大型火电厂１２５ＭＷ循环流化床锅炉机组控制系统设计与安装调试分析(一)

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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5～15min。循环流化床锅炉的非线性强，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
　　循环流化床一般将床温控制在850～900℃，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循环流化床热水锅炉主要热工测点布设分析