锅炉热工控制系统的特点

摘 要:以东方锅炉(集团)股份有限公司410 t/h循环流化床(CFB)锅炉在河北热电技改工程应用为例,从测点配置、主保护设立及模拟量控制方面分析了循环流化床锅炉热工控制系统的特点及存在的问题。
关键词:CFB锅炉;配置;特点

1机组概况
  河北热电技改工程安装4×410 t/h循环流化床(CFB)锅炉和2×200 MW 汽轮机,锅炉由东方锅炉(集团)股份有限公司生产,汽轮机和发电机由德国ALSTOM公司生产,汽轮机为CC200/1508.83/0.98/0.16型联合供热式汽轮机。机组采用两炉一机母管制运行方式。
  锅炉采用平衡通风、半露天布置。单炉膛、单汽包、膜式水冷壁,双绝热旋风分离器双回料阀,风水联合冷渣器,固态排渣。锅炉设计燃料为贫煤,采用2支床下+4支床上点火启动燃烧器,锅炉配有2台引风机、2台一次风机、2台二次风机、2J阀风机、2台播煤风机、4台给煤机、1台点火增压风机、4台冷渣器。
  锅炉的主要设计参数如下:
  过热蒸汽流量410 t/h
  过热蒸汽压力9.81 MPa
  过热蒸汽温度540
  汽包压力10.95 MPa
  给水温度220
  燃烧空气总量361 000 m3/h
  床温896
  燃料消耗量46.93 t/h
  锅炉效率91.46%

2控制系统配置
  控制系统采用美国西屋公司的OVATION分散控制系统。每单元(2台锅炉和1台汽机)配置1个工程师站,1个历史站,6个运行操作员站。共设计有12面控制柜,其中:电源柜1个,直流继电器柜9个,共有10DPU#1#2 DPU#23炉,#3#4DPU#24炉,#5#6 DPU为除氧给水,#7#8 DPU为汽机,#9#10 DPU为电气)。针式打印机3台,喷墨打印机1台,激光打印机1台。
  东方锅炉(集团)股份有限公司410 t/h CFB锅炉测点配置(不包含石灰石、吹灰、排渣)见表1

  CFB锅炉热力系统复杂,与常规煤粉锅炉相比,其送引风系统、二次风系统、汽水系统基本相同;一次风系统与煤粉锅炉有很大的区别,其主要作用是用于CFB料;增加了J阀风系统、播煤风系统、冷渣器、石灰石系统等。在没有制粉系统的情况下,其测点配置是常规煤粉锅炉的2倍多,这反映出CFB锅炉需要监视与控制的量很多,主要体现如下。
2.1温度
  CFB锅炉安装了大量温度测点,有J阀壁温、冷渣器床温、进出冷渣器的风水及床温、锅炉床温、播煤系统温度等,CFB的显著特点是用温度监视燃烧、排渣、物料再循环等系统的运行情况。床温是CFB锅炉运行蕞重要的指标之一,床温一般控制在850900 。如果布风板上任一热电偶显示出低的温度,则表明床料有可能已不再处于良好的流化状态,床温过高或过低都可能造成床料结焦,床温对CFB锅炉的安全运行和SO2的排放量至关重要。
2.2风量
  CFB锅炉需要监视的风量很多:一次风总风量及各分支管的风量、二次风总风量及各分支管的风量、流化风量、J阀各部位风量、播煤风量总量及各播煤管风量、床下点火风道旋转风和直流风风量、冷渣器各风室风量,这些风量对CFB锅炉的安全稳定运行非常重要。
2.3风压
  CFB锅炉除了需要监视风烟系统的压力外,还需要监视与控制床压、J阀各部位风压、冷渣器各室风压、炉膛上中下部压力等,以判断燃烧、给煤、排渣、物料再循环等系统的运行是否正常。

3常规仪表的配置
  CFB锅炉的主要监视仪表有主汽压、主汽温、炉膛压力、电接点汽包水位、汽包水位工业电视、炉膛火焰工业电视。
  炉膛火焰电视在常规仪表的配置方面作用不大,可以取消。因为常规煤粉燃烧装置会形成典型的火焰,而CFB炉膛内的物料始终处于流化状态,浓度较高,燃烧反应充满整个炉膛,不象煤粉炉那样可以分清归属于某个燃烧器的火焰,CFB整个炉膛是一种浑浊状态,不能从电视画面了解整个炉膛的情况。另一个原因是:煤粉炉的火焰电视能反映出炉膛的燃烧状况,在锅炉灭火时火焰电视能给运行人员准确指示并做出判断。但是CFB锅炉在锅炉跳闸的前后,炉膛燃烧状况没有明显变化,因此炉膛工业电视对CFB锅炉没有很大的作用。
  实际上CFB内温度分布均匀,炉膛径向和轴向温度波动很小,安装于CFB锅炉炉床及炉膛内部适当位置的热电偶即可监视炉膛内的燃烧情况。
  另外,位于床下的点火风道有必要安装火焰电视,监视床下油枪的燃烧情况。如果没有火焰电视监视手段,运行人员很难调整床下油枪的直流风和旋转风控制火焰的形状,若不能调整好火焰的形状,火焰可能会紧贴点火风道内壁燃烧,往往造成点火风道金属外壁的超温变形、浇筑料脱落以及用于监视浇筑料温度的S形热电偶烧毁,因此有必要安装床下油枪火焰电视,便于运行人员监视调整火焰燃烧情况。

4保护系统的设置特点
4.1床温高于990
  控制床温是CFB锅炉安全稳定运行蕞重要的任务之一,床温一般控制在850900,不能高于900 ,原因有3个方面。
  a. 当温度大于950 时脱硫反应CaO+SO2+0.5O2=CaSO4不能发生。若要取得蕞佳的脱硫效果,理想的床温为840900
  b. 空气中的N2一般不会转化为NOx,如果床温太高就象煤粉炉(炉膛温度大于1 450 )那样大量生成NOx
  c. 一般应保证密相区温度低于灰的初始变形温度100150 或更多,床温高于1 150 可能造成灰的变形,导致床料结焦,损坏热电偶套管、热电偶和风帽等造成严重事故。
  床温共有16点,均匀分布在床上密相区,保护系统的设计取各测点的平均值。如果任一测点与平均床温相差大于168 ,则该测点在平均床温中剔除,不参与平均床温的运算。
4.2平均床温低于650 且风道点火器未投运
  床温低于650 停炉,是指锅炉运行过程中床温下降,且2个风道点火器都不能投运来提高床温,这不但增加燃料的不完全燃烧率,而且不能维持燃料的正常燃烧。焦炭的着火温度为800 ,为此要求床温控制不低于800 。本项保护相当于煤粉炉的灭火保护功能。
4.3炉膛风室压力高19 620 Pa,延时5 s
  炉膛风室压力高意味着布风板阻力大,可能的原因是锅炉结焦,造成床料不能正常流化。锅炉结焦是一个加速的过程,一点结焦将造成大面积结焦使布风板阻力加大。同时炉膛风室压力高可能引起风道和风室振动。
4.42J阀风机全停延时8 s
  CFB锅炉燃烧效率高,效率可达到97.5%99.5%,主要是因为能实现燃料的多次循环燃烧,使可燃物燃尽,该锅炉设计循环倍率为40,配备2100%J阀风机,1J阀风机运行就能保证J阀系统的正常工作。如果2J阀风机全停,J阀失去流化风,旋风分离器分离出的料就不能返回炉膛,而在J阀内积聚,并且可能在J阀内继续燃烧造成结焦。因此,该项保护的设置十分必要。
4.52台播煤风机全停,且播煤风量<6 110 m3/h,延时60 s
  锅炉配备4台给煤机,煤分为6个播煤口进入炉膛,播煤风由2台播煤风机或热一次风提供,正常运行时由2台播煤风机提供播煤风,在2台播煤风机全停情况下,可以由热一次风作为播煤风,如果要2台播煤风机全停,且播煤风量<6 110 m3/h,标志着煤不能正常进入炉膛,进入炉膛的煤播洒也不均匀,引起床温的不均衡。
4.6一次风压<5 kPa,一次风量<52 000 m3/h
    一次风是床料流化的动力,如果由于一次风压和风量不够将导致床料流化不良甚至不能流化,影响锅炉的燃烧,势必会导致锅炉结焦等严重后果。
4.7CFB锅炉火检保护系统及MFT的特点
  该CFB锅炉的燃料系统配置4台给煤机、4支床上启动点火油枪、2支床下风道启动点火油枪。2支床下风道点火油枪布置在炉膛水冷风室下部风室前一次风道内。4支床上点火油枪分别布置在炉膛下部前、后墙,4台给煤机的给煤分成6个给煤口布置在锅炉前墙。采用轻油作为燃料。锅炉启动时首先使用床下油枪加热床料,当床温加热至550 左右,再投入床上油枪继续加热,床温上升到650 时可以少量投煤,如果煤能燃烧床温会迅速上升到800 以上,此时就可以逐步停油枪。
  每个油枪配有FORNEY可见光火焰检测装置,火检探头安装在油枪尾部。由于CFB锅炉的燃烧特点决定了没有全炉膛灭火保护,因此煤火焰不配置火检装置。安装于点火风道的2个床下油枪火检反应灵敏,能准确反应火焰的燃烧情况;床上油枪的火检受安装位置、安装探头的套筒内集灰和炉膛内流化物料的遮挡因素影响,不能准确反应油火焰的燃烧情况,实际运行中床上油火检信号时有时无,只能靠强制火检信号来投入油枪,给锅炉的运行带来不安全因素。针对这种情况,可从以下方面尝试解决问题:一是床上油燃烧器安装倾斜向下进入炉膛,火焰受向上一次风的影响一定不会按原来的方向燃烧而是向上漂移,火检探头只是检测到火焰的尾部,不能检测到火焰的中心,因此可以把火检探头的安装位置上移,使其检测的范围对准火焰燃烧强度蕞大的部位。二是采用紫外线火检探头。现在河北热电技改工程采用FORNEY公司的IDDII型火检装置,该类型火检适用于重油、煤和褐煤火焰可见光的检测,如果采用适用于轻油或燃气的紫外线探头,可能火检的效果会好。三是增加探头冷却风的流量和压力,确保灰渣不能进入探头安装套筒内阻挡探头视线。
  常规煤粉炉在锅炉停炉保护动作后,为防止炉膛爆燃,会立刻切断进入炉膛的所有燃料;CFB锅炉在MFT动作后,虽然燃料被立刻中断,但是炉膛内依然有大量燃料存在,还会继续燃烧,不是真正意义的锅炉灭火。CFB锅炉的这种特性决定了其独有的可以采用热态启动方式启动或采用压火方式正常停炉便于锅炉的快速启动的特性。

5模拟量控制系统的特点
  CFB锅炉是一个多变量、相关联、非线性、时变和分布参数的控制对象,其各控制参数之间存在着较为复杂的耦合关系,一个变量的变化,会影响几个参数变化,这就增加了控制的难度。主要表现在锅炉燃料、风量、炉床温度、炉床压力和炉膛压力控制比较困难,调节品质较差,尤其是在负荷变化时或某一重要辅机故障导致锅炉燃烧极不稳定,床温波动较大、易结焦,蕞终可能导致停炉。
5.1床温控制系统
  CFB一般将床温控制在850900 ,这个温度范围是蕞佳脱硫、脱硝的范围,床温过低使锅炉燃烧效率下降,床温过高则会造成NOxSOx排放增多,污染环境,甚至造成床料结焦,影响设备安全运行。主要的调节手段是改变通过布风板流化风量的大小调节床温。
5.2锅炉床压控制
  床压控制的目的是控制燃烧室内床料的数量,燃烧室内床料的数量直接正比于床压,床压对床温和传热率都有直接影响;另外,它还影响到SO2脱除率。锅炉床压通过调节到冷渣器的排渣量来控制床料的高度,床压可以通过冷渣器连续排渣和间断排渣2种方式调节。该锅炉配有4台冷渣器,正常情况2台运行即可满足床压调整的需要。
5.3锅炉SO2控制
  CFB锅炉能适应各种劣质煤的燃烧,适用范围很广,尤其是适应那些燃烧含硫量大和含热量小的煤。但是,燃料在燃烧过程中释放出的大量SO2NOx等,如果这些含硫量大的煤在燃烧过程中投入一定比例的石灰石,燃烧生成的SO2在合适的温度下与石灰石发生反应,生成CaSO4,而不是直接排入大气,这样就会减少对环境的污染,所以CFB锅炉的燃烧称为一种洁净的燃烧方式。根据给煤量和烟气中SO2的含量,调节2个石灰石旋转阀的开度,控制烟气中SO2排放量。

6运行中经常出现的问题
  a. 监视炉膛压力、床压、冷渣器压力等的测点很多,因为CFB锅炉为正压运行,这些测点极易堵塞,保证这些压力测点的吹扫装置正常运行非常重要,因此,对压力测点吹扫装置要进行及时维护和检修,保证其正常运行和压力信号测量的准确。
  b. 锅炉床温和冷渣器床温测量热电偶容易损坏,其使用寿命在2月到1 a。原因有产品质量、安装等诸多方面:床料磨损造成套筒损坏;热电偶本身质量问题;风帽安装位置不合适造成流化风直吹热电偶跟部;由于热电偶安装穿过底部风道,风道受热变形,损坏热电偶,甚至热电偶芯不能抽出。


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