1　CFBB總體結構

    CFBB主要由燃燒系統、循環分離系統、對流煙道三部分組合而成。其中燃燒系統包括風室、布風板、燃燒室、爐膛、給煤系統等幾部分；循環分離系統包括物料分離裝置和返料裝置兩部分；對流煙道包括過熱器、省煤器、空氣預熱器等幾個部分。如圖1所示。
 

圖1 CFBB總體結構圖

    1.1　CFBB燃燒及傳熱特性

    CFBB屬于低溫燃燒鍋爐。燃料由爐前給煤系統送入爐膛，送風設有一次風和二次風系統，一次風由布風板下部送入到燃燒室，主要作用是保證料層正常流化；二次風沿燃燒室分級多點送入爐膛，其主要作用是增加燃燒室的氧量以保證燃料燃盡；三次風的作用是進一步強化燃燒。燃燒室內的物料在一定的流化風速作用下，發生劇烈的擾動，部分固體顆料在高速氣流的攜帶下離開燃燒室進入爐膛，其中較大的顆粒因重力作用沿爐膛內壁向下流動，一些較小顆粒隨煙氣飛出爐膛進入到物料分離裝置，爐膛內形成氣固兩相流，進入分離裝置的煙氣進行分離，分離下來的顆粒沿分離裝置下部返料裝置被送回到燃燒室，經過分離的煙氣通過對流煙道內部的受熱面吸熱后離開鍋爐。因CFBB設有高效率的分離裝置，被分離下來的顆料經過返料器又被送回至爐膛，使鍋爐爐膛內有足夠高的灰濃度，因此CFBB不同于常規鍋爐爐膛僅有輻射傳熱方式，并還具有對流及導熱等傳熱方式，大大提高了爐膛的傳導熱系數，確保鍋爐達到額定出力。

    1.2　CFBB主要熱工參數控制及調整

    1.2.1　料層溫度

    料層溫度是指燃燒密相區內的流化物料的溫度，是一個關系到鍋爐安全穩定運行的關鍵參數。料層溫度的測定一般采用不銹鋼套管熱電偶作為一次元件，布置在距布風板200～500mm左右的燃燒室密相層內，插入到爐墻深度15～25mm，數量不少于2只。在運行過程中必須要加強對料層溫度的監視，一般將料層溫度控制在850℃～950℃之間，如果溫度過高，容易使流化床體結焦造成停爐事故；溫度太低易發生低溫結焦及滅火事故。必須嚴格控制料層溫度最高不得超過970℃，最低不低于800℃。在鍋爐運行中，當料層溫度發生變化的時候，通過調節給煤量、一次風量及返料量，調整料層溫度在控制范圍之內。如料層溫度超過970℃時，應適當減少給煤量、相應的增加一次風量并減少返料量，使料層溫度降低；如料層溫度低于800℃時，應首先檢查是否有斷煤現象，并適當增加給煤量，減少一次風量，并加大返料量，使料層的溫度升高。一旦料層溫度低于700℃，應做壓火處理，需待查明溫度降低原因并排除后再啟動。

    1.2.2　返料溫度

    返料溫度是指通過返料器送回到燃燒室中的循環灰溫度，可以起到調節料層溫度的作用。采用高溫分離器的CFBB，其返料溫度相對較高，一般控制返料溫度高出料層溫度20~30℃，可以保證鍋爐穩定的燃燒，并同時起到調整燃燒的作用。在鍋爐運行中必須密切監視返料溫度，溫度過高有可能造成返料器內結焦，特別是在燃用較難燃的無煙煤時，因存在燃料后燃的情況，溫度如果控制不好極易發生結焦，運行時應控制返料溫度最高不能超過1000℃。 返料溫度可以通過調整給煤量與返料風量來調節，如溫度過高，可適當減少給煤量并加大返料風量，同時檢查返料器有無堵塞，并及時清除，以保證返料器的通暢。　

    1.3　其它特別說明的幾個問題

    1.3.1　返料量

    控制返料量是CFBB運行操作時不同于常規鍋爐之處，根據前面提到的CFBB燃燒及傳熱的特性，返料量對CFBB的燃燒起著舉足輕重的作用，因為在爐膛里，返料灰實質上是一種熱載體，它將燃燒室里的熱量帶到爐膛上部，使爐膛內的溫度場均勻分布，通過多種傳熱方式與水冷壁進行換熱，因此有較高的傳熱系數，(傳熱效率約為煤粉爐的4～6倍)通過調整返料量可以控制料層溫度和爐膛差壓并且能夠進一步調節鍋爐負荷。

    1.3.2　風量的調整

    在鍋爐運行過程中，許多用戶只靠風門開度的大小來調節風量，但對于CFBB來說，其對風量的控制就要求比較準確。對風量的調整原則是在一次風量滿足流化的前提下，相應地調整二次風和三次風量。因為一次風量的大小直接關系到流化質量的好壞，CFBB在運行前都要進行冷態試驗，并且做出在不同料層差壓下的臨界流化風量曲線，在運行時以此作為風量調整的下限，如果風量低于此值，料層就可能流化不好，時間稍長就會發生結焦。對二次風量的調整主要是依據煙氣中的含氧量多少來衡量，通常以過熱器后的氧量為準，一般控制在3～5%左右，如含氧量過高，說明風量過大，會增加鍋爐的排煙熱損失；如過小又會引起燃燒不完全，增加化學不完全燃燒損失和機械不完全燃燒損失。如果在運行中總風量不夠，應逐漸加大鼓引風量，用以滿足燃燒要求，并且不斷調節一二三次風量，使鍋爐達到最佳經濟運行指標。

    2　CFBB燃燒控制的目標及難點

    CFBB以其高效、低污染、燃料適應性廣等特點，近年來得到了迅速發展。但是，由于CFBB燃燒過程的多變量藕合、大慣性、長遲延時間等特殊特性，自動控制問題尚未得到很好的解決，導致影響全廠自動化水平、影響生產效率。

    對于CFBB，控制系統目的是保證鍋爐安全、穩定、高效率燃燒。一般分為3個控制回路：

    一是負荷跟蹤、保持主汽壓力穩定回路；

    二是維持床溫在850～950℃范圍內控制回路，該范圍內除硫效果最好，不會產生有毒的氮氧化合物，床溫過低會熄火，過高會結焦；

    三是維持合理的風煤比回路，即合理的煙氣含氧量，過低燃燒不充分；過高排煙損失大，降低熱效率。

    CFBB燃燒控制有以下難點：

    （1）首先要保證循環流化狀態。當一次風量由零開始逐漸增大時，爐床狀態逐次由鼓泡、沸騰、流化、循環流化到過流化狀態轉變。只有循環流化狀態才是正常工作狀態。若偏離這一狀態，燃燒機理發生變化，控制規律將不適用，表現出嚴重的非線性。

    （2）多變量、強耦合。譬如要增加負荷就要增加給煤量，但是，煤量的增加又會引起床溫的升高。用一個控制量同時保證兩個被控量穩定在固定的設定值上是難以做到的。

    （3）大滯后和不確定性。例如給煤進入爐內有一個受熱、烘干、爆破、著火的過程，需1～2 min，這期間是吸熱過程。因此，當給煤量增加太快時，可能出現先降溫后升溫的雙向過程，給閉環控制帶來不利。所以，對于CFBB的燃燒控制這樣復雜的系統，可以將其分解為若干簡單的回路，找出各個回路的主控變量和輔助變量，然后再開發各種相應的控制方法。

    3　控制回路的分解及主控變量的確定

    CFBB燃燒控制有3個被控量和3個控制量，其相互關系如圖2所示。

    實際上，3個控制量分別對3個被控量都有影響。在設計控制方案時必須根據工藝原理找出3個控制回路（3個被控量）的主控變量及輔助變量。主控變量用以主回路的閉環控制，輔助變量用以協調控制或通過解耦屏蔽附加擾動。
 

圖2 控制量、被控制量關系圖

    前面提到的多數控制專家和運行人員公認的控制原則實際上規定了3個主控回路的主控變量，現作如下分析。

    3.1　調節給煤量控制主汽壓力（負荷）

    從能量守恒的角度，用給煤量控制負荷是正確的。雖然沒有風參與燃燒是不會發生的，但是在風量充足的情況下，最終發熱量是由煤量決定的，風量的多少只影響熱效率，且只影響3％左右，因此風量可作為輔助變量。

    3.2　用一次風主控床溫

    一次風的主要任務是建立穩定的循環流化狀態。以赤峰熱電廠440t/h CFBB為例，負荷在50％以下，一次風量需穩定在110000m3/h，無需二次風，而到滿負荷時，一次風量為120000m3/h，可見一次風的變化范圍很窄，且要求穩定。一次風影響床溫的機理是：當增加一次風時，流化程度加強，密相層擴大升高、密度降低，床溫降低。但是床溫的頻繁變化主要是由煤質擾動（如粒度、熱值、揮發份）引起的。用一次風主控床溫將頻繁改變流化狀態，是一種危害。此外，當密相層積煤過多、排渣不及時時，爐內呈缺氧狀態，此時，加一次風反而會使床溫短時升高，給閉環控制造成危害。因此，用一次風主控床溫是不合理的。

    3.3　二次風主控熱效率（煙氣含氧量）

    在一次風穩定的情況下，該項策略是正確的。問題是CFBB中二次風對床溫的影響同樣顯著，控制氧量就不能保證床溫。此外，對于CFBB，多少才是最佳含氧量是很難確定的，也并非越低越好，定值控制是不合理的。因此，二次風只能同時作為熱效率和床溫的主控變量。床溫與含氧量均不是定值控制，要通過模糊處理，做分析判斷，在保證床溫在安全范圍內的同時力求氧量降低。

    3.4　關于床溫控制的主、附控制變量問題

    控制的本質是克服擾動，維持能量平衡和質量平衡。CFBB的主要擾動有兩個，負荷擾動和煤質擾動。CFBB的特點就是燃料適應性廣，可混燒劣質煤、煤矸石、煤泥、垃圾等。因此，克服煤質擾動是主要技術難關。

    煤質變化首先影響到床溫，是床溫波動的主要原因。影響床溫的另一因素是爐內狀態，爐內狀態由一、二次風比例決定，它影響爐內的溫度場分布。因此針對這兩個因素分別設計控制回路。用給煤量的增減克服煤質擾動，而用風量調節爐內溫度場分布。實現這種雙邊控制要解決兩個技術難題，一是如何識別床溫偏差是來自煤質擾動還是來自爐內狀態引起的床溫分布不合理，二是如何解耦。

    為此，設計一個復合控制器用于識別煤質擾動，用修正給煤量的方法將其克服。在煤質變化時，修正給煤量，保證了床溫。同時因為進入爐膛的可燃成份的量沒有變，負荷不會受到影響。解耦問題自行解決。

    通過一、二次風調節爐內溫度場分布，對負荷影響微弱。同時將風控回路的控制周期加大，使其和煤控回路的周期拉開，從而克服兩者的相互干擾，耦合得以解決。

    4　解耦控制方案

    根據以上分析確定3個控制回路的主、輔助變量，設計綜合控制方案如圖3所示。
 

圖3 設計綜合控制方案

    該方案圖給出了系統的整體控制策略，局部環節可采用預測、模糊等先進控制算法以提高其控制性能。

    5　結語

    本文分析了CFBB的工作原理，從床溫控制、風量控制、料層差壓控制、給煤量控制等方面闡述了該系統的控制方式，循環流化床控制是一個多變量，多耦合關系的復雜控制系統。該方案已在多臺CFBB上運行，其魯棒性能好，尤其在克服煤質擾動方面，效果尤為顯著。

    參考文獻：

    [1] 送奎明, 時海剛. 熱工自動化[M]. 北京: 中國電力出版社, 2006.

    [2] 章臣樾. 鍋爐動態特性及其數學模型[M]. 北京: 水利電力出版社, 1987.

    作者簡介

    金衛東（1981-），內蒙古赤峰人，工程師，本科，電子信息工程專業，現就職于赤峰新城熱電分公司，主要研究方向為熱工自動化。

    摘自《自動化博覽》11月刊