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大型循环流化床锅炉的仪表与控制系统
发布时间:2011/4/29  阅读次数:3147  字体大小: 【】 【】【
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引言
  
  CFB锅炉燃烧技术是煤洁净燃烧发电的核心技术之一。CFR电厂具有环保性能好、煤种适应性广、综合利用性能好、优越的调峰经济性和负荷调节范围大等显著特点,是符合国家环保政策、产业政策和市场需求的电厂新技术。目前我国已掌握了135MWCFB电厂的制造和设计技术,已建和在建同等容量的机组已有100多台。
  
  300MW级CFB锅炉电厂技术是我国"十五"国家重大技术装备研制项目,该项目由原国家经贸委立项,体制改革后变更为由国家发展和改革委员会高技术产业司负责。经过研究论证和比选,国家最终决定采用技贸结合的方式对300MW鲁奇型CFB锅炉系统设计与制造采用技术引进和消化吸收的方式最终形成自主设计、制造能力,尽快实现产业化、商品化,从而缩短开发周期,推动我国发电设备技术进步和优化火电结构,目前大型CFB已成为国内电厂建设的热门话题。
  
  中国电力工程顾问集团公司承担了对法国ALSTOM鲁奇炉型锅炉岛系统设计技术引进相吸收消化工作,并在此基础上实现了CFB锅炉系统的自主设计,成为国内唯一一家(包括下属7个子公司)拥有法国ALSTOM公司200~350MWCFB电厂系统设计技术转让产权并具备独立设计和审查大型CFB电厂能力的企业。
  
  鲁奇型CFB锅炉是国际上三大主流CFB技术之一,ALSTOM公司也是国际上两大生产大型CFB锅炉的厂家之一。200~350MW等级的CFB锅炉在国内外的应用实践较少,法国普罗旺斯250MWCFB电厂是世界首台该炉型电厂并已成功投运近l0a。四川白马工程是ALSTOM公司在世界范围内第1台300MW级CFB锅炉电厂,该项目已进入设备安装阶段。在白马1×300MWCFB锅炉示范电厂项目之后,我国正在进行河北秦皇岛、内蒙古蒙西、云南巡检司、云南小龙潭等一批大型CFB锅炉电厂的前期工作,因此,对ALSTOM公司设计的仪表与控制系统方案进行不断完善相优化,逐步形成自主设计能力势在必行。
  
  CFR机组与常规煤粉炉机组相比,从控制策略和仪表检测2个方面都有很大不同,鉴于大型CFB技术转让的知识产权要求,现仅就CFB机组仪表与控制系统的主要设计原则进行讨论。
  
  一、大型CFB锅炉仪表设计的特殊性
  
  目前,国外大型CFB锅炉主要有两大流派,一是以德国的LurgiLentjiesBabcock(LLB)、法国的Stein和ABB-CE等公司为代表的鲁奇(Lurgi)派;二是以美国的FosterWheeler(FW)、芬兰的ALSTROM(后者于1995年被前者兼并)等公司为代表的FWPyropower派。
  
  大型CFB锅炉的炉型主要有3种:德国Lurgi公司的Lurgi型、原芬兰ALSTROM公司(现为美国FosterWheeler公司)的Pyroflow型和德国Babcock公司研制的Circofluid型。本文主要针对我国引进的法国ALSTOM的Lurgi型锅炉进行研究。
  
  CFB锅炉仪表与控制的设计范围至少包括:锅炉汽包、蒸发受热面及其联箱、省煤器、空气预热器、过热器、再热器、减温器、旋风分离器、密封槽、锅炉布风板及喷嘴、锅炉点火系统、吹灰系统及助燃油系统、炉底灰冷却器、外置床、锥形阀等锅炉本体设备;锅炉汽水系统;一次风、二次风系统;密封风系统;高压流化风系统;锅炉烟气系统;锅炉灰系统;石灰石破碎及输送系统;输煤设备及系统;除灰渣设备及系统等。
  
  国内300MW亚临界、600MW亚临界/超临界常规煤粉炉的仪表与控制系统设计与选型都已非常成熟,而300MW级的CFB锅炉与常规煤粉炉相比在仪表设计与选型方面具有一定的特殊性和难点。仪表与控制设计人员应根据CFB锅炉本体的结构特点、工艺系统设计要求和锅炉运行方式等进行检测仪表的设计与选型,要注意选用技术先进、质量可靠、有成熟应用业绩的设备和元器件。CFB锅炉的过程测量仪表除满足常规要求外,还应考虑以下几方面的特殊性。
  
  1.1仪表的防堵与耐磨设计
  
  CFB锅炉的工艺流程和被测介质的要求决定了其一次检测元件及仪表的选型必须考虑防堵和耐磨。例如用于炉膛、床料循环系统、石灰石、热风或烟道的压力、差压等测量仪表应采取有效的防堵措施,必要时应加装吹扫装置,吹扫气源可来自电厂内仪表用压缩空气。
  
  CFB床温测量信号是床温控制的重要参数,要求在炉膛燃烧室内密相区分层布置多支热电偶,并将多个测量值进行综合运算后得出床温信号,床温热电偶应选用稳定性好、反应灵敏、耐磨、维护量小的检测元件。
  
  1.2需增设的工艺检测仪表
  
  与常规煤粉炉相比,热工检测除应增加CFB锅炉床温和床压的测量外,还应增加流化风压力、流量和温度检测,石灰石料仓料位及给料量检测,旋风分离器温度和压力检测,冷渣器温度、压力和冷却水流量检测,风量检测,密封回料器温度和压力检测及用于炉膛燃烧和脱硫控制等的检测。
  
  CFB锅炉系统的风量测量仪表是CFB的重要检测仪表之一,包括一次风、二次风和流化风的母管和支管风量测量。白马1×300MWCFB示范电厂风量测量仪表近40支,选用了插入式测量装置,满量程测量精度可达到±1%。目前阿牛巴、威力巴及德国的易它巴(ITAB)测量仪表的测量原理基本相同且都能满足CFB锅炉风量测量要求,具体工程实施时应通过招标方式择优选择。
  
  1.3设置汽包水位工业电视和烟气连续监测系统
  
  汽包水位是CFB锅炉启动和运行的重要监视参数之一,应设置汽包双侧水位工业电视摄像探头,并单独设置彩色监视器布置在机组集中控制室内便于运行人员监视。
  
  为达到良好的脱硫和脱硝效果,满足环保要求,CFB锅炉炉膛燃烧室温度应控制在850-900℃,实现中温稳定燃烧。根据法国ALSTOM公司有关资料,在钙/硫为1.5时脱硫效率能达到90%,脱硝后NOx的体积分数能达到(l00-300)×l0-6,完全能满足我国国家标准GBl3223-2003《火电厂大气污染物排放标准》的要求。CFB锅炉机组设置的烟气连续监测系统(CEMS)的测量项目包括NOx、S02、CO及粉尘浓度等,其中S02信号通过硬接线接入机组分散控制系统(DCS)的模拟量调节系统,控制石灰石给料量从而控制脱硫效率,其余测量结果可通过通信方式接入DCS,在单元控制室指示及记录。同时,烟气连续监测系统的信号接口还应能满足当地环保检测站的要求。
  
  1.4不宜装设炉膛火焰监视工业电视系统
  
  CFB锅炉炉膛物料的燃烧是高速流化状态的,燃烧方式与常规煤粉炉有很大区别,所观察到的炉膛火焰并不明显,因此一般建议不设置炉膛火焰监视工业电视系统。
  
  1.5不宜装设炉管泄漏检测装置
  
  CFB锅炉炉膛燃烧的噪音相对较大,国内在煤粉炉上设置的炉管泄漏检测装置大多采用声波导入原理,根据法国ALSTOM公司设计师的经验和目前135MWCFB锅炉的运行经验,建议不设CFB锅炉炉管泄漏检测装置。
  
  1.6带点火装置的燃烧器应装设火焰检测装置
  
  炉膛结构和运行方式的不同决定了CFB锅炉燃烧器与煤粉炉燃烧器存在很大区别。CFB锅炉的风道燃烧器和床上燃烧器应装设火焰检测装置,床枪不设火焰检测装置。随CFB锅炉本体成套提供的风道燃烧器设备应包括油枪、点火枪、伸进和退出装置、高能点火器、就地点火控制箱等现场仪表设备。CFB锅炉的火焰检测装置数量比煤粉炉的数量要少,火焰检测冷却风也无需设置专门的冷却风机。
  
  1.7系统设计方与锅炉本体制造商的接口原则
  
  由于国内几大锅炉厂早期分别引进过100MW级CFB锅炉不同技术流派的炉型,国内建设投运的中、小型CFB电厂五花八门。本次ALSTOM公司300MW级CFB鲁奇炉型的制造与系统设计技术转让期限为15a,且属于中国市场独家转让。在国家发展和改革委员会统一领导下,于2003年底至2004年,由东方、上海、哈尔滨三大锅炉制造集团和中国电力工程顾问集团公司共同承担300MWCFR锅炉制造与系统技术引进和消化吸收工作。
  
  为规范设计院与锅炉制造厂商的接口工作,建议设计院和制造厂之间的设计界面在依据国内电力市场惯例划分的基础上,按锅炉系统设计的一次检测元件和仪表、控制系统应由设计院设计方案,由业主招标采购的原则进行。但CFB锅炉本体制造商应提供监控和性能试验所必需的压力、差压、液位测点开孔,并提供相应一次仪表阀门、门前脉冲管、必需的空气过滤减压阀等附件。
  
  原则上建议CFB锅炉制造商仅成套提供就地显示仪表,包括弹簧管压力表、双金属温度计、就地风量指示仪、汽包双色水位计、锅炉安全控制阀(PCV)就地控制装置、空气预热器间隙调整控制装置、空气预热器着火监测报警装置等。
  
  二、大型CFB锅炉的控制方式和控制水平
  
  CFB锅炉系统自动控制的设计应包括一次检测元件及仪表配置、控制系统配置与功能、主辅机可控性、控制室布置及运行管理模式等方面。控制系统的设计原则应遵循"安全可靠、先进适用、符合国情"的原则。
  
  2.1控制方式
  
  CFB锅炉机组的控制设计水平应不低于相同容量常规煤粉炉机组的监控水平,应采用CFB锅炉、汽轮机、发电机一变压器组组成的单元集中控制方式,根据不同工程的实际建设规模可采用1台机组设1个集中控制室、2台机组合设1个集中控制室或多台机组合设1个集中控制室的布置方案,在集中控制室内实现单元机组的炉、机、电全能值班运行管理模式。
  
  2.2控制系统
  
  采用DCS作为机组的核心控制系统,以操作员站和键盘等人机界面作为监视和控制中心,实现CFB锅炉机组的炉、机、电统一集中监控,满足机组冷态、温态、热态、极热态启动方式,正常运行工况(带基本负荷或调峰),事故处理工况,安全停机及机组快速减负荷(RUNBACK)的需要。
  
  CFB锅炉机组DCS对工艺系统实现集中监控,完成数据采集和处理(DAS)、模拟量控制(MCS)、顺序控制(SCS)及炉膛安全监控(FSSS)功能。
  
  CFB锅炉机组DCS的设计采用功能和物理分散的总体原则,控制网络按分级、分组结构配置,即在垂直方向分层或分级,水平方向分组。DCS重要的控制器、通信网络、I/O通道应采用冗余设计以满足系统安全可靠运行的需要。
  
  2.3控制系统的后备手操设置
  
  CFB锅炉采用DCS对其工艺系统实现集中监控后尚需设置必要的后备手操。后备手操是指独立于DCS软手操之外的后备硬操作。
  
  当DCS发生全局性或重大故障时,如DCS电源丧失、通信网络故障、全部操作员站死机、重要控制器失去控制和保护功能等,为确保CFB锅炉紧急安全停机,并结合锅炉运行的实际特点,建议设置下列后备手操:锅炉紧急跳闸、锅炉安全门打开、汽包事故放水门打开、锅炉汽包紧急补水泵启动。
  
  三、大型CFB锅炉的热工调节设计
  
  热工调节包括单冲量和多冲量的调节,CFB锅炉模拟量调节由DCS实现,应能满足机、炉协调控制的要求,参与电网一、二次调频和调峰。
  
  CFB锅炉控制系统的设计要求对风煤比、配风比等回路进行控制,实现CFB锅炉稳定、经济的中温燃烧并满足环保脱硫、脱硝的要求。在控制策略上CFB锅炉与常规煤粉炉有很大不同,如锅炉主控,协调控制,给煤控制,总风量控制,二次风压力、流量、温度控制,一次风压力、流量、温度控制,流化风压力、流量控制,床枪压力控制,炉膛压力控制,一、二级喷水温度控制,再热蒸汽温度调节,炉膛温度、差压调节,给水调节,空气预热器冷端温度调节,旁路控制等均有不同的控制策略和调节回路,鉴于大型CFB技术转让的知识产权要求,在此不作详细论述。
  
  四、大型CFB锅炉的热工联锁设计
  
  CFB锅炉的热工联锁应能满足机组启动、停机、正常及异常工况下的控制要求,CFB锅炉辅机联锁项目至少包括:风机、空气预热器、除尘器及引风机在启停和事故跳闸时的顺序联锁;风机、空气预热器、除尘器之间的跳闸顺序及与烟、风道中有关阀门、挡板的启闭联锁;燃料系统的投入/切除及与风道燃烧器、床上燃烧器和床枪之间的启停顺序及联锁;石灰石制备、输送系统中各设备启停顺序及与阀门、挡板之间的联锁;煤燃料制备、输送系统中各设备启停顺序及与阀门、挡板之间的联锁;渣循环系统的相关冷渣器、密封回料器设备之间及相应的烟、风道中有关阀门、挡板之间的启停顺序及联锁等。
  
  五、大型CFB锅炉的热工保护设计
  
  CFB锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)在DCS中实现,它包括以下主要功能:锅炉吹扫;风进入炉膛的允许条件;燃料进入炉膛的允许条件;主燃料跳闸;锅炉跳闸。
  
  六、结语
  
  针对法国ALSTOM公司转让的鲁奇(Lurgi)炉型技术就大型CFB锅炉仪表与控制系统的主要设计原则进行了探讨与研究,并论述了大型CFB锅炉的仪表设置和检测、调节、联锁及保护功能的设计。
  
  目前在建的世界上第几个大型CFB锅炉(鲁奇炉型)电厂工程——四川白马1×300MWCFB项目预计2005年年底投运。相继的大唐云南开远电厂、内蒙古蒙西电厂、国电云南小龙潭电厂三期、华电云南巡检司电厂、河北秦皇岛电厂、淮北平山电厂、内蒙古准能煤矸石电厂、广东韶关坪石B厂三期等应用300MW级大型CFB锅炉的建设项目正在进行工程前期工作,有的项目已进入实施阶段。
  
  随着四川白马CFB电厂项目投运不断取得应用经验和其他后续项目的建设研究,应对ALSTOM公司的仪表与控制系统设计进行不断补充和完善,使大型CFB锅炉的仪表与控制系统设计更符合实际需求并日臻完善,降低CFB工程项目投资,从而在技术引进和消化吸收的基础上实现自主化设计,促进大型CFB产业化,推动我国民族产业的发展,形成自主知识产权的设计技术,为下一步600MW超临界CFB锅炉电厂的自主研究开发奠定基础。
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