热电装置工艺和控制解决方案.docx

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热电装置工艺和控制解决方案

热电装置工艺及控制解决方案

一．循环流化床工艺及控制

前言

循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。

国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业使用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和使用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。

未来的几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期。

其结构特点如下：

循环流化床（CFB）锅炉由风室、密相区、稀相区（悬浮段）、炉膛、旋风分离器、返料装置、尾部受热面等组成。

CFB的重要参数主要有：

床温、床压、炉膛差压、汽包水位、汽包压力等。

其主要原理为：

炉膛底部是大量的炽热灰粒和煤粒混合物，燃烧所需空气来自一次风机，经炉膛底部的布风板均匀进入流化床，在流化床中气流上升速度约2～5m/s，当流速达到一定值时，气流将大部分粒子托起，成沸腾状，粒子上下运动，掺混非常强烈，这种现象被称为流化。

煤粒由给煤机送入炉膛，刚进入炉膛的煤粒很快就和高温床料混合，使煤粒迅速加热，干燥着火燃烧。

在流化床内平均停留十几～几十分钟后由放渣口排出炉膛。

混杂在烟气中的粉粒在旋风分离器中被分离出来，通过返料风返回炉膛继续燃烧。

CFB几乎可以燃烧一切种类的燃料并达到很高的燃烧效率。

其中包括高灰分、高水分、低热值、低灰熔点的劣质燃料，如泥煤、褐煤、油页岩、煤渣、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、煤矿的煤矸石等，以及难于点燃和燃尽的低灰发份燃料，如贫煤、无烟煤、石油焦和焦碳等。

它的这一优点，对于充分利用当地的低质燃料，改善燃料消耗的平衡有重要意义。

此外，在燃烧过程中直接向床内加入石灰石或白云石，可以脱去燃烧过程中生成的SO2，根据煤中含硫量的大小决定石灰石量，可达到90%的脱硫效率，因此，流化床燃烧是一种经济有效的低污染燃烧技术，是一种“清洁”的燃烧方式。

1.热电常见术语

炉膛安全监控系统（FurnaceSafeguardSupervisorySystem，简称FSSS）

FSSS包括燃烧器控制系统及燃料安全系统，它是现代大型火力发电机组的锅炉必须具备的一种监控系统。

它能在锅炉正常工作和启停等各种运行方式下，连续地密切监视燃烧系统的大量参数和状态，不断地进行逻辑判断和运算，必要时发出运作指令，通过各种联锁装置使燃烧设备中的有关部件（如给煤机、点火器、燃烧器等）严格按照既定的合理程序完成必要的操作，或对异常工况和未遂性事故做出快速反应和处理。

防止炉膛的任何部位积聚燃料和空气的混合物，防止锅炉发生爆燃而损坏设备，以保证操作人员和锅炉燃烧系统的安全,FSSS是监控系统，是安全装置，是安全联锁功能级别中的最高等级。

FSSS包括炉膛吹扫、主燃料跳闸（MFT）、天然气跳闸、首出原因记忆、点火条件、点火能量判断等。

FSSS还有后备硬手操MFT按钮。

下面分别做个简述。

炉膛吹扫

锅炉点火前，必须进行炉膛吹扫，这是锅炉防爆规程中基本的防爆保护措施。

炉膛吹扫的目的是将炉膛内的残留可燃物质清除掉，以防止锅炉点火时发生爆燃。

主燃料跳闸（MFT）

主燃料跳闸（MFT）是锅炉安全保护的核心内容。

是FSSS系统中最重要的安全功能。

在出现任何危及锅炉安全运行的危险工况时，MFT动作将快速切断所有进入炉膛的燃料，即切断所有天然气、燃油和煤的输入，以保证锅炉安全，避免事故发生或限制事故进一步扩大。

为了保证保护系统的可靠性，保护系统中所用信号都由压力开关及可靠的变送器提供，重要信号多采用多个检测信号进行判断后引入保护。

天然气跳闸

当触发MFT，同时也要将天然气切断，以避免或限制事故进一步扩大。

首出原因记忆

当MFT跳闸后，有首出跳闸原因显示，以便进行事故分析；当MFT复位后，首出跳闸记忆清除。

点火条件及点火能量判断

在允许点火之前需要满足一定条件，比如：

MFT复位、炉膛无火、汽包水位正常等，同时天然气总管压力必须满足条件，以保证有足够的点火能量。

2.蒙大热电锅炉工艺

蒙大热电采用3台160t/h高温高压循环流化床锅炉，1台12MW汽轮发电机组以及1台25MW余热机组构成。

其他主要的配套设备有：

一次风机、二次风机、调速引风机、定速引风机、调速给水泵、定速给水泵、给煤系统、除渣系统、汽水系统、脱硫系统、天然气点火系统、驰放气点火系统等

锅炉总貌图如下（以2#炉为例，下同）：

2.1锅炉启动前的准备

锅炉在整体启动试运前，除需完成各系统主要设备分部调试外，还需完成：

锅炉冲洗，辅机联锁保护试验，锅炉烘炉，锅炉冷态空气动力场试验，锅炉点火试验，化学煮炉，蒸汽吹管，锅炉安全阀调试，锅炉主保护试验等主要工作。

由于篇幅有限，在此只对比较重要的烘炉过程做个简述。

3.1.1烘炉

烘炉是指新安装好的锅炉在投运之前炉墙衬里及绝热层等进行烘干的过程。

一般需要120—150小时。

新砌筑的锅炉炉墙内含有一定的水份，如果不对炉墙进行缓慢干燥处理，而直接投入运行后，炉墙水份就会受热蒸发使体积膨胀而产生一定压力，致使炉墙发生裂缝、变形、损坏，严重时使炉墙脱落。

烘炉主要分为三个阶段：

⑴床下启动燃烧器的低温烘炉

先以初始温度约100℃的小火开始燃烧；逐渐升温，2小时后稳定在160℃，恒温6小时；以30℃/小时的速度升温，稳定于300℃，恒温10小时，结束。

（2）锅炉整体低温（100-150℃）烘炉（旋风筒入口温度）

炉内不填加任何床料，将汽包压力升到4.15MPa，将旋风分离器的入口温度控制在150℃左右；锅炉整体低温烘炉的同时，进行回料腿热养生：

利用木材进行烘炉，温升速度控制30℃/h，温升至350℃，恒温，恒温时间取决于锅炉整体烘炉状况。

本阶段烘炉结束后，停炉，拆除旋风分离器入口的临时隔墙。

（3）锅炉整体高温（300℃）烘炉

填加床料500mm厚，温升速度控制28℃/h，温升至150℃，恒温20小时。

温度变化率要小于28℃/h的控制将旋风分离器入口的温度控制在约300℃左右，稳定运行24小时。

在烘炉过程中，不论何种原因造成中断烘炉，烘炉必须重新开始。

2.2锅炉启动运行

2.2.1点火前的准备工作

2.2.1.1点火前的检查

锅炉点火启动必须是在烘煮炉、冲管、蒸汽严密性试验及安全阀调整工作结束后，各临时系统设备已拆除，正式系统已完全恢复并水压试验合格后进行。

2.2.1.2锅炉上水

锅炉首次上水至比正常水位低50mm处，水应经化学处理使之含有正常的化学成分且PH值满足锅炉正常的操作要求。

上水温度不应超过70℃。

2.2.1.3启动风机

启动风机的顺序是：

引风机----返料风机-----一次风机----二次风机。

2.2.1.4装填床料

在锅炉启动之前，如果炉膛是空的，可在投运风机的前提下，向炉膛内注入一定数量的床料，初始床料选用含碳量＜3%的炉渣，粒度为0～5mm。

由于运行风机，可使床料在布风板上均匀分布。

2.2.1.5空气清扫

调整一次风流量维持在30%（将一次风控制置于“手动”）。

2.2.1.6天然气点火系统上电

2.2.1.7给煤系统上电及切换至远程

3.重要联锁逻辑

3.1主燃料跳闸（MFT）

MFT逻辑图如下：

MFT跳闸条件

MFT动作

1.所有引风机停止

停全部给煤机

关给煤机出口阀

关闭所有天然气进口阀

打开天然气放空阀

送MFT指令至ETS、吹灰等系统

2.所有返料风机停止

3.总风量（一二次风量之和）小于25%

4.汽包水位高高三取二

5.汽包水位低低三取二

6.床温均值低于650℃

7.床温均值高于1050℃

8.炉膛压力高高三取二

9.炉膛压力低低三取二

10.燃烧室下部压力高高四取三

11.一次风机跳车

12.全部燃料丧失

13.DCS软手动停炉

14.辅操台MFT按钮触发

组态方式采用IACC图形化组态，下图是MFT逻辑组态的其中一张CSD图：

其中：

每一路联锁信号都有独立的旁路开关，信号的旁路集中在旁路逻辑块中实现，比如：

联锁信号连接至旁路逻辑块的BI01、BI03、BI05、BI07、BI09，则对应的旁路开关分别是BI02、BI04、BI06、BI08、BI10。

如图所示：

触发MFT后，需要在所有联锁信号恢复正常后，手动点击MFT复位，将MFT信号消除，然后再次开车。

3.2风机大联锁

维持锅炉运行的重要风机有：

调速引风机、定速引风机、返料风机、一次风机、二次风机，锅炉点火之前这些风机必须按照特定的顺序启动，同样，若有风机跳车时，也会引起其它风机联锁停车。

风机联锁图如下：

联锁条件

联锁动作

三台返料风机全停

引风机全跳闸

引风机全停

一次风机跳闸

一次风机停

二次风机跳闸

给煤机全跳闸

3.3FSSS首出记忆

MFT跳闸后，需要将首出原因记录，以便进行事故分析。

首出记忆逻辑示意图如下：

每个联锁信号对应一个RS触发器，将MFT信号取非后和联锁信号做“和”，同时赋给“S”端，这样当首出跳闸后，因为有“和”门的存在，将不会再触发其他联锁信号的输出。

这样我们就可以读出首出跳闸是来自哪个联锁信号。

FSSS首出记忆组态CSD图形如下：

其中：

三个主逻辑块用于接入每一路MFT联锁信号，每一路对应一个RS触发器实现首出记忆，为了读到其它逻辑块的信息，又用了一个逻辑块来采集所有逻辑块的信息以实现三个主逻辑块的互锁。

3.4天然气点火允许条件

点火系统也是锅炉的一个重要的辅助系统，蒙大热电采用的是天然气点火系统：

此系统包含两个燃烧器，分别通过各自的启燃室通向锅炉的左右风室。

现场设置就地控制柜，DCS和就地控制柜通过硬线通讯来控制点火系统的速断阀、点火枪、打火器等，点火过程通过顺控程序控制。

启动点火程序之前必须满足允许条件：

点火允许条件主要有：

1.天然气总管阀开到设定开度；

2.点火管快切阀关；

3.汽包水位正常；

4.炉膛无火；

5.MFT复位；

6.总管压力正常。

总管压力必须无低报，这样才能保证点火能量。

另外，程序运行前还需判断是否吹扫完成，吹扫完成信号来自吹扫程控柜。

3.5其他联锁

其它重要联锁还有：

除渣系统的联锁、给煤机启动允许条件、汽包紧急放水阀联锁、生火排气门联锁等：

在此不一一赘述。

蒙大热电循环流化床工艺及控制（下）

4.SAMA图及模拟量控制系统MCS

4.1SAMA图例说明

SAMA图例为美国科学仪器制造协会（scientificapparatusmaker`sassociation）图例，这套图例易于理解，能清楚地表示控制系统功能和原理，它广泛使用于电厂热控系统工程设计中。

SAMA功能图例形状及含义主要有以下的种类：

下图是一个用SAMA图绘制的带前馈输入的流量单回路PID调节系统：

流量变送器测得的差压值，通过阻尼运算消去信号的干扰，然后进行开方运算，使其转换成流量信号，送往调节器的入口。

流量设定值由数值设定块设定，它和实际流量的偏差值由调节器进行比例积分运算，然后加上前馈信号，作为调节运算输出值。

调节器处于手动状态时，调节器的输出由手动操作，当调节器处于自动状态时，调节运算输出值经过限副模块，送往执行机构。

输出信道上的函数模块用于阀门的非线性校正，回馈信道上的函数模块则是为了实现无扰切换，其函数值为输出信道上的函数模块的反函数。

4.2蒙大热电MCS

5.2.1汽包水位控制（三冲量）

锅炉汽水系统流程图如下：

来自高加的脱盐水通过主给水阀、流经集箱进入汽包，经锅炉加热转化成蒸汽，蒸汽通过一、二级减温减压器将高参数蒸汽降为低参数的蒸汽，进入汇汽集箱，然后以大约160t/h流速、10MPa压力进入主蒸汽管道输送至汽机。

汽包水位是锅炉控制的一个重要参数，若液位过高则可能造成汽包压力过高，若液位过低则会发生干烧的危险。

汽包水位控制采用的是三冲量控制，三冲量指的是：

汽包液位、主给水流量、主蒸汽流量。

其控制思想主要是：

1.改变给水量，使之适应蒸汽流量，维持汽包水位；

2.汽包水位做为被调量，和给水流量做串级控制。

汽包水位为三重冗余，取平均值后做为测量值；

3.主蒸汽流量经过温压补偿后，做为前馈信号，参和给水流量控制。

汽包水位控制SAMA图如下：

原设计中当锅炉低负荷时采用单冲量调节启动主给水旁路阀，但因阀门线性度不佳，最终取消旁路阀的自动控制，采用手动控制。

控制组态CSD图形如下：

汽包液位通过“SIGSEL”模块三取均后输出给主调节器LIC，和主给水流量控制器FIC构成串级，蒸汽流量通过温压补偿后给FIC做为前馈计算输入。

基本思想是当量的水应该产生等量的蒸汽，当两者之间有偏差时，通过前馈补偿实时对给水阀开度产生影响。

其中主给水流量需要做温度补偿，主蒸汽流量需要做温压补偿，补偿公式分别为：

4.2.2一二级减温控制

蒸汽减温控制SAMA图如下：

从图中可以看出，蒸汽一二级减温控制主要是由减温器出口温度和减温器流量做串级控制。

当副调切手动时，主调输出和副调输入要做跟踪；减温器流量调节阀开度输出和反馈之间做偏差报警。

4.2.3炉膛负压调节

炉膛负压通过调节引风机入口风门的开度来实现。

参见脱硫系统流程图：

从锅炉排出来的烟气通过引风机排至脱硫塔，进过脱硫之后通过烟囱放空。

炉膛负压调节SAMA图如下：

此调节是将炉膛负压取均值后输出给PID调节器，调节器将开度信号分别输出给两个引风机的风门，此回路类似于分程控制。

控制组态CSD图形如下：

为了实现两个风门的无扰动切换，每一路风门都对应一个“SWCH”模块，模块中设置平衡时间，当风门从手动切换到自动时，风门开度不会产生跳跃式变化，而是会根据平衡时间平滑过渡。

其它的MCS还有一、二次风调节，料层差压调节，主汽压力调节，以及各种手操器的调节等，在此也不一一赘述了。

5蒙大热电SCS

SCS（SequentialControlSystem）,顺序控制系统，在电厂热控设计中，用于实现对大型电机的控制，比如一二次风机、引风机、给水泵等的单机启停、联锁启停等。

如图是一次风机SCS的SAMA图设计，原设计中用顺控模块来进行一次风机的开允许、联锁停等动作，但在IA系统中，我们可以用逻辑块（CALCA）来代替顺控设备。

5.1一次风机SCS

如图是一次风机的控制回路组态图，采用的是逻辑块实现，BIXX分别表示风机的控制命令，采用长整形输出LO01中的6位来指示风机的不同状态。

将MFT跳闸、风机大联锁跳闸、风机单体跳闸等触发信号连接至联锁停车BI04，用于DCS停一次风机。

一次风机允许条件及停车联锁图如下：

IACC组态CSD图形如下：

组态方法和前文提到的MFT组态原则一致，每一路联锁信号都带旁路开关。

允许启动信号通过硬线输出至一次风机MCC控制柜。

二次风机、调速引风机、定速引风机和一次风机控制回路及联锁组态类似，在此不加赘述。

5.2调速给水泵SCS

如图是调速给水泵流程图，来自除氧器的脱盐水通过调速给水泵及定速给水泵先输送给高加系统，通过高压加热至250℃左右输送至锅炉汽包。

调速给水泵联锁图如下：

和一次风机一样，调速给水泵的允许启动条件通过硬线发送至MCC控制柜。

联锁组态CSD图如下：

同样也是每一路联锁信号都带旁路开关。

定速给水泵和调速给水泵联锁和组态方式类似，不再加以赘述。

6.其它重要控制

6.1负荷调节

锅炉负荷的调节是通过改变给燃料速率和和之相应的风流量，手动或自动地调节风流量随煤量的变化而变化。

风煤的调整作到“少量多次”，以避免床温的波动。

锅炉负荷的主要调节手段是调节床层高度，而床温的控制也可作为负荷调节的辅助手段。

•升负荷时，燃煤量和风量加大，在床温不变条件下提高床层高度，增加蒸发受热面的吸热量。

反之，减少给煤量和供风量，减少床层高度，锅炉蒸发量减小。

•增加负荷时，应先少量增加一次风量和二次风量，再少量增加给煤量，使料层差压逐渐增加，再少量增加供风量、给煤量交错调节，直到所需的出力。

•减负荷时，应先减少给煤量，再适当减少一次风量和二次风量，并慢慢放掉一部分循环灰，以降低料层差压，如此反复操作，直到所需的出力为止。

•改变床温也能调节锅炉负荷。

通常高负荷对应高床温，低负荷对应低床温。

但床温受到多方面制约，变化幅度有限，因此和改变床层高度相比，改变床温来调节负荷作用有限。

6.2床温调节

•锅炉床层温度一般为900℃，考虑到负荷的变化及其它方面的要求，应将床层温度控制在±40℃之间。

•床层温度过高，且持续时间过长，会造成床层结焦而无法运行。

反之，床层温度过低，燃烧不完全，甚至会发生灭火。

调节床层温度的主要手段是调节入炉煤量和调节去布风板的一次风流量。

•不能将床层温度维持高于990℃（极限温度1050℃）时，必须立即对风流量分配进行调节，一般是增大去布风板的一次风量并相应减少二次风量。

6.3汽压调节

•根据不同负荷对床高、床温的要求，通过调整锅炉给煤量，稳定锅炉燃烧，控制汽压的波动幅度，维持在9.8Mpa±0.1MPa

•调节给水量能对控制汽压起辅助作用，调节给水量时要维持锅筒水位在允许范围。

结束语

保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率，最佳的环保特性以及广泛的燃料适应性，特别是对劣质燃料的适应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国国情及发展优势。