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[技术]循环流化床锅炉的DCS控制

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文章出处:《自动化与仪表》 [2007-3-8 1]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:蔡玉虎,刘跃,刘彦峰,王顺卿
  

1、引言

    循环流化床锅炉以其低消耗、高效率、适应煤质广、负荷调节范围大等优点为众多热电厂所采用。但要保证这些优点除了应具备一套好的循环流化床锅炉和配套的辅机设备外,还必须配备性能优良的集散控制系统。

    目前国内各厂家生产的循环流化床锅炉及辅机在性能上都已达到规定的要求,但所采用的控制系统却参差不齐,甚至仍然有一部分采用常规仪表控制。常规仪表用来控制链条炉还能够满足要求,但要控制循环流化床锅炉的运行就显得有些力不从心了。这是由于以下原因引起的:1)循环流化床锅炉的控制参数多,若采用常规仪表控制将造成控制仪表过多,易给操作人员造成混乱,不利于快捷操作控制;2)循环流化床锅炉燃烧控制原理复杂,若采用常规仪表控制将造成操作人员工作强度大、责任大,导致锅炉的燃烧控制协调不易掌握,增加了出现故障的几率,易导致因控制不好而结焦以致停炉,给电厂造成巨大的经济损失。

    国内的DCS生产厂家为了适应电厂控制的需要,在不断地吸收和借鉴先进经验的基础上,有效地提升了循环流化床的DCS控制理论,充分体现了DCS控制系统的可靠性、实时性和精确性等优点。

    2、工程设备概况

    辽河油田热电厂锅炉改造工程选用济南锅炉厂成套生产的YG-240240t/h中温中压循环流化床锅炉。该锅炉为单汽包,自然循环蒸汽锅炉,主要用于发电及家属区生活供热。

    锅炉的燃烧系统由炉膛、旋风分离器和返料器组成。采用水冷布风板,布风板截面均匀布置风帽,一次热风进入水冷风室后经这些风帽均匀进入炉膛。燃煤经设在炉前的4台称重式给煤机送入燃烧室。按照燃料燃烧的流向划分,锅炉的结构可分为4个组成部分,即燃烧室、高温旋风分离器、返料密封装置和尾部对流烟道。尾部对流烟道内沿烟气流程依次布置有高温过热器和2组低温过热器,高温过热器分为高温冷段和热段,中间设有喷水减温器。下部依次布有省煤器和2 组空气预热器,分别用于加热二次风和一次风。锅炉配置台引风机、1台一次风机、1台二次风机、1台高压风机和1台石灰石送风机。锅炉采用床下点火,在风室后部布置有2只点火器,在床上布置有3只辅助点火油枪。

    3DCS系统配置

    控制系统采用开放式结构及高度模块化技术的分散型系统,由高速实时数据网络、人机接口站和分散处理单元三大部分组成,可以实现实时数据采集、过程控制、顺序控制、高级控制、报警检测、监视、操作,同时可对数据进行记录、统计、显示打印等处理。

    高速实时数据通信网络在整个DCS控制系统中起着重要的作用,它连接着人机接口站和分散处理单元,完成各种控制信息在网络上的传送功能。该项目中的DCS控制系统配置如图1所示。


1 DCS控制系统配置

整个DCS控制系统由1台工程师站、2台操作员站和7个控制柜组成,同时工程师站还担负着向全厂信息中心传送锅炉运行数据的功能。7个控制柜分别为2个分散处理单元柜、3个信号端子柜、电源柜和网络通信柜。分散处理单元柜中采用冗余CPU结构,并通过网络通信处理模块连接各种智能型I/O模板,确保整个监控系统数据的实时性。

    电源柜的供电电源为从UPS输出的双路稳压电源,经内部转换后以双路冗余的模式向其他控制柜输出5V,24V48V工作电源。网络通信柜中配置了冗余的交换机,确保实时数据通信网络畅通无阻。

    4、顺序控制及联锁保护

    锅炉保护逻辑由炉膛吹扫逻辑、锅炉跳闸保护逻辑及燃油泄露试验三部分组成。

    1)吹扫逻辑

    循环流化床锅炉冷态启动前应进行吹扫过程检查,以确认满足安全启动条件。炉膛吹扫完成信号既是复位主燃料跳闸信号MFT的条件,也是炉膛点火的必需条件。以下3种情况可以获得炉膛吹扫完成的信号:

    a)在锅炉冷态点火时,满足全部炉膛吹扫条件,即燃油速断阀已关、所有分油阀已关、所有给煤机停止、石灰石给料机停止、床温小于1000℃、送风机运行且挡板未关、任一台引风机运行且入口挡板未关、一次风机运行且入口挡板未关、高压风机已运行、炉膛压力正常(-180~+150Pa)、汽包水位正常(-150~+150mm)、总风量大于30%,这时按下炉膛吹扫按钮,经过5 min后便可获得炉膛吹扫完成信号。

    b)在锅炉运行中发生MFT跳闸后,若炉床温度在6001000℃之间,且满足全部冷态吹扫条件,则不需经过300s的吹扫时间,可自动完成吹扫过程,获得炉膛吹扫完成信号。因此锅炉跳闸后恢复点火,运行人员应检查炉床温度和吹扫条件,以确定是否进行冷态吹扫,若炉床温度大于600℃应检查吹扫条件是否满足,满足吹扫条件后屏幕上将自动出现炉膛吹扫完成信号指示,此时可依照程序点火。

    c)在某些特殊情况下可以使用炉膛快速吹扫按钮,使用此按钮可以在不满足前二种情况时快速获得炉膛吹扫完成信号,但必须在没有主燃料跳闸MFT条件的前提下才起作用。使用快速吹扫按钮时运行人员必须保证炉膛在非吹扫情况下运行的安
全性,并且此种方法仅供处理突发情况时使用,正常运行时建议不使用此按钮。

    2MFT逻辑

    主燃料的跳闸保护条件即MFT是依据锅炉正常燃烧运行时多种控制条件综合得出的锅炉保护措施,其目的是确保锅炉的床温足够高,使进入炉膛内的燃料能够持续、稳定地燃烧。通常,在以下情况发生时,应紧急停炉,实行强制性主燃料跳闸动作。触发锅炉产生MFT保护的条件如下:送风机跳闸、所有引风机跳闸、一次风机跳闸、高压送料风机跳闸且高压风风压超低(压力值小于7 kPa且持续10s以上)、炉床温度超高(8个炉床温度测点中任意5个超过1000℃,或8个炉床温度测点中任何3个大于1050℃)、炉膛压力超高(32,压力值大于+200Pa且延时10s)、炉膛压力超低(32,压力值小于-254Pa且延时20s)、汽包水位超高(32,水位值高于+200且延时5s)、汽包水位超低(32,水位值低于-200mm且延时5s)、MFT手动按钮(2 个按钮同时按下)、水冷风室压力超低(压力值小于4kPa且延时3s)、未点油枪且床温小于600℃

    主燃料保护动作后,应立即停止向炉膛内部送煤,同时根据现场的情况决定是否关停风机及关闭减温水阀门。在不停风机的情况下,应慎重地控制进入炉膛的风量,而不应该盲目地立即减小风量。

3)顺序控制及联锁

    锅炉辅机设备的顺序控制及联锁的基本目的是将正常运行时由于锅炉及辅机设备的工况原因对设备所产生的不良影响降至最低,以保障设备的长久使用。其主要功能是在装置不满足运行条件或正常运行中接近不稳定、不安全的运行状态时,依靠预先设定的保护动作来限制该装置的瞬间动作方式,最终得以保证设备的安全。本台循环流化床锅炉的DCS控制系统设计了多套顺控及联锁控制回路,包括引风机、一次风机、二次风机、高压风机、石灰石风机、给煤机、循环水泵、冷渣器以及水系统的电动门和蒸汽系统的电动门及安全门。

    这些联锁逻辑的设置为锅炉的安全稳定运行提供了基本的保障,同时也为电厂的操作人员提供了相对规范的设备操作流程。

    5、自动调节控制系统

    循环流化床锅炉采用DCS的主要原因之一就是要解决运行控制复杂性的问题。相对优秀的模拟量调节控制回路的设计可以有效地控制现场执行机构的调节动作,从而安全高效地控制锅炉燃烧系统的运作。

    循环流化床锅炉是一个多参数、多变量、强关联、干扰多的控制对象,其自动控制系统既是独立的,又是相互关联的,可谓是牵一发而动全身。当一个系统进行调节之后,其他的调节系统也要有相应变化。本锅炉的调节控制系统共设计自动调节回路18个,涉及燃烧调节、负压调节、水位调节、给煤调节及配风调节等多个方面,充分满足了该循环流化床的运行控制要求。

    1)燃烧调节系统

    本锅炉主蒸汽采用母管制模式,因此在设计燃烧调节系统时选择维持母管主蒸汽压力恒定的方式,其目的是根据母管主蒸汽压力的变化调节整台锅炉的给煤总量从而控制锅炉运行的负荷。在燃烧调节的过程上,设置了锅炉主控加燃料控制的调节方式,同时,为了增加系统的使用灵活性,将该系统设计为可选择串级调节或单环控制方式的调节系统。该燃烧系统设计原理如图2所示,K=风量/煤量。


2 燃烧系统调节控制原理

当系统投入单环控制方式时,锅炉主控设定的给煤指令信号与实际给煤量的偏差作为燃料调节器的输入,其偏差经燃料调节器进行PID调节运算,并输出送至4台给煤机控制给煤机转速从而控制给煤量;当系统投入串级控制方式时,燃料调节器作为副调节器,锅炉压力调节器为主调节器。主调节器的输入为主汽压力的设定值与母管压力测量值的偏差,其偏差经主调进行PID运算形成副调(燃料调节器)的给定值。副调的输入为主调的输出即燃料给定值与实际给煤量的偏差。其偏差经燃料调节器进行PID运算,输出送至4台给煤机控制给煤机转速,进而保证锅炉负荷。

    2)给水调节系统

    汽包水位调节(即给水自动)是循环流化床中除燃烧自动外最为重要的一个调节回路,也是整个控制系统中必须投入自动的调节回路之一。给水调节系统的目的是通过控制锅炉的上水流量从而实现保持锅炉汽包内水位的稳定性,使其在某一设定值上下轻微浮动,有效地减轻了由操作人员手动控制水位的所产生的繁重工作。

    本循环流化床锅炉的给水控制系统由主给水调节和给水旁路调节二套自动调节系统组成。其中给水旁路调节控制系统采用单冲量调节方式,通过汽包水位实际值与设定值之间的偏差控制给水旁路调节阀的输出,该自动系统一般在锅炉负荷小于30%的情况下投入使用;主给水调节则分为单冲量调节和三冲量调节二种控制方式,其单冲量调节和三冲量调节的控制切换通过系统对锅炉运行情况进行判断后自行实现,不需要人为干预,该自动系统一般在锅炉高负荷时使用(即负荷大于30%)。主给水调节控制原理如图3所示。


3 主给水调节控制原理

主给水调节系统通过调节锅炉主给水阀门的开度来控制汽包水位的稳定。当锅炉的负荷超过30%时主给水调节系统满足投入自动运行的工况,这时操作人员可根据实际情况将主给水调节切换至自动控制。当主蒸汽流量及主给水流量的变送器正常工作时,主给水调节即为三冲量自动控制方式。此时单冲量调节处于跟踪状态,即跟踪三冲量调节的输出。若主蒸汽流量或主给水流量的变送器出现信号故障时给水调节自动切换至单冲量调节方式。

    6、结束语

    在辽河油田热电厂240T循环流化床锅炉项目的调试过程中,分散型控制系统的选用有效地保障了整个工程的设计、施工、调试、运行等阶段的顺利完成,并最大限度地缩短了整个控制系统的调试时间,确保了工程的按时投产运行。试运过程中,热工系统自动投入率达100%,调节控制系统投入稳定,调节品质优良,得到了用户及现场调试单位的肯定与好评。

    参考文献

    [1] 金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1993.
    [2]
何衍庆,集散控制系统原理及应用[M].北京:化学工业出版社,2004.

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