李慧杰

(同煤廣發(fā)化學工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

循環(huán)流化床鍋爐及其DCS控制系統(tǒng)

李慧杰

(同煤廣發(fā)化學工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

針對循環(huán)流化床鍋爐的運行控制特點，研究了循環(huán)流化床運行過程中床溫控制、燃燒控制、風量控制以及傳熱控制等過程。對循環(huán)流化床鍋爐工藝要求進行探究，分析了循環(huán)流化床鍋爐控制特點以及難點，并對循環(huán)流化床的DSC控制系統(tǒng)的子控制系統(tǒng)進行設(shè)計。

控制過程；循環(huán)流化床鍋爐；DCS控制系統(tǒng)

1 概述

1.1 循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展及現(xiàn)狀

我國雖然擁有豐富的煤炭資源，但是人均占有量很低，且煤炭利用效率低。作為煤炭生產(chǎn)與使用大國，我國一直面臨著能源與資源環(huán)境2個問題。循環(huán)流化床鍋爐作為一種新型燃料蒸汽裝置，是近些年來在燃燒技術(shù)上的一項重大突破與發(fā)現(xiàn)。煤炭清潔燃燒技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，實現(xiàn)了煤炭資源的利用更加高效環(huán)保，具有大約90%的脫硫效率、和煤粉爐有近乎相似的燃燒效率、使用廣泛以及適應(yīng)能力強等優(yōu)點。

循環(huán)流化床鍋爐由于其能夠提高煤炭資源的利用效率，減少有害氣體的排放，環(huán)境友好，因此，該設(shè)備從設(shè)計應(yīng)用成功開始就在國內(nèi)煤炭化工行業(yè)得到快速的推廣應(yīng)用，并取得了很大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.2 DCS系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，DCS系統(tǒng)得到成長和完善。直到20世紀60年代之前，集中式的控制系統(tǒng)還占著控制系統(tǒng)的主導地位。在集中式控制系統(tǒng)中，一旦某個控制臺發(fā)生故障，將會使得一切生產(chǎn)裝置都有崩潰的風險。近些年，在原有集中式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新的分布式控制系統(tǒng)不斷發(fā)展(其中尤其以美國Honeywell公司的TDC-2000系統(tǒng)為重點)。雖然兩者具有類似的系統(tǒng)功能，但實現(xiàn)系統(tǒng)功能的方法不同，DCS在應(yīng)用中具有更多的優(yōu)勢。如今，DCS控制系統(tǒng)已經(jīng)更加標準化、規(guī)范化，在對機器的協(xié)調(diào)性和可靠性等方面發(fā)揮著很大的作用，不僅使工業(yè)生產(chǎn)更加安全高效，而且大大地促進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化進程，為企業(yè)帶來了更大的利益空間。

2 循環(huán)流化床鍋爐

2.1 循環(huán)流化床鍋爐工作原理

循環(huán)流化床作為近些年來國際上出現(xiàn)的一種效率高、低污染的清潔燃燒技術(shù)，具有很大的燃燒效率，可對不同的煤炭顆粒進行分層燃燒處理。對于較粗的顆粒能在燃燒室的下面直接燃燒處理，而一些較細的顆粒則是在上面進行燃燒。其工作原理大致如下：將輔助作用的一定粒度的石灰石和粉碎的原煤按照一定的質(zhì)量比例混合，進入到膜式水冷壁包覆的豎井中一次風機輸送的一次風，經(jīng)過一次風空預器預熱處理到達豎井底部的風室，對混合的石灰石和煤產(chǎn)生流化作用。按照混合的固體粉粒的密度將豎井的內(nèi)部區(qū)分為密相區(qū)、燃燒區(qū)以及稀相區(qū)。二次風機輸送的二次風，經(jīng)過二次風空預器預熱處理后到達豎井中部的燃燒區(qū)。這2次風都是用于煤粉粒的燃燒，并保持3.5 m/s～4.5 m/s的流化速度。充分燃燒后溫度達800 ℃左右的煙，經(jīng)過稀相區(qū)進入到具有防磨內(nèi)襯的立式旋風分離器中。下部分離的較大且未燃燒完全的粉粒，通過回送裝置輸送到豎井的密相區(qū)，循環(huán)流化再次進行燃燒。上部高溫煤蒸氣經(jīng)過高溫過熱器釋放出去，再經(jīng)過減溫器和低溫過熱器，使整個蒸氣的溫度迅速降低。然后，通過尾部豎井中的省煤器，吸收低溫煙氣中的熱量。最后，經(jīng)由尾部的除塵器對煙氣除塵后，排放到空氣中。

典型的循環(huán)流化床鍋爐示意圖見圖1。

圖1 典型的循環(huán)流化床鍋爐示意圖

2.2 循環(huán)流化床鍋爐的控制特點

2.2.1 循環(huán)流化床鍋爐的床溫控制

不同的負荷水平下，采用不同的床溫。但是在負荷范圍內(nèi)，保證床溫溫度維持在850 ℃～950 ℃某一特定值，才能使得脫硫效率最高。一般在低負荷的時候，風量與煤量都比較小，床溫也很容易進行控制，這樣可以在一個較長的時間內(nèi)控制其溫度；而在高負荷的時候，因為頭2次風調(diào)節(jié)的量變小，對床溫的調(diào)節(jié)就會有所增加。實際操作當中就會出現(xiàn)，燃燒的效率高，床溫水平相對較高。傳統(tǒng)的手動也能夠維持床溫的恒定，但是人工控制的效率低、反應(yīng)慢，增加人工成本。自動化床溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使調(diào)控床溫更加準確、快速、高效、節(jié)能。

2.2.2 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒控制

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒區(qū)是保證煤炭燃燒效率的關(guān)鍵，必須設(shè)計合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，維持適當?shù)牧骰俾屎痛矞?，使燃料燃燒效率能夠達到98%以上。對循環(huán)流化床鍋爐燃燒有很多的影響因素，如床溫、給煤方式等。多種影響因素的存在，使得鍋爐燃燒控制變得復雜，必須用自動化的控制系統(tǒng)代替人工的調(diào)節(jié)，才能夠保證燃料的高燃燒效率。

2.2.3 循環(huán)流化床鍋爐的風量控制

輸送風量的控制是循環(huán)流化床鍋爐整個控制過程中必要的一部分。CFB鍋爐包括第一和第二次風量比例的控制。一次和二次風機的輸送風量以及風空預器也需要根據(jù)流化床實際運行情況進行控制，保證高的燃燒效率。另外，CFB鍋爐需要石灰石粉粒輔助燃燒，石灰石粉粒的粒度設(shè)計必須合理，才能夠滿足鍋爐的型號。

2.3 循環(huán)流化床鍋爐的傳熱

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒產(chǎn)生大量的熱量，在整個爐腔內(nèi)循環(huán)過程中都存在傳熱現(xiàn)象。如果不對這些傳熱現(xiàn)象明顯的區(qū)域進行有效控制，就會對整個流化循環(huán)過程產(chǎn)生一定的消極影響，甚至對操作人員的身體健康產(chǎn)生威脅。傳熱形成的危害主要有以下幾個方面：

1) 流化風速受到傳熱的影響，使風速變得不穩(wěn)定，流化速率產(chǎn)生波動，進而影響燃燒過程。

2) 傳熱受到循環(huán)倍率的影響。由于循環(huán)倍率的不斷增大，其中的物料循環(huán)量也水漲船高，其實際上只是熱的一種承載物，將燃燒室內(nèi)的熱量移動到爐膛上面，使得爐膛內(nèi)部的溫度均勻，并和冷壁進行熱量的轉(zhuǎn)換。

3) 傳熱受到床溫的影響。床溫能夠直接對傳熱產(chǎn)生影響，隨著床溫的上升，煙氣輻射也能夠提升煙氣的導熱系數(shù)，距離壁區(qū)較近的壁面輻射也會相應(yīng)地增強。如此一來，總的輻射換熱系數(shù)就會得到明顯的提升。

所以，如果能夠利用智能化的控制系統(tǒng)對整個循環(huán)過程進行有效控制，就可以減少傳熱劇烈?guī)淼奈：?，保證生產(chǎn)穩(wěn)定進行。

2.4 循環(huán)流化床鍋爐工藝要求

循環(huán)流化床的工藝參數(shù)是：額定蒸發(fā)量75 t/h，額定蒸汽壓力5.29 MPa。水受溫度控制在104 ℃，流化速率4 m/s，流化床床溫900 ℃。另外，為了使循環(huán)流化床鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱量得到充分利用，在鍋爐后半部分增加了節(jié)能系統(tǒng)，對煙氣的余熱進行回收；運行過程中也要保證排渣的頻率，使爐渣盡快排出，防止爐渣的堆積對爐腔內(nèi)部造成損傷。

第89頁表1為循環(huán)流化床鍋爐的參數(shù)耦合。給水控制在鍋爐自動控制的過程中占有非常重要的地位，而且是整個控制系統(tǒng)系統(tǒng)的代表，因此，本文將給水控制系統(tǒng)作為重點研究對象。

表1 循環(huán)流化床鍋爐的參數(shù)耦合

3 循環(huán)流化床鍋爐DCS控制系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)如圖2所示，總共包括了9個子控制系統(tǒng)，涵蓋了對輸送風量的調(diào)節(jié)，主汽壓力、料床壓差、爐膛負壓的調(diào)節(jié)，水位高度的調(diào)節(jié)以及過熱蒸氣溫度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對整個流化循環(huán)過程的控制，這就是典型的DCS控制系統(tǒng)。在各個子系統(tǒng)獨立設(shè)計的基礎(chǔ)上，最終通過協(xié)作完成對整個系統(tǒng)的控制。各個獨立的子控制系統(tǒng)，能夠完成部分因素的控制而不受其他系統(tǒng)的影響，最終在總控系統(tǒng)中對所有的參數(shù)進行綜合的計算機模擬，再反饋到每一個子調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，實現(xiàn)了整體的調(diào)節(jié)。

圖2 循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)

4 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐自身具有燃燒的效率較高、燃燒時對燃物的適應(yīng)性較強、負荷調(diào)節(jié)性能較好、更加環(huán)保潔凈等優(yōu)點，目前在國內(nèi)外已經(jīng)得到大力推廣并加以使用。大型循環(huán)流化床鍋爐也已經(jīng)被投入使用[2]。但到目前為止，我國自行設(shè)計的還很少，因此，我們必須加緊尋找一條符合我國自身技術(shù)特點和煤炭資源使用的可持續(xù)發(fā)展的道路。

[1] 徐傳泉.基于DCS控制技術(shù)的循環(huán)流化床鍋爐安裝調(diào)試研究[J].電子制作,2015,6(7):123.

[2] 田青.基于霍尼韋爾PKS430 DCS的循環(huán)流化床鍋爐控制[J].內(nèi)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年畢業(yè)于太原理工大學，本科，同煤廣發(fā)化學工業(yè)有限公司儀表維護工程師。

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

TQ054

A

1004-7050(2017)02-0087-03

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