與燃燒是不會(huì)發(fā)生的，但是在風(fēng)量充足的情況下，最終發(fā)熱量是由煤量決定的，風(fēng)量的多少只影響熱效率，且只影響3％左右，因此風(fēng)量可作為輔助變量。

    3.2　用一次風(fēng)主控床溫

    一次風(fēng)的主要任務(wù)是建立穩(wěn)定的循環(huán)流化狀態(tài)。以赤峰熱電廠440t/h CFBB為例，負(fù)荷在50％以下，一次風(fēng)量需穩(wěn)定在110000m3/h，無需二次風(fēng)，而到滿負(fù)荷時(shí)，一次風(fēng)量為120000m3/h，可見一次風(fēng)的變化范圍很窄，且要求穩(wěn)定。一次風(fēng)影響床溫的機(jī)理是：當(dāng)增加一次風(fēng)時(shí)，流化程度加強(qiáng)，密相層擴(kuò)大升高、密度降低，床溫降低。但是床溫的頻繁變化主要是由煤質(zhì)擾動(dòng)（如粒度、熱值、揮發(fā)份）引起的。用一次風(fēng)主控床溫將頻繁改變流化狀態(tài)，是一種危害。此外，當(dāng)密相層積煤過多、排渣不及時(shí)時(shí)，爐內(nèi)呈缺氧狀態(tài)，此時(shí)，加一次風(fēng)反而會(huì)使床溫短時(shí)升高，給閉環(huán)控制造成危害。因此，用一次風(fēng)主控床溫是不合理的。

    3.3　二次風(fēng)主控?zé)嵝剩煔夂趿浚?/span>

    在一次風(fēng)穩(wěn)定的情況下，該項(xiàng)策略是正確的。問題是CFBB中二次風(fēng)對(duì)床溫的影響同樣顯著，控制氧量就不能保證床溫。此外，對(duì)于CFBB，多少才是最佳含氧量是很難確定的，也并非越低越好，定值控制是不合理的。因此，二次風(fēng)只能同時(shí)作為熱效率和床溫的主控變量。床溫與含氧量均不是定值控制，要通過模糊處理，做分析判斷，在保證床溫在安全范圍內(nèi)的同時(shí)力求氧量降低。

    3.4　關(guān)于床溫控制的主、附控制變量問題

    控制的本質(zhì)是克服擾動(dòng)，維持能量平衡和質(zhì)量平衡。CFBB的主要擾動(dòng)有兩個(gè)，負(fù)荷擾動(dòng)和煤質(zhì)擾動(dòng)。CFBB的特點(diǎn)就是燃料適應(yīng)性廣，可混燒劣質(zhì)煤、煤矸石、煤泥、垃圾等。因此，克服煤質(zhì)擾動(dòng)是主要技術(shù)難關(guān)。

    煤質(zhì)變化首先影響到床溫，是床溫波動(dòng)的主要原因。影響床溫的另一因素是爐內(nèi)狀態(tài)，爐內(nèi)狀態(tài)由一、二次風(fēng)比例決定，它影響爐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。因此針對(duì)這兩個(gè)因素分別設(shè)計(jì)控制回路。用給煤量的增減克服煤質(zhì)擾動(dòng)，而用風(fēng)量調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布。實(shí)現(xiàn)這種雙邊控制要解決兩個(gè)技術(shù)難題，一是如何識(shí)別床溫偏差是來自煤質(zhì)擾動(dòng)還是來自爐內(nèi)狀態(tài)引起的床溫分布不合理，二是如何解耦。

    為此，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合控制器用于識(shí)別煤質(zhì)擾動(dòng)，用修正給煤量的方法將其克服。在煤質(zhì)變化時(shí)，修正給煤量，保證了床溫。同時(shí)因?yàn)檫M(jìn)入爐膛的可燃成份的量沒有變，負(fù)荷不會(huì)受到影響。解耦問題自行解決。

    通過一、二次風(fēng)調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布，對(duì)負(fù)荷影響微弱。同時(shí)將風(fēng)控回路的控制周期加大，使其和煤控回路的周期拉開，從而克服兩者的相互干擾，耦合得以解決。

    4　解耦控制方案

    根據(jù)以上分析確定3個(gè)控制回路的主、輔助變量，設(shè)計(jì)綜合控制方案如圖3所示。
 

圖3 設(shè)計(jì)綜合控制方案

    該方案圖給出了系統(tǒng)的整體控制策略，局部環(huán)節(jié)可采用預(yù)測(cè)、模糊等先進(jìn)控制算法以提高其控制性能。

    5　結(jié)語

    本文分析了CFBB的工作原理，從床溫控制、風(fēng)量控制、料層差壓控制、給煤量控制等方面闡述了該系統(tǒng)的控制方式，循環(huán)流化床控制是一個(gè)多變量，多耦合關(guān)系的復(fù)雜控制系統(tǒng)。該方案已在多臺(tái)CFBB上運(yùn)行，其魯棒性能好，尤其在克服煤質(zhì)擾動(dòng)方面，效果尤為顯著。

    參考文獻(xiàn)：

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    [2] 章臣樾. 鍋爐動(dòng)態(tài)特性及其數(shù)學(xué)模型[M]. 北京: 水利電力出版社, 1987.

    作者簡介

    金衛(wèi)東（1981-），內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，本科，電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)就職于赤峰新城熱電分公司，主要研究方向?yàn)闊峁ぷ詣?dòng)化。

    摘自《自動(dòng)化博覽》11月刊