热能动力设备及应用
CFB锅炉运行技术及故障预防措施
设计人：刘爱华
2013-7-29
摘要
循环流化床锅炉燃烧技术作为一种低污染清洁燃烧技术受到重视，得到广泛应用，但是运行中暴露出不少问题亟待解决，如锅炉风量调整控制、炉膛结焦、给煤系统问题、锅炉出力调整控制、飞灰可燃物高等问题。本文结合现场锅炉运行、检修、试验等工作，对这些问题进行分析探讨，对循环流化床锅炉的安全、经济运行有一定的指导意义。
关键字：循环流化床锅炉风量调整控制结焦给煤系统预防措施
目录
1 CFB运行的基本原理 (1)
2 CFB运行的基本特点 (3)
3 控制系统设计 (7)
3.1 风量的调整控制 (7)
3.2 CFB的结焦问题 (8)
3.3 给煤系统问题 (9)
3.3.1原煤仓下煤不畅的原因分析处理 (9)
3.3.2给煤机故障的原因分析处理 (10)
3.3.3旋转给料阀故障的原因分析处理 (10)
3.3.4回料斜管膨胀节故障的原因分析处理 (10)
3.4锅炉出力调整控制问题 (10)
3.4.1锅炉循环物料的平衡 (10)
3.4.2料层差压控制 (10)
3.4.3床温控制 (10)
3.4.4给煤粒度 (10)
3.5飞灰可燃物高问题 (10)
3.6锅炉爆管问题 (10)
4 控制仪表的选择 (10)
5 系统控制流程图 (12)
6 总结体会 (13)
6.1 设计总结 (13)
6.2 心得体会 (14)
致谢 (15)
参考文献 (16)
引言
CFB锅炉燃烧技术作为一种低污染的清洁燃烧技术，不仅可以大幅度减少NOX的排放、还具有炉内加入脱硫剂后易于实现脱除SO2的技术优势，同时具有优越的调峰经济性、良好的煤种适应性和劣质煤燃烧的可靠性，加之国家环保产业政策的因素，使CFB在国内外发电行业中受到重视，得到了广泛的应用。
CFB锅炉是近几十年来发展起来的新型环保节能锅炉，是一种高效低污染清洁的燃烧技术，其以煤种适应性广、高燃烧效率、可以燃用劣质燃料、锅炉负荷调节性好、灰渣易于综合利用等优点，在世界范围内得到了迅速发展。随着环保要求日益严格，普遍认为，循环流化床是目前最实用和可行的高效低污染燃煤设备之一。但随着其被广泛应用，一些国产循环流化床在设计、安装和运行中也逐渐暴露出了某些问题。如受热面易磨损、锅炉易结焦及物料循环系统不畅是运行中常见的故障。因此，本文将主要分析循环流化床锅炉运行技术及故障预防措施，以提高循环流化床锅炉稳定运行水平。
循环流化床锅炉节能及问题分析
1 CFB运行的基本原理
CFB 锅炉以携带大量高温固体颗粒物料的循环燃烧为重要特征，固体颗粒充满整个炉膛，处于悬浮并强烈掺混的燃烧方式，炉膛出口的分离器将炉膛出口的绝大部分高温的固体颗粒收集，由其下部的回料阀将他们再次送入炉内参与燃烧，原理简图见图1。循环的燃烧方式，延长了燃料在炉膛内的燃烧时间。与常规的煤粉炉悬浮燃烧过程比较，CFB炉膛内的颗粒浓度远大于煤粉炉，颗粒与烟气间的相对速度大，明显区别于煤粉炉的气力输送式的煤粉悬浮燃烧。在这种燃烧方式下，炉膛内的温度水平受到煤燃烧过程中灰熔点的限制，料层温度过高，使灰渣熔化形成高温结焦，温度过低容易发生煤的低温结焦，不利于煤的稳定燃烧，因此CFB炉膛温度一般控制为850～900℃左右，这一温度范围和石灰石脱硫剂的脱硫反应最佳温度范围相一致。
过热蒸汽送负荷设备
热空气汽包
炉膛
烟气排出
冷空气送入
水送入
热空气送往炉膛过热器
减温器
空气预热器
图1-1 锅炉设备主要工艺流程图
2 蒸CFB运行的基本特点
（1）蓄热量大，对煤种的适应性好。CFB炉内有大量高温固体颗粒物料（95%高温床料，5%的新燃料），为有效利用劣质煤等燃料提供了基础。但是根据某一特定燃料设计的CFB炉，并不能适应于差别特性较大的燃料。CFB锅炉在煤种变化时，会对调节带来影响，各种煤的燃尽率差别极大，在更换煤种时，必须调节分段送风和床温，适应煤种的变化。
（2）高的颗粒浓度和固体物料循环过程、高强度的热量传递过程。通过操作，改变物料循环量，适应不同的燃烧工况，使整个炉膛高度的温度分布均匀。
（3）低温燃烧，低污染物排放。由于CFB炉内燃烧的温度水平相对煤粉炉较低，使得NOX生成量大大减少；在炉内添加脱硫剂，可以在相对较低的钙硫摩尔比下，得到较高的脱硫效率，但是根据有关资料介绍当Ca/S摩尔比超过3时，NOX生成量迅速增加，另外脱硫剂过多的加入不仅增加底灰份额，物理热损失增加，而且炉内分解石灰石吸热量增加，锅炉热效率降低。
CFB由于燃烧温度低，会产生N2O（笑气），尤其在燃烧烟煤时最高。随炉膛温度的升高和Ca/S摩尔比增加，生成的NOX增加，N2O减少，SO2减少；过量空气系数的增加，NOX和N2O都将增加，增加的程度与燃料特性有关，就N2O 排放而言，CFB的炉膛温度不宜低于900℃，提高燃烧温度，可减少N2O的排放，且能提高燃料的燃烧效率。
（4）良好的负荷调节特性。CFB炉内燃烧不存在火焰中心，温度和热负荷沿炉膛高度分布较煤粉炉均匀得多，无论锅炉负荷如何变化，炉内温度始终保持均匀且变化不大，对锅炉的炉膛水循环和金属安全有利，由于床温在很大负荷范围内总保持一定，采用改变燃煤量、送风量、循环灰量和床层厚度等手段，实现负荷的调节。适应较大的负荷调节范围和调节速率，一般为100～25%。
（5）比较高的厂用电率。CFB锅炉风机的数量多于煤粉炉，风机压头较高，电耗大，但CFB的优势在于实现炉内脱硫，脱硫时的厂用电率和煤粉炉+FGD大致相当，但目前的运行情况是，大部分CFB燃用的煤含硫量不高，0.5%左右，不添加脱硫剂运行，SO2的排放量也符合当前的环保排放标准要求，在这种情况下，CFB比煤粉炉的厂用电率高。
2控制原理简介
随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。通常，烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性
将使过热蒸汽温度的控制滞后。
2.1控制方案选择
2.1.1单回路控制方案
在运行过程中。改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。
减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t 变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量w .w 的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t 这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t 发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。
M
入口蒸汽过热器减温器调节器减温水出口蒸汽温度
图2-1 改变减温水量控制蒸汽温度系统
实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
2.1.2串级控制方案
过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号—出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。
M
入口蒸汽过热器减温器调节器2
减温水
出口蒸汽温度
调节器1温度
变送
器
温度变送器
图2-2 过热蒸汽温度串级调节系统原理图
调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值，起着最后校正作用。
串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。
串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。
在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
2.2 串级控制方案论证
串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。
主调节器副调节器调节阀
副对象主对象副变送器主变送器给定副参数主参数二次
扰动
一次扰动--
图2-3 串级控制系统方框图
由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。
串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。因此控制质量优于简单控制系统。
串级控制有以下优点
① 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时；
② 提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了；
③ 对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高；
④ 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。
一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的
100
1~101，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的51~31。但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。
3 控制系统设计 3.1 系统控制参数确定 3.1.1 主变量的选择
串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。
综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。该参数可直接反应控制目的。
3.1.2副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：
①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；
②应使主、副对象的时间常数匹配；
③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型
综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。
3.1.3操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；
②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；
③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；
综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。
3.2 调节阀的选择
在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。
调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。
调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：
①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
④从介质的特点考虑。
综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。
阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。
3.3 控制器设计
由上文论述可知，系统的控制结构选择串级控制。
3.3.1 控制器控制规律的选择
在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定的波动和余差。从串级控制的结构上看，主环是一个定制系统，主控制器起着定值控制作用，为使其稳定，主控制器通常选用比例积分控制器，对于本系统由于控制通道容量之后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分控制器作为主控制器。
副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副控制器一般不带积分作用。若副控制器有微分作用，一旦主控制器航五输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，故副控制器只选
用比例控制器。
3.3.2 控制器正、反作用选择
对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。
副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。为了使副环回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负”，即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“负”。在本设计中随着调节阀的开度增加，减温水量增加，副对象即减温器后端蒸汽温度会降低，所以调节阀对副对象的作用为“负”；而调节阀为气开阀，即其控制作用为“正”，所以负调节器的控制作用应为负作用。
主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定，同时可将副回路视为一放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是以随动系统。这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定主控制器的正、反作用。在本系统中，主对象的放大倍数为的符号为“正”，所以主控制器应选“负”作用。
3.3.3 控制器的电路实现
主控制器采用PID调节器，副控制器采用P调节器，可以使用单片机编程实现P、I、D的调节作用，也可以直接使用模拟电路搭建PID调节模块，在实际生产中，大多采用制作成型的PID模块以保证系统的正常运行。
4 控制仪表的选择
控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动III 型和电动II 型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II 型典型信号为mADC 10~0，而电动III 型仪表的典型信号为
mADC 20~4，此外。III 型仪表较II 型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III 型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III 型仪表。
由电动III 型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种： 主控制器主变送器副变送器
双笔记录仪主对象
副对象控制阀电气转换器副控制器
图4-1 用电动III 型仪表组成的串级控制系统方块图
该方案中采用了两台控制器，主、副变量通过一台双笔记录仪进行记录。由于副控制器输出的是，而控制阀只能接受MPa 1.0~02.0气压信号，所以在副控制器与控制阀之间设置了一个电气转换器。 主控制器主变送器副变送器
双笔记录仪主对象
副对象控制阀电气转换器副控制器
图4-2 用电动III 型仪表组成的主控-串级控制系统方块图
该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可以根据不同情况使控制系统工作于主控方式和串级控制方式下。
在本设计中采用第二种方式可以是控制系统更好的工作，得到更稳定的控制输出。
5 系统控制流程图系统整体控制流程图如下图：
减温器调节阀
过热器
副温度变送
器
主温度变送
器
主调节器负调节器
入口蒸汽
出口蒸汽
温度蒸汽温度
减温水
图5-1 系统控制流程图
6 总结体会
6.1 设计总结
本设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。采用串级控制系统，可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换，可满足系统在不同情况下的控制要求。
6.2 心得体会
本设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成设计，我将已经被束之高阁的一些书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。
在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。
设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我完美的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的idea。
对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的工作将产生很深远的影响。
谢辞
在院系领导各个部门的大力配合和指导老师的认真指导下，并且经过本人的认真，细致的工作，我的毕业设计已经完成。这个设计使我对书本专业知识有了
进一步的理解，从实际应用上重新学习了专业知识，使我能够把所学过的理论知识合理的运用到实践当中，对我们大学期间所学的知识进行了综合。这要感谢学校和各位老师，尤其是我的毕业指导教师凌呼君教授和席东民老师，是他们尽心的指导和充分的信任使我可以完成这个富有挑战的题目。
美好的大学生活即将结束，在这里我学到了和多知识，包括书本上的和书本以外的。更重要的是我们学到了很多为人处世的道理，为我们将来走上社会做了充分的准备。我们即将走上工作岗位，走向社会，我相信这些收获会使我受益终生的！工作后我将再接再厉，继续努力上进，绝不辜负老师们对我的期望和教导，为我们学院争光！
做设计一个多月里，老师们也投入了非常的大的精力，来帮我们完成设计，由其是在百忙之中的老师。他们帮我们解答疑难问题，进行精神鼓励，这些使我们更加坚定了信心去努力完成自己的任务，设计的完成也是老师们的成功。
参考文献
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摘要：循环流化床锅炉是近年才发展起来的新型洁净煤燃烧设备。本文主要对循环流化床锅炉运行申常见故障进行了分析，如磨损、结焦、旋风分离器分离效率下降、烟气反窜及给煤系统故障等，并从不同的角度提出了预防措施，以供参考。
关键词：循环流化床锅炉；常见故障；预防措施
循环流化床(CFB)锅炉是近几十年来发展起来的新型环保节能锅炉，是一种高效低污染清洁的燃烧技术，其以煤种适应性广、高燃烧效率、可以燃用劣质燃料、锅炉负荷调节性好、灰渣易于综合利用等优点，在世界范围内得到了迅速发展。随着环保要求日益严格，普遍认为，循环流化床是目前最实用和可行的高效低污染燃煤设备之一。但随着其被广泛应用，一些国产循环流化床在设计、安装和运行中也逐渐暴露出了某些问题。如受热面易磨损、锅炉易结焦及物料循环系统不畅是运行中常见的故障。因此，本文将主要分析循环流化床锅炉常见故障及预防措施，以提高循环流化床锅炉稳定运行水平。