热电厂锅炉改造及综合自动控制研究

摘 要:对某热电厂的锅炉、汽轮机、发电机进行了节能、安全、降低劳动强度,加强综合自动化控制的改进，取得了一致的效果和经验。

关键词:热电厂 自动控制 锅炉 汽轮机

中图分类号:TK229文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0070-02

为了更好地根据用电负荷的需求变化,及时准确地对某热电厂的锅炉、汽轮机、发电机进行监控调节和控制,同时也为了节约用煤,降低成本,经过可行性研究,将一台燃煤锅炉改造成纯烧高炉煤气锅炉,回收在生产过程中大量放散的高炉煤气。另外,为了保证安全生产,降低劳动强度,在一台锅炉主体改造的同时,对控制系统也进行改造。热电厂综合自动化控制系统是一个复杂、多变量、滞后的系统,锅炉、汽轮机、发电机控制对象的动态特性对负荷控制系统的设计十分重要,根据锅炉、汽轮机、发电机的动态特性,比较各种控制方案的优缺点,对锅炉汽水系统和燃烧系统控制回路进行设计,研究了热电厂综合自动化控制系统的设计思想。

1 热电厂主要设备

热电厂主要设备包括:发电机、汽轮机、鼓风机、锅炉及制粉设备、除盐水设备等。

其中锅炉设备所使用的燃料种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同,锅炉有各种各样的流程。

工业锅炉效率较低,主要是因为燃烧损失大、漏风多、排烟温度高。为了提高锅炉的热效率,首先要组织好燃料,使送风量适度,维持适当的炉膛空气过剩系数a,并使空气和燃料有良好的混合条件,确保充分燃烧;其次炉膛的受热面要适当再次炉膛要有一定的容积和高度。本章主要叙述了4#锅炉与控制系统关系密切装置的改造情况。

2 锅炉自动控制的任务

锅炉控制主要是满足锅炉的经济型燃烧、保证设备的安全运行、快速适应负荷的变化等要求。锅炉自动控制的具体任务有:

2.1 锅炉汽包水位的监视、控制、报警与保护

汽包水位是锅炉运行的主要指标,维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件,这是因为水位过高会影响汽包内汽水分离效果,使汽包出口的饱和蒸汽带水过多,蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击,引起轴封破损,叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高,降低过热蒸汽品质,增加在过热器管壁的结垢,影响运行的安全性与经济性。相反,水位过低容易会使汽包内的水全部汽化,导致水冷壁烧坏,甚至引起爆炸。

2.2 汽包压力的监测、控制、报警与保护

维持蒸汽母管压力不变,这是燃烧过程自动控制的第一项任务。如果蒸汽压力变了,就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量不相适应,因此,必须改变燃料量,以改变锅炉的燃烧发热量,从而改变锅炉的蒸发量,恢复蒸汽母管压力为额定值。

2.3 送风量的监测、控制

维护锅炉燃烧过程的最佳状态和经济性是锅炉燃烧过程自动控制的第二项任务。而燃烧的经济性指标难于直接测量,常用锅炉烟气中的含氧量,或者燃料量与送风量的比值来表示。

2.4 炉膛负压的监测、控制

炉膛负压的变化,反映了引风量与送风量的不相适应。如果炉膛负压太小,炉膛容易向外喷火,既影响环境卫生,又可能危及操作人员与设备的安全。负压太大,炉膛漏风量增大,增加烟气带走的热量损失和引风机的电耗。

3 控制系统的功能

3.1 监测显示系统

监测显示系统的功能是对锅炉主要运行参数的实时监测,对重要参数进行超限报警。

3.2 回路控制系统

自动控制系统包括汽包水位控制、燃烧控制、过热蒸汽温度控制等。

(1)汽包水位控制:控制采用三冲量控制,即以汽包水位、蒸汽流量和给水流量作为控制系统的输入信号,系统的输出为给水阀控制信号,从而控制汽包水位高度。2)燃烧控制:燃烧控制实现对燃料量、送风量、炉膛负压的控制。送风量和炉膛负压的控制分别以送风量和炉膛负压反馈作为控制系统的输入信号,并根据输入信号的偏差控制送风流量和引风流量。

3.3 报警及保护系统

(1)报警系统。报警系统对重要参数进行超限报警。锅炉的报警参数有:汽包水位、汽包压力、炉膛负压、排烟温度等。(2)保护系统。保护系统主要是在被控参数超高(低)限时,使自动控制系统保证锅炉设备的安全。保护系统的功能由计算机系统和保护装置共同实现,当参数超高(低)限时,计算机系统显示引起保护动作的参数,产生保护切换指令和声响指令。

4 自动系统设计的原则和思想

设计电厂自动控制系统是一件复杂的工作,涉及到自动控制理论、计算机技术、检测技术及仪表、通信技术、电气等。其中理论设计工作包括建立被控对象的数学模型;确定控制系统的性能指标,寻求满足该性能指标函数的控制策略;选择适的软件平台及语言;进行硬件设计,并对硬件提出具体要求等。还包括提出整个计算机控制系统的技术经济指标;进行系统的体系结构、相应的计算机网络和数据通信设计;建立相关数据库等。

4.1 系统设计的原则

(1)安全可靠:工业控制计算机与一般的科学计算或管理的计算机虽然本质上没有什么不同,但由于生产现场的恶劣环境、周围的各种干扰和不能间断进行的控制任务,对工业控制计算机在可靠性与安全性上的要求大大高于一般的计算机。首先,选用高性能的工业控制计算机。其次是设计可靠的控制方案,及各种安全保护措施。

(2)操作维护方便:操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握。尽量采用图示与中文操作提示，对重要参数要设置一些保护性措施。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。另外配置诊断程序，查找故障。

(3)实时性强:工业控制机的实时性,表现在对内部和外部事件能及时地响应,并在规定的时限内做出相应的处理。

(4)通用性好:系统设计时应考虑能适应各种不同控制对象,并采用积木式结构,按照控制要求灵活构成系统。工业控制机的通用灵活性体现在两方面,一是硬件模块设计采用标准总线结构,配置各种通用的功能模板,以便在扩充功能时,只需增加功能模板就能实现;二是软件模块或控制算法采用标准模块结构,用户使用时不需要二次开发,只需按要求选择各种功能模块,灵活地进行控制系统组态。

(5)经济效率高:计算机控制应该带来高的经济效益,系统设计时要考虑性能价格比。下面以燃烧系统的自动控制为例说明。

4.2 燃烧过程自动控制的任务

燃烧过程自动控制的基本任务,是使燃料燃烧所产生的热量,适应蒸汽负荷的需要,同时还要保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行。具体控制任务可概括为三个方面。

(1)维持汽压恒定:汽压的恒定标志着燃料燃烧释放的热量与蒸汽带走的热量相适应,当外界负荷改变时,必须相应地改变送入炉膛的燃料量,才能维持汽压恒定。

(2)保证燃烧过程的经济性:燃料量改变时,必须相应地控制送风量,使进入炉膛的空气量与燃料量相适合,维持最佳的过剩空气系数,保证燃烧过程有较高的经济性。

3)维持炉膛负压不变:一般锅炉都是维持负压燃烧。如果炉膛负压稳定,可保证安全和经济运行。

为了完成这三项,有三个可供调节的手段:燃料量,送风量和引风量。

4.3 燃料过程的自动控制

锅炉根据采用的燃料不同,通常分为燃煤、燃油和燃气三种。下面分别介绍其控制方案和过程。

4.3.1 采用“燃料-空气”比值的燃烧过程自动控制

“燃料-空气”控制系统较为简单,可用标准的液压式或电气机械式调节装置来实现调节任务,对于内扰少,燃料品种变化不大的锅炉来说,具有较好的调节效果。但存在较大缺点,即燃料调节器以给燃料调节机构的位置作为反馈信号,虽然能够对燃料调节过程有效的稳定作用,但不能消除燃料内部的扰动,只有等到这个扰动影响到汽包蒸汽出口压力时,才能使燃料调节器动作。另外,燃料与空气的比例关系也不好保证。

4.3.2 采用热量信号的燃烧过程自动控制

这种方法就是采用一种间接测量炉膛燃烧发热量的方法来表示固体燃料的消耗量。蒸汽流量D与汽包压力变化速度通过加法器组合起来成为热量信号,送入燃料调节器。当发生燃料内扰时,汽包压力立即随之变化,其变化速度是一个导前的和加强作用的信号,使燃料调节器及时调整转速,改变给燃料量,迅速克服燃料内扰,使汽包蒸汽压力稳定,同时送风量调节器随之动作,使燃料量与送风量相匹配。当负荷蒸汽量变化时,主调节器接受蒸汽压力信号P,输入燃料调节器,及时调节燃料量以适应负荷的变化。同时燃料调节器将负荷变化的信号输入风量调节器,保持适当的比值。

4.3.3 燃烧过程的烟气氧含量控制

锅炉的热效率(经济燃烧)主要反映在烟气成分(特别是氧含量)和烟气温度两个方面。烟气中各种成分如02、CO2、CO和未燃烧烃的含量基本上可以反映燃烧的情况,最简便的方法是用烟气中氧含量AO来表示。根据燃烧反映方程式,可计算出使燃料完全燃烧时所需的氧量,从而可得出所需的空气量,称为理论空气量QT。

但是,实际上完全燃烧所需的空气量QP,要超过理论计算的量,即要有一定的过剩空气量,由于烟气的热损失占锅炉热损失的绝大部分,当过剩空气量增多时,一方面使炉膛温度降低,另一方面也是最重要的是使烟气热损失增加。因此,过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值,即所谓最经济燃烧。对于燃气锅炉,在燃气中保持2%的氧或10%的过剩空气是最合适的。

4)送引风控制系统 送引风控制系统的被控参数是炉膛负压,调节机构是送风机和引风机,调节量是送风量和引风量。送风量的控制是根据燃料决定送风机送风量的给定值。

5 结论

根据上述煤质成分和热值,以及原锅炉改造之前的热效率(89%)和发生100t/h蒸汽式锅炉的吸热量(3.35×108kJ/h)计算,该锅炉改造后,每年可节约用煤(B)为:176450吨。

按原锅炉原有的文丘里水膜除尘的除尘效率(96.8%)和脱硫效率(15%～20%),锅炉改造后,每年可避免向大气排放烟尘和二氧化硫总量为别为:1667.5吨和1806吨。

由于是由于纯烧高炉煤气,避免了燃煤所需要的除尘和冲渣等工序,从而节约了这些工序所用水量,该锅炉的改造,既提高了高炉煤气的回收利用率,又进一步减排污染物,降低了污染物的排放总量。同时,避免了由于燃煤而产生的大量CO2、NOx等污染物的排放,也避免了由于制粉系统的磨煤机等设备产生的噪音,废水、废渣排放对环境的污染。

参考文献

[1]李之光,范柏樟.工业锅炉手册.天津科学技术出版社.1988.

[2]张亮明,夏桂娟.工业锅炉热工检测与过程控制.天津大学出版社.1992.

[3]陈骏林.计算机在火电厂中的应用.中国电力出版社.1995.

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