CN1009305B - 控制流化床锅炉的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制流化床锅炉的方法的改进，在此方法中：1.根据燃料种类及汽包压力设定流化介质静态床高和流化床温度的参考范围；2.检测沸腾室内流化介质的沉积高度并与设定静态床高参考范围比较，加入或排出流化介质使实际床高处于设定范围之内；3.检测沸腾室内流化床的温度，如高于温度参考范围则将设定温度范围调高，如低于温度参考范围则将流化介质静态床高参考范围调低，然后返回工序2，当锅炉载荷变化时，流化床温度变化很小。

Description

本发明涉及控制流化床锅炉的方法，这种流化床锅炉用煤或类似燃料进行沸腾燃烧。本发明尤其涉及对这种方法的改进，使得即使在载荷改变时，也能把流化床温度的变化减至最小。

众所周知，流化床锅炉的燃料是连续加入沸腾室内的，而空气是通过分配器板引入沸腾室内以助燃料燃烧，使流化介质流态化，并在设置于沸腾室内的热管中进行热交换。在这种流化床锅炉中，其热管的安装高度设置以及流化介质的加入量考虑都使得炉管浸入流化床内。

在这种锅炉中，炉管浸入流化床内，并且锅炉是在这样的一个区域内操作，即使空气的流速降低，总的传热系数也不会减小，这是此流化床的热传导特性。因此，当锅炉载荷下降，即使减少燃料的加入量和空气的供应量，以及燃料的燃烧热减少时，传热系数和热传导表面积大体上也不会减少。因而，流化床的温度会迅速降低而不能工作。

反之，如果锅炉的载荷增加而燃料的加入量和空气的供应量也增加时，流化床的温度便迅速提高，从而引起诸如流化介质烧结等麻烦。

为了克服这一缺点，美国专利4279207透露了：当锅炉载荷增加和流化介质量增加时，流化床和炉管之间的接触面积便也增加，从而增加了从流化床给炉管的传热量。该专利还透露了：当载荷减少时便把流化介质排出（特别是见第10段的54至62行和第 11段的7至14行）。

美国专利4499857特别是在第4段的53至60行和第6段的17至19行中透露了：流化介质的高度是根据流化床的温度来控制的。

美国专利1986年4月出版的《矿业工程》第244页右列第12至19行以及图7上透入了：流化床的高度以及浸入流化床内的炉管数量是随载荷而变动的。

美国专利4614167也公开了一种控制流化床锅炉的方法，根据锅炉负荷的变化改变流化床的高度而改变沸腾室内浸入流化床的炉管数量来控制燃料的加入量和一次风的供应量使流化床的温度保持在一个合适的水平上。

然而，上述参考资料中并没有透露控制流化床高度的适当方法。

本发明的第一个目标是要提供一种控制流化床高度的适当方法。本发明的第二目标是要提供控制流化床锅炉的方法，使得在这种锅炉中，即使流化床的载荷可能发生波动，但流化床的温度波动非常小。

本发明是根据流化床锅炉的载荷来控制燃料的加入量和一次风的供应量的，从而改变了流化床的高度，并控制了浸入流化床内的炉管数量，使得流化床的温度保持在一个恒值上。流化介质的床层高度由下述工序来控制：

（1）在沸腾室内，根据加入沸腾室内固体燃料的种类以及汽包内的压力，给定流化介质床层高度的参考范围和流化床温度的参考范围;（2）检测沸腾室内流化介质的沉积床层高度，把检测出的高度与选定的流化床层高度参考范围进行比较，并通过流化介质的供料装置或排料装置加入或排出流化介质，使得静态层高在其参考范围内; （3）检测沸腾室内流化床的温度，把检测出的流化床温度与给定的参考范围进行比较，如果流化床的温度超过参考范围，则根据温差把流化介质床层高度的参考范围重新调高一些;如果流化床的温度低于参考温度范围，则根据温差把流化介质的静态床高的参考范围重新调低一些。然后再反回工序（2）。

根据本发明所述，假如空气和燃料的供应量随着锅炉载荷的减少而减少，则流化床的高度也随之而降低，使得浸入流化床内的炉管数量减少，反之，假如空气和燃料的供应量随着锅炉载荷的增加而增加则流化床的高度也随之而提高，使得浸入流化床内的炉管数量增加。因此，流化介质与炉管接触的面积随着锅炉载荷的变化而变化，这样从流化床传至炉管的总热量随载荷的变化而改变，从而大大减少了流化床的温度波动。因此，即使锅炉的载荷发生变化，流化床锅炉仍能继续进行稳定的操作。

一般来说，即使锅炉的载荷相同，其过量空气比率相同及流化介质的静态床高也相同，流化床的温度还会根据用煤的牌号以及煤粒直径的分配情况而变化。在本发明中，流化介质是加入还是排出是根据流化床温度的变化而决定的，从而控制了流化床的静态床层高度，这样，便减少了流化床的温度波动。

因此，根据本发明，即使锅炉载荷可能有波动，但流化床温度的波动极小，锅炉可以进行非常稳定的操作。

根据本发明的方法，即使固体燃料的种类（例如煤的种类）改变，使得流化床内产生的热量发生变化，或者即使燃料是诸如油页岩等煤屑，会积聚在流化床上，但流化介质能自动加入和排出，从而使流化床的温度控制在一个恒定值上。

下面对附图加以叙述：

图1是本发明一个实例的流化床锅炉系统图;图2是锅炉炉腔的剖视图;图3和图4是控制原理方框图;图5是控制程序的流程图;图6和图7是试验结果示图;图8是Z和Y之间的关系示图;图9是Hx和Uo之间的关系示图;图10是表示Lc和Xm的简略图。

图1是根据本发明实例控制流化床锅炉方法的流化床锅炉系统图图。图2是炉腔的剖视图。

序号10为锅炉的炉腔，在炉腔里面的底部装有横过锅炉炉腔铺设的第一分配板12，形成空气室14，压力送风机17通过一次风的进风管16与空气室连接。在分配器板12的上方是第一沸腾室19，其内装有许多炉管18。在本实例中，炉管18是在垂直方向分成三级并以交错的方式排列的。序号20为若干燃料供应管（在本实例中，供应的是煤粒），这些供煤管装在紧接分配器板12的上方，以保证燃料均匀加入。

进风管22装在锅炉炉腔10内，把二次风送到炉管18上方的自由板21处。在二次风进风管22的上方，装有横过锅炉炉腔铺设的第二分配器板24，在板24的上方形成供脱硫用的第二沸腾室25。序号26为脱硫介质（如石灰石或白云石）供料管，由料槽27供料。序号28为硫化后排除石灰石的排料管。

为了把流化介质加入到第一沸腾室19内，流化介质箱32通过带供料阀34的供料管36与第一沸腾室19连接。为了从第一沸腾室19中排出流化介质，带排料阀40的排料管38连接到炉腔10上。此外，还装有检测自由板21和空气室14之间压差的差压表42;测量沸腾室19内流化床B温度的温度传感器44;测量空气 室14内温度的温度传感器45和测量空气室14内压力的压力传感器46。

带有炉管52的废热锅炉50与炉腔10相连，汽包54通过管子56和58与炉管52连接。在管子56的中间装有循环泵60，其出口端通过管子62与炉管18的一端相连，炉管18的另一端通过管子64连接到汽包54上。汽包54上装有带控制阀106的供气管66，并通过给水泵68和管子70得到软水。管子70上有流量控制阀102。序号72为一个与废热锅炉50相连的集尘室，在集尘室的顺流方向上，装有吸风机74。

供煤装置76由煤斗78、回转阀80、配量输送器82、干燥器84和锤击破碎器86组成。煤用空气通过进料管20输送至炉腔10内。

在上述装置中，流化介质装入分配器板12上方的沸腾室内，由进料管20输入的碳粒在来自空气室14的一次风的助燃下燃烧而形成流化床B。然后，其烟气连同二次风穿过第二分配器板24进入脱硫流化床B′进行脱硫，气体再在废热锅炉50内进行热交换，其尘埃收集在集尘室72内，然后排入大气中。

炉管18的安装高度是这样设置的，当流化床B的高度根据锅炉载荷的变化而改变时，浸入流化床B内炉管18的数量也随之而改变。例如，当锅炉载荷为最大时，煤的供应量和一次风的供气量也最大，流化床B的高度增加至如图2所示的水平面A′处，使得所有的炉管18都浸入流化床B内。当锅炉载荷为中等时，煤的供应量和一次风的供应量也相应减少，流化床B的高度降至如图所示的水平面A″处，使得炉管18的最上一级管露出流化床B之外。当锅炉载荷 为最小时，煤的供应量和一次风的供应量均降至最小，流化床B的高度降至如图所示的水平面A′″处。这样，炉管18的最上一级和中间一级都露出流化床B外，而最下一级炉管18单独浸入流化床B内按照这种情况，当流化床B的高度随锅炉载荷的变化而改变时，浸入流化床B内炉管18的数量也随之而变化，从而改变了传热面积。因此，从流化床B传至炉管18的总热量也随载荷的变化而改变，这样便大大减少了流化床B的温度波动。使用这种方法，即使锅炉的载荷减少，由于热交换量的减少避免了流化床温度的急速下降，从而保证了锅炉即使在低载条件下也能稳定工作。

石灰石粒从管子26连续地加入第二沸腾室25内，以形成脱硫流化床B′，对通过第一沸腾室21流化床B而来的烟气进行脱硫，烧尽的石灰石由管子28溢流出炉腔外。

下面参看图3对流化床锅炉的检测装置加以叙述。图3是一个控制原理图。

一次风进风管16上装有流量计90和流量控制阀92。在炉腔10内装有氧气检测器44，用以检测炉腔内的氧气量。供煤系统由流量计82和流量控制阀80（回转阀）组成。供水管70上装有流量计100和流量控制阀102。蒸汽供应管66上装有流量计104和流量控制阀106。汽包54上装有压力表108和水位表110。

来自流量计90，82，100和104的信号分别输入调节器112，114，116和118内。来自压力表108和水位表1110的信号分别输入调节器120和122内。

控制汽包54水位的情况如下：对汽包水位调节器122和供水 流量调节器116是采用串联控制的方式，以改善供水压力波动和供水阀特性带来的影响，并在加法器123中加上前馈信号主蒸汽流量，以控制汽包54水位调节器122的输出，通过三个环节（汽包水位、供水量和主蒸汽流量）来控制汽包的水位。

由汽包54所供给的蒸汽（主蒸汽），其压力控制是通过自动燃烧控制来实现的，如下所述。

汽包压力调节器120是锅炉控制的中心，它把主蒸汽压力控制在一个恒值上，此压力调节器称为锅炉主控制器。来自锅炉主控制器120的控制输出（主信号）在加法器124中加上来自流量计104的前馈信号即主蒸汽流量，用以改善载荷波动时的响应特性。在进入空气流量调节器112和煤粉在流量调节器114以前，锅炉主信号与由煤量计算出的空气量和由空气流量计算出的煤量进行比较并作出选择。此外，根据来自氧气检测器的信号，算出对燃料流量给定值和空气流量给定值的范围的限值，从而控制含氧量在一个恒定范围内。即，把来自加法器124的锅炉主信号输入到低信号选择器126和128内。由计算装置130算出的煤量信号输送给选择器126，此算出的信号是根据一次风的进入量和炉腔内的氧气浓度而得出的。从锅炉主信号和来自计算装置130的信号中，低信号选择器126选择其较低煤量信号，并把它输出至调节器114处。

把由流量计82测出的煤量信号输入到加法器131和减法器132上，以设定其范围的限值，而它们的输出值分别输至低信号选择器128和高信号选择器134处，并与锅炉的主信号进行比较，以选择其在范围限值内的信号。然后把选择好的信号输出至计算装置136，此外，根据选定的信号和炉腔内的含氧量来计算一次风的 进气量，并把计算结果输给调节器112。这样，便同时控制了空气量和煤量，使得尽管锅炉载荷有波动，仍能把含氧量控制在一个预定的范围内。

在本发明中，通过改变流化介质的加入量，可以控制第一沸腾室内流化床B的高度。例如，即使在同一载荷、同一过量空气比率和同一流化介质加入量的情况下，流化床的温度变化还取决于例如煤的不同种类和煤粒不同的直径分配情况等。所控制物质的挥发性愈大，或所控制的粒子愈细，则物质在自由板上燃烧的百分比愈是比在流化床内的为高，因此减少了在流化床内产生的热量，降低了流化床B的温度。当流化床的温度由于这一原因而降低时，即把流化介质排出，以降低流化床B的高度，由于减少了取自流化床B的热量，而使流化床的温度恢复至原来的较高值。

相反，当流化床B的温度由于上述原因而升高时，便加入流化介质，以增加流化床B的高度，从而增加取自流化床B的热量，使流化床B的温度恢复至原来较低的状态。

如煤矸石等低卡（低热量）煤含有许多诸如油页岩等岩石成份。因此，如果把这种低卡煤加入到本发明锅炉内，则岩石成份积聚在流化床B上，增加了流化介质的量，故必须从流化床中排出流化介质，以便使流化床保持固定高度。此时，用类似的方式进行控制。

为了实现这一控制，要测出空气室14的压力和温度，测出供燃烧用的一次风的进入量，并根据预定的计算公式算出这些数据，计算出与燃烧室内分配器板12处的差压。另一方面，通过差压传感器42测出自由板和空气室14的差压。分配器板12的差压△P在输出时从传感器42中减去，然后把结果除以流化介质的堆积比重，以获得 流化介质加入后的静态床层高度，加入流化介质后的静态床层高度，流化床的温度和一次风的进入量均根据流化床温度的控制等式，使用预定重排的经验公式算出，后面还要谈及。根据实际结果和算出值之间的差值来自动控制流化介质的加入量和排出量。

在上述计算所进行的推断及改变煤的种类等操作中使用了贮存在计算机数据库中的数据。

图4是实现这一控制的方框图。参考号数138指示的是一台计算机。序号140为一个函数发生器，它能发出流化床B的温度函数和发出来自计算机138的数据，而把函数输送到包含有内部重复型模拟计算机的控制器142上。控制器142根据差压传感器42测出的压差和根据那些函数、压力P、空气室温度T1以及测出的流化床B的温度T等来控制流化介质排料阀40和流化介质进料阀34。

图5是一个流程图，用于解释控制器142的计算机程序。

计算机读出供燃烧用的一次风的进入气量F、空气室14的温度T1和压力P（第200步，201步和202步），并根据下列公式（1），（2），（3）计算出第一分配器板12的差压△P1（第203步）。

ΔP1= (K1ρa＇v²)/(2g) (1)

ρa′＝ρa× 273/(273+T1) × (1.033+P)/1.033 （2）

$\mathrm{V=}\frac{\mathrm{F\times }\frac{\mathrm{273+T1}}{\mathrm{273}}\times \frac{\mathrm{1.033+P}}{\mathrm{1.033}}}{A}$

式中K1是常数，g是重力加速度，ρa是空气密度，A是第一分配器板12内空气流通孔的总面积。

因此，V是空气流经第一分配器板12孔道时的流速。

读出差压△P（第204步），根据以下公式计算出构成流化床B流化介质的静态床层高Lc（第205步）。

Lc＝ (P-△P1)/(ρs) （4）

式中ρs是流化介质的堆积密度。

在第206步时，是决定静态床层高度Lc是否大于参考范围（Lcs±△Lcs）的上限Lcs+△Lcs，如果Lc等于或大于上限值Lcs+△Lcs的话，则转移至第207步，打开流化介质排料阀40，开始排出流化介质。第206步和第207步构成一个闭环，使流化介质连续排料，直至流化介质的静态床高Lc低于所比较的上限值Lcs+Lcs为止。如果静态床层高度Lc低于上限值Lcs+△Lcs时，便转移至第208步，此时，假如排料阀40是打开的话，则把它关闭起来，并转移至第209步，在那里，决定流化床静态床层高度Lc是否高于参考范围的下限值Lcs-△Lcs。如果Lc等于或小于Lcs-△Lcs，则转移至第210步，打开流化介质的供料阀34，加入流化介质。第209步 和210步构成一个闭环，使得流化介质连续加入，直至Lc高于Lcs-△Lcs为止。如果Lc高于下限值Lcs-△Lcs，则转移至第211步，在那里，如果阀34是打开的话，则把它关闭起来。读出流化床的温度（第212步）和读出含氧量（在一个较长的时间例如10秒内的平均含氧量）（第213步）。

在第214步上，用该含氧量修正流化床的温度，根据下列公式（5）算出修正的温度T′。

T′＝K2×（ (21－O₂)/21 ）F^m

式中，K2和m均为常数，O₂为含氧量。

然后，转移至第216步，在那里，决定修正温度T′是否在参考范围Ts±△Ts之内。如果是的话，就返回步第200步。如果T′超出参考范围，则转移至第216步，在那里算出流化介质的静态床层高度（参考值）Lcs，以作为新的基准，旧的Lcs值由新的Lcs′值代替（第217步），然后返回至第200步。

通过下列公式（6）计算出新的Lcs值。

Lcs′＝ (K4·T′+K5)/(T′+K3) ·Lcs （6）

式中，Lcs′为新的参考值，Lcs为旧的参考值。K3，K4和K5是常数。

在公式（1），（2），（3），（4），（5）和（6）中，系数K2，K3，K4，K5和m随燃料的比率、颗粒直径的分配、 总的含水量比率和煤粒中的灰分比率而变。假如把对每一种煤用重排的经验公式（以后叙述）模拟算出的这些值代入上述等式中，则通过流程图所示的控制方法，可以对同一种煤进行稳定的控制。由于流化介质具有很大的热量，因此一定范围内的开关控制便足以控制流化床的温度。这样，流化床产生的热量即使由于用煤种类的改变而变化，或即使所用煤在流化床上沉积其成份诸如页岩等，也能自动控制流化床的温度。此外，对于常用的煤，仅需加入一些煤以供流化介质消耗和泄漏补充之用，因此，矿砂的供给和排出甚至一个星期都不必进行一次，根据载荷的变化，仅靠改变进风量和煤量便可进行控制。若煤的种类每月要更换一次的话，则加入和排出矿砂的次数要比这个还少

从图示实例中可见，炉管18是在垂直方向成三级设置的，但根据本发明，炉管也可设置成两级、四级或多级。图中所示的流化床锅炉带有脱硫流化床，这并不是本发明所必须的。

在上述实例中，是使用煤粒作为燃料，但还可以使用煤粉或除煤以外的各种可燃物作为燃料。

虽然本发明没有特别的限制，但是流化介质的床层高度最好是选择在例如150～300mm之间，炉管的垂直间距最好在80～170mm之间，炉管的直径（外径）最好在30～90mm之间，最低一根炉管的中心高出分配器板最好在300～600mm之间。

下面对所推荐的实例加以叙述。

在图示装置中，使用石英砂作为流化介质，使用煤粒作为燃料。一次风中的过剩空气系数为1.05，二次风占总风量的比例为0.17，炉管18的总面积为3.5m²。流化介质的静态床层高度为200mm，炉管的垂直间距为130mm，炉管的直径（外径）为 65mm，最低一级热管的中心位置比分配器板12高出450mm。炉管的级数为三级，成交错排列。当锅炉载荷变化时，测得流化床B的各温度值，其结果如图6所示。

图7表示大体上在与图6相同的条件下，只是炉管18的总面积为65m²当锅炉载荷变化时，流化床B温度的测量结果。

根据本发明，在图6和图7中可以看出，流化床的温度大体上没有什么变化，也就是说，即使锅炉载荷发生变化，但流化床温度基本上不变。就图6和图7的结果来看，当载荷大约低于40%时，流化床的温度才有下降的趋势，因为必须保持最低限度的一次风进入量来稳定流化操作。

根据本发明，在控制流化床锅炉的方法中，必须要分别知道随流化介质加入量的不同，具有各种高度炉管的传热量，以及为了决定炉管安装的最佳高度值而需供应的空气量。本发明者已获得了重排的经验公式，利用这一公式，可以得到随流化介质的加入量和空气供应量的不同，在一定安装高度上炉管的平均传热系数。这一结果是用电热器在室温下加热空气。把炉管置于一个具有450mm见方流化床尺寸的矩形流化床试验装置上测量其传热系数而获得的。该公式如下所示示。炉管是成三排以交错的方式排列，每一热管的直径是48mm，流化介质是颗粒平均直径为1mm的石英砂，umf＝0.46m/s，

Z= 1/(1+AYⁿ)

式中，Z＝ (Hx-H∞)/(Hmax-H∞) ，Y＝ (X-Lc)/(Lc) ，

A＝163e-4.2U^d

n＝1.67+1.87U^d

U^d＝Uo-Umf

Hx：排列在高度X处管子的平均传热系数，

H∞：管子在单段强迫对流时的平均传热系数，

Hmax：在各种空气表面速度下Hx的最大值，

Lc：流化介质的静态床层高度，

Uo：空气表面速度，

Umf：最小沸腾速度，

X：从分配器板至炉管中心的高度。

图8表示Z和（X-Lc）/Lc之间关系的试验值和根据上述重排公式算出的值。从图8中可见，试验的数值和重排公式算出的结果是非常一致的。

为了提供实际装置在高温下的经验公式，利用已发表的关于流化床内卧置传热管（炉管）在温度提高时的最大传热系数公式，通过计算Hmax来算出炉管安装位置与平均传热系数之间的关系。另一方面，根据随使用燃料的成分、燃料的可燃性和燃料颗粒直径而变化的化学计量燃烧温度，通过计算流化床内，外燃烧百分率的热平衡来算出在炉管上的热交换量，以获得预定的流化床温度。从所算出的热交换量中再计算出与载荷的波动限制相适应的供气量波动限控范围内使预定的流化床温度保持恒值的平均传热系数变化。相应于此平均传热系数变化方式的流化介质加入量和炉管安装高度便是最佳的值。

图9中的曲线9a表示理想的平均传热速率Hx的变化方式，它与空气表面速度Uo成正比。图示试验结果是在流化床尺寸为450mm 见方的流化床试验装置上获得的。在这种情况下，优选的静态的床高Lc＝300mm，所有炉管的光学平均安装高度Xm为445mm。图10中表示Lc和Xm的简略图。

根据本发明，如果燃烧低卡燃料和/或具有很高挥发量的燃料，或甚至改变燃料，则可适当调整炉管的位置和流化介质的加入量。这样，可保持流化床的温度恒定而不受载荷波动的影响。

Claims (3)

1、一种控制流化床锅炉的方法，包括：把一次风供应装置与空气室连接；在空气室的上方设有供燃料在其中燃烧的沸腾室，用分配器板与空气室隔开，通过分配器板供应空气；在沸腾室内装有若干具有不同安装高度的炉管；一个与炉管连接从水中分离出蒸汽的汽包，以提供蒸汽；用于把燃料加入沸腾室内的装置；用于把流化介质加入到沸腾室内的装置；用于把流化介质从沸腾室内排出的装置。

因此，根据锅炉载荷的变化从而改变沸腾室内浸入流化床内的炉管数量来控制燃料的加入量和一次风的供应量，其特征在于这一方法包括以下工序：

(1)根据加入沸腾室内的固体燃料的种类以及汽包内的压力，设定流化介质静态床高的参考范围和沸腾室内流化床温度的参考范围；

(2)检测沸腾室内流化介质的沉积床高，把检测出的高度与静态床高的给定参考范围进行比较，通过流化介质的供料和/或排料装置把流化介质加入和/或排出，使沉积床高处在设定静态床高的参考范围内；

(3)检测沸腾室内流化床的温度，把检测出的流化床温度与参考范围进行比较，如果流化床的温度超过此参考范围，则根据温差重新设定流化介质静态床高的参考范围，调至较高的高度；如果流化床的温度低于参考温度范围，则根据温差重新设定流化介质静态床高的参考范围，调至较低的高度，然后再返回工序(2)。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于固体燃料至少从下述燃料中选择一种：煤、煤矸石、低卡煤、油页岩、可燃矿泥和其他可燃废料。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于可以控制其一次风的进量，使流化床内的含氧量处在预定范围内。

Images