CN106224948A - 一种自适应循环流化床锅炉控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应循环流化床锅炉控制方法，将除尘器收集的部分飞灰作为自适应循环灰返回至炉膛，用于弥补由于实际燃煤的含灰量偏离最佳含灰量、导致锅炉偏离设计运行工况，从而实现锅炉燃煤煤种的自适应，在此基础上设置最佳循环灰量，解决现有循环流化床锅炉煤种适应性、经济性、安全性和环保性能不能得到完全保证，协调控制存在困难的问题。

Description

一种自适应循环流化床锅炉控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉领域，特别涉及一种自适应循环流化床锅炉控制方法。

背景技术

循环流化床锅炉具有煤种适应性强、炉内脱硫低成本控制烟气二氧化硫排放、低温燃烧和分级燃烧抑制氮氧化物生成等优点，在世界范围内得到广泛应用。据不完全统计，中国投运的循环流化床锅炉超过3000台，其中发电功率在300MW以上的电站锅炉超过200台。

循环流化床锅炉的工作机理如下：

循环流化床锅炉炉内燃烧和换热。燃煤在循环流化床锅炉内燃烧释放热量，加热炉内的烟气和床料，高温烟气和床料将热量传递给炉内各受热面，并维持炉膛温度。影响炉内烟气、床料与各受热面换热的主要因素包括床料浓度和烟气流速，床料浓度增加、烟气流速提高可以增强炉内换热。通过控制炉内烟气、床料与各受热面的换热来控制炉膛温度。

锅炉二氧化硫排放控制。在运行过程中，向循环流化床锅炉内部投入石灰石粉，石灰石粉在炉内煅烧分解生成氧化钙，燃煤燃烧排放的SO2与氧化钙反应生成硫酸钙和亚硫酸钙后被固定下来，锅炉排放烟气中的SO2浓度较低，降低了对环境的污染。石灰石脱硫的最佳反应温度在850℃左右，偏离该温度值，石灰石的脱硫反应性能降低。

锅炉氮氧化物排放控制。循环流化床锅炉降低氮氧化物排放控制的机理包括：(一)锅炉的燃烧温度低，有利于抑制烟气中热力型氮氧化物的生成；(二)锅炉分级供风，一次风从炉膛底部供入，在炉膛下部创造还原性气氛，燃料中的氮元素在缺氧的条件下转化成氮气，降低氮氧化物的生成。如果增加一次风量，炉膛下部的还原性降低，燃煤中的氮元素与氧气接触的机会增加，烟气中的氮氧化物浓度增加。

锅炉运行的安全性。影响循环流化床锅炉运行安全性的主要因素包括床料高温结焦和炉内受热面的磨损。炉膛温度增加，流化床锅炉发生高温结焦的风险增加。炉内烟气流速增加、炉内粗颗粒浓度增加导致炉内受热面的磨损增加。

锅炉运行的经济性。锅炉运行的经济性要求提高锅炉效率、降低煤耗，提高脱硫效率、降低石灰石粉的消耗，炉膛温度对锅炉的经济性有重要影响。

目前，主要通过控制一次风量和锅炉的空气过剩系数来实现循环流化床锅炉的正常运行。但是，这种控制方式存在明显不足，下面结合具体调整方式进行详细分析。

一.炉膛温度偏高

炉膛温度偏高，导致锅炉的结焦风险增加，脱硫效率降低，脱硫用石灰石粉耗量增加，热力型氮氧化物排放量增加。因此，锅炉调整要求降低炉膛温度，可以通过如下方式降低炉膛温度。

方式一：增加一次风量、增加炉内的床料浓度，增强炉内颗粒与炉内受热面之间换热，降低炉膛温度。这种控制方式的缺点：

1、一次风量增加，炉内大颗粒床料被带到炉膛上部，锅炉各受热面的磨损增加，危害锅炉的安全运行，降低锅炉的寿命。

2、一次风量增加，炉膛下部供入的氧量增加，该区域的还原性气氛减弱，燃煤中的更多的氮元素与氧元素结合生成氮氧化物，导致大气污染物氮氧化物排放量增加。

方式二：增加空气过剩系数。

增加空气过剩系数可以有效增加循环流化床锅炉的炉内烟气流速，加强炉内烟气、床料与受热面之间的换热，可以有效降低炉膛温度。这种控制方式的缺点：

1、锅炉的空气过剩系数增加将导致炉内的氧浓度增加，燃煤中更多的氮元素与氧元素结合生成氮氧化物，导致烟气的大气污染物排放量增加。

2、锅炉的空气过剩系数增加，循环流化床锅炉的炉内烟气流速增加，导致炉内受热面磨损增加，危害锅炉的安全运行，降低锅炉寿命。

3、锅炉的空气过剩系数增加，锅炉燃烧所需空气量增加，锅炉鼓风机的耗电量增加；此外，空气过剩系数增加也导致锅炉的烟气量增加，锅炉排烟的引风机耗电量也增加，锅炉的经济性降低。此外，烟气量增加，锅炉的排烟热损失增加，锅炉效率降低。进一步降低锅炉的经济性。

二.炉膛温度偏低

炉膛温度偏低导致燃料燃烧不完全，锅炉排放的飞灰和底渣中含有的不完全燃烧的碳颗粒浓度增加，锅炉效率降低。此外，炉膛温度偏低，炉内脱硫偏离最佳脱硫温度区域，脱硫效率降低，锅炉的大气污染物二氧化硫的排放量增加。因此，当炉膛温度偏低时，需要通过如下方式提高炉膛温度。

方式一：降低一次风量、降低炉内的床料浓度，减弱炉内颗粒与炉内受热面之间换热，提高炉膛温度。这种控制方式可以降低炉内受热面的磨损，但是这种控制方式的缺点：一次风量降低、尤其是低于临界流化风量后，不能保证炉内的床料正常流化，存在床料结焦的风险。锅炉运行的安全性降低。因此，一次风量的降低存在一定的限度，导致锅炉的炉膛温度调整受到限制。

方式二：降低空气过剩系数。

降低空气过剩系数可以有效降低循环流化床锅炉的炉内烟气流速，减弱炉内烟气、床料与受热面之间的换热，可以有效提高炉膛温度。但是，空气过剩系数降低将导致燃煤的燃烧不充分，降低锅炉效率。空气过剩系数的降低受到一定限制。

循环流化床锅炉的煤种适应性较强，当锅炉燃用的煤质偏离设计煤种时，通过上述调整，能够实现锅炉的经济性、安全性和环保性能在一定范围内调整。但是，随着燃煤市场的变化、环保要求的提高，上述调整方式在锅炉的经济性、安全性和环保性能方面存在明显的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种煤种自适应和经济安全环保耦合控制的循环流化床锅炉，即使锅炉偏离设计煤种的燃煤时，锅炉能够自行调整并运行在较佳状态，大幅度提高循环流化床锅炉的经济性、安全性和环保性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种自适应循环流化床锅炉控制方法，将除尘器收集的部分飞灰作为自适应循环灰返回至炉膛，实现锅炉燃煤煤种的自适应，返回炉膛的自适应循环灰量A_AU-RE采用自适应飞灰循环系数K_AU调节，定义式为：

A_AU-RE＝K_AU×A

其中：A为入炉煤灰含量；K_AU为自适应飞灰循环系数，其定义式为：

$K_{AU}=\frac{1}{aB}\×(\frac{D}{Q-C}-1)$

其中：Q为入炉煤热值；a为飞灰份额，是排放的飞灰流量所占投入锅炉总煤灰流量的比例，取值为30％至70％之间；B和D为取决于锅炉特性和设计煤种特性的常数；C为利用入炉煤的热值及其灰含量采用公式Q＝bA+C回归所得的常数项；

其中：b是上述回归方程的回归系数。

进一步，返回炉膛的自适应循环灰量A_AU-RE的最佳循环灰量为A_T-RE；最佳炉膛温度T_opt与最佳循环灰量A_T-RE有关，其取决于锅炉的特性，通过调整最佳循环灰量A_T-RE来调整锅炉的最佳炉膛温度T_opt，现场试验当锅炉达到最佳炉膛温度T_opt时，此时的自适应循环灰量A_AU-RE即为最佳循环灰量A_T-RE；

最佳炉膛温度T_opt范围在830℃至950℃之间，最佳炉膛温度T_opt与燃煤的燃烧特点、石灰石的脱硫特点、氮氧化物排放控制特点有关，最佳炉膛温度T_opt，由现场试验确定。

进一步，当煤质发生变化或锅炉负荷发生变化、需要调整炉膛温度时，以调整最佳循环灰量A_T-RE为主、并辅以调整一次风比例的控制方式：

当需要降低炉膛温度时，调高最佳飞灰循环系数K_T、增加最佳循环灰量A_T-RE，增加炉膛灰浓度、增强炉膛内灰颗粒与炉内各受热面之间的换热，实现炉膛温度降低；

当需要提高炉膛温度时，降低最佳飞灰循环系数K_T、减少最佳循环灰量A_T-RE，降低炉膛灰浓度、减弱炉膛内灰颗粒与炉内各受热面之间的换热，实现炉膛温度增加；

并当上述调整范围没有达到预期温度目标时,通过增加一次风进一步降低炉膛温度，减少一次风增加炉膛温度。

进一步，最佳循环灰量A_T-RE通过最佳飞灰循环系数K_T调节自适应循环灰量A_AU-RE得到；

A_T-RE＝K_T×A_AU-RE

最佳飞灰循环系数K_T是最佳循环灰量A_T-RE和自适应循环灰量A_AU-RE的比值。

本发明自适应循环流化床锅炉控制方法，将除尘器收集的部分飞灰作为自适应循环灰返回至炉膛，用于弥补由于实际燃煤的含灰量偏离最佳含灰量、导致锅炉偏离设计运行工况，从而实现锅炉燃煤煤种的自适应，返回炉膛的自适应循环灰量A_AU-RE根据炉煤热值、炉煤灰含量等确定，根据入炉煤热值自动调整自适应循环灰量实现锅炉对煤种的自适应，解决现有循环流化床锅炉煤种适应性、经济性、安全性和环保性能不能得到完全保证，协调控制存在困难的问题。

进一步，通过最佳循环灰量控制实现锅炉炉膛温度的控制，提高锅炉效率、石灰石的脱硫效率和较低的氮氧化物排放，并降低锅炉的结焦和磨损风险，实现锅炉的经济安全环保耦合控制。当煤质发生变化或锅炉负荷发生变化、需要调整炉膛温度时，不是采用传统的调整一次风比例的控制方式，而是以调整最佳循环灰量A_T-RE为主、并辅以调整一次风比例的控制方式。

当需要降低炉膛温度时，调高最佳飞灰循环系数K_T、增加最佳循环灰量A_T-RE，解决了传统控制方式增加一次风比例导致炉膛下部的供氧量增加、燃煤中的氮元素与氧元素接触的机会增加、氮氧化物生成量增加的问题；同时解决了一次风量增加、炉膛中的大颗粒灰浓度增加、炉内受热面管磨损增加、锅炉的安全性降低问题；

当需要提高炉膛温度时，降低最佳飞灰循环系数K_T、减少最佳循环灰量A_T-RE，实现炉膛温度增加，这种控制方式没有降低锅炉的流化风量，炉膛内的床料可以维持正常流化，解决了传统控制方式降低一次风比例导致炉膛下部床料流化不正常、导致床料结焦停炉、锅炉安全性降低问题。

附图说明

图1是最佳循环灰量A_T-RE与最佳炉膛温度T_opt的函数关系图

图2是燃烧效率E_burn、脱硫效率E_SO2、氮氧化物排放浓度E_NOx与最佳炉膛温度T_opt之间的函数关系图

具体实施方式

本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

将除尘器收集的部分飞灰作为自适应循环灰返回至炉膛，用于弥补由于实际燃煤的含灰量偏离最佳含灰量、导致锅炉偏离设计运行工况，从而实现锅炉燃煤煤种的自适应，返回炉膛的自适应循环灰量A_AU-RE采用自适应飞灰循环系数K_AU调节，定义式为：

A_AU-RE＝K_AU×A

其中：

A_AU-RE为返回炉膛的自适应循环灰量，K_AU为自适应飞灰循环系数，其定义式为：

$K_{AU}=\frac{1}{aB}\×(\frac{D}{Q-C}-1)$

其中：

B和D为取决于锅炉特性和设计煤种特性的常数，

C为利用入炉煤的热值及其灰含量采用如下方程式回归的常数项，

Q＝bA+C

其中：

Q为入炉煤热值，A为入炉煤灰含量，b是上述回归方程的回归系数，

a为飞灰份额，是排放的飞灰流量所占投入锅炉总煤灰流量的比例，一般为30％至70％之间。

作为本发明的进一步优选方案，除尘器收集的部分飞灰返回炉膛的最佳循环灰量A_T-RE，最佳循环灰量A_T-RE采用最佳飞灰循环系数K_T调节，定义式为：

A_T-RE＝K_T×A_AU-RE

如图1所示，通过调整最佳循环灰量A_T-RE来调整锅炉的最佳炉膛温度T_opt，最佳炉膛温度T_opt与最佳循环灰量A_T-RE的函数关系为：

T_opt＝f₁(A_T-RE)

其中：函数f₁(A_T-RE)为最佳循环灰量A_T-RE与最佳炉膛温度T_opt之间存在的一种函数关系式，这种函数关系式取决于锅炉的特性。

T_opt的范围在830℃至890℃之间，最佳炉膛温度T_opt与燃煤的燃烧特点、石灰石的脱硫特点、氮氧化物排放特点有关，最佳炉膛温度T_opt的函数关系为：

T_opt＝f₂(E_burn,E_so2,E_NOx)

其中：

E_burn为燃煤在炉膛内的燃烧效率，与燃煤特性和锅炉特性有关，

E_SO2为石灰石的脱硫效率，与石灰石的活性、燃煤特性有关和锅炉特性有关，

E_NOx为氮氧化物的排放浓度，与燃煤特性和锅炉特性有关，

如图2所示，函数f₂(E_burn,E_so2,E_NOx)为燃烧效率E_burn、脱硫效率E_SO2、氮氧化物排放浓度E_NOx与最佳炉膛温度T_opt之间存在的一种函数关系式，由现场试验确定。

在最佳炉膛温度T_opt下，具有较高的燃烧效率E_burn和石灰石的脱硫效率E_SO2，同时氮氧化物的排放浓度E_NOX较低，锅炉的经济性高、环保性能好。

进一步，当煤质发生变化或锅炉负荷发生变化、需要调整炉膛温度时，不是采用传统的调整一次风比例的控制方式，而是以调整最佳循环灰量A_T-RE为主、并辅以调整一次风比例的控制方式：

当需要降低炉膛温度时，调高最佳飞灰循环系数K_T、增加最佳循环灰量A_T-RE，增加炉膛灰浓度、增强炉膛内灰颗粒与炉内各受热面之间的换热，实现炉膛温度降低，这种控制方式没有增加炉膛下部的供氧量，氮氧化物的生成量没有增加，解决了传统控制方式增加一次风比例导致炉膛下部的供氧量增加、燃煤中的氮元素与氧元素接触的机会增加、氮氧化物生成量增加的问题；同时解决了一次风量增加、炉膛中的大颗粒灰浓度增加、炉内受热面管磨损增加、锅炉的安全性降低问题；

当需要提高炉膛温度时，降低最佳飞灰循环系数K_T、减少最佳循环灰量A_T-RE，降低炉膛灰浓度、减弱炉膛内灰颗粒与炉内各受热面之间的换热，实现炉膛温度增加，这种控制方式没有降低锅炉的流化风量，炉膛内的床料可以维持正常流化，解决了传统控制方式降低一次风比例导致炉膛下部床料流化不正常、导致床料结焦停炉、锅炉安全性降低问题。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自适应循环流化床锅炉控制方法，其特征在于：

将除尘器收集的部分飞灰作为自适应循环灰返回至炉膛，实现锅炉燃煤煤种的自适应，返回炉膛的自适应循环灰量A_AU-RE采用自适应飞灰循环系数K_AU调节，定义式为：

A_AU-RE＝K_AU×A

其中：A为入炉煤灰含量；K_AU为自适应飞灰循环系数，其定义式为：

$K_{AU}=\frac{1}{aB}\×(\frac{D}{Q-C}-1)$

其中：Q为入炉煤热值；a为飞灰份额，是排放的飞灰流量所占投入锅炉总煤灰流量的比例，取值为30％至70％之间；B和D为取决于锅炉特性和设计煤种特性的常数；C为利用入炉煤的热值及其灰含量采用公式Q＝bA+C回归所得的常数项；

其中：b是上述回归方程的回归系数。

2.如权利要求1所述的自适应循环流化床锅炉控制方法，其特征在于：返回炉膛的自适应循环灰量A_AU-RE的最佳循环灰量为A_T-RE；最佳炉膛温度T_opt与最佳循环灰量A_T-RE有关，其取决于锅炉的特性，通过调整最佳循环灰量A_T-RE来调整锅炉的最佳炉膛温度T_opt，现场试验当锅炉达到最佳炉膛温度T_opt时，此时的自适应循环灰量A_AU-RE即为最佳循环灰量A_T-RE；

最佳炉膛温度T_opt范围在830℃至950℃之间，最佳炉膛温度T_opt与燃煤的燃烧特点、石灰石的脱硫特点、氮氧化物排放控制特点有关，最佳炉膛温度T_opt，由现场试验确定。

3.根据权利要求2所述的自适应循环流化床锅炉控制方法，其特征在于：当煤质发生变化或锅炉负荷发生变化、需要调整炉膛温度时，以调整最佳循环灰量A_T-RE为主、并辅以调整一次风比例的控制方式：

当需要降低炉膛温度时，调高最佳飞灰循环系数K_T、增加最佳循环灰量A_T-RE，增加炉膛灰浓度、增强炉膛内灰颗粒与炉内各受热面之间的换热，实现炉膛温度降低；

当需要提高炉膛温度时，降低最佳飞灰循环系数K_T、减少最佳循环灰量A_T-RE，降低炉膛灰浓度、减弱炉膛内灰颗粒与炉内各受热面之间的换热，实现炉膛温度增加；

并当上述调整范围没有达到预期温度目标时,通过增加一次风进一步降低炉膛温度，减少一次风增加炉膛温度。

4.如权利要求2所述的自适应循环流化床锅炉控制方法，其特征在于：最佳循环灰量A_T-RE通过最佳飞灰循环系数K_T调节自适应循环灰量A_AU-RE得到；

A_T-RE＝K_T×A_AU-RE

最佳飞灰循环系数K_T是最佳循环灰量A_T-RE和自适应循环灰量A_AU-RE的比值。