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    循環(huán)流化床( CFB)鍋爐因具有燃燒效率高、污染排放物低、燃料適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廣泛的應(yīng)用，但CFB鍋爐在自動控制方面公認(rèn)尚存在很多問題。當(dāng)前國內(nèi)大量投產(chǎn)的150 MW CFB鍋爐床溫協(xié)調(diào)控制都很難投入自動。
    2006年4月17日，四川白馬循環(huán)流化床示范電站31號機(jī)組順利完成168小時滿負(fù)荷試運(yùn)工作，正式投入商業(yè)運(yùn)行。31號機(jī)組鍋爐島為法國AlstoTOM公司生產(chǎn)的300MW CFB，亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，額定蒸發(fā)量1 025t/h，設(shè)計脫硫效率為94.15%；汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的單軸、雙缸雙排汽、一次中間再熱、冷凝式汽輪機(jī)；DCS系統(tǒng)采用德國ABB Sympho虹y Melody系統(tǒng)，主要完成ccs、MCS、scs、DAS、ECS等功能。
    四川白馬示范電站300 MW CFB機(jī)組項且是國家“十五”重點(diǎn)項目，鍋爐部分設(shè)備全部引進(jìn)技術(shù)，是國內(nèi)首臺300 MW CFB鍋爐。由于鍋爐容量的增大、參數(shù)的提高，常規(guī)受熱面布置方式已經(jīng)不能滿足鍋爐換熱的需要，因此特別設(shè)計了4個外置式熱交換器（俗稱外置床），用以布置受熱面，其中1、4號外置床中布置高溫再熱器和低溫過熱器，2、3號外置床中分級布置一、二級中溫過熱器。爐膛頂部出口的床料經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后，進(jìn)入虹吸密封槽，一部分直接回到爐膛，另一部分通過布置在虹吸密封槽的四臺灰控閻（又稱錐形閥）來控制其進(jìn)入外置床，熱灰在外置床中與各級受熱面換熱后從外置床出口管道返回爐膛。外置床的增加，為CFB鍋爐多變量之間的解耦起到了關(guān)鍵的作用。在168小時滿負(fù)荷試運(yùn)及隨后的商業(yè)運(yùn)行中，整個機(jī)組所在自動控制均投人了運(yùn)行，效果良好。
1、流化床鍋爐動態(tài)特性
    CFB鍋爐主要不同于普通煤粉爐的地方是它的燃煤。CFB鍋爐沒有磨煤機(jī)，入廠煤經(jīng)過一級、二級破碎機(jī)破碎成粒徑≤8 mm的顆粒后，經(jīng)刮板給煤機(jī)送入爐膛，燃煤粒徑比普通煤粉爐的煤粉大得多。當(dāng)煤粒進(jìn)入爐膛后，將發(fā)生下列過程：①煤粒和高溫床粒混合的加熱并干燥，水分揮發(fā)；②熱解及揮發(fā)分燃燒；③對某些煤種會發(fā)生顆粒膨脹和一級破碎現(xiàn)象。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    所以，CFB鍋爐的主要特征在于顆粒在離開爐膛出口后經(jīng)旋風(fēng)分離器和返料裝置不斷送回爐膛燃燒。煤粒完全燃盡需要約8～10 min，比普通煤粉爐的煤粉燃燒過程長得多，造成鍋爐燃燒過程滯后時間非常長，再加上燃燒室內(nèi)的床料具有相當(dāng)大的熱慣性和蓄熱能力。因此，其動態(tài)特性主要表現(xiàn)為燃燒室及外置床內(nèi)流化層熱容量大，動態(tài)過程滯后時間長。這種特性造成了當(dāng)給煤量變化后，主蒸汽壓力的響應(yīng)比普通煤粉爐的遲延和慣性要大得多。
2、CFB鍋爐主要的自動控制系統(tǒng)
    CFB鍋爐由于和普通鍋爐相比動態(tài)特性更復(fù)雜，它是風(fēng)、煤、水等眾多變量之間相互影響和相互耦合的復(fù)雜多變系統(tǒng)，加上主蒸汽壓力對燃料量的反應(yīng)存在相當(dāng)長時間的滯后時間，因此，眾多因索決定了它和常規(guī)煤粉爐在控制方面必然存在很大差異。
2.1給煤控制系統(tǒng)
    給煤系統(tǒng)設(shè)計有4條給煤線，每條給煤線包括1臺稱重給煤機(jī)和l臺刮板給煤機(jī)，采用爐前爐后給煤的方式。稱重給煤機(jī)接收鍋爐主控指令，控制給煤量。鍋爐主控指令同時送給刮板給煤機(jī)，以達(dá)到快速改變給煤量，減小燃燒滯后的目的。
    為適應(yīng)煤質(zhì)的變化，克服煤質(zhì)大幅波動對調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，控制系統(tǒng)設(shè)計了給煤熱值的在線計算邏輯和氧量校正回路。
2.1.1熱值計算
    當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生波動時，通過給煤熱值的在線計算邏輯，ccs能快速地“感覺”出來，并自動調(diào)整給煤量，達(dá)到克服擾動，以利于機(jī)組穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)燃燒的目的。
  熱值修正邏輯原理圖如圖I。
2 .1.2氧量校正
    氧量校正控制回路的工作原理和熱值計算相似，其輸出和經(jīng)過熱值修正計算出的熱量相乘，再送入鍋爐主控制器，作為鍋爐主控調(diào)節(jié)器的測量值，由鍋爐主控輸出指令去改變風(fēng)量和煤量。
2.2床溫控制系統(tǒng)
    CFB -般將床溫控制在850~900℃，這是最佳脫硫、脫硝的溫度范圍。四川白馬300 MW CFB鍋爐不采用國內(nèi)常見的通過調(diào)節(jié)一、=次風(fēng)的配比和通過調(diào)節(jié)給煤量來調(diào)節(jié)床溫，而是通過調(diào)整2、3號外置床的灰控閥開度來調(diào)節(jié)床溫。床溫高時開大灰控閥，加大進(jìn)入外置床的灰量，該部分熱灰經(jīng)過布置在2、3號外置床的中溫過熱器進(jìn)行熱交換后，溫度降低，再進(jìn)入爐膛，能有效地降低床溫，反之，則關(guān)小灰控闊。床溫由外置床灰控閥控制后，將一次風(fēng)量和煤量控制解放出來，使得一次風(fēng)量能專心控制爐膛內(nèi)物料的流化，煤量只和主汽壓有關(guān)。鍋爐一次風(fēng)及下二次風(fēng)量是負(fù)荷的函數(shù)，不參與床溫控制，這與常規(guī)的CFB機(jī)組（無外置床）有很大區(qū)別。
2.3主蒸汽溫度控制系統(tǒng)
    采用分別布置在低過、一級中過、二級中過出口的三級噴水減溫來調(diào)節(jié)主蒸汽溫度，控制部分一級、二級減溫采用常規(guī)的串級調(diào)節(jié)。由于2、3號外置床灰控閥在調(diào)節(jié)床溫時，將一、二級中溫過熱器汽溫產(chǎn)生較大擾動，再加上過熱汽溫存在較長時間的滯后，因此在三級過熱減溫上采用了帶狀態(tài)觀測的PID串級控制。在穩(wěn)定工況時主汽溫穩(wěn)定在給定值+1℃- 2℃之內(nèi)；變負(fù)荷時，主汽溫穩(wěn)定給定值+1℃—4℃之內(nèi)，控制效果比常規(guī)PID調(diào)節(jié)好得多。
2.4再熱汽溫控制系統(tǒng)
    300 MW CFB鍋爐的高溫再熱器布置在1、4號外置床內(nèi)，因此鍋爐正常運(yùn)行時再熱汽溫主要通過1、4號外置床的灰控閥開度大小來調(diào)節(jié)。當(dāng)再熱汽溫降低時，開大灰控閻以增加外置床進(jìn)灰量以提高再熱汽溫，當(dāng)再熱汽溫升高時與此相反。當(dāng)工況變化太快，外置床灰控閥調(diào)節(jié)已不能滿足控制要求時，投入布置在低溫再熱器人口的噴水減溫，但噴水減溫僅用于事故或緊急工況。
2.5 -次風(fēng)控制系統(tǒng)
    一次風(fēng)壓力控制系統(tǒng)的目的是保持一次風(fēng)壓與爐膛總差壓相匹配，以保證一次風(fēng)量足夠。一次風(fēng)壓設(shè)定值是左、右爐膛總差壓的二選大值。一次風(fēng)壓通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)機(jī)人口擋板的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
    一次風(fēng)量的設(shè)定值是鍋爐熱負(fù)荷的函數(shù)，其作用是保證爐膛內(nèi)床料的充分流化。
2.6二次風(fēng)控制系統(tǒng)
    二次風(fēng)分上下兩層。下層二次風(fēng)量是熱負(fù)荷的函數(shù)，作用是補(bǔ)充一次風(fēng)量的不足，起流化作用；上層二次風(fēng)的目的是助燃，用于控制總風(fēng)量，保證爐膛內(nèi)的燃料安全、經(jīng)濟(jì)燃燒。
    二次風(fēng)壓設(shè)定值是負(fù)荷的函數(shù)，以達(dá)到和鍋爐燃燒工況相匹配的目的。二次風(fēng)壓通過二次風(fēng)機(jī)人口擋板開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.7引風(fēng)控制系統(tǒng)
爐膛壓力通過引風(fēng)機(jī)人口擋板的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用串級PID控制：主調(diào)節(jié)器控制爐膛頂部壓力，設(shè)定值為0；副調(diào)節(jié)器控制尾部煙道頂部壓力，設(shè)定值為主調(diào)節(jié)器輸出，通常在-2 kPa。為減少爐膛壓力的波動，加快調(diào)節(jié)速度，在引風(fēng)控制系統(tǒng)中加入負(fù)荷指令和總風(fēng)量的前饋信號。
3、300 MW CFB機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)
    300 MW CFB鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制原則是將汽輪機(jī)、鍋爐作為整體進(jìn)行綜合考慮，通過前饋飯饋、連續(xù)／斷續(xù)、非線性、方向控制等控制機(jī)理的有機(jī)結(jié)合，來協(xié)調(diào)控制機(jī)組功率與機(jī)前壓力，協(xié)調(diào)處理負(fù)荷要求與實際能力的平衡。
    協(xié)調(diào)控制的基本組成包括負(fù)荷指令計算和機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行方式管理兩大部分。
3.1負(fù)荷指令的形成
    負(fù)荷指令處理回路接受ACC指令、操作員指令和一次調(diào)頻指令，并根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對負(fù)荷指令進(jìn)行處理，使之與運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)荷能力相適應(yīng)。
3.1.1負(fù)荷指令的限制和修正
    當(dāng)機(jī)組在協(xié)調(diào)控制方式下運(yùn)行時，若主要輔機(jī)設(shè)備發(fā)生故障突然停運(yùn)，將形成RB指令，通過該指令迫使機(jī)組的負(fù)荷快速下降到運(yùn)行的輔機(jī)設(shè)備所能承受的負(fù)荷水平，同時RB指令還會被送到燃料量和風(fēng)量管理系統(tǒng)( BMS)，減小給煤機(jī)及風(fēng)機(jī)出力，協(xié)助鍋爐快速降負(fù)荷，從而確保機(jī)組與電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。300 MW CFB機(jī)組設(shè)置了4種情況的Runback。
3.1.2一次調(diào)頻
    調(diào)頻校正基點(diǎn)為50 Hz，調(diào)頻死區(qū)為±2 lc/min，負(fù)荷調(diào)節(jié)限幅±24 MW，一次調(diào)頻要求全程投入。當(dāng)機(jī)組發(fā)生Runback自動退出一次調(diào)頻控制。
3.1.3負(fù)荷指令的跟蹤
    負(fù)荷指令加上一次調(diào)頻給定即是機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷。在手動時，控制回路快速跟蹤電功率，以實現(xiàn)手／自動無擾切換。
3.2協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方式
    協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計了CCS1（“爐跟機(jī)”協(xié)調(diào)方式）、CCS2(“機(jī)跟爐”協(xié)調(diào)方式)兩種模式。根據(jù)鍋爐主控制器、汽輪機(jī)主控制器的手動、自動方式的不同選擇，可以組合出MAN方式、BF方式、TF方式、“機(jī)跟爐”協(xié)調(diào)方式、“爐跟機(jī)”協(xié)調(diào)方式五種控制方式。機(jī)組運(yùn)行中，可以根據(jù)機(jī)組實際工況需要選擇其中一種。
3.3協(xié)調(diào)控制效果
    機(jī)組運(yùn)行中，為滿足電網(wǎng)對負(fù)荷的需求，同時也減少發(fā)電廠不合格電量的產(chǎn)生，在機(jī)組工況允許時，一般都采用CCS1的協(xié)調(diào)控制方式，由于主汽壓力的大遲延特性，為避免壓力的超調(diào)，機(jī)組負(fù)荷變化率一般限制在4 MW/min內(nèi)。如果電網(wǎng)對機(jī)組負(fù)荷要求不高，則可以采用CCS2控制方式，畢竟CCS2,能減少CCS1對鍋爐工況造成的擾動，保證鍋爐穩(wěn)定，對鍋爐健康有好處。
4、協(xié)調(diào)控制過程中遇到的問題
4.1升／降負(fù)荷速率問題
    由于主蒸汽壓力的大純滯后特性，盡管加入了負(fù)荷及汽包壓力的負(fù)微分信號，但為了免避產(chǎn)生超調(diào)，鍋爐主控調(diào)節(jié)器積分時間設(shè)得較長，造成300 MWCFI鍋爐升／降負(fù)荷速率尚不及煤粉爐，這一點(diǎn)有待在運(yùn)行過程中逐漸研究，予以優(yōu)化。
4.2 Runback問題
    RB功能是按常規(guī)煤粉爐的要求設(shè)置的。但由于300 MW CFB鍋爐巨大的熱容量，實際運(yùn)行中，當(dāng)4條給煤線全部跳閘，燃料全部中斷后，機(jī)組尚能維持20nun負(fù)荷再解列（此過程負(fù)荷逐漸減到0）。因此，RB的邏輯是否應(yīng)針對CFB鍋爐做特殊設(shè)計，值得在運(yùn)行中繼續(xù)進(jìn)行探索。
4.3給煤熱值的在線計算邏輯還有待優(yōu)化
    由于煤質(zhì)在線計算存在很長時間的滯后，因此煤質(zhì)大幅波動時，主汽壓力要出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，有待在運(yùn)行過程中逐步優(yōu)化。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
5、結(jié)語
    300 MW CFB鍋爐四個外置床的引入，對CFB鍋爐各參數(shù)之間的復(fù)雜耦合解耦起到了關(guān)鍵作用，改變了協(xié)調(diào)控制難于投入的局面。