310t/h循環(huán)流化床鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及DCS的應(yīng)用

 循環(huán)流化床（CFB）由于其*性能，已越來(lái)越多地在我國(guó)中小電廠獲得應(yīng)用。首先CFB鍋爐的燃放效率很高、燃用的各種低質(zhì)煤的范圍更寬、在爐內(nèi)用更少的石灰石可取得更佳的脫硫效果；其次運(yùn)行溫度的降低減少了結(jié)渣的可能性，并使得NOx排放更少，產(chǎn)生更少的污染物；由于燃料在爐膛內(nèi)停留的時(shí)間更長(zhǎng)，使熱效果更佳；由于煙氣速度和固體攜帶量之間的適當(dāng)關(guān)系而使CFB鍋爐可以在很寬的負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行。另外，燃燒后排出的灰、渣還可以綜合利用，因此引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和重視。下面就上海石化熱電總廠310t/h循環(huán)流化床鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)部分作一介紹。

一、主要控制系統(tǒng)的分析及應(yīng)用
一臺(tái)300t/h CFB鍋爐的I/O有1500～1700點(diǎn)，如此多的I/O點(diǎn)采用常規(guī)控制系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)的。再加上控制功能多，要求安全可靠，實(shí)踐證明只有選用DCS才能勝任。CFB鍋爐必須確保按規(guī)定順序進(jìn)行開(kāi)、停車(chē)，和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，由此確定了DCS中的順序控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)。
1.1 順序控制完成的任務(wù)
（1）CFB鍋爐的啟動(dòng)和停止
CFB鍋爐的啟動(dòng)步驟見(jiàn)啟動(dòng)程序（表1）。該回路不僅要保證按表1的步驟開(kāi)、停車(chē)，還必須具有啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)故障具有診斷和報(bào)警功能，以使操作人員迅速消除故障，盡快開(kāi)車(chē)。例如啟動(dòng)任一輔助設(shè)備時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不開(kāi)車(chē)，馬上顯示報(bào)警。

（2）燃燒器管理系統(tǒng)（BMS或FSSS），主要是安全連鎖系統(tǒng)。
在啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)，CFB鍋爐出現(xiàn)故障，首先將主燃料跳閘。如當(dāng)煙氣溫度在485℃及以上出現(xiàn)汽包水位低限，立即實(shí)現(xiàn)MFT，以確保鍋爐安全，避免損壞設(shè)備。
1.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成的任務(wù)保證蒸汽質(zhì)量指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行
鍋爐的調(diào)節(jié)區(qū)域可劃分成的獨(dú)立區(qū)域有：汽包水位調(diào)節(jié)區(qū)域、過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)區(qū)域、燃燒調(diào)節(jié)區(qū)域和含鹽量調(diào)節(jié)區(qū)域。目前，爐水含鹽量的控制大都采用人工定期排污和連續(xù)排污來(lái)解決。為此，CFB鍋爐的調(diào)節(jié)只有汽包水位、過(guò)熱汽溫和燃料區(qū)域。CFB鍋爐控制包括如下控制功能組：鍋爐主控、燃料量控制、空氣流量控制、床溫控制、石灰石流量控制、爐膛壓力控制、啟動(dòng)燃燒器控制、給水控制、主蒸汽溫度控制、啟動(dòng)燃燒器控制、給水控制、主蒸汽溫度控制、除氧器水位、壓力控制等。圖1為整個(gè)機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)，下面就鍋爐側(cè)主要控制系統(tǒng)作具體介紹。

1.2.1 鍋爐主控系統(tǒng)
鍋爐主控系統(tǒng)為一定值控制系統(tǒng)，以控制主蒸汽母管壓力pm為目標(biāo)。鍋爐母管壓力作為主調(diào)信號(hào)，采用經(jīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后的能量平衡信號(hào)P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt為鍋爐控制回路的前饋信號(hào)，其中P1為汽機(jī)調(diào)速級(jí)后的汽壓，PT為機(jī)前壓力，兩者的比值P1/PT與汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度成正比，并且克服了由于調(diào)門(mén)的回差和不靈敏所造成的非線性對(duì)閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)的影響。在額定控制參數(shù)下，汽機(jī)的用汽量與閥門(mén)的開(kāi)度成正比，對(duì)于抽汽機(jī)組，無(wú)論汽功率的變化還是電功率的變化，都反映到汽機(jī)調(diào)門(mén)的變化。機(jī)前壓力設(shè)定值Ps的改變，反映了鍋爐能量需求的變化。k*d（P1*Ps/PT）/dt信號(hào)代表了儲(chǔ)能元件（汽包）對(duì)燃料的需求。因此P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt信號(hào)即能反映汽機(jī)用汽量對(duì)燃料的需求，也反映了鍋爐參數(shù)變化對(duì)燃料的需求，同時(shí)滿足了鍋爐儲(chǔ)能元件對(duì)燃料的需求。這樣構(gòu)成的前饋加反饋復(fù)合控制方式可以zui快地響應(yīng)壓力的需求，滿足汽機(jī)用汽量對(duì)鍋爐的要求。
分析研究P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt與主汽流量作為前饋可以看到主要的差別：如采用主汽流量作為前饋信號(hào)時(shí)，當(dāng)由于燃燒率變化而引起內(nèi)擾時(shí)，主汽流量的前饋將形成一個(gè)正作用，反而加劇了機(jī)組的自發(fā)性擾動(dòng)。而以P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt信號(hào)作為前饋信號(hào)的鍋爐主控系統(tǒng)則只有在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)才對(duì)燃燒作出快速反應(yīng)，提前作用于風(fēng)量和燃料量控制單元，以克服被控對(duì)象的滯后和慣性。而燃料出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt不變，這一點(diǎn)對(duì)于穩(wěn)定燃燒非常重要。
1.2.2 總風(fēng)量調(diào)節(jié)
總風(fēng)量調(diào)節(jié)作為風(fēng)量的主控調(diào)節(jié)器滿足總風(fēng)量和氧量的控制，向鍋爐燃燒二次風(fēng)和流化一次風(fēng)發(fā)出風(fēng)量指令。
總風(fēng)量調(diào)節(jié)接受鍋爐主控指令信號(hào)并經(jīng)風(fēng)煤交叉聯(lián)鎖回路向風(fēng)量主控器發(fā)出風(fēng)量指令信號(hào)，保證動(dòng)態(tài)時(shí)加負(fù)荷先加風(fēng)，減負(fù)荷先減煤。
1.2.3 燃料調(diào)節(jié)
影響母管壓力的主要因素是汽機(jī)調(diào)門(mén)的變化和燃料量的變化。采用P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt信號(hào)可以zui快地克服汽機(jī)調(diào)門(mén)的變化對(duì)鍋爐壓力的影響。
燃料對(duì)壓力的影響取決于兩點(diǎn)：燃料量的擾動(dòng)；燃料熱值的變化。
（1） 燃料量的擾動(dòng)
系統(tǒng)控制方案采用兩種控制策略克服燃料擾動(dòng)：①快速的燃料響應(yīng)回路。在循環(huán)爐中燃料采用直接測(cè)量的方式，可以快速消除由于燃料給料機(jī)工作不穩(wěn)定所引起的燃料側(cè)的擾動(dòng)。②系統(tǒng)采用多輸出控制回路。多輸出控制回路由多輸出控制器和設(shè)備的手動(dòng)操作器構(gòu)成。對(duì)于多執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，采用多輸出系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
·手自動(dòng)切換平衡、無(wú)擾動(dòng)；
·任一臺(tái)給料機(jī)切手動(dòng)、投自動(dòng)不影響燃料指令的變化；
·多輸出控制回路增益自動(dòng)修正；
·給料機(jī)指令根據(jù)運(yùn)行的給料機(jī)投自動(dòng)的臺(tái)數(shù)自動(dòng)修正，保證了回路控制增益一定。
各操作回路的偏置控制。在自動(dòng)工況下可以設(shè)置給料機(jī)指令的偏置改變各給料機(jī)的負(fù)荷分配而不影響燃料指令。
（2） 燃料熱值的變化
為了克服燃料熱值變化引起燃料的擾動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)燃料熱值自動(dòng)補(bǔ)償?shù)目刂苹芈贰Ｔ谧詣?dòng)補(bǔ)償回路中，采用霍尼韋爾公司的蒸汽流量與給水溫度對(duì)鍋爐燃料的函數(shù)曲線進(jìn)行修正，zui快地克服由于燃料變化對(duì)系統(tǒng)控制參數(shù)的影響。
方案里還設(shè)計(jì)了采用P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt作為鍋爐指令信號(hào)、P1+d（Pd/dt）作反饋信號(hào)的控制系統(tǒng)，其中pd為汽包壓力。分析如下：
（1） P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt代表了汽機(jī)用汽量對(duì)燃料的需求，而 P1+d（Pd/dt）不僅反映了燃料量的變化，而且反映了燃料質(zhì)——“熱值”的變化。
（2） 在燃料控制器入口：P1*Ps/PT+k*d（P1*Ps/PT）/dt=P1+d（Pd/dt）
穩(wěn)態(tài)時(shí)令d（P1*Ps/PT）/dt和dPd/dt為0，有：
P1*Ps/PT=P1
所以有關(guān)系PT=Ps，保證了主汽壓力。
1.2.4 一次風(fēng)量調(diào)節(jié)
由總風(fēng)量調(diào)節(jié)輸出的一次風(fēng)量指令經(jīng)床溫控制器的修正作為一次風(fēng)量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，調(diào)節(jié)器的輸出控制一次風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉，維持鍋爐所需的輸出控制一次風(fēng)量。一次風(fēng)主要用于流化爐膛中的床料。
1.2.5 二次風(fēng)量調(diào)節(jié)
鍋爐總風(fēng)量調(diào)節(jié)輸出的二次風(fēng)量指令經(jīng)氧量控制器和床溫控制器的修正作為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，調(diào)節(jié)器的輸出分兩路控制上部二次風(fēng)流量擋板和下部二次風(fēng)流量擋板。
1.2.6 二次風(fēng)壓調(diào)節(jié)
二次風(fēng)的調(diào)整是二段控制方式，以控制上部二次風(fēng)控制擋板和下部二次風(fēng)控制擋板保證二次風(fēng)流量，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉控制二次風(fēng)壓力。
1.2.7 氧量調(diào)節(jié)
氧氣量調(diào)節(jié)主要采用風(fēng)、煤比的靜態(tài)平衡關(guān)系加上氧量控制器的修正實(shí)現(xiàn)氧量調(diào)節(jié)。
在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)氧量不是一個(gè)定值調(diào)節(jié)，系統(tǒng)引入表征鍋爐負(fù)荷的蒸汽流量經(jīng)函數(shù)運(yùn)算并經(jīng)給定修正后作為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。調(diào)節(jié)器的輸出分兩路修正上部二次風(fēng)流量和下部二次風(fēng)流量的指令。
1.2.8 床溫調(diào)節(jié)
該控制系統(tǒng)的任務(wù)是將床溫控制在850℃～900℃，以保證流化床穩(wěn)定燃料，使石灰石與燃料中的硫充分發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到*脫硫效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思想是：床溫控制以靜態(tài)標(biāo)定的一、二次風(fēng)為基礎(chǔ)，床溫控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。控制器的輸出調(diào)整一、二次風(fēng)的配比。
1.2.9 一次風(fēng)暖風(fēng)器出口風(fēng)溫調(diào)節(jié)
該調(diào)節(jié)的目的是防止一次風(fēng)溫度低于露點(diǎn)而腐蝕空預(yù)器管道。通過(guò)改變進(jìn)入一次暖風(fēng)器輔助蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)一次風(fēng)暖風(fēng)器出口溫度。
1.2.10 二次風(fēng)暖風(fēng)器
該調(diào)節(jié)的目的是防止二次風(fēng)溫度低于露點(diǎn)而腐蝕空預(yù)器管道。通過(guò)改變進(jìn)入二次暖風(fēng)器輔助蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)二次風(fēng)暖風(fēng)器出口溫度。
1.2.11 煤/石油焦量調(diào)節(jié)
根據(jù)鍋爐主控系統(tǒng)燃料指令，調(diào)節(jié)煤/石油焦給料機(jī)給料速度，從而達(dá)到煤/石油焦量調(diào)節(jié)。
1.2.12 石灰石調(diào)節(jié)
CFB鍋爐的主要特點(diǎn)是爐床溫度控制在850℃～900℃時(shí)，向燃燒室加石灰石CaCO3，將煤中硫燃燒后生成的SO2與CaO反應(yīng)后生成硫酸鈣（CaSO4）隨灰渣排出爐外。該回路提供足夠的石灰石以維持SO2排放量低于環(huán)境所規(guī)定的要求。
與煤矸石相比，石油焦水分、灰分少，而發(fā)熱量較高，要保證床溫的可調(diào)性，石灰石的投入就更為關(guān)鍵。在該控制系統(tǒng)中，預(yù)先確定的鈣/硫比通過(guò)乘法器而得到石灰石與燃料的配比，在經(jīng)SO2量校正補(bǔ)償后，此信號(hào)作為石灰石調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)。調(diào)節(jié)石灰石旋轉(zhuǎn)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到石灰石給量調(diào)節(jié)。
二、結(jié) 語(yǔ)
金山石化熱電總廠循環(huán)流化床機(jī)組已于2002年2月底完成了鍋爐點(diǎn)火、機(jī)組沖轉(zhuǎn)和并網(wǎng)工作。根據(jù)其在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況看，DCS系統(tǒng)較好地完成了系統(tǒng)調(diào)試和投運(yùn)任務(wù)。