循环流化床锅炉及其DCS控制系统

李慧杰

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

循环流化床锅炉及其DCS控制系统

李慧杰

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

针对循环流化床锅炉的运行控制特点，研究了循环流化床运行过程中床温控制、燃烧控制、风量控制以及传热控制等过程。对循环流化床锅炉工艺要求进行探究，分析了循环流化床锅炉控制特点以及难点，并对循环流化床的DSC控制系统的子控制系统进行设计。

控制过程；循环流化床锅炉；DCS控制系统

1 概述

1.1 循环流化床锅炉的发展及现状

我国虽然拥有丰富的煤炭资源，但是人均占有量很低，且煤炭利用效率低。作为煤炭生产与使用大国，我国一直面临着能源与资源环境2个问题。循环流化床锅炉作为一种新型燃料蒸汽装置，是近些年来在燃烧技术上的一项重大突破与发现。煤炭清洁燃烧技术的应用和发展，实现了煤炭资源的利用更加高效环保，具有大约90%的脱硫效率、和煤粉炉有近乎相似的燃烧效率、使用广泛以及适应能力强等优点。

循环流化床锅炉由于其能够提高煤炭资源的利用效率，减少有害气体的排放，环境友好，因此，该设备从设计应用成功开始就在国内煤炭化工行业得到快速的推广应用，并取得了很大的经济效益和社会效益。

1.2 DCS系统的发展及应用

随着计算机技术的不断发展与应用，DCS系统得到成长和完善。直到20世纪60年代之前，集中式的控制系统还占着控制系统的主导地位。在集中式控制系统中，一旦某个控制台发生故障，将会使得一切生产装置都有崩溃的风险。近些年，在原有集中式控制系统基础上，新的分布式控制系统不断发展(其中尤其以美国Honeywell公司的TDC-2000系统为重点)。虽然两者具有类似的系统功能，但实现系统功能的方法不同，DCS在应用中具有更多的优势。如今，DCS控制系统已经更加标准化、规范化，在对机器的协调性和可靠性等方面发挥着很大的作用，不仅使工业生产更加安全高效，而且大大地促进了工业生产的自动化进程，为企业带来了更大的利益空间。

2 循环流化床锅炉

2.1 循环流化床锅炉工作原理

循环流化床作为近些年来国际上出现的一种效率高、低污染的清洁燃烧技术，具有很大的燃烧效率，可对不同的煤炭颗粒进行分层燃烧处理。对于较粗的颗粒能在燃烧室的下面直接燃烧处理，而一些较细的颗粒则是在上面进行燃烧。其工作原理大致如下：将辅助作用的一定粒度的石灰石和粉碎的原煤按照一定的质量比例混合，进入到膜式水冷壁包覆的竖井中一次风机输送的一次风，经过一次风空预器预热处理到达竖井底部的风室，对混合的石灰石和煤产生流化作用。按照混合的固体粉粒的密度将竖井的内部区分为密相区、燃烧区以及稀相区。二次风机输送的二次风，经过二次风空预器预热处理后到达竖井中部的燃烧区。这2次风都是用于煤粉粒的燃烧，并保持3.5 m/s～4.5 m/s的流化速度。充分燃烧后温度达800 ℃左右的烟，经过稀相区进入到具有防磨内衬的立式旋风分离器中。下部分离的较大且未燃烧完全的粉粒，通过回送装置输送到竖井的密相区，循环流化再次进行燃烧。上部高温煤蒸气经过高温过热器释放出去，再经过减温器和低温过热器，使整个蒸气的温度迅速降低。然后，通过尾部竖井中的省煤器，吸收低温烟气中的热量。最后，经由尾部的除尘器对烟气除尘后，排放到空气中。

典型的循环流化床锅炉示意图见图1。

图1 典型的循环流化床锅炉示意图

2.2 循环流化床锅炉的控制特点

2.2.1 循环流化床锅炉的床温控制

不同的负荷水平下，采用不同的床温。但是在负荷范围内，保证床温温度维持在850 ℃～950 ℃某一特定值，才能使得脱硫效率最高。一般在低负荷的时候，风量与煤量都比较小，床温也很容易进行控制，这样可以在一个较长的时间内控制其温度；而在高负荷的时候，因为头2次风调节的量变小，对床温的调节就会有所增加。实际操作当中就会出现，燃烧的效率高，床温水平相对较高。传统的手动也能够维持床温的恒定，但是人工控制的效率低、反应慢，增加人工成本。自动化床温调节控制系统的应用，使调控床温更加准确、快速、高效、节能。

2.2.2 循环流化床锅炉的燃烧控制

循环流化床锅炉的燃烧区是保证煤炭燃烧效率的关键，必须设计合理的内部结构，维持适当的流化速率和床温，使燃料燃烧效率能够达到98%以上。对循环流化床锅炉燃烧有很多的影响因素，如床温、给煤方式等。多种影响因素的存在，使得锅炉燃烧控制变得复杂，必须用自动化的控制系统代替人工的调节，才能够保证燃料的高燃烧效率。

2.2.3 循环流化床锅炉的风量控制

输送风量的控制是循环流化床锅炉整个控制过程中必要的一部分。CFB锅炉包括第一和第二次风量比例的控制。一次和二次风机的输送风量以及风空预器也需要根据流化床实际运行情况进行控制，保证高的燃烧效率。另外，CFB锅炉需要石灰石粉粒辅助燃烧，石灰石粉粒的粒度设计必须合理，才能够满足锅炉的型号。

2.3 循环流化床锅炉的传热

循环流化床锅炉的燃烧产生大量的热量，在整个炉腔内循环过程中都存在传热现象。如果不对这些传热现象明显的区域进行有效控制，就会对整个流化循环过程产生一定的消极影响，甚至对操作人员的身体健康产生威胁。传热形成的危害主要有以下几个方面：

1) 流化风速受到传热的影响，使风速变得不稳定，流化速率产生波动，进而影响燃烧过程。

2) 传热受到循环倍率的影响。由于循环倍率的不断增大，其中的物料循环量也水涨船高，其实际上只是热的一种承载物，将燃烧室内的热量移动到炉膛上面，使得炉膛内部的温度均匀，并和冷壁进行热量的转换。

3) 传热受到床温的影响。床温能够直接对传热产生影响，随着床温的上升，烟气辐射也能够提升烟气的导热系数，距离壁区较近的壁面辐射也会相应地增强。如此一来，总的辐射换热系数就会得到明显的提升。

所以，如果能够利用智能化的控制系统对整个循环过程进行有效控制，就可以减少传热剧烈带来的危害，保证生产稳定进行。

2.4 循环流化床锅炉工艺要求

循环流化床的工艺参数是：额定蒸发量75 t/h，额定蒸汽压力5.29 MPa。水受温度控制在104 ℃，流化速率4 m/s，流化床床温900 ℃。另外，为了使循环流化床锅炉燃烧产生的热量得到充分利用，在锅炉后半部分增加了节能系统，对烟气的余热进行回收；运行过程中也要保证排渣的频率，使炉渣尽快排出，防止炉渣的堆积对炉腔内部造成损伤。

第89页表1为循环流化床锅炉的参数耦合。给水控制在锅炉自动控制的过程中占有非常重要的地位，而且是整个控制系统系统的代表，因此，本文将给水控制系统作为重点研究对象。

表1 循环流化床锅炉的参数耦合

3 循环流化床锅炉DCS控制系统

循环流化床锅炉控制系统如图2所示，总共包括了9个子控制系统，涵盖了对输送风量的调节，主汽压力、料床压差、炉膛负压的调节，水位高度的调节以及过热蒸气温度调节，实现对整个流化循环过程的控制，这就是典型的DCS控制系统。在各个子系统独立设计的基础上，最终通过协作完成对整个系统的控制。各个独立的子控制系统，能够完成部分因素的控制而不受其他系统的影响，最终在总控系统中对所有的参数进行综合的计算机模拟，再反馈到每一个子调节系统中，实现了整体的调节。

图2 循环流化床锅炉控制系统

4 结论

循环流化床锅炉自身具有燃烧的效率较高、燃烧时对燃物的适应性较强、负荷调节性能较好、更加环保洁净等优点，目前在国内外已经得到大力推广并加以使用。大型循环流化床锅炉也已经被投入使用[2]。但到目前为止，我国自行设计的还很少，因此，我们必须加紧寻找一条符合我国自身技术特点和煤炭资源使用的可持续发展的道路。

[1] 徐传泉.基于DCS控制技术的循环流化床锅炉安装调试研究[J].电子制作,2015,6(7):123.

[2] 田青.基于霍尼韦尔PKS430 DCS的循环流化床锅炉控制[J].内蒙古石油化工,2016(9):59-60.

Circulating fluidized bed boiler and technology application of DCS control system

LI Huijie

(Datong Guangfa Chemical Industry Co., Ltd., Datong Shanxi 037000, China)

According to operation control characteristics of circulating fluidized bed boiler, this paper studies the operation process in circulating fluidized bed, which includes bed temperature control, combustion control, air control and heat transfer process control etc.. And it probes into the technical requirements of circulating fluidized bed boiler, analyzes the characteristics and difficulties of circulating fluidized bed boiler, and designs the sub control system of DSC control system of circulating fluidized bed.

control process; circulating fluidized bed boiler; DCS control system

2017-03-06

李慧杰，男，1989年出生，2012年毕业于太原理工大学，本科，同煤广发化学工业有限公司仪表维护工程师。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.02.29

TQ054

A

1004-7050(2017)02-0087-03

专题讨论