锅炉吹灰自动控制系统可靠性分析

2022-09-21 16:42:59 来源:写作指导

摘要:枣泉电厂锅炉吹灰自动控制系统由机组DCS实现,其在实际运行过程中,存在锅炉吹灰顺控自动中断,锅炉吹灰蒸汽压力波动大,锅炉炉膛压力波动时不闭锁锅炉吹灰器工作等问题。针对这些问题对自动控制系统进行可靠性优化,分别采用了修改水平烟道吹灰顺控,增加炉膛吹灰单吹顺控,在锅炉吹灰压力控制回路增加一阶惯性微分环节,优化锅炉吹灰压力控制回路PID参数,增加锅炉炉膛压力对锅炉吹灰的闭锁,优化锅炉吹灰运行方式等手段。通过以上优化手段,有效解决了锅炉吹灰顺控中断、锅炉吹灰压力波动的问题,同时提高了锅炉在低负荷段、大量掉焦及炉膛压力波动等特珠工况下的锅炉运行安全,锅炉吹灰自动控制系统可靠性得到大幅提升。

关键词:DCS;自动控制系统;逻辑优化

宁夏枣泉电厂一期工程是宁东至浙江±800kV特高压直流输电线路电源项目之一,工程建设两台660MW超超临界燃煤空冷发电机组,同步建设烟气脱硫、脱硝装置。锅炉为北京巴布科克?威尔科克斯有限公司生产的660MW超超临界参数直流炉,采用前后墙对冲燃烧方式,燃烧器布置在炉膛的前后墙。炉膛宽度为21962.7mm,深度为15935.7mm,锅炉采用紧身封闭布置,锅炉吹灰系统由戴蒙德电力机械(湖北)有限公司提供。

1锅炉吹灰系统

锅炉吹灰系统旨在保持锅炉受热面管的外壁清洁,防止结渣结焦,保证各受热面拥有良好的传热性能,降低排烟温度,提高锅炉安全经济运行水亭[1]。锅炉吹灰系统可以有效清除各受热面的灰焦,这些灰焦如果没有及时清理,当其大量脱落时,很容易造成锅炉跳闸甚至锅炉爆炸等事故,因此所有燃煤电厂从锅炉一开始投人运行就需要定期对锅炉各个受热面进行吹灰。枣泉电厂每台机组分别设计了?56台炉膛吹灰器、46台长伸缩吹灰器、22台半伸缩吹灰器和4台空预器吹灰器,每天进行一轮吹灰。枣泉电厂锅炉吹灰器均为蒸汽吹灰器,分别为IR-2H型炉膛吹灰器、IK-530型长伸缩式吹灰器、IK-530EL型半伸缩吹灰器、IK-52KDM3空预器吹灰器。吹灰汽源设计为锅炉低过出口集箱蒸汽,MBCR参数为压力29.52MPa,温度494°C。在锅炉低负荷运行和燃烧不稳定的时候,锅炉不进行吹灰。锅炉吹灰顺序从炉膛开始,顺烟气流动的方向直至尾部,并对侧进行。锅炉吹灰自动控制系统由机组DCS实现。枣泉电厂DCS?系统(Distributed?Control?System?分散控制系统)采用艾默生Ovation控制系统,具有集中管理、分散控制的特点,广泛运用于现代大型工业自动化领域[2]。枣泉电厂锅炉吹灰自动控制系统主要由两个部分组成,第一部分是负责锅炉吹灰器顺序启停的顺序控制系统Sequence?Control?System?(以下简称为锅炉吹灰顺控),它可以按照预先规定的逻辑顺序,对吹灰器的工作状态自动地进行检查、判断和控制,主要完成锅炉吹灰蒸汽母管隔离阀、锅炉吹灰蒸汽母管疏水阀、锅炉吹灰器的顺序启停控制。第二部分是负责锅炉吹灰蒸汽压力控制的模拟量控制系统MCS,它负责通过控制锅炉吹灰蒸汽压力调节阀实现对锅炉吹灰蒸汽压力的闭环控制。

2锅炉吹灰系统存在的问题及原因分析

2.1部分水平烟道吹灰器工作时会导致吹灰器保护动作

锅炉吹灰顺控下属4个子顺控:炉膛吹灰顺控、水平烟道吹灰顺控、尾部烟道吹灰顺控和空预器吹灰顺控。其中炉膛吹灰顺控、水平烟道吹灰顺控、尾部烟道吹灰顺控均设计为对吹模式,即所有吹灰器分为两两一组,每组的2个吹灰器对称布置,每组吹灰器的启动指令会同时启动这组的2台吹灰器。以水平烟道吹灰顺控为例:水平烟道吹灰顺控第一步,会同时启动L1吹灰器和R1吹灰器;当吹灰器接到启动指令,推进电机启动,吹灰枪开始前进;当吹灰枪到达设定位置,拉绳开关动作,该吹灰器的气源阀打开,吹灰枪开始吹灰;当启动指令持续220s后,DCS发出吹灰器退指令,吹灰枪开始后退,后退至设定位置,拉绳开关动作,该吹灰器的气源阀关闭;当吹灰枪退到位后,吹灰结束。实际运行中发现水平烟道吹灰顺控自动运行时经常会中断,尤其是LI、Rl,?L2、R2,?L3、R3这3组吹灰器工作时,锅炉吹灰蒸汽压力波动幅度大,很容易超过吹灰器保护设定值(H?:?4MPa,?L?:?1.5MPa),触发继而导致吹灰顺控中断。现场调查时发现L1吹灰器和R1吹灰器均为同一型号,拉绳开关位置也相同。而根据顺控逻辑设计,L1吹灰器、R1吹灰器是同时启动的,因此L1吹灰器的汽源阀和R1吹灰器的汽源阀也会同时开启、同时关闭,长伸缩吹灰器的用汽量又相对较大,这就很容易造成吹灰蒸汽压力大幅扰动。

2.2锅炉吹灰蒸汽压力自动控制调节性能差

锅炉吹灰蒸汽压力由锅炉吹灰蒸汽调节阀控制,吹灰蒸汽调节阀采用HD闭环控制,压力设定值STPT固定为3MPa,实测值PV由1个压力变送器提供。通过对测量元件进行系统校验,排除了测量回路误差造成自动控制效果差的原因;通过对锅炉吹灰蒸汽调节阀进行流量特性实验,排除了调节阀流量特性差导致自动控制效果差的原因;通过对历史曲线分析,发现锅炉吹灰蒸汽压力和锅炉吹灰蒸汽调节阀指令的波动幅度很大,锅炉吹灰蒸汽压力的波动幅度有±〇.5MPa以上,锅炉吹灰蒸汽调节阀指令经常在0%? ̄?65%之间来回波动。由于锅炉吹灰系统的工作特性,每组吹灰器工作时开、关吹灰器汽源阀时会产生较大扰动,而一组吹灰器工作完成后下一组又会继续工作,继续产生扰动,那么锅炉吹灰蒸汽压力自动控制回路就需要增加抗扰动能力。

2.3炉膛吹灰器工作时对锅炉火检系统的影响

锅炉火检系统是锅炉炉膛安全监控系统FSSS(Furnace?Safety?Supervision?System?)?的?重要组成部分,它的作用是对火焰进行检测和监视,在锅炉点火、低负荷运行或有异常情况时防止锅炉灭火和炉内爆炸事故,确保锅炉安全运行[1]。目前,燃煤电厂广泛使用的火检系统均为探测火焰的全辐射光谱的光学传感器技术。这种火焰系统的优势包括多燃料适应性,火焰可以连续检测,提供稳定可靠的火焰品质信息等。但一旦出现阻碍光传导的工作环境,如镜头或观火孔堵灰、结焦等现象发生时,火焰系统容易发生误报。在锅炉快速降负荷过程中有时会导致炉膛大量掉焦,由于目前大部分电厂会采用湿式刮板捞猹机,掉下的焦块会溉起大量水汽。如果此时炉膛吹灰器正在工作,会加大水汽扩散量,进而导致锅炉火检系统异常动作,触发锅炉主燃料跳闸MFT?(Main?Fuel?Trip?)。因此,只能进行对吹的炉膛吹灰顺控并不能满足所有运行工况,需要根据锅炉燃烧及掉焦情况合理分配吹灰器工作数量[3]。

2.4锅炉吹灰对锅炉炉膛压力的影响

锅炉炉膛压力保护同样是锅炉炉膛安全监控系统FSSS的重要组成部分,锅炉炉膛压力是否稳定直接关系到锅炉能否安全运行。锅炉炉膛压力过髙或过低时都会造成锅炉形变,甚至造成锅炉爆炸事故。通常燃煤电厂锅炉炉膛负压控制在-lOOPa左右,当炉膛负压低于-1.75kPa或高于1.5kPa时,将触发锅炉主燃料跳闸MFT[4]。锅炉蒸汽吹灰是用2.5MPa? ̄?3.5MPa的蒸汽对锅炉各受热面进行吹扫,这本身就对锅炉炉膛压力有一定程度的影响。而锅炉吹灰系统设计的初衷是为了清除受热面上积存的灰、渣、焦等,这些焦、渣脱落时对炉膛负压的影响更大?。例如水平烟道吹灰器工作时,有可能导致过热器与在热器受热面上的焦块脱落;炉膛吹灰器工作时,有可能导致水冷壁上的焦块大量脱落。当大量脱落的焦块掉入湿式刮板捞渣机时会产生大量水汽,这些水汽对锅炉炉膛压力的扰动非常大,近几年来因为锅炉掉渣引起炉膛压力波动导致机组跳闸的事件时有发生。因此,锅炉吹灰控制系统应该引入炉膛压力对锅炉吹灰的闭锁,在锅炉炉膛压力不好的工况下停止锅炉吹灰[6]。

3锅炉吹灰自动控制系统优化改造

3.1锅炉吹灰顺控优化

针对吹灰器对吹模式对吹灰蒸汽压力扰动大的问题,采用了将同组的两个锅炉吹灰器开、关汽源阀的时间错开的方法,降低扰动的幅度。通过对历史曲线的分析,发现水平烟道的前3组长吹的对吹工作时扰动很大,每次顺控大多都会在这里失败,跳过前3组后顺控运行相对正常。因此,对水平烟道的前3步顺控进行修改,以Ll、R1这对长吹为例:原顺控逻辑为水平烟道吹灰顺控第一步指令将同时启动L1吹灰器和R1吹灰器,L1吹灰器、R1吹灰器工作完成后,水平烟道吹灰顺控第一步完成;现修改为水平烟道吹灰顺控第一步指令先启动L1吹灰器工作,L1吹灰器工作完成后再启动R1吹灰器工作,R1吹灰器工作完成后,水平烟道吹灰顺控第一步完成。如图1,锅炉吹灰顺控优化后,对比顺控优化前的压力曲线,实际压力偏离压力设定值的比例从原来的126%下降到了?113%,有效降低了吹灰器开、关汽源阀时对吹灰蒸汽压力的扰动幅度。

3.2锅炉吹灰蒸汽压力自动控制回路增加实际微分环节

锅炉吹灰蒸汽压力自动控制系统中的扰动主要来自吹灰器开、关汽源阀时的压力波动,而吹灰器开、关汽源阀的时间又严格遵守锅炉吹灰顺控逻辑,也就是说这个扰动出现的时间和扰动量是固定且可预测的。那么根据这个特点,可以在锅炉吹灰蒸汽压力自动控制系统中增加微分环节,让控制系统的输出提早修正,以优化控制系统的超调量[7]。同时,由于微分作用对高频信号很敏感,容易在控制系统内引入高频干扰,所以选择具有一阶惯性环节的实际微分环节[8],如图2。一阶惯性环节具有低通滤波的功能,有较强的抗高频干扰能力。增加实际微分环节的基础上,进一步对锅炉吹灰蒸汽压力自动控制系统中的PID参数进行优化,降低了比例作用以减少控制系统的震荡,増强了积分作用以更好的消除静差[9]。锅炉吹灰自动控制系统优化后,锅炉吹灰蒸汽压力的波动幅度降低至±〇.2MPa以下,锅炉吹灰蒸汽调节阀指令通常维持在35%?50%之间,锅炉吹灰蒸汽压力超出吹灰器保护设定值的现象不再出现,锅炉吹灰自动控制系统可靠性有很大提升。

3.3增加炉膛吹灰器单吹顺控

为削弱炉膛吹灰器对吹对燃烧系统、火检系统的影响,锅炉增加炉膛吹灰器单吹顺控逻辑,以A层为例(B、C、D层顺序与A层一致),具体顺序为:A1-A7-A2-A8-A3-A9-A4-A10-A13-A5-A11-A6-A12-A14。吹灰器布置情况为从炉膛右墙左端至右端为A1-A2-A3,从炉膛后墙左端至右端为A4-A5-A6-A7,从炉膛左墙左端至右端为A8-A9-A10,从炉膛前墙左端至右端为A11-A12-A13-A14。同时,运行规程规定机组负荷在300MW?400MW之间,炉膛吹灰必须手动单支进行,运行人员根据机组负荷及锅炉结焦情况手动选择单吹或对吹方式。A、B层炉膛吹灰每日进行一次,C、D层炉膛吹灰每2日进行一次。机组全天负荷低于400MW时,炉膛吹灰分2个班进行?,以A层为例:白班进行奇数吹灰器吹灰,具体顺序为A1-A3-A5-A7-A9-A11-A13?;中班进行偶数吹灰器吹灰,具体顺序为A2-A4-A6-A8-A10-A12-A14?;长吹L1至L8、R1至R8进行手动单吹。

3.4増加锅炉炉膛压力超限时的炉膛吹灰器保护

锅炉吹灰对锅炉炉膛压力的影响较大,可能导致锅炉炉膛压力波动。为防止锅炉吹灰过程中锅炉炉膛压力异常,在吹灰器保护中增加锅炉炉膛压力超限保护。锅炉炉膛压力测点有4个模拟量变送器,任意一个锅炉炉膛压力测点高于500Pa或低于-800Pa将触发吹灰器保护,强制退出所有吹灰器并禁止吹灰器启动运行。这样设计可以从一定程度上缓解锅炉吹灰对锅炉炉膛压力的影响,避免锅炉炉膛压力本身就在波动时,锅炉吹灰器工作加剧锅炉炉膛压力波动而导致锅炉MFT。

4结语

随着近年燃煤价格上涨,燃煤电厂用煤普遍呈现出低热值高灰渣的现象,这也使避免锅炉结焦结渣影响锅炉效率和安全运行的讨论日益增多,而可靠的锅炉吹灰系统就是防止锅炉结焦结渣的有效依靠。在DCS系统普遍运用的今天,锅炉吹灰自动控制系统的可靠性又是保证锅炉吹灰系统正常工作的最重要的一部分,只有提高锅炉吹灰自动控制系统的可靠性,加强运行人员操作规范培训,才能保证锅炉吹灰系统正确运行,提高锅炉安全、经济运行水平。

作者:张宇 单位:宁夏枣泉发电有限责任公司