中温返料CFB锅炉在低负荷运行时的协调优化控制模型研究

夏青林（天津滨海新区安全生产监督管理局，天津 塘沽 300400）

于现军（北京和隆优化控制技术有限公司，北京 100096）

1 引言

循环流化床（CFB）锅炉以其燃料适应性强、燃烧效率高、负荷调节性能好、污染物排放低等显著特点而在我国获得突飞猛进的发展，我国第一台装备于电站的循环流化床锅炉于1988年诞生于山东明水热电厂，尽管CFB锅炉在我国的出现才二十多年，但无论从数量到单机规模目前都走在了世界前列。据统计，截至到2008年底我国共有35t/h以上不同容量等级的循环流化床锅炉5000多台。

对循环流化床（CFB）锅炉的最重要的操作是对返料灰循环量的控制，如果返料灰的循环出现问题，则整个循环流化床（CFB）锅炉的运行状态将无法正常地建立起来甚至会导致高温结焦、停炉等安全事故。从返料温度等级来划分CFB锅炉有高温返料和中低温返料。高温返料CFB 锅炉由于返料温度与床温持平，对床温的控制主要体现在煤与风的搭配上，由于其返料量的多少是建立在自平衡之上的，其操作就相对容易一些；但中低温返料CFB锅炉则由于其返料灰温度比床温低300℃~500℃，返料灰的多少不仅会极大地影响锅炉负荷、汽温，更会直接影响到床温乃至整个锅炉的安全，因此在中低温返料CFB锅炉低负荷运行时如何使锅炉负荷、汽温和床温都得到安全、稳定地保证是一个相对困难的问题。

本文将以福建石狮热电有限责任公司的两台燃用福建无烟煤的上海东锅生产的75t/h中温返料CFB锅炉（DG75/3.82-11型）为例探讨这个问题。

2 中温返料CFB锅炉及其低负荷运行问题

2.1 福建无烟煤及CFB锅炉设计特点

福建无烟煤是世界上有名的劣质煤之一，具有着火点高（900℃~950℃）、挥发份低（一般为2%~4%）且析出时间长、灰熔点低（灰的变形温度t1一般在1100℃左右）以及煤质脆燃烧易爆裂和细小颗粒含量多（小于1mm的煤粒占一半左右）等特性，在链条炉上都是很难燃烧的。

为了能够燃用劣质的福建无烟煤，福建石狮热电有限责任公司与东锅在设计生产时就采用了低流速、高炉膛、中物料循环倍率、敷设长卫燃带等措施；高过、低过受热面安装在炉膛出口，主汽温度控制采用喷淋式减温器。近十年的运行数据表明：DG75/3.82-11型锅炉可燃用低位发热值13.6~27.5MJ/kg、含碳量36%~86%的福建无烟煤，出力可从40~90t/h ，平均热效率曾达到84.52%，比同容量燃用福建无烟煤的煤粉炉还高2%~3%以上。

2.2 低负荷运行工况分析

福建石狮热电有限责任公司主要以供热为主，下游蒸汽用户有五十多家，其中不乏“白天冒烟，晚上歇班”的企业，这时常造成一天中锅炉负荷从50%到110%的波动。当负荷降低时，负荷控制回路必定会减煤，煤的减少造成床温降低，此时床温控制回路又将循环灰量减少，循环灰量的减少使得炉床上的热量被转移出去的强度以及炉膛中的受热面与高温烟气的换热强度大大减弱，这就造成汽温控制回路即使已把减温水阀全部关闭，但仍避免不了主汽温度会低于控制点（440℃~445℃）10℃~20℃以上，蒸汽温度低会导致汽轮机末几级的湿度增加，蒸汽中的水分会对汽轮机叶片产生较大的冲蚀和过大的推力，这给汽轮机组的安全与经济运行造成了不利影响。低负荷与高汽温是一个矛盾，如何在低负荷下通过实施特殊控制策略来解决汽温偏低的问题呢？

3 中温返料CFB锅炉床温-汽温协调优化控制模型设计及运行效果

3.1 循环灰在汽温协调上的重要性

循环灰在CFB锅炉运行中的重要性是不言而喻的，可以说如果一台 CFB锅炉的返料器（灰）工作不正常必定造成整台锅炉运行的不正常。无论是具有自平衡功能的高温返料CFB锅炉或是通过控制返料灰量来控制床温和负荷的中低温返料CFB锅炉，在固定负荷下都有如下几个动态平衡：

（1）热量平衡

（2）循环灰量平衡

（3）进煤量与飞灰量和放渣量平衡

（4）进水量与发汽量和排污量平衡

就热量平衡来说，存在如下方程：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

其中： Qr：1kg燃料带入锅炉的热量（KJ/kg）；

Q1：锅炉有效利用热量（KJ/kg）；

Q2：排出烟气所带走的热量（KJ/kg）；

Q3：气体不完全燃烧热损失（KJ/kg）；

Q4：固体不完全燃烧热损失（KJ/kg）；

Q5：锅炉的散热损失（KJ/kg）；

Q6：灰渣带走的物理热量（KJ/kg）。

鉴于入炉煤量仅占床料的5%左右，因此可以认为当入炉煤量发生极小变化在某个特定时间段的ΔQ2、ΔQ3、ΔQ4、ΔQ5、ΔQ6都可以忽略不计，即：

ΔQr≈ΔQ1/η

其中：

ΔQr=ΔFm*Qdw

ΔQ1=2.25*ΔTq*Fq

则有：ΔFm≈2.25*ΔTq*Fq/ Qdw/η

假设入炉煤的流量为10t/h，热值为20000 KJ/kg，蒸汽负荷为50t/h，汽温为420℃，汽压为3.5MPa，排污量为0，上水温度为150℃，锅炉效率为80%，则把汽温提升20℃所需的煤量大致为：

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

那么又如何在保证床温稳定的前提下，把这141kg/h的煤的热量传递给炉膛出口的受热面—高过和低过从而使主汽温度提高20℃呢？很自然可以通过按特定规则同时微量调整进煤量和循环灰量，使它们的放热与传热达到一个动态平衡，即根据汽温降低的情况确定所需的热量，进而确定入炉煤的增量及带走这些煤所产生热量的循环灰量，就可以在实现在保证床温基本不变、负荷基本不变的前提下使汽温提高。

3.2 床温-汽温协调优化控制模型设计

协调优化规则如下：

（1）当汽温低于某值（432℃）时，而床温不低于某值、相对平稳且有上升趋势（0.2℃/m），则通过加大返料灰量从床料蓄热中瞬间提取一部分热量到炉膛上部并使过热器中蒸汽吸收而得以提高其温度；

（2）返料量按（3）中控制模型加大后，当下列条件满足其一即停止对循环灰量的协调：床温呈下降趋势（-0.2℃/m）或协调时间已够(120秒)；

（3）返料量和煤量增量的控制输出为：

Δu1*=(TR-TE)/20*Δu

图1 模型操作界面图

图3 循环灰量的协调量与实际汽温的运行曲线（二）

Δu2*=K1*(TR-TE)/20*Δu

（4）协调条件仍然满足的前提下，也要经过固定的时间（120秒）后再进行下一次协调。模型操作界面如图1所示。

3.3 运行效果分析

基于协调优化模型，通过同时调整返料灰量和进煤量来实现中温返料循环流化床锅炉在低负荷运行时在保证床温稳定、汽压稳定的前提下提高汽温的实践是成功的，该数学模型的实现是基于北京和隆优化控制技术有限公司的BCS系统完成的。一年多的运行效果表明：

（1）在锅炉负荷低于50t/h时汽温要长期低于415℃，但采用该协调模型后平均汽温提高了17℃以上；

（2）尽管采用同时调节进煤和返料量，但床温仍运行平稳，控制精度可达到R±5℃，比人工手动控制精度提高五倍以上；

（3）该协调优化模型抗干扰能力强，具有自适应功能。

图2、图3所示为循环灰量的协调量与实际汽温的运行曲线。途中直线为汽温控制点，方波状曲线为循环灰量控制阀开度的增量。

4 结语

对中低温返料循环流化床锅炉来说高床温意味着高炉效，但在其低负荷运行时即便是高床温但也不一定带来高汽温，本协调模型很好地解决了这一矛盾，它在此类CFB锅炉上具有推广意义。

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