淺談循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)的儀表選型設(shè)計(jì)

謝騰騰

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101)

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淺談循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)的儀表選型設(shè)計(jì)

謝騰騰

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)流化床的自動(dòng)控制要求，結(jié)合熱工專業(yè)提出的鍋爐測(cè)點(diǎn)位置及要求，完成了鍋爐自控總體及現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型、設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了循環(huán)流化床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。在滿足測(cè)量要求前提下，優(yōu)化了壓力變送器安裝方式，降低了投資成本，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝且便于運(yùn)行維護(hù)。鍋爐自控系統(tǒng)投產(chǎn)后實(shí)際運(yùn)行效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表

循環(huán)流化床CFB(circulating fluidized-bed)鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、環(huán)保性能優(yōu)異、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展[1]。隨著CFB鍋爐系統(tǒng)的不斷發(fā)展，在滿足安全、經(jīng)濟(jì)的條件下，CFB鍋爐的自動(dòng)化水平要求也不斷提高，而正確選擇CFB鍋爐自動(dòng)化儀表類型對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制非常必要[2]。

1自控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

根據(jù)某40t/h CFB鍋爐廠家提供的鍋爐設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)及熱工專業(yè)要求，將鍋爐系統(tǒng)分為鍋爐煙氣系統(tǒng)、鍋爐燃料系統(tǒng)、鍋爐燃料主蒸汽系統(tǒng)、鍋爐給水系統(tǒng)、給水除氧系統(tǒng)、疏水循環(huán)水脫鹽水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)。在工程應(yīng)用中通常是多臺(tái)鍋爐聯(lián)合使用，筆者以2臺(tái)CFB鍋爐為例，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，見表1所列[3]。

從安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、流量測(cè)點(diǎn)、物位測(cè)點(diǎn)、分析測(cè)點(diǎn)、氣動(dòng)閥進(jìn)行儀表選型設(shè)計(jì)[4]。CFB鍋爐的工藝過程比較復(fù)雜，測(cè)量點(diǎn)和控制回路較多，因而自控系統(tǒng)采用DCS[5]，系統(tǒng)配置如圖1所示。

表1　2臺(tái)CFB鍋爐系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)　個(gè)

圖1　系統(tǒng)配置示意

根據(jù)遠(yuǎn)傳測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)及電氣信號(hào)進(jìn)DCS點(diǎn)個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)出控制回路為210個(gè)。根據(jù)控制回路規(guī)模，按照HG/T 20573—2012《分散型控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，得出CFB鍋爐控制系統(tǒng)規(guī)模： 4臺(tái)操作員站、1個(gè)I/O機(jī)柜、2個(gè)擴(kuò)展機(jī)柜、1臺(tái)工程師站、3臺(tái)打印機(jī)、1個(gè)網(wǎng)橋[7]。其中，操作員站與工程師站及打印機(jī)位于操作室內(nèi)，機(jī)柜及網(wǎng)橋位于鍋爐機(jī)柜室，機(jī)柜室配套有UPS柜。儀表用電電量為15kV·A，雙路供電，1路為220V，1路為380V。

2儀表選型設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)儀表選型按照HG/T 20507—2014《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，均采用目前主流DDZ-Ⅲ儀表。以下介紹CFB鍋爐系統(tǒng)儀表選型及安裝設(shè)計(jì)。

2.1溫度儀表選型及安裝

在溫度儀表選型過程中，400℃以下時(shí)選用熱電阻，400℃以上選用熱電偶[7]。因鍋爐爐膛內(nèi)工況為高溫、高流速、高灰濃度區(qū)，此工況下熱電偶磨損情況較為嚴(yán)重且更換較為頻繁，如果選型不合理或者插入深度設(shè)計(jì)不合理，將產(chǎn)生高昂的維護(hù)成本甚至對(duì)操作人員造成人身傷害。

該設(shè)計(jì)中，此工況下采用裝配式法蘭安裝高溫耐磨型熱電偶，熱電偶材質(zhì)采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鎳鉻-鎳硅材質(zhì)，熱電偶套管采用310S材質(zhì)，以保證較長(zhǎng)的使用壽命。鍋筒表面溫度測(cè)量采用貼片式溫度傳感器，貼片式探頭直徑D=8mm，貼片厚度為12mm，其他遠(yuǎn)傳溫度儀表均采用鎧裝(帶套管)固定外螺紋安裝方式。

熱電偶的插入深度設(shè)計(jì)，影響測(cè)量精度、使用壽命。因鍋爐本體不同部位爐壁及保護(hù)層(保護(hù)板、保溫磚、耐火材料等)厚度不同，溫度儀表的插入深度根據(jù)鍋爐保護(hù)層厚度及工況確定。以爐膛為例： 爐壁厚度為60mm，輕質(zhì)保溫材料厚度為80mm，保護(hù)板厚度為80mm，保護(hù)套管伸出外部240mm。為準(zhǔn)確測(cè)量溫度，同時(shí)提高溫度儀表的使用壽命，大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明伸入爐壁內(nèi)部100mm最為合適，因而最后溫度計(jì)插入深度為560mm。插入深度設(shè)計(jì)完成后，請(qǐng)鍋爐廠家確認(rèn)，方可請(qǐng)購。

其他溫度儀表選擇時(shí)，在遵守文獻(xiàn)[8]規(guī)范的基礎(chǔ)上，均按照上述步驟進(jìn)行選取。

2.2壓力儀表選型及安裝

鍋爐流化床、爐膛、分離器進(jìn)口壓力測(cè)點(diǎn)，壓力儀表選型過程中需要考慮到高溫、高流速、強(qiáng)烈顆粒返混的工況，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠原則，儀表選用引壓管引壓、單晶硅諧振式壓力變送器。在安裝過程中應(yīng)該進(jìn)行防堵及除塵處理。目前，針對(duì)該工況進(jìn)行防堵處理的常用方案有兩種： 第一種安裝方式參照HG/T 21581—2012《自控安裝圖冊(cè)》[9]中，HK03-R031帶除塵器的壓力表安裝圖，但是該安裝圖現(xiàn)場(chǎng)安裝較復(fù)雜，泄漏點(diǎn)較多，維護(hù)較為復(fù)雜。第二種安裝方式是增加吹氣防堵裝置，該安裝方式在一定程度上能夠防堵，但是投入成本及運(yùn)營(yíng)成本較高，氣源難取，操作復(fù)雜。在鍋爐開車時(shí)，往往吹氣防堵裝置成為擺設(shè)。

結(jié)合上述兩種安裝方式，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的安裝方式如圖2所示。該方式較第一種安裝方式，減少了沉降除塵器及連接件，方便了安裝施工及運(yùn)行操作；較第二種安裝方式，降低了投入及運(yùn)行成本，方便了操作。因增加了根部導(dǎo)壓管的長(zhǎng)度及內(nèi)徑，運(yùn)行維護(hù)時(shí)定期打開根部導(dǎo)壓管螺母定期吹掃即可，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果俱佳。

圖2　優(yōu)化后壓力變送器除塵防堵安裝示意

鍋爐本體流向穩(wěn)定其他壓力測(cè)點(diǎn)，根據(jù)鍋爐內(nèi)部運(yùn)行工況判斷，安裝方式均可參照文獻(xiàn)[9]中相應(yīng)安裝圖。

2.3流量?jī)x表選型及安裝

CFB鍋爐一次風(fēng)及二次風(fēng)測(cè)量的過程中，因大部分鍋爐廠家配備的直風(fēng)道管線不會(huì)太長(zhǎng)，一般長(zhǎng)度不大于2倍直徑；風(fēng)速流動(dòng)大，風(fēng)管震動(dòng)較為劇烈；風(fēng)灰灰塵顆粒較多。因此，該設(shè)計(jì)在選擇流量計(jì)時(shí)，采用插入式抗震漩渦流量計(jì)，抗震強(qiáng)度為2g(震動(dòng)頻率2～110Hz)，能滿足工藝的測(cè)量要求。

CFB鍋爐出口蒸汽流量測(cè)量時(shí)，考慮到高溫、高壓、高流速工況，流量計(jì)采用分體焊接式平衡流量計(jì)。平衡式流量計(jì)較標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，測(cè)量精度更高，壓力損失更小，壓力回復(fù)更快，要求直管段更短。分體式流量計(jì)的適當(dāng)長(zhǎng)度導(dǎo)壓管能充分冷卻高溫高壓蒸汽，在不影響測(cè)量精度情況下確保運(yùn)行時(shí)維護(hù)人員的人身安全。工藝過程連接采用焊接式，是為防止高溫高壓蒸汽泄漏，運(yùn)行時(shí)確保維護(hù)人員生命安全。

2.4物位和分析儀表選型及安裝

鍋爐汽包及聯(lián)排液位測(cè)點(diǎn)，因汽包操作溫度為253℃，聯(lián)排操作溫度為170℃，因而在液位測(cè)量時(shí)，需要配置單室平衡容器。

過熱器出口及鍋爐出口含氧量測(cè)量，采用直插式氧化鋯氧量分析儀器，插入深度選擇根據(jù)爐壁及保護(hù)層厚度得出插入深度為700mm，并帶有防塵過濾措施。

3結(jié)束語

以新型高效、低污染清潔燃煤系統(tǒng)CFB鍋爐作為特定的控制對(duì)象出發(fā)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)、測(cè)點(diǎn)分布及業(yè)主要求完成CFB自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；結(jié)合其高溫、高煙速和高灰等工況特點(diǎn)，在滿足基本性能條件下，根據(jù)安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，完成現(xiàn)場(chǎng)儀表選型及安裝圖設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器安裝圖的優(yōu)化是基于文獻(xiàn)[9]中標(biāo)準(zhǔn)安裝圖，結(jié)合多個(gè)CFB鍋爐項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出來的。通過現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，該設(shè)計(jì)減少投資成本、簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝且便于運(yùn)行維護(hù)。任何儀表安裝方案的設(shè)計(jì)均需因地制宜，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際情況，盡可能保證經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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作者簡(jiǎn)介：謝騰騰(1988—)，男，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與通信工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司電氣自控室，從事自控設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)02-0071-02

稿件收到日期： 2015-10-29，修改稿收到日期： 2016-01-15。