1、大型火电厂循环流化床锅炉机组控制系统设计与安装调试分析摘要：本文根据笔者多年火电工程施工实践，详细分析介绍了循环流化床锅炉动态特性及自动控制系统组成，并结合工程实例，对 125MW循环流化床锅炉机组联动控制设计与安装调试技术要点进行了详细阐述，对其热工参数测点布设及 DCS 控制作了简要介绍。 关键词：大型火电厂；循环流化床锅炉；联动控制；热工参数测点；DCS 控制 1 前言 循环流化床锅炉是国际上 20 世纪 70 年代中期发展起来的新型燃烧技术，它的成功应用使循环流化床锅炉获得了迅速发展。由于循环流化床锅炉自身的特点，在运行操作时不同于层燃炉和煤粉炉，一旦运行中不能满足其诸多热工参数的特殊
2、要求，极易造成锅炉出力不足、燃烧效率低、磨损严重、床温偏高、分离效率低、回料器堵灰、结礁停炉等现象，因此，对循环流化床锅炉机组联动协调控制的设计与安装调试进行探讨具有较强的现实意义。 2 循环流化床锅炉动态特性分析 循环流化床锅炉在动态特性上不同于煤粉炉，主要表现在循环流化床锅炉燃烧室内流化层大热容量的热平衡特性。这种特性及其随运行工况不同而变化的特性，造成了循环流化床锅炉燃烧过程实现自动控制的困难，据文献：在燃料量扰动下，主蒸汽压力被控对象的特性为： G(s)= 在燃料量扰动下，床温被控对象的特性为： G(s)= 在一次风量扰动下，床温被控对象的特性为： G(s)= 3 循环流化床锅炉自动控
3、制系统 循环流化床锅炉与普通锅炉相比耦合关系更复杂，各参数间的耦合关系如表 1 所示。 从表 1 可看出，给水流量和减温水流量与循环流化床锅炉其它变量间的耦合关系较弱，可以独立自成系统，因此，循环流化床锅炉的汽包水位控制和减温水控制与煤粉炉一样。燃烧控制一直是公认的难题，循环流化床锅炉燃烧控制的系统如下。 3.1 给煤量控制系统 由于循环流化床锅炉煤粒较粗，燃烧过程复杂，并且由于其燃烧室内的床料具有相当大的热惯性和蓄热能力，因此当给煤量改变后，主蒸汽压力的响应比煤粉锅炉的迟延和惯性要大得多，经实际测算，对于一台 125MW 循环流化床锅炉，仅纯迟延就有 515min。循环流化床锅炉的非线性强，
4、又具有时变特性，难以建立有效的预估和补偿手段。锅炉压力调节回路也曾尝试使用“直接能量平衡”的控制结构，但“热量信号”并不比主蒸汽压力信号变化灵敏，所以调节效果不太理想。根据试验结果，即使采用主蒸汽流量前馈的控制结构，变负荷时主蒸汽压力的调节品质也难以得到理想效果。因此建议配备循环流化床锅炉的机组最好运行在“机跟炉”方式下，由锅炉根据机组负荷指令调节给煤量，汽轮机调节主蒸汽压力。 3.2 一次风压控制系统 一次风压力控制系统的目的是为保持一次风压与给煤量相匹配。一次风压通过调节一次风机入口挡板的开度进行调节，一次风压设定值是燃料量指令和床温测量值与给定值偏差的函数。 3.3 床温控制系统 循环流
5、化床一般将床温控制在 850900，这是最佳脱硫、脱硝的温度范围。根据锅炉的要求，调节床温的手段一是通过调节一、二次风的配比;二是通过调节给煤量。但是通过调节一、二次风配比来调节床温的调节能力有限，通过调节燃料量调节床层温度，必然使锅炉主蒸汽压力发生波动。因此在调试中对床温自动控制回路进行了修改，仅用一次风量进行调节。为保证床料的良好流化，一次风量必须控制在一定范围内，在床温的控制回路设置了死区，在床温与给定值的偏差大于死区后才调整一次风流化风门。由于一次风流化风门的床温调节只是在30，因此当床温大幅度改变时，需要通过改变一次风压力设定值来进行联合调节。采用一次风流化风门和一次风入口挡板进行床
6、温联合调整的控制结构如图 1 所示。 3.4 二次风控制系统 二次风控制系统的目的是为了助燃和经济燃烧，包括二次风压、二次风量控制 2 个部分。二次风压通过调节送风机入口挡板开度进行调节，设定值是燃料量指令的函数;二次风量通过二次风档板进行调节，设定值是燃料量指令和氧量调节器输出的复合函数值。 3.5 引风控制系统 炉膛压力通过引风机入口挡板的开度进行调节。为减少炉膛压力的波动，加快调节速度，在引风控制系统中加入送风机入口挡板和一次风机入口挡板开度的指令前馈信号。 4 大型循环流化床机组的联动控制分析 湖南一大型火电厂 6 号机组由 2 台 125MW 循环流化床锅炉、1 台200MW 联合供
7、热式汽轮机组成，在安装调试过程中，采用了以锅炉调节有功功率、汽轮机调节主蒸汽压力的“机跟炉自动”方式，取得了良好效果。运行结果表明在锅炉基本方式下进行变负荷，虽然速率较慢，但是主蒸汽压力稳定，给煤量的波动也较小，是一种适合于循环流化床锅炉的控制方式（平面设置见图 2、3） 。 4.1 二台循环流化床锅炉、一台汽轮机的联动控制 该火电厂机组的配置采用 2 台 125MW 循环流化床锅炉、1 台 200MW 联合供热式汽轮机。这种控制方式在循环流化床锅炉中应用不多，相当于锅炉母管制并列运行。在联动协调控制系统的设计与调试中，除了要设计锅炉主控制器回路，还要设计 2 台锅炉的负荷分配回路，负荷分配器
8、的输出送至 2 台锅炉的锅炉主控，既可使 2 台锅炉同时投入联动运行，又可只将其中 1 台锅炉投入运行，另 1 台锅炉带基本负荷运行。每台锅炉的锅炉主控输出分别送至 4 台给煤机，可将其中任意 1 台或 4 台投入自动。2 台锅炉负荷分配的控制结构如图 4 所示。 在 6 号机组的安装调试中，首先尝试了“炉跟机自动”方式，因为2 台循环流化床锅炉的迟延特性和热惯性单台循环流化床锅炉的要大，造成主蒸汽压力和有功功率的波动，试验过程以失败告终。后来经改进调试方案后，在 6 号机组的调试中，将协调联动控制系统改成了“机跟炉自动”方式，将 2 台锅炉投入自动调节机组有功功率，汽轮机调节主蒸汽压力，进行
9、了幅值为 l0MW、变负荷速率为 lMW/min 的负荷变动试验，取得了良好的效果，变负荷过程中机组主要参数的变化情况见表 2，机组主要参数的响应曲线见图 3。 4.2 抽汽工况下的联动控制 抽汽工况下抽汽量的变化对于有功功率调节回路是一个大的扰动量，会导致有功功率快速变化。如果能将抽汽流量转换成有功功率指令，再叠加到功率调节器给定值上是一个最理想的方法，但汽轮机厂提供的理论数据与实际值总有一定的差异，抽汽流量测量又不可避免地存在一定误差，因此只有当有功功率的测量值与给定值出现偏差后，使锅炉主控制器按比正常调节快 1-2 倍的速度动作，以尽快补偿因抽汽量变化引起的有功功率偏差。 5125MW
10、循环流化床热水锅炉主要热工测点布设分析 应 DCS 系统控制需要，125MW 循环流化床锅炉主要热工测点布设方式如下(见图 2、图 3)。DCS 中各测点数据能及时、准确反映锅炉运行状况，便于操作人员启、停炉和负荷调整操作，同时，也便对锅炉各系统正常运行进行科学实时监控，为事故分析处理提供技术保证。 5.1 温度测点布置 a.床下启动燃烧器内套壁稳 1 点。 b.冷风室温度 2 点。 c.炉膛温度采用分层布置，料床温度 4 点、密相区温度 4 点、稀相区温度 4 点、炉膛出口温度 4 点。 d.每台分离器进/出口、下降管、回料阀各 1 点。 e.各级省煤器、空气预热器进/出口分左右各布置 2
11、点。 f.水系统、风系统视工艺需要布置测点 5.2 压力测点布置 a.点火油压 1 点。 b.冷风室压力 2 点。 c.料床压力 4 点。 d.密相区压力 2 点。 e.炉膛出口压力 6 点。 f.分离器进/出口、各级省煤器、空气预热器进/出口烟气压力分左右各布置 2 点。 g.水系统、风系统视工艺需要分布测点。 5.3 流量测点布置 5.3.1 流量测点 a.一次风 2 点。 b.上一次风 4 点。 c.下一次风 2 点。 d.二次风总风 1 点。 e.点火风总风 1 点。 f.供水流量 1 点。 5.3.2 风量仪表选型分析 由于空间限制，工艺管道布置很难满足风量计对测量直管段长度的要求，
12、影响了测量精度，因此，对于循环流化床锅炉风量的测量，根据现场情况考证，不赞成加大投资，刻意追求测量精度，主张在相对准确的前提下保证测量信号的稳定性更为实际。经过对几种流量计的比较，最终选用传统的机翼式测风装置。对于大尺寸风管道，也可以考虑选用热导式风量计，主要是减少压力损失，安装方便，但要注意热导式风量计是点测量，一定要在标定的前提下，找准代表平均流速的测量点，以确定热导式风量计的插入位置。对于直管道很短的风量测量可以考虑选用横截面积式风量计，但要注意横截面积式风量计相对于其它差压式风量计，测量信号很小，必须选用精度微差压变送器；也可以考虑选用 V内锥式流量计。无论选用那种流量计，测出的风量最
13、终都要转换成标准状态下的风量显示 5.4 其它测点 5.4.1 氧量表 烟气含氧量的测量对于指导循环流化床锅炉的运行十分重要，一般在省煤器出口烟道两侧各设一个氧量测点，也可以在空气预热器出口烟道两侧设 1 点，用于检测空气预热器漏风情况。 5.4.2 电动执行器 电动执行器是提高循环流化床锅炉自动化水平必不可少的执行单元。它可以大大减少一线工人的劳动强度，及时应对故障处理。在资金允许的情况先，建议送风机出口风门、二次风机出口风门、引风机入口风门、上下一次风各风门、高压风机出口风门、二次风风门选用电动每年。送风机、引风机、二次风机如选用变频电机，可以考虑取消相应的电动门。由于很少操作回料系统的输
14、送风风门、松动风风门及拨煤风风门等，可以选用手动门就地操作。 5.4.3 风机参数监测 风机是电厂的重要主附设备。一旦出现故障，巡检不及时，必然会给电厂造成很大的经济损失且易扩大事故。因此，风机参数的在线监测十分重要。主要监测的参数有风机电流、定子温度、轴承温度和风机振动等。 6 结束语 综上所述，循环流化床技术作为高效、洁净、低污染的燃煤技术，在我国将得到越来越广泛的应用。通过对原 125MW 循环流化床锅炉设计热工测点的设计和两年的实际运行证明，热工测点数量、测点布置及仪表选型基本能够满足生产运行需要。 因循环流化床锅炉燃烧的复杂性和对循环流化床还缺乏经验和深入了解。目前循环流化床锅炉自动控制技术仍存在许多难题需在生产研究和安装调试中逐步完善。 参考文献： 1 火力发电厂新设备新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册.2006. 2 岑可法.循环流化床锅炉理论.设计与运行.北京：中国电力出版社，1998. 3 刘德昌.循环流化床燃烧技术.北京：水利电力出版社，1995. 4 工业锅炉设计、制造、安装新工艺新技术与锅炉运行维护及故障诊断排除实用手册.北方工业出版社，2005.
