1　CFBB总体结构

    CFBB主要由燃烧系统、循环分离系统、对流烟道三部分组合而成。其中燃烧系统包括风室、布风板、燃烧室、炉膛、给煤系统等几部分；循环分离系统包括物料分离装置和返料装置两部分；对流烟道包括过热器、省煤器、空气预热器等几个部分。如图1所示。
 

图1 CFBB总体结构图

    1.1　CFBB燃烧及传热特性

    CFBB属于低温燃烧锅炉。燃料由炉前给煤系统送入炉膛，送风设有一次风和二次风系统，一次风由布风板下部送入到燃烧室，主要作用是保证料层正常流化；二次风沿燃烧室分级多点送入炉膛，其主要作用是增加燃烧室的氧量以保证燃料燃尽；三次风的作用是进一步强化燃烧。燃烧室内的物料在一定的流化风速作用下，发生剧烈的扰动，部分固体颗料在高速气流的携带下离开燃烧室进入炉膛，其中较大的颗粒因重力作用沿炉膛内壁向下流动，一些较小颗粒随烟气飞出炉膛进入到物料分离装置，炉膛内形成气固两相流，进入分离装置的烟气进行分离，分离下来的颗粒沿分离装置下部返料装置被送回到燃烧室，经过分离的烟气通过对流烟道内部的受热面吸热后离开锅炉。因CFBB设有高效率的分离装置，被分离下来的颗料经过返料器又被送回至炉膛，使锅炉炉膛内有足够高的灰浓度，因此CFBB不同于常规锅炉炉膛仅有辐射传热方式，并还具有对流及导热等传热方式，大大提高了炉膛的传导热系数，确保锅炉达到额定出力。

    1.2　CFBB主要热工参数控制及调整

    1.2.1　料层温度

    料层温度是指燃烧密相区内的流化物料的温度，是一个关系到锅炉安全稳定运行的关键参数。料层温度的测定一般采用不锈钢套管热电偶作为一次元件，布置在距布风板200～500mm左右的燃烧室密相层内，插入到炉墙深度15～25mm，数量不少于2只。在运行过程中必须要加强对料层温度的监视，一般将料层温度控制在850℃～950℃之间，如果温度过高，容易使流化床体结焦造成停炉事故；温度太低易发生低温结焦及灭火事故。必须严格控制料层温度最高不得超过970℃，最低不低于800℃。在锅炉运行中，当料层温度发生变化的时候，通过调节给煤量、一次风量及返料量，调整料层温度在控制范围之内。如料层温度超过970℃时，应适当减少给煤量、相应的增加一次风量并减少返料量，使料层温度降低；如料层温度低于800℃时，应首先检查是否有断煤现象，并适当增加给煤量，减少一次风量，并加大返料量，使料层的温度升高。一旦料层温度低于700℃，应做压火处理，需待查明温度降低原因并排除后再启动。

    1.2.2　返料温度

    返料温度是指通过返料器送回到燃烧室中的循环灰温度，可以起到调节料层温度的作用。采用高温分离器的CFBB，其返料温度相对较高，一般控制返料温度高出料层温度20~30℃，可以保证锅炉稳定的燃烧，并同时起到调整燃烧的作用。在锅炉运行中必须密切监视返料温度，温度过高有可能造成返料器内结焦，特别是在燃用较难燃的无烟煤时，因存在燃料后燃的情况，温度如果控制不好极易发生结焦，运行时应控制返料温度最高不能超过1000℃。 返料温度可以通过调整给煤量与返料风量来调节，如温度过高，可适当减少给煤量并加大返料风量，同时检查返料器有无堵塞，并及时清除，以保证返料器的通畅。　

    1.3　其它特别说明的几个问题

    1.3.1　返料量

    控制返料量是CFBB运行操作时不同于常规锅炉之处，根据前面提到的CFBB燃烧及传热的特性，返料量对CFBB的燃烧起着举足轻重的作用，因为在炉膛里，返料灰实质上是一种热载体，它将燃烧室里的热量带到炉膛上部，使炉膛内的温度场均匀分布，通过多种传热方式与水冷壁进行换热，因此有较高的传热系数，(传热效率约为煤粉炉的4～6倍)通过调整返料量可以控制料层温度和炉膛差压并且能够进一步调节锅炉负荷。

    1.3.2　风量的调整

    在锅炉运行过程中，许多用户只靠风门开度的大小来调节风量，但对于CFBB来说，其对风量的控制就要求比较准确。对风量的调整原则是在一次风量满足流化的前提下，相应地调整二次风和三次风量。因为一次风量的大小直接关系到流化质量的好坏，CFBB在运行前都要进行冷态试验，并且做出在不同料层差压下的临界流化风量曲线，在运行时以此作为风量调整的下限，如果风量低于此值，料层就可能流化不好，时间稍长就会发生结焦。对二次风量的调整主要是依据烟气中的含氧量多少来衡量，通常以过热器后的氧量为准，一般控制在3～5%左右，如含氧量过高，说明风量过大，会增加锅炉的排烟热损失；如过小又会引起燃烧不完全，增加化学不完全燃烧损失和机械不完全燃烧损失。如果在运行中总风量不够，应逐渐加大鼓引风量，用以满足燃烧要求，并且不断调节一二三次风量，使锅炉达到最佳经济运行指标。

    2　CFBB燃烧控制的目标及难点

    CFBB以其高效、低污染、燃料适应性广等特点，近年来得到了迅速发展。但是，由于CFBB燃烧过程的多变量藕合、大惯性、长迟延时间等特殊特性，自动控制问题尚未得到很好的解决，导致影响全厂自动化水平、影响生产效率。

    对于CFBB，控制系统目的是保证锅炉安全、稳定、高效率燃烧。一般分为3个控制回路：

    一是负荷跟踪、保持主汽压力稳定回路；

    二是维持床温在850～950℃范围内控制回路，该范围内除硫效果最好，不会产生有毒的氮氧化合物，床温过低会熄火，过高会结焦；

    三是维持合理的风煤比回路，即合理的烟气含氧量，过低燃烧不充分；过高排烟损失大，降低热效率。

    CFBB燃烧控制有以下难点：

    （1）首先要保证循环流化状态。当一次风量由零开始逐渐增大时，炉床状态逐次由鼓泡、沸腾、流化、循环流化到过流化状态转变。只有循环流化状态才是正常工作状态。若偏离这一状态，燃烧机理发生变化，控制规律将不适用，表现出严重的非线性。

    （2）多变量、强耦合。譬如要增加负荷就要增加给煤量，但是，煤量的增加又会引起床温的升高。用一个控制量同时保证两个被控量稳定在固定的设定值上是难以做到的。

    （3）大滞后和不确定性。例如给煤进入炉内有一个受热、烘干、爆破、着火的过程，需1～2 min，这期间是吸热过程。因此，当给煤量增加太快时，可能出现先降温后升温的双向过程，给闭环控制带来不利。所以，对于CFBB的燃烧控制这样复杂的系统，可以将其分解为若干简单的回路，找出各个回路的主控变量和辅助变量，然后再开发各种相应的控制方法。

    3　控制回路的分解及主控变量的确定

    CFBB燃烧控制有3个被控量和3个控制量，其相互关系如图2所示。

    实际上，3个控制量分别对3个被控量都有影响。在设计控制方案时必须根据工艺原理找出3个控制回路（3个被控量）的主控变量及辅助变量。主控变量用以主回路的闭环控制，辅助变量用以协调控制或通过解耦屏蔽附加扰动。
 

图2 控制量、被控制量关系图

    前面提到的多数控制专家和运行人员公认的控制原则实际上规定了3个主控回路的主控变量，现作如下分析。

    3.1　调节给煤量控制主汽压力（负荷）

    从能量守恒的角度，用给煤量控制负荷是正确的。虽然没有风参与燃烧是不会发生的，但是在风量充足的情况下，最终发热量是由煤量决定的，风量的多少只影响热效率，且只影响3％左右，因此风量可作为辅助变量。

    3.2　用一次风主控床温

    一次风的主要任务是建立稳定的循环流化状态。以赤峰热电厂440t/h CFBB为例，负荷在50％以下，一次风量需稳定在110000m3/h，无需二次风，而到满负荷时，一次风量为120000m3/h，可见一次风的变化范围很窄，且要求稳定。一次风影响床温的机理是：当增加一次风时，流化程度加强，密相层扩大升高、密度降低，床温降低。但是床温的频繁变化主要是由煤质扰动（如粒度、热值、挥发份）引起的。用一次风主控床温将频繁改变流化状态，是一种危害。此外，当密相层积煤过多、排渣不及时时，炉内呈缺氧状态，此时，加一次风反而会使床温短时升高，给闭环控制造成危害。因此，用一次风主控床温是不合理的。

    3.3　二次风主控热效率（烟气含氧量）

    在一次风稳定的情况下，该项策略是正确的。问题是CFBB中二次风对床温的影响同样显著，控制氧量就不能保证床温。此外，对于CFBB，多少才是最佳含氧量是很难确定的，也并非越低越好，定值控制是不合理的。因此，二次风只能同时作为热效率和床温的主控变量。床温与含氧量均不是定值控制，要通过模糊处理，做分析判断，在保证床温在安全范围内的同时力求氧量降低。

    3.4　关于床温控制的主、附控制变量问题

    控制的本质是克服扰动，维持能量平衡和质量平衡。CFBB的主要扰动有两个，负荷扰动和煤质扰动。CFBB的特点就是燃料适应性广，可混烧劣质煤、煤矸石、煤泥、垃圾等。因此，克服煤质扰动是主要技术难关。

    煤质变化首先影响到床温，是床温波动的主要原因。影响床温的另一因素是炉内状态，炉内状态由一、二次风比例决定，它影响炉内的温度场分布。因此针对这两个因素分别设计控制回路。用给煤量的增减克服煤质扰动，而用风量调节炉内温度场分布。实现这种双边控制要解决两个技术难题，一是如何识别床温偏差是来自煤质扰动还是来自炉内状态引起的床温分布不合理，二是如何解耦。

    为此，设计一个复合控制器用于识别煤质扰动，用修正给煤量的方法将其克服。在煤质变化时，修正给煤量，保证了床温。同时因为进入炉膛的可燃成份的量没有变，负荷不会受到影响。解耦问题自行解决。

    通过一、二次风调节炉内温度场分布，对负荷影响微弱。同时将风控回路的控制周期加大，使其和煤控回路的周期拉开，从而克服两者的相互干扰，耦合得以解决。

    4　解耦控制方案

    根据以上分析确定3个控制回路的主、辅助变量，设计综合控制方案如图3所示。
 

图3 设计综合控制方案

    该方案图给出了系统的整体控制策略，局部环节可采用预测、模糊等先进控制算法以提高其控制性能。

    5　结语

    本文分析了CFBB的工作原理，从床温控制、风量控制、料层差压控制、给煤量控制等方面阐述了该系统的控制方式，循环流化床控制是一个多变量，多耦合关系的复杂控制系统。该方案已在多台CFBB上运行，其鲁棒性能好，尤其在克服煤质扰动方面，效果尤为显著。

    参考文献：

    [1] 送奎明, 时海刚. 热工自动化[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.

    [2] 章臣樾. 锅炉动态特性及其数学模型[M]. 北京: 水利电力出版社, 1987.

    作者简介

    金卫东（1981-），内蒙古赤峰人，工程师，本科，电子信息工程专业，现就职于赤峰新城热电分公司，主要研究方向为热工自动化。

    摘自《自动化博览》11月刊