循环流化床锅炉的燃烧控制浅析
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作者: 范志刚
【摘要】本文介绍了CFB锅炉的燃烧控制流程，主要对220t/h循环流化床锅炉在负荷控制、风量控制和燃料控制等方面的控制目的、信号测点选择和控制方法做了简要分析。
【关键词】CFB；燃烧；控制；风量；燃料
循环流化床锅炉采用DCS的主要原因之一就是要解决运行控制复杂性的问题。相对优秀的模拟量调节控制回路的设计可以有效地控制现场执行机构的调节动作，从而安全高效地控制锅炉燃烧系统的运作。循环流化床锅炉是一个多参数、多变量、强关联、干扰多的控制对象，其自动控制系统既是独立的，又是相互关联的。
当一个系统进行调节之后，其他的调节系统也要有相应变化。本次对实际CFB燃烧过程中涉及到的负荷调节系统、一、二次风量调节系统、引风量调节系统、炉膛压力调节系统、给煤量调节系统、床温调节系统、床压调节系统做一个介绍。
1.负荷调节系统
锅炉主控系统发出的燃料指令即是总燃料指令，通过与总风量比较后取小值作为调节器的设定值，保证锅炉指令增加时风量始终大于燃料量，使得燃料在炉膛中能完全燃烧，提高燃烧经济性。也同时保证了先加风后加燃料、先减燃料后减风。在稳态时，锅炉负荷指令与风量信号以及燃料量近似相等，达到适当的燃料、风量静态配比。根据当时是否有给煤机处于自动控制模式来调节煤、油在负荷控制目标值中的比重（工作流程见图1）。
2.风量分配调节系统
锅炉主控系统发出的风量指令即为总风量控制器。总风量中一、二次风所占比例最大，同时一次风和二次风直接影响锅炉的运行及燃烧工况。所以，总风量调节系统通过改变一、二次风量的调节指令来保证锅炉所需配风(其中一次风量是经过床温调节补偿过的)。锅炉主控系统得到的总风量指令与燃料量测量值进行交叉限制后（取大值）作为总风量控制系统的给定值，从而保证一定的过剩空气系数。
一次风量反馈值分别由安装在风箱入口的三个差压流量计开方后经一级过热器温度压力补偿后取中间值得到。同样，二次风量反馈值是经二级过热器温度压力补偿后得到。补偿后的一次风量和二次风量相加，便得到补偿后的总风量测量值。补偿后的总风量信号反馈给控制屏，供运行人员监视，同时还作为一次、二次风量（送风）控制系统的信号（工作流程见图2）。
总风量指令经过最小流化风量比较后作为总风量控制器的设定值，总风量反馈主要是由一次风量反馈、二次风量反馈和修正风量组成的。经过PI控制器输出后的OP值，根据一定比例分配给床下一次风、床上一次风、下排二次风和上排二次风。正常运行时，这四个控制器的设定分配一般为64:10:6:4，之所以起比值相加不等于100，是由于其中还需去掉播煤风的风量影响。
3.炉膛压力调节系统
锅炉运行时，如果机组要求的负荷指令改变，则进入炉膛的燃料了和送风量将跟着改变，燃料在炉膛中燃烧后产生的烟气量也将随之改变。这时，为了维持炉膛内的正常压力，必须对引风量进行相应的调节。如果炉膛压力过高，炉膛内火焰和高温烟气就会向外部泄露，影响锅炉的安全运行；如果炉膛压力过低，炉膛和烟道的漏风量将增大，可能使燃烧恶化，燃烧损失增大，甚至燃烧不稳定或灭火。因此炉膛压力必须保持在一定的运行范围之内。
在炉膛压力调节系统中，炉膛出口压力测量值与给定值一起送入PID中进行运算，运算结果与引风机入口压力作为反馈、总风量为设定值的PID运算结果相比较，取小值作为最终值控制引风机调节挡板。由于循环流化床锅炉燃烧的特殊性，一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛出口压力才发生变化，因此必须把总风量（一次风机出口风量和二次风总风量之和）的微分量作为前馈信号送入PID控制输出中，以提高一、二次风量变化时控制系统响应的快速性。
（1）炉膛压力的测量
采用3个差压变送器测量炉膛压力，它们的输出送到中间值选择器。同样引风机入口压力也选用3个压力变送器，并取中间值作为引风机入口PID控制器的PV信号。
（2）前馈控制
风量信号时炉膛压力调节系统的前馈信号，当送风量改变时，如果以炉膛压力的变化调节引风量，必然使炉膛压力的动态偏量较大，采用送风量的前馈信号，使引风量能及时随着送风量的改变而改变。从而改变炉膛压力调节的动态偏差。
（3）引风机入口压力控制
风量信号经过函数发生器F1，作为引风机入口压力控制器设定值，PV信号取引风机入口三个压力信号的中间值。这样的目的在于保持送风量与引风量的及时平衡，保障风量平衡的及时性。
4.给煤量调节系统
锅炉主控系统发出的燃料指令即是总燃料指令，通过与总风量反馈值换算得到的可燃煤值比较后取小值作为给煤调节器的设定值。现场四台称重给煤机根据运行频率计算而得的实际给煤量作为反馈值，送入给煤控制器，调节范围为0-40吨/小时。
由于有四台称重给煤机，为避免造成偏烧、断煤等意外情况，需要对目标值进行分配，分别调节各台给煤机的给煤量。控制方式如下：
四台称重给煤机均在正常运行且控制模式均为自动，则目标值平均分配给下级四台称重给煤机控制器作为目标值，再由下级控制器根据目标值和现场反馈的运行频率计算值，对现场给煤机变频器进行调节。
四台称重给煤机均在正常运行，但其中一台控制模式为手动，则目标值将减去该台称重给煤机的反馈值后的平均分配给另外三台称重给煤机的下级控制器作为目标值，再由下级控制器根据目标值和现场反馈的频率转换值，对现场给煤机变频器进行调节。而手动控制的这台给煤机将根据操作人员手动输入的值对现场变频器进行调节，调节范围限制为（0-10t/h）。
煤量反馈值的引入，目的在于防止燃料扰动出现时，无法准确调整。只有在锅炉含氧量、硫化物含量或者主蒸汽压力发生变化时，才通过石灰石控制器或锅炉负荷控制器自动调整，紧急时甚至需要操作人员手动干预来消除扰动。
5.床温调节系统
循环流化床锅炉的最佳运行床温为850℃-900℃。在这一温度范围内，大多数煤都不易结焦。石灰石脱硫效果在这个温度时也具有最佳脱硫效果，并且NOX生成量也很少。床温测量值来自于炉膛下部左右各四个热电偶温度计测量的床温的平均值。
床温调节的目的是优化和减少烟气中SO2的含量，影响循环流化床床温的因素很多，如给煤量、石灰石供给量、排渣量、一次风量、二次风量、返料风量等。常温的煤进入炉膛会给床温带来一定的影响，同时，对于相应比例的石灰石的投入也是一样。但是给煤量主要用来调节主汽压力，给煤调节对床温的影响并不高，因此给煤量仅为调节床温的手段之一。石灰石供给量对床温的影响比较小，且其影响也可间接体现在给煤量上，故在构造床温控制系统时不考虑石灰石的影响。排渣量主要用来控制床层厚度，即床压，若床层厚度基本恒定则排渣量对床温的影响也可不予考虑。
由此可见床温的调节最好是在总风量一定的前提下，对一、二次风进入燃烧室再分配。即是在一、二次风各风量控制器的ＳＰ中加入床温影响。该影响值大小的设定视实际情况而顶，一般正负偏差为-10到10之间。
6.床压调节系统
床压是燃烧室内密相区床料厚度的具体表现，料层过薄时，燃料燃烧不够完全，热传递、热交换效果差，热量流失严重。同时会加大炉膛内风帽和各个测温设备的磨损。料层过厚时，床料的流化状态就会变差或不能流化影响炉内的燃烧工况，严重时会造成燃烧室内局部结焦。为保证床料的正常流化，需加大流化风量，随着风机负荷的增加用电量也会增加。因此床料厚度的变化直接影响到锅炉的安全及经济运行，料层厚度与床压具有一一对应关系。因此，床压的大小可以通过对料层厚度的调节来实现。
床压在炉膛密相区通过差压进行测量，大型循环流化床锅炉一般分左、右两侧，有些则在四面各分布一个测点，测量所得的平均值作为床压的实测值，此信号与由运行人员设置的床压给定值相比较后，通过调节器控制投用的冷渣器进渣调门的开度，改变燃烧室炉床排渣量，从而维持床压在给定值。
由于风冷渣器的设计上需要将冷却风携带细灰返回炉膛继续流化。从而，现在有很多公司考虑到风冷渣器在冷却过程中，若冷却风温度过低，则在返回燃烧室时会对床温有一定的影响，降低了锅炉效率，对经济运行不利。若冷却风温度过高，则无法达到冷却效果。基于这样的矛盾，众多流化床锅炉引入了水冷渣器设备来处理多余的燃烧粗渣。在布风板下部设两个出渣口，通过调节螺旋下料电机的频率调节下渣量。下渣部分和水冷渣器壳体通入与红渣隔离的冷却水，纯水箱、带有备台的循环水泵、冷却水回水温度构成该套水冷系统。通过回水温度监视冷却效果，控制备用泵的启停。
7.结束语
循环流化床锅炉的燃烧情况受众多因素的影响，本篇仅对其中主要因素产生的影响和克服扰动所选用的一般性的控制作以介绍。更多、更有效的控制方法还需要运行和工控工程师们在长期的应用中总结。
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作者简介：范志刚（1979—），男，湖北厦门人，工学硕士，研究方向：自动化控制。
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