燃煤電站在我國能源體系中占有很高的比重，目前燃煤電站煙氣中的NOx、SO2以及煙塵對大氣的污染已成為一個不容忽視的問題。據(jù)統(tǒng)計，60%以上的NOx是由煤炭燃燒所產(chǎn)生的，近年來隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，如何控制煤炭燃燒過程中NOx的排放是目前研究的重點。

循環(huán)流化床（circulating fluidized bed boiler, CFB）燃燒技術(shù)是近三十年來迅速發(fā)展起來的一種新型潔凈煤燃燒技術(shù)，其主要特點為爐內(nèi)有大量的混合床料與脫硫劑，在流化狀態(tài)下進(jìn)行反復(fù)的燃燒和脫硫反應(yīng)，在實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫的同時抑制了氮氧化物的生成。該技術(shù)還具有煤種適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好和灰渣易于利用等優(yōu)點，是目前潔凈煤發(fā)電技術(shù)研究的重點。

我國CFB燃燒技術(shù)的發(fā)展起步較晚但進(jìn)步較快，截止2012年底，我國已有不同容量的CFB機(jī)組3000多臺，投入商業(yè)運行的發(fā)電容量近1億kW，已投運的300MW級CFB機(jī)組達(dá)到110多臺。

1 超臨界CFB鍋爐儀表選型特殊點

超臨界CFB鍋爐運行時，床料在燃燒室內(nèi)呈流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒，未燃盡的床料通過旋風(fēng)分離器分離后再次送入燃燒室內(nèi)進(jìn)行二次燃燒。與普通的煤粉爐相比，CFB鍋爐的燃燒方式更為復(fù)雜。

因此，超臨界CFB鍋爐儀控設(shè)備的選型應(yīng)結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)特性及運行維護(hù)的經(jīng)驗開展。儀控設(shè)備選型設(shè)計主要應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行考慮。

1）儀表的防堵及防磨損設(shè)計

在CFB鍋爐的運行維護(hù)過程中，如何解決儀表的堵塞及磨損問題，是影響CFB鍋爐技術(shù)發(fā)展的重要因素。

CFB鍋爐儀表的磨損主要發(fā)生在鍋爐內(nèi)固體濃度較高、流速較快的區(qū)域，包括燃燒室下部、旋風(fēng)分離器、返料裝置等區(qū)域。

在此類區(qū)域附近設(shè)置的儀表長期受到固體離子的沖刷，在正常運行中其磨損程度均遠(yuǎn)高于其他區(qū)域的儀表。因此在循環(huán)流化床鍋爐煙氣側(cè)測量儀表的設(shè)置和選型方面需要進(jìn)行特殊考慮和設(shè)計，既要保證測量準(zhǔn)確還要保證儀表本身的防磨損。

由于CFB鍋爐為正壓鍋爐，正常運行中壓力測點取樣管內(nèi)容易積累粉塵使得取樣管堵塞，因此對于爐膛、煙道、返料裝置等部位設(shè)置的壓力及差壓測點需要設(shè)置相應(yīng)的防堵措施及定期吹掃裝置。

2）需增加設(shè)置的測點

CFB鍋爐與常規(guī)燃煤機(jī)組相比，其燃料是在鍋爐內(nèi)進(jìn)行反復(fù)燃燒的，初步燃燒后的氣固混合物離開爐膛后進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，分離后的固體顆粒通過高壓流化風(fēng)重新送回爐膛進(jìn)行燃燒。循環(huán)燃燒的特性使得運行時需要對高壓流化風(fēng)參數(shù)、旋風(fēng)分離器參數(shù)以及返料裝置參數(shù)進(jìn)行測量，用于對爐膛燃燒狀況進(jìn)行控制。

同時，CFB鍋爐的脫硫反應(yīng)是在爐內(nèi)進(jìn)行的，通過在爐內(nèi)加入石灰石的方式進(jìn)行脫硫，在加入石灰石時需要精確控制其加入量以確保脫硫效果，同時降低運行成本。因此要對石灰石料倉料位及給料量進(jìn)行檢測。

3）不建議設(shè)置爐膛火焰電視

CFB鍋爐內(nèi)燃料是呈高速流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒的，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐有很明顯的區(qū)別，難以直接觀察到爐膛的燃燒情況，因此CFB鍋爐一般不設(shè)置火焰電視系統(tǒng)。

4）不建議設(shè)置爐管泄漏探測裝置

CFB鍋爐在運行過程中其噪聲較大，會嚴(yán)重干擾到爐管泄漏探測裝置的工作，使其難以判斷鍋爐爆管情況，因此不建議設(shè)置爐管泄漏探測裝置。

本文的主要研究內(nèi)容是依托于某350MW超臨界CFB機(jī)組對超臨界循環(huán)流化床鍋爐壓力、溫度的測量以及電纜選型等內(nèi)容進(jìn)行研究，該工程鍋爐為一次中間再熱，鍋爐由主循環(huán)回路（包括爐膛、旋風(fēng)分離器、回料器以及爐內(nèi)屏過、屏再、冷渣器等）、尾部煙道（包括中過、低過、低再和省煤器）、空氣預(yù)熱器3部分組成，整體采取M型布置方式，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

爐膛為單爐膛單布風(fēng)板水冷風(fēng)室結(jié)構(gòu)，水冷風(fēng)室為兩側(cè)進(jìn)風(fēng)。爐內(nèi)布置屏過、屏再和水冷隔墻，采用低質(zhì)量流速垂直管技術(shù)膜式水冷壁。

由以上工藝系統(tǒng)介紹可知，超臨界循環(huán)流化床機(jī)組鍋爐汽水以及汽機(jī)側(cè)儀控設(shè)備的選型設(shè)計同超臨界煤粉鍋爐區(qū)別不大，其特殊性主要體現(xiàn)在鍋爐本體以及常規(guī)煤粉鍋爐所沒有的相關(guān)系統(tǒng)上，其中，又以床溫和床壓的控制為關(guān)鍵點。

提高床溫有利于煤中揮發(fā)物的析出，縮短燃盡時間，但床溫同時會受到灰熔點和最佳脫硫溫度的限制，因此，為了兼顧燃燒效率和脫硫效率，平均床溫一般控制在870℃～920℃之間。而床壓的高低不僅影響物料流化，也會造成鍋爐的結(jié)渣，正常運行時，床壓應(yīng)控制在7kPa～8kPa。

對過程參數(shù)準(zhǔn)確的檢測是控制的先決條件，傳統(tǒng)的儀表選型方案往往只注重儀表的精度、測量范圍等參數(shù)，沒有考慮到CFB鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部條件，導(dǎo)致儀表的使用壽命較短，本文根據(jù)超臨界CFB鍋爐結(jié)構(gòu)和工藝系統(tǒng)的特點對儀表的選型進(jìn)行了針對性的分析。

2 爐膛壓力測量儀表選型

2.1 防堵型爐膛壓力取樣裝置

在燃燒過程中，循環(huán)物料在爐內(nèi)是高速運動的，同時，布風(fēng)板上方密相區(qū)下部的壓力大約為6kPa～8kPa，到燃燒室出口壓力是逐漸遞減的，而且密相區(qū)壓力、燃燒室出口煙壓等壓力信號在運行過程中是相當(dāng)重要的參數(shù)，參與床料厚度計算。

在機(jī)組運行中，若爐膛壓力測點發(fā)生堵塞現(xiàn)象，會使運行人員錯誤判斷床料的厚度，導(dǎo)致廠用電量增加，嚴(yán)重時還會造成床料流化不良而使鍋爐結(jié)焦。

為了防止儀表管堵塞，一般采取的方法是增加防堵取樣裝置，定期使用壓縮空氣對儀表管路進(jìn)行吹掃，這種方式基本可以防止堵塞。但是由于該裝置需要穩(wěn)定的儀表氣源，操作吹掃過程把握要準(zhǔn)，因此，在鍋爐的實際運行中，大多數(shù)的防堵取樣裝置常常會成為閑置沒用的裝置。

本文根據(jù)多個工程運行經(jīng)驗總結(jié)出一種防堵取樣裝置，該裝置采用特殊形式防磨、防堵型測量裝置，采用小口徑、大傾角防堵型測量取樣管，能夠避免物料順著取壓管進(jìn)入儀表引壓管而堵塞測量，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 超臨界循環(huán)流化床鍋爐本體結(jié)構(gòu)圖

圖2 超臨界CFB鍋爐防堵取樣裝置示意圖

2.2 爐膛壓力儀表布置

CFB鍋爐中爐膛壓力是調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)，為了對爐膛壓力進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，一般壓力儀表采取冗余設(shè)置。直觀來說，對同一個被測量設(shè)置越多的儀表，控制系統(tǒng)的安全裕量就越高，同時，被測量也越能反映真實的工況，避免由于被測空間過大，儀表過于分散使被測量的局部變化無法被測得。但是過多的儀表不可避免地增加了工程成本，也不便于運行過程中的檢修維護(hù)工作。

本文對同類型機(jī)組實施案例進(jìn)行總結(jié)，得出CFB鍋爐相關(guān)部位壓力測點設(shè)置如下：爐膛床層壓力測點8點（左右側(cè)各4點）、爐膛下部壓力測點4點（左右側(cè)各2點）、爐膛中部壓力測點2點（左右側(cè)各1點）、爐膛壓差測點2點（左右側(cè)各1點）、爐膛上部壓力測點18點（左右側(cè)各9點）、旋風(fēng)筒差壓測點3點（每旋風(fēng)筒1點）、旋風(fēng)筒出口壓力測點（每旋風(fēng)筒1點）、U閥密度測點（每旋風(fēng)筒2點）、U閥料位測點（每旋風(fēng)筒2點）、U閥入口靜壓測點（每旋風(fēng)筒1點）、U閥出口靜壓測點（每旋風(fēng)筒2點）。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用情況

超臨界CFB鍋爐溫度儀表設(shè)置主要有床溫、壁溫、爐膛溫度、旋風(fēng)分離器入出口煙溫、回料器灰溫測量。

由于CFB鍋爐特殊的燃燒方式，大量高溫粒子不斷在鍋爐內(nèi)循環(huán)，在這些粒子經(jīng)過的區(qū)域，儀表取樣元件受到劇烈的磨損，同時由于其高溫環(huán)境，很容易被損壞。溫度元件的磨損問題造成日常維護(hù)量大，檢修費用高昂，同時嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，因此，CFB鍋爐的溫度測量元件選型應(yīng)重點考慮耐磨、維護(hù)量小的檢測元件。

本文經(jīng)過對同類型機(jī)組工程總結(jié)，得出超臨界CFB鍋爐溫度元件選型原則如下：

對于鍋爐密相區(qū)來說，其難點是床溫的測量，一般通過在爐膛燃燒室內(nèi)密相區(qū)分層布置多支熱電偶以獲得準(zhǔn)確的床溫。考慮到床溫的最高運行值不會超過1000℃，因此宜選用分度號為K（適用于0～1200℃范圍內(nèi)的測量）的熱電偶。

鍋爐床層前后墻分別布置8支K分度熱電偶，分為爐左、爐中、爐右3個區(qū)域，熱電偶型號宜選用WRN2-4325NM，雙支型，精度I級，L/l=1000mm/850mm，高溫耐磨型，耐磨段長度200mm，保護(hù)套管25mm，帶法蘭，配安裝管座長750mm， 32mm×3，安裝管座法蘭與保護(hù)管法蘭配對，配防水型接線盒。

對于鍋爐稀相區(qū)、旋風(fēng)分離器入出口煙溫以及回料器灰溫等測量，其最高運行溫度均不會超過1000℃，因此選用K分度熱電偶可以滿足運行要求。這部分元件的選型主要注意的問題是應(yīng)配耐磨保護(hù)管，綜合考慮成本因素，位于安裝套管內(nèi)的熱電偶保護(hù)管材質(zhì)可為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，但伸出安裝套管外進(jìn)入爐膛的熱電偶保護(hù)管材質(zhì)應(yīng)為特種耐磨耐高溫合金鋼。

CFB鍋爐金屬壁溫元件的選取與常規(guī)鍋爐區(qū)別不是很大，主要是因爐型不同導(dǎo)致測點安裝位置及數(shù)量上的差異。

4 儀控電纜選型

超臨界CFB鍋爐電纜的選型原則與常規(guī)燃煤機(jī)組基本一致，應(yīng)注意的是耐高溫電纜的應(yīng)用范圍有所變化，本文對CFB鍋爐機(jī)組中耐高溫電纜的選取范圍進(jìn)行了分析總結(jié)，耐高溫電纜用于爐膛吹灰器、火檢探頭、床上/床下燃燒器點火柜、床下點火風(fēng)道執(zhí)行機(jī)構(gòu)、二次風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、疏水罐液位開關(guān)、管道層設(shè)備（如抽汽逆止閥、抽汽電動門、抽汽溫度、抽汽管壁溫）、汽機(jī)本體及接線盒等。

對于電纜的具體型號、截面積以及芯數(shù)，需要根據(jù)不同的工程進(jìn)行實際選型，本文根據(jù)CFB鍋爐設(shè)計經(jīng)驗給出了一般性的電纜基本選型表，供讀者參考，具體內(nèi)容見表1。

表1 超臨界CFB機(jī)組電纜基本選型表

5 煙氣分析儀表

CFB鍋爐作為一種清潔、高效、煤種適應(yīng)性廣的燃燒技術(shù)而備受重視，這與它能在燃燒過程中有效地控制SO2的產(chǎn)生密切相關(guān)。作為燃燒控制和煙氣排放控制的重要一環(huán)，煙氣分析是CFB鍋爐控制系統(tǒng)必不可少的檢測內(nèi)容。

超臨界CFB機(jī)組工程煙氣分析檢測的內(nèi)容主要有煙氣含氧量及SO2，測點設(shè)置在空預(yù)器前煙道上。其中煙氣含氧量信號在鍋爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)中被用于總風(fēng)量調(diào)節(jié)和二次風(fēng)量調(diào)節(jié)的校正，SO2信號被用于石灰石給料量的調(diào)節(jié)。

CFB鍋爐為正壓鍋爐，根據(jù)同類型工程實施經(jīng)驗，采用吸氣式分析儀能夠有效地滿足煙氣分析儀對于煙氣采樣流量的要求。因此SO2分析儀宜采用吸氣式紅外吸收測量方式。含氧量分析儀宜采用氧化鋯氧量分析儀，同時應(yīng)注意防塵裝置的耐磨性。

6 結(jié)論

超臨界CFB鍋爐是目前電力行業(yè)研究的重點，由于其本體結(jié)構(gòu)、工藝系統(tǒng)配置與常規(guī)燃煤鍋爐相比較為復(fù)雜，因此儀表選型是工程中的難點。

本文根據(jù)該類型鍋爐的實際結(jié)構(gòu)、工藝系統(tǒng)特點，并結(jié)合同類型機(jī)組工程實施的成功經(jīng)驗，總結(jié)出了該類型鍋爐儀表選型、電纜選型等設(shè)計特點和原則，為超臨界循環(huán)流化床機(jī)組儀控設(shè)備投入率、運行可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面提供合理、可靠的儀控設(shè)備。