摘要:现阶段,在锅炉运行过程中,仍然是以煤炭作为主要的原料,而煤炭燃烧必然会产生SO2等有害气体,对大气环境造成污染。循环流化床锅炉相较与普通锅炉而言,不仅对煤炭的利用效率更高,而且更有效减少硫元素等有害物质的排放,更有利于实现环保。基于此,本文针对循环流化床锅炉脱硫技术及控制进行了分析,以供参考。
关键词:循环流化床锅炉;脱硫技术;控制
电力行业作为国家发展的动力,有着举足轻重的作用,然而,在发电的同时,引发的环境与能源问题,也越来越值得考虑与深思。循环流化床(CFB)锅炉作为发电厂锅炉的一种,如何深度脱硫并且对其控制系统优化,提高脱硫效率,是需要研究的问题。
1循环流化床锅炉脱硫机理
目前,火电机组循环流化床锅炉大致分为两部分:第一部分由炉膛、分离器、返料装置等组成,共同组成一个固体燃料循环外回路;第二部分是尾部对流烟道,设有过热器、再热器、省煤器、空气预热器等,这些都是火电机组的重要设备。循环流化床锅炉的最大优点在于可以燃烧各种类型的煤,包括褐煤、煤矸石、生物质燃料以及废物等。循环流化床锅炉具体工作过程如下:
首先,当煤与脱硫剂被送到锅炉炉膛后,炉膛内的大量惰性高温物料立马将煤与脱硫剂包围,并且着火燃烧,进而发生脱硫反应,同时,烟气流上升且向炉膛上部运动,通过热辐射、热传导、热对流等传热方式对水冷壁和炉内受热面放热。其中,燃烧所需要的一次风、二次风分别从炉膛底部和侧墙通过送/引风机送入,循环流化床锅炉的燃烧室以二次风口为界可以分为两个区域,二次风入口以下部分为大粒子还原气氛燃烧区域,二次风口以上为小粒子氧化气氛燃烧区域。
以煤矸石为例,在这个过程中,当炉膛的过量空气系数α≤1.0时,其中的可燃硫就能够被氧化成为SO2,如果氧量充分时,0.5%~2%的SO2会进一步被氧化成SO3。在这个过程中,SO2析出也是受床温、过量空气系数、停留时间的影响。试验表明,当循环流化床的床温较高时,SO2的析出率也会升高;过量空气系数α和一次风、二次风的比例决定了氧浓度,进而影响炉膛中各层含硫物质的分配;试验数据表明,当0.1mm以下的煤颗粒在静止床层中的析出率可以达到98%以上,需要180~200s的时间,同时随着颗粒粒径变大,时间也会延长。试验表明,煤矸石中含硫量越高,过量空气系数越大,则反应生成的SO3也会越多。
2影响脱硫效率的主要因素分析
2.1床温
当温度小于800℃时,脱硫效率是比较低的,当温度大于920℃时,效率有所提高,但是此时由于石灰石表面的空隙被堵塞而致使CaO不能充分反应,同时石灰石表面O2被耗尽,形成低氧环境,此时已经反应生成的CaSO4重新被分解成CaO,进而产生SO2,以至于脱硫效率降低。
通过大量试验表明,对于300MW的CFB机组,在密相区,CFB最适合的脱硫床温在820~860℃之间。脱硫效率与炉膛密相区床温的关系如图1所示。
从图中分析可得,当机组炉内Ca/S保持不变时,炉膛密相区床层的温度820~860℃之间(对于300MW的CFB机组),是较为合适的脱硫温度,该工况下脱硫效率达到最高。
2.2钙硫摩尔比Ca/S
Ca、S摩尔比是影响循环流化床炉内脱硫效率和SO2排放量的重要因素之一。钙硫摩尔比能够反映石灰石相对量。一般而言,如果加入炉内煤矸石的量不变,同时煤矸石中的硫与石灰石中的钙的含量都不发生变化时,那么我们就可以认为,钙硫摩尔比随石灰石加入量的增加而增加。同时经过大量现场试验证明,一般情况下,对于300MW亚临界循环流化床锅炉,脱硫效率随着钙硫摩尔比增大而增加,但是如果石灰石的量继续增加,却对脱硫效率的提高慢慢变弱。经过反复试验可以得出,对于300MW某CFB机组而言:当Ca/S<3.0时,脱硫效率随着Ca/S增大而明显提高;当Ca/S>3.0时,此时脱硫效率随Ca/S增大变化不明显;当Ca/S达到4.0及以上时,脱硫效率基本维持在一个定值中,所以存在一个饱和临界点,这是我们在工程应用中需要反复试验得出的,这样才可以提高效率并且节约材料。
2.3循环倍率
循环倍率指CFB的物料循环倍率。具体来讲,是在单位时间内CFB的循环物料量与加入炉煤量之比,即通过分离器捕捉下来并且返送到炉膛的物料量与新给的燃料量的比值,该参数可以用公式表示:r=GC/B。
式中,GC是循环物料量的质量流率,单位kg/s;B是给煤的质量流率,单位kg/s。一般来讲,当提高循环倍率r时,石灰石在床内的停留时
间就会增加,伴随着石灰石的利用率也随之提高,另外也能降低对氮氧化物的增长,进一步提高脱硫效率。值得注意的是,r值过高,也会导致过高的通风阻力,会导致较高的风机电耗,甚至更大磨损。也就是说,r也不是越大越好。
2.4其他相关影响因素
除了上述影响因素外,石灰石的结构和属性对脱硫剂的反应活性也有一点影响。经过大量现场试验得知,石灰石中含有的杂质能够在脱硫过程中起到催化剂的作用,促进脱硫效率的提高。另外,石灰石粒径的大小与脱硫效率也有一定的关系,一般火电机组选用的粒径平均在100~300μm之间。最后,提高过量空气系数,也可以提高CFB的脱硫效率。
3 CFB脱硫效率影响因素的控制方法
3.1基于BP神经网络构成的CFB串级床温控制系统
在现场中,扰动发生是比较频繁的,此时我们希望调节器能及时动作,因此一般采用串及控制。采用串级控制可以采集到比被调量提前反应扰动的辅助信号,使得调节器接收到提前信号后及时动作。但是由于循环流化床锅炉是一个大惯性、大延迟的被控对象,传统的串级控制不能很好的调节该控制系统,并且调节参数和品质不是很稳定。因而,为了进一步提高对该控制对象控制的稳定性和快速性,得到较好的控制参数,这里我们采用基于BP神经网络构成的CFB串级床温控制系统,其原理方框图如图2所示。
从图2分析可以看出,在该回路中,y1(s)为循环流化床锅炉的床温;y2(s)为能够提前反应参数数值变化的一次风量,该参数能够提高控制品质;G1(s)为主控制器,其根据过程变量与设定值r1(s)的偏差进行调控,主控制器在该回路中采用BP神经网络控制器;G2(s)为副调节器,即一次风量调节器,该控制器的给定值由主控制器决定,同时根据副回路过程变量与给定值的偏差调节,在该系统中选取副调节器采用比例积分控制。
在该控制框图中,BP神经网络控制器是由BP神经网络和经典PID控制器共同构成的,该控制器作为主回路的控制器对该控制系统进行细调。G2(s)是由比例积分构成的副回路控制器,进行粗调,同时给调节器提供提前信号。
在该回路中,BP神经网络能够根据系统运行的实际工况,实时动态调节PID的控制参数和品质,进而优化控制性能。BP神经网络主要通过神经元的输出状态分别对应于其PID的Kp、Ki、Kd,再通过神经网络自身学习和加权系数的调整使得该控制系统处于稳定状态,满足系统运行的稳定性要求。另外,对于经典的PID控制器,可以设置Kp、Ki、Kd为在线动态调整方式,对被控对象进行闭环控制,提高控制系统的控制品质。
3.2基于与Ca/S比构成的串级控制算法
根据现场经验,该方法设计出基于SO2与Ca/S比构成的串级控制算法,提高系统的稳定性。该控制算法中,SO2排放浓度为主回路,Ca/S为副回路。在该控制回路中,Ca/S取值在2~3之间,以此根据实际运行工况和脱硫效率的要求计算石灰石的反馈值,进而计算出所需的Ca/S比值,作为副回路的设定值。该串级控制算法的SAMA图如图3所示。
其中,Sp为SO2浓度给定值;Pv为SO2浓度过程值;f为进煤量。其中,经过变送器测量出的r是石灰石中Ca含量,其与进煤量f相除后作为副回路的反馈值。
3.3基于循环倍率构成的串级控制算法
在现场中,根据被控对象的特性和经验,设计出基于循环倍率构成的串级控制算法,提高石灰石的利用率,进而提供脱硫效率。基于循环倍率构成的串级控制算法框图如图4所示。
其中,G1(s)为主控制器;G2(s)为副控制器;W1(s)为循环物料;W2(s)为锅炉;r(s)为煤质量流率给定值;y1(s)为煤质量流率的过程值;y2(s)为循环物料的质量流率;q是y2(s)/y1(s)所构成的循环倍率,作为副回路的反馈值,该控制算法可以实现较好的脱硫效果。
结语
循环流化床锅炉的非线性、多变量耦合、大惯性的对象特点,使得很难建立精确的数学模型。基于此看,本文对其工作过程认真研究,分析了影响脱硫效率的因素,并且结合这些因素及工作特性,设计较好的控制方法,为循环流化床的脱硫过程提供一定的理论支撑。
参考文献:
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[3]赵伟杰.循环流化床锅炉控制系统的设计和应用[M].北京:中国电力出版社,2009.
作者简介:
王彦明(1975.10),男,宁夏银川人,宁夏大学电气工程及自动化,助理工程师,单位:宁夏宁鲁煤电有限责任公司,研究方向:循环流化床锅炉方面
论文作者:王彦明
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/24
标签:流化床论文; 锅炉论文; 石灰石论文; 效率论文; 回路论文; 炉膛论文; 倍率论文; 《电力设备》2017年第19期论文;