生物质循环流化床炉膛负压波动异常分析

易晓坚

摘  要：通过分析生物质循环流化床锅炉燃烧工况对炉膛负压的影响，提出了一些有针对性的解决措施。

关键词：生物质燃料;循环流化床锅炉;炉膛负压;燃烧工况

中图分类号：TK62               文献标识码：A               文章编号：2095-6835（2014）23-0022-02

1  生物质循环流化床锅炉概述

1.1  生物质循环流化床的燃烧机理

循环流化床的燃烧与普通燃烧最大的区别在于原料颗粒燃烧时的状态，流化床颗粒是处于流态化的燃烧反应和热交换过程中的。高速气流通过流化床底部的布风板将流化床颗粒（包括生物质颗粒和床料）吹起，气流速度控制在恰好能使颗粒浮起但不被吹走，质量大的颗粒多集中在床底部（形成密相区），经过干燥、分解和燃烧后，质量较小的颗粒会被气流抬升至床上部（形成稀相区）继续燃烧，烧完的质量最小的颗粒最后被气流吹出炉膛。为了提高燃烧效率，将飞出的颗粒通过旋风分离器收集后，重新送回密相区继续燃烧，而烟气会从分离器上部被排出。这就是所谓的“循环流化床燃烧”。

1.2  循环流化床锅炉燃料燃烧的过程

循环流化床锅炉燃料燃烧的过程如图1所示。

图1  循环流化床锅炉燃料燃烧的过程

1.3  生物质燃料与常规燃料的区别

生物质燃料与常规燃料（比如煤）有较大的区别，主要表现在以下3个方面：①生物质燃料的成分在不同季节会有所差别，燃料的质量也会随着季节的变化而改变，这就要求锅炉具有较好的适应性，以适应燃料的变化。②生物质燃料具有挥发分高、含氧量高、灰量偏少、灰密度低、易燃（300 ℃左右便

可燃烧）、燃烬率低和CO排放量较大的特点，燃烧特性总体劣于煤。同时，还存在流化不稳定、循环物料量不足和容易发生积灰和堵灰等问题。③稻壳灰中SiO2的含量较高，存在床料易结团、尾部对流受热面磨损严重的问题。

2  炉膛负压控制的重要性

在锅炉运行的过程中，控制炉膛压力非常重要。当机组负荷发生变化时，进入炉膛的燃料质量和一、二次风量会随之改变，燃料在炉膛中的燃烧环境也会随之改变，这会对炉膛压力造成非常大的影响。如果炉膛的压力过低，则炉膛和烟道的漏风量会增大，导致燃烧恶化，燃烧的损失量增大，甚至造成燃烧不稳定或灭火。此外，还会引起过热器汽温升高和灰粒对受热面、引风机的磨损加大。如果炉膛的压力过高，则炉膛内的火焰和高温烟气会向外泄露，进而影响锅炉的安全、稳定运行。对于生物质自燃循环流化床锅炉而言，因其具有的特性，在生物质燃料燃烧的过程中易出现较大的燃烧波动，尤其是在生物质燃料进入炉膛的瞬间，易出现大量挥发性气体析出的现象，进而引起剧烈燃烧，炉膛负压急剧升高。但挥发分具有燃烧速度快、持续性差的特点，炉膛负压会快速降低。炉膛负压的变化范围为±500 Pa，甚至达到±1 000 Pa。因此，炉膛压力自动控制是十分重要的，它可保证炉膛压力维持在一定允许的范围内。

3  影响炉膛负压波动的原因

3.1  生物质燃料热值的变化

生物质燃料热值的变化会导致燃烧工况不稳定，进而影响炉膛负压的稳定。目前，我国已开始利用的生物质能源主要包括4种：①木材加工业的剩余物。比如树皮、木屑等。②农业

生产的剩余物。比如稻壳、麦秆和棉花杆等。③城市废弃物。比如城市垃圾、下水道中的污泥等。④用于生物质能源利用的特殊木生、草本和水生植物。

凯迪绿色能源开发有限公司1×30 MW机组工程采用杭州锅炉股份集团有限公司生产的KG120-540/13.34-FSWZ1型锅炉，使用的燃料主要包括树皮、木材加工废料、农作物秸秆和稻壳等的生物质燃料。

表1  生物质燃料和灰品质分析资料

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15 835

14 485

2 964

9 939

12 472

从表1中可看出，不同生物质燃料的化学特性不尽相同。在机组实际的运行过程中，选取多种燃料并按比例掺烧，但仅是在料棚中使用铲车粗略地将各种燃料混合，导致燃料发热量的波动很大，燃烧工况极不稳定，这是造成炉膛负压波动大的主要原因。

3.2  生物质燃料中水分质量的变化

生物质燃料中水分质量的变化较大，导致燃烧工况不稳定，进而影响了炉膛负压的稳定。水分是生物质燃料中的易变的因素，它受天气和环境的影响很大。燃料破碎前都是露天堆放的，在湖南省，尤其是在春、秋季的梅雨时节，生物质燃料中水分的质量可达到70%以上;而在夏季，燃料中水分的质量在30%～40%之间。在燃烧反应的过程中，燃料中水分过多会使相当多的热量被用来干燥燃料，水分吸热后变为水蒸气随烟气排入大气，进而导致锅炉燃烧的效率降低，甚至起火困难。水蒸气会增加烟气的体积，进而导致炉膛压力降低。表2是某生物质电厂机组试运行阶段的生物质燃料化验单。

表2  某生物质电厂机组试运行阶段的生物质燃料化验单

• /%

• /%

• kJ/g）

• /%

1. -05-15

1. -05-16

1. -05-17

1. -05-18

1. -05-19

1. -05-20

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3.3  生物质燃料颗粒度的均匀性较低

生物质燃料颗粒度的均匀性较低，导致燃烧工况不稳定，进而影响了炉膛负压的稳定。颗粒度直接影响着生物质燃料挥发分的析出速率和析出量。挥发分的析出会受到温度、停留时间、压力、水分和原料种类的影响。其中，颗粒度对挥发分析出的影响较大——在其他条件相同的情况下，挥发分析出与颗粒度的关系为颗粒度越大，挥发分析出的速率越低;颗粒度越小，挥发分析出速率越高，析出量也越大。从隆回工程机组运行的情况看，其使用的燃料大部分以树皮、木材等加工业废弃品为主，并掺入了一定比例的锯木屑或稻壳，这导致燃料的均一性极差，进而造成流化风的强度难以控制。当风压较大时，较轻的燃料在炉膛内停留的时间较短，无法充分燃烧，导致尾部烟温升高、风压减小;较重的燃料不易被吹起，会在锅炉的密相区燃烧，进而造成结焦的情况。结焦会导致炉膛内的空气阻力增大，进而导致炉膛负压增大。

3.4  炉前给料系统故障

炉前给料系统故障会导致燃料中断，进而引起炉膛负压波动增大。从生物质电厂工程锅炉点火冲管阶段到72+24小时试运行阶段，因业主方对料场管理不力，生物质燃料中掺含了钢丝绳、水泥板和角钢等杂物，导致经常性地发生输料皮带停运和堵料现象，这会使机组燃烧工况极不稳定，负荷波动大，进而导致炉膛负压波动增大。

3.5  负压控制系统中的总风量测量偏差大

负压控制系统中的总风量测量偏差大，影响了炉膛负压控制。在炉膛压力调节系统中，炉膛负压测量值经过惯性延滞处理后，与给定值一起送入PID中运算，运算结果会引导风机静叶执行动作，从而控制炉膛负压满足机组运行的要求。当一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛负压才会发生变化。因此，可将总风量的微分量作为前馈信号，从而提高一、二次风量变化时控制系统响应的速度。

在炉膛负压调节系统中，总风量是引起炉膛负压变化的主要因素之一。因此，取总风量为炉膛负压自动调节的前馈信号，在调节回路中引入总风量的微分导前信号，经死区处理消除信号中的噪声波动后，加入调节偏差中。这样可以在一、二次风量发生变化时及时调整引风量，从而尽可能地减小炉膛压力变化。但机组在安装阶段对各风量测点的把关不严，一些风量测量装置没有按照厂家资料和验评规范的要求安装，导致风量测量不准，进而影响了炉膛负压控制系统的调节品质。

4  调试过程的逻辑修改

为了防止爆燃引起炉膛负压波动增大，进而点燃给料系统的输料皮带，我们采取以下3种方式改善风机和给料系统：①使炉膛出口压力≥600 Pa，延时3 s，联锁关闭所有给料机出口气动闸板门，停运给料机。②给料机出口气动闸板门关闭15 s后，且炉膛出口压力≥800 Pa时，联锁跳闸一次风机、二次风机。③使炉膛出口压力≥600 Pa，且使空预器出口压力≥0 Pa，延时10 s，联锁跳闸一次风机、二次风机。

5  结束语

随着循环流化床技术的进一步发展，循环流化床锅炉已进入大容量、高参数的时代，而与之相应的大容量CFB锅炉自动控制问题也成为了业内讨论、研究的重点。目前，生物质循环流化床的燃烧技术还不够完善，炉膛负压控制受燃烧工况的影响较大。我们只有通过测试、研究生物质循环流化床锅炉各控制对象的特性，逐步掌握其基本规律和特点，并经过不断的提高和改进，逐步满足生物质循环流化床锅炉的各项控制要求。

〔编辑：张思楠〕

Biomass Circulating Fluidized Bed Furnace Pressure Fluctuations Anomaly Analysis

Yi Xiaojian

Abstract： By analyzing the impact of biomass circulating fluidized bed boiler combustion conditions on furnace pressure， made a number of targeted solutions.

Key words： biomass fuels; circulating fluidized bed boiler; furnace pressure; combustion conditions

1. -05-22

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3.3  生物质燃料颗粒度的均匀性较低

生物质燃料颗粒度的均匀性较低，导致燃烧工况不稳定，进而影响了炉膛负压的稳定。颗粒度直接影响着生物质燃料挥发分的析出速率和析出量。挥发分的析出会受到温度、停留时间、压力、水分和原料种类的影响。其中，颗粒度对挥发分析出的影响较大——在其他条件相同的情况下，挥发分析出与颗粒度的关系为颗粒度越大，挥发分析出的速率越低;颗粒度越小，挥发分析出速率越高，析出量也越大。从隆回工程机组运行的情况看，其使用的燃料大部分以树皮、木材等加工业废弃品为主，并掺入了一定比例的锯木屑或稻壳，这导致燃料的均一性极差，进而造成流化风的强度难以控制。当风压较大时，较轻的燃料在炉膛内停留的时间较短，无法充分燃烧，导致尾部烟温升高、风压减小;较重的燃料不易被吹起，会在锅炉的密相区燃烧，进而造成结焦的情况。结焦会导致炉膛内的空气阻力增大，进而导致炉膛负压增大。

3.4  炉前给料系统故障

炉前给料系统故障会导致燃料中断，进而引起炉膛负压波动增大。从生物质电厂工程锅炉点火冲管阶段到72+24小时试运行阶段，因业主方对料场管理不力，生物质燃料中掺含了钢丝绳、水泥板和角钢等杂物，导致经常性地发生输料皮带停运和堵料现象，这会使机组燃烧工况极不稳定，负荷波动大，进而导致炉膛负压波动增大。

3.5  负压控制系统中的总风量测量偏差大

负压控制系统中的总风量测量偏差大，影响了炉膛负压控制。在炉膛压力调节系统中，炉膛负压测量值经过惯性延滞处理后，与给定值一起送入PID中运算，运算结果会引导风机静叶执行动作，从而控制炉膛负压满足机组运行的要求。当一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛负压才会发生变化。因此，可将总风量的微分量作为前馈信号，从而提高一、二次风量变化时控制系统响应的速度。

在炉膛负压调节系统中，总风量是引起炉膛负压变化的主要因素之一。因此，取总风量为炉膛负压自动调节的前馈信号，在调节回路中引入总风量的微分导前信号，经死区处理消除信号中的噪声波动后，加入调节偏差中。这样可以在一、二次风量发生变化时及时调整引风量，从而尽可能地减小炉膛压力变化。但机组在安装阶段对各风量测点的把关不严，一些风量测量装置没有按照厂家资料和验评规范的要求安装，导致风量测量不准，进而影响了炉膛负压控制系统的调节品质。

4  调试过程的逻辑修改

为了防止爆燃引起炉膛负压波动增大，进而点燃给料系统的输料皮带，我们采取以下3种方式改善风机和给料系统：①使炉膛出口压力≥600 Pa，延时3 s，联锁关闭所有给料机出口气动闸板门，停运给料机。②给料机出口气动闸板门关闭15 s后，且炉膛出口压力≥800 Pa时，联锁跳闸一次风机、二次风机。③使炉膛出口压力≥600 Pa，且使空预器出口压力≥0 Pa，延时10 s，联锁跳闸一次风机、二次风机。

5  结束语

随着循环流化床技术的进一步发展，循环流化床锅炉已进入大容量、高参数的时代，而与之相应的大容量CFB锅炉自动控制问题也成为了业内讨论、研究的重点。目前，生物质循环流化床的燃烧技术还不够完善，炉膛负压控制受燃烧工况的影响较大。我们只有通过测试、研究生物质循环流化床锅炉各控制对象的特性，逐步掌握其基本规律和特点，并经过不断的提高和改进，逐步满足生物质循环流化床锅炉的各项控制要求。

〔编辑：张思楠〕

Biomass Circulating Fluidized Bed Furnace Pressure Fluctuations Anomaly Analysis

Yi Xiaojian

Abstract： By analyzing the impact of biomass circulating fluidized bed boiler combustion conditions on furnace pressure， made a number of targeted solutions.

Key words： biomass fuels; circulating fluidized bed boiler; furnace pressure; combustion conditions

1. -05-22

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3.3  生物质燃料颗粒度的均匀性较低

生物质燃料颗粒度的均匀性较低，导致燃烧工况不稳定，进而影响了炉膛负压的稳定。颗粒度直接影响着生物质燃料挥发分的析出速率和析出量。挥发分的析出会受到温度、停留时间、压力、水分和原料种类的影响。其中，颗粒度对挥发分析出的影响较大——在其他条件相同的情况下，挥发分析出与颗粒度的关系为颗粒度越大，挥发分析出的速率越低;颗粒度越小，挥发分析出速率越高，析出量也越大。从隆回工程机组运行的情况看，其使用的燃料大部分以树皮、木材等加工业废弃品为主，并掺入了一定比例的锯木屑或稻壳，这导致燃料的均一性极差，进而造成流化风的强度难以控制。当风压较大时，较轻的燃料在炉膛内停留的时间较短，无法充分燃烧，导致尾部烟温升高、风压减小;较重的燃料不易被吹起，会在锅炉的密相区燃烧，进而造成结焦的情况。结焦会导致炉膛内的空气阻力增大，进而导致炉膛负压增大。

3.4  炉前给料系统故障

炉前给料系统故障会导致燃料中断，进而引起炉膛负压波动增大。从生物质电厂工程锅炉点火冲管阶段到72+24小时试运行阶段，因业主方对料场管理不力，生物质燃料中掺含了钢丝绳、水泥板和角钢等杂物，导致经常性地发生输料皮带停运和堵料现象，这会使机组燃烧工况极不稳定，负荷波动大，进而导致炉膛负压波动增大。

3.5  负压控制系统中的总风量测量偏差大

负压控制系统中的总风量测量偏差大，影响了炉膛负压控制。在炉膛压力调节系统中，炉膛负压测量值经过惯性延滞处理后，与给定值一起送入PID中运算，运算结果会引导风机静叶执行动作，从而控制炉膛负压满足机组运行的要求。当一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛负压才会发生变化。因此，可将总风量的微分量作为前馈信号，从而提高一、二次风量变化时控制系统响应的速度。

在炉膛负压调节系统中，总风量是引起炉膛负压变化的主要因素之一。因此，取总风量为炉膛负压自动调节的前馈信号，在调节回路中引入总风量的微分导前信号，经死区处理消除信号中的噪声波动后，加入调节偏差中。这样可以在一、二次风量发生变化时及时调整引风量，从而尽可能地减小炉膛压力变化。但机组在安装阶段对各风量测点的把关不严，一些风量测量装置没有按照厂家资料和验评规范的要求安装，导致风量测量不准，进而影响了炉膛负压控制系统的调节品质。

4  调试过程的逻辑修改

为了防止爆燃引起炉膛负压波动增大，进而点燃给料系统的输料皮带，我们采取以下3种方式改善风机和给料系统：①使炉膛出口压力≥600 Pa，延时3 s，联锁关闭所有给料机出口气动闸板门，停运给料机。②给料机出口气动闸板门关闭15 s后，且炉膛出口压力≥800 Pa时，联锁跳闸一次风机、二次风机。③使炉膛出口压力≥600 Pa，且使空预器出口压力≥0 Pa，延时10 s，联锁跳闸一次风机、二次风机。

5  结束语

随着循环流化床技术的进一步发展，循环流化床锅炉已进入大容量、高参数的时代，而与之相应的大容量CFB锅炉自动控制问题也成为了业内讨论、研究的重点。目前，生物质循环流化床的燃烧技术还不够完善，炉膛负压控制受燃烧工况的影响较大。我们只有通过测试、研究生物质循环流化床锅炉各控制对象的特性，逐步掌握其基本规律和特点，并经过不断的提高和改进，逐步满足生物质循环流化床锅炉的各项控制要求。

〔编辑：张思楠〕

Biomass Circulating Fluidized Bed Furnace Pressure Fluctuations Anomaly Analysis

Yi Xiaojian

Abstract： By analyzing the impact of biomass circulating fluidized bed boiler combustion conditions on furnace pressure， made a number of targeted solutions.

Key words： biomass fuels; circulating fluidized bed boiler; furnace pressure; combustion conditions