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      福建省大型CFB鍋爐控制策略探討

      欄目:控制系統 發布時間:2018-08-22

      內容摘要:本文介紹了燃用福建省本省無煙煤440t/h CFB鍋爐的分散控制系統概況,并就其中的保護、自動調節、順序控制系統等策略進行了重點闡述,對存在的問題予以了分析。

      關鍵詞  福建省    CFB鍋爐    控制策略 

       

      引言

      龍巖發電有限責任公司一期工程4×135MW機組,所配備的鍋爐為哈鍋產440t/h CFB鍋爐,在缺乏可借鑒經驗的情況下,通過本公司、參建、調試、產家及國內CFB爐相關專家等全體人員的共同努力,一期工程四臺機組已于20069月全面投產發電,取得了較好的成效。

      福建無煙煤的典型特點為揮發份低、著火困難,灰熔點低、易結焦,燃盡度差等。CFB鍋爐在燃用該煤種時,如何克服以上缺點,確保鍋爐的安全穩定運行,隨鍋爐容量的不斷發展,與之相適應的大容量CFB鍋爐的控制策略問題成為難點問題之一,本文就這一方面問題結合我們實際的一些情況,做了初步的探討。

      鍋爐及控制系統概況

      1.1  鍋爐簡介

      龍電公司一期工程4×135MW機組,單元制布置,配置4臺哈鍋引進ALSTOM公司技術生產的440t/h循環流化床鍋爐。

      鍋爐為超高壓、單爐膛、一次中間再熱、固態排渣、平衡通風方式。

      鍋爐型號:HG440/13.7L.WM20

      鍋爐主要技術參數如下:

      過熱蒸汽流量、溫度、壓力:440t/h、540℃、13.7MPa

      再熱蒸汽流量359t/h,進/出口溫度322.7/540℃,進/出口壓力2.74/2.56MPa。

      1.2  分散控制系統簡介DCS系統采用北京和利時公司最新開發的第三代MACSSmartPro系統,該系統采取機、爐、電一體化設計,每臺機組DCS之間完全獨立但均可以通過網橋與公用系統DCS實現雙向數據通訊,進而監控公用系統設備的運行。每臺機組分別配置4臺操作員站、2臺服務器、1臺工程師站、10I/O站、兩個遠程柜(機爐各1個);公用系統配置2臺服務器、2I/O站、3個遠程站(空壓機、循環水、燃油泵房),各控制站內設備采用PROFIBUS總線技術實現控制。DCS功能包括數據采集和處理系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)、爐膛安全監視系統(FSSS)、電氣控制系統(ECS),化水程控、除渣程控、除灰程控等。

      通過DCS系統的OPCMODBUS等通訊接口功能,還建立了與化水自動加藥系統、DEH系統、爐管泄漏檢測系統、MIS系統的正常通訊,延伸并實現了系統的統一的監視和控制功能。

      另外,生產輔助系統的“灰”、“水”、“煤”三個集中區域通過以太網連接成為全廠輔助系統網絡,并在1、2號機組集中控制室內設置有三套操作員站進行監控。

      關于保護策略

      2.1  爐膛安全監視系統(FSSS)簡介:

      鍋爐安全監控系統是大容量發電鍋爐必不可少的保護控制系統。它的主要作用是實現鍋爐燃燒系統的有序管理。當系統允許條件不滿足時,執行預先設計的保護邏輯,對鍋爐實施必要的保護性措施,以確保人員、設備的安全,這些保護措施包括迅速降負荷、停爐及停爐后爐膛內的吹掃等。

      一般情況下,FSSS分滅火保護(FSS)和程控點火(BCS)兩個子系統,滅火保護(FSS)的作用是在鍋爐出現任何危急情況下,緊急切斷燃料供給,防止事故發生,保證鍋爐的安全運行,具體功能有火焰監視、壓力保護、燃料保護、水位保護、輔機保護、機電爐聯鎖等;程控點火系統(BCS)負責油噴燃器點火與油系統監視。

      關于程控點火系統(BCS)與各大、小型CFB鍋爐均相類似,本文不做具體闡述,現就滅火保護功能的實現,以緊急切斷燃料供給系統為主線,簡介如下。

      2.1.1  手動MFT(同時按下操作站上兩只MFT按鈕)。

      為防止DCS系統故障或在緊急情況下,仍能安全可靠的保護設備,系統設置了硬接線以及硬跳閘回路。

      2.1.2  爐膛壓力高于+2.5Kpa,三取二;爐膛壓力低于-2.5Kpa,三取二。

      2.1.3  汽包水位高于+250mm,三取二,延時5秒;汽包水位低于-250mm,三取二,延時5秒。

      2.1.4   輔機:兩臺一次風機均未運行;兩臺二次風機均未運行;兩臺引風機均未運行;三臺高壓流化風機均未運行。

      此四類風機出現故障或跳閘,均將直接威脅鍋爐的正常運行。

      2.1.5  熱一次風量過低,采取四個熱一次風管風量四取三方式,當有三個均小于2.2Nm3/h時,延時100秒。

      2.1.6  高壓流化風母管壓力低于32Kpa,延時30s。

      2.1.7  爐膛平均床溫(密相區中部6個點、下部8個點)高于980℃,延時120s。

      2.1.8  旋風分離器入口煙溫高于980℃,延時120s;旋風分離器出口溫度高于980℃,延時120s。

      2.1.9  水冷風室壓力低于6.8Kpa,四取三,且爐膛平均床溫高于400℃,延時10S。

      2.2  關于爐膛安全監視系統(FSSS)的探討

      循環流化床鍋爐燃燒側在其運行過程中特別要注重對床溫、分離器人口溫度、風煤比以及床壓的監測、調節及控制,注重對影響物料流化、循環及燃燒的各種風量的監控,確保建立一個平穩、足夠的熱物料循環,從而完成鍋爐燃燒側的燃料燃燒及熱量傳遞過程。

      針對以上情況,所以本FSSS系統策略有著以下特點。

      2.2.1  爐膛壓力保護:CFB鍋爐具有很大的熱容量,基本不存在傳統煤粉爐意義上的滅火,出于防止鍋爐爆管、風機故障或其他特殊事故等的角度出發,而保留此保護,其定值也相應較大。

      2.2.2  不采用火焰監視:CFB鍋爐主要的任務之一是保證流化正常,床溫低于煤的灰熔點,不發生床面結焦事故,故采用爐膛平均床溫過高、旋風分離器人口煙溫過高,或去布風板一次風量過低等信號,而不是采用爐膛火焰喪失信號去觸發主燃料跳閘(MFT)來作為爐膛安全保護的重要手段之一。

      2.2.3  返料保護:確保物料的外循環系統的正常建立,采取高壓流化風母管壓力作為保護手段。

      2.2.4  機電爐的聯鎖:

      因大型CFB爐熱慣性大,在爐側MFT后,機組快速降負荷,仍能維持15分鐘以上運行,故爐側的保護動作,不引發汽機或發電機的跳閘。

      當汽機或發電機跳閘后,爐側可通過快速減煤、適當開排汽,減風量,必要時投油等措施,維持鍋爐的運行,故機、電側的跳閘,采用主汽門關閉信號,使鍋爐給煤系統跳閘,僅實現鍋爐停止給煤系統功能,不引發MFT,有利于爐側的快速恢復。

      2.3  關于輔機保護

      以引風機為例,系統設置了液力偶合器工作油壓力小于0.05MPa,延時30秒跳引風機聯鎖保護,爐膛出口壓力至±3.5KPa聯鎖跳閘引風機、一次風機、二次風機。另當兩臺引風機均跳閘時,將啟動鍋爐風機大聯鎖保護,一次風機、二次風機、高壓流化風機將全部跳閘,以確保爐膛安全。

      關于自動調節控制策略

      結合國內大型CFB鍋爐自動調節實際情況,我們在自動調節控制策略方面,側重于可控、擾動因素變化國內已可克服的參數,予以構筑、實現。

      3.1  汽包水位自動調節控制

      本系統主要為維持汽包水位在正常值,當系統各參數正常工況穩定時,系統采用給水流量、蒸汽流量、汽包水位三沖量對給水泵液力耦合器進行相應調節。

      汽包水位三選中值后作為給水主調的過程量,給水流量信號二選一輸出后,經一階慣性環節與蒸汽流量相減,作為給水副調的過程量。當給水流量由于擾動而發生波動時,該調節器會快速地調節泵的轉速,有效克服給水波動。

      用蒸汽流量信號與給水流量信號的運算差值作為副調PID的過程量,是為了使進入鍋爐的給水量與流出鍋爐的蒸汽量隨時保持平衡。當蒸汽流量變化時,副調PID快速輸出信號調節泵的轉速,可以有效地克服因汽輪機用汽量變化引起的汽包虛假水位對給水調節品質的影響,以保持汽水平衡,參數易于整定,主調PID對汽包水位信號作進一步的細調,運行工況穩定時汽包水位可控制在±20mm以內。

      當其中某個參數壞質量或工況不穩定時,超出了系統預先設定的控制范圍時,系統將自動切為手動方式,由運行人員手動干預操作。

      3.2  主蒸汽、再熱蒸汽溫度自動調節控制

      為取得良好的控制品質,過熱、再熱汽溫采取分段控制,分別布置兩級噴水減溫器,一級粗調、二級細調,運行操作人員可根據不同負荷、燃燒狀況,溫度變化率,設定目標值。

      分成兩級減溫后,各級控制系統的對象特性的遲延和慣性小,因而可以改善控制品質,兩級減溫水控制方案分別采用串級控制策略。系統采用減溫器出口的蒸汽溫度作為導前信號,與過熱器出口處的汽溫相比更能提前反映擾動作用,可以減小主汽溫的動態偏差。只要導前汽溫發生變化,副調PID就會改變減溫水調節閥開度,改變減溫水量,初步維持后段過熱器入口(減溫器出口)處的汽溫,對后段過熱器出口主汽溫起粗調作用,可以快速消除落在內回路內的擾動影響。

      后段過熱器出口主汽溫由主調PID控制,任務是維持主汽溫為設定值,只要后段過熱器出口汽溫未達到設定值,主調PID的輸出就不斷地變化,使副調PID不斷地去改變減溫水量,直到主汽溫恢復到主汽溫設定值為止。穩態時,減溫器出口的汽溫,即導前汽溫可能與原來數值不同,但主汽溫度可維持在運行人員設定目標值。兩級減溫水的控制是獨立的,副調PID選用比例控制,主調PID選用比例、積分控制。

      3.3  爐膛壓力自動調節控制

      通過調節液偶執行機構開度控制引風機轉速來控制引風量,保證鍋爐爐膛出口的壓力。系統采用一次風機入口調節擋板指令和二次風機液偶執行機構控制指令之和作為導前微分信號,當送風量變化時,同時調整引風量,使爐膛的輸入質量與輸出質量基本保持平衡,可避免爐膛壓力出現較大變化。由于爐內燃燒過程是一個劇烈的化學反應過程,爐膛壓力處于快速波動狀態,在整定PID參數時,將爐膛壓力信號二選一輸出值設置了一定的動作死區,只要壓力是在一定的范圍內波動,調節器的輸出就不會發生變化,避免因此而引起的引風機液偶的頻繁動作。

      關于順序控制策略

      4.1  SCSDCS的一部分,在吸取國內經驗的基礎上,我們確定SCS控制策略包括鍋爐所有的輔機,附屬的閥門和擋板及設備保護和聯鎖。

      通過控制輔機、閥門、擋板及其他電動或氣動的輔助設備的啟/停、開/關,它不需要被操作對象的反饋信息,只是在操作指令的驅動下,完成對輔機、設備的預定操作,是一種二位制式操作(ONOFF控制系統)。

      一臺大型CFB鍋爐的啟/停過程中、操作對象眾多,操作步驟繁瑣,人工操作工作量大,而且難免顧此失彼,出現差錯,設計順序控制系統進行自動順序操作,目的就是為了在機組啟、停時減少或取消操作人員的常規操作和縮短機組的啟停時間。

      4.2  SCS順序控制鍋爐側子組項簡介:

      實現以下順序控制功能(不局限于以下所列):

      a、各風機A、BC)子組項:包括各風機A、BC)、或液力耦合器、進口風門擋板等。

      b、各啟動燃燒器子組項:包括各油槍,風門擋板等。

      C、給煤機A、B子組項:包括一、二級給煤機A、B及其入口煤閘門擋板、出口閥等。

      d、石灰石粉功能A、B子組:包括石灰石粉給料泵A、B,流化風機,進出口門等。

      e、鍋爐排污、疏水、放氣子組項。

      f、吹灰程控子組項:包括各吹灰器推進裝置、減溫減壓裝置等。

      g、電除塵輸灰程控等。

      4.3  所設計的子組級程控進行自動順序操作,各子組項的啟、停能獨立進行;狀態在CRT上顯示;操作人員可根據需要,切換為手操。

      福建省大型CFB鍋爐控制存在的問題

      大容量循環流化床鍋爐對其控制策略的研究方興未艾,由于特殊的燃燒機理和氣固兩相流技術的特性所致,許多運行參數的設定值要在機組運行狀態下,現場反復試驗后才能確定,與煤粉爐有極大的區別,加之一些諸如煤的破碎粒度變化等人為因素的影響,使得一些過程的控制還無法實現全自動。

      如,鍋爐、汽機協調控制系統(CCS)將鍋爐和汽輪機作為一個整體來考慮,使機組在許可能力下,能最大限度地滿足電網要求的發電數量(功率)和質量(頻率),快速、準確和穩定地響應省中調自動發電控制(AGC)的負荷指令,尚未能實現。

      如,風量、床溫的自動調節,以維持燃燒的穩定;入爐石灰石數量的自動調節,以控制S02的排放量等,也尚未能實現。

      國內針對CFB鍋爐的新設備、新技術也層出不窮,這就要求我們對CFB鍋爐的控制策略要不斷地進行自我更新,自我完善。

      福建省1025t/h CFB鍋爐控制策略展望

      龍電公司將繼續認真分析、科學總結,將440t/h CFB爐的控制策略予以完善,將存在的問題逐步予以解決。通過本公司運行實踐證明,燃燒福建本省無煙煤的CFB鍋爐的保護及自動控制已具備往更大型化,即300MW機組,1025t/h CFB鍋爐道路發展的條件,本公司將為福建省本省無煙煤在電站方面的利用,減少污染物的排放,作出本公司應有的貢獻。

      福建省龍巖發電有限責任公司  江志耀   張光望 

       

      文章作者:福建省龍巖發電有限責任公司  江志耀   張光望

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