660MW超超臨界循環(huán)流化床鍋爐儀控設(shè)備選型研究

駱長勇

[摘? ? 要]針對超超臨界循環(huán)流化床鍋爐儀表選型的問題，在明確循環(huán)流化床鍋爐特點的基礎(chǔ)上，對壓力測量儀表、溫度測量儀表、儀控電纜、煙氣分析儀等設(shè)備在選型中的難點進(jìn)行了分析，并根據(jù)同類型機組工程經(jīng)驗給出了選型建議。

[關(guān)鍵詞]循環(huán)流化床鍋爐;超超臨界;儀表選型;現(xiàn)場總線

[中圖分類號]TM621.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–0–03

Research on the Selection of Instrument and Control System Equipments

for 660 MW Ultra Supercritical Fluidized Bed Boiler

Luo Chang-yong

[Abstract]Aiming at the difficulties in selecting instrument and control （I&C） system equipments in Ultra supercritical circulating fluidized bed boiler （CFB） unit，type selection of pressure measuring instrument，temperature measuring instrument，instrument control cable and flue gas analyzer are analized based on the characteristics of CFB boiler in this article，and type selection recommendation is gaven based on the engineering experience of the same type CFB units the author participated in.

[Keywords]CFB boiler; ultra supercritical; I&C equipments selection;fieldbus

循環(huán)流化床作為節(jié)能環(huán)保低碳的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，近30a來在我國得到快速發(fā)展和應(yīng)用。國家能源集團(tuán)國神公司是全球循環(huán)流化床機組裝機容量最大的企業(yè)，擁有中溫中壓、高溫高壓、超高壓、亞臨界、超臨界各類型的循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品和技術(shù)。公司聯(lián)合裝備企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)，匯聚各類技術(shù)專家，著眼于不同循環(huán)流化床機組在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保運行水平的差異，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，推動循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)向大型化、高參數(shù)、高負(fù)荷調(diào)節(jié)比、深度調(diào)峰和智能智慧方向邁進(jìn)。充分發(fā)揮技術(shù)研究院作用，進(jìn)一步挖掘循環(huán)流化床機組在經(jīng)濟(jì)性、灰渣綜合利用、環(huán)保升級改造、深度節(jié)能等方面的潛能。

文章結(jié)合示范工程660 MW高效超超臨界汽輪發(fā)電機組配套的燃煤CFB鍋爐。工程采用高效超超臨界參數(shù)直流爐、循環(huán)流化床燃燒方式，一次中間再熱、單爐膛、帶外置床、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、設(shè)置緊急補水系統(tǒng)、采用帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)、燃煤鍋爐、半露天布置，運轉(zhuǎn)層以下封閉，運轉(zhuǎn)層以上敞開，爐頂設(shè)輕型屋蓋，全鋼架結(jié)構(gòu)，同步設(shè)置爐內(nèi)煙氣SNCR脫硝。

1 超超臨界CFB鍋爐儀表選型特殊點

超超臨界CFB鍋爐運行時，床料在燃燒室內(nèi)呈流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒，未燃盡的床料通過旋風(fēng)分離器分離后再次送入燃燒室內(nèi)進(jìn)行二次燃燒。與普通的煤粉爐相比，CFB鍋爐的燃燒方式更為復(fù)雜。因此，超超臨界CFB鍋爐儀控設(shè)備的選型應(yīng)結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)特性及運行維護(hù)的經(jīng)驗開展。儀控設(shè)備選型設(shè)計主要應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行考慮。

1.1 儀表的防堵及防磨損設(shè)計

CFB鍋爐儀表的磨損主要發(fā)生在鍋爐內(nèi)固體濃度較高、流速較快的區(qū)域，包括燃燒室下部、旋風(fēng)分離器、返料裝置等區(qū)域。在此類區(qū)域附近設(shè)置的儀表長期受到固體離子的沖刷，在正常運行中其磨損程度均遠(yuǎn)高于其他區(qū)域的儀表。因此，在循環(huán)流化床鍋爐煙氣側(cè)測量儀表的設(shè)置和選型方面需要進(jìn)行特殊考慮和設(shè)計，既要保證測量準(zhǔn)確還要保證儀表本身的防磨損。

由于CFB鍋爐為正壓鍋爐，正常運行中壓力測點取樣管內(nèi)容易積累粉塵使得取樣管堵塞;因此，對于爐膛、煙道、返料裝置等部位設(shè)置的壓力及差壓測點需要設(shè)置相應(yīng)的防堵措施及定期吹掃裝置。

1.2 需增加設(shè)置的測點

CFB鍋爐與常規(guī)燃煤機組相比，循環(huán)燃燒的特性使得運行時需要對高壓流化風(fēng)參數(shù)、旋風(fēng)分離器參數(shù)以及返料裝置參數(shù)進(jìn)行測量，用于對爐膛燃燒狀況進(jìn)行控制。

同時，CFB鍋爐的脫硫反應(yīng)是在爐內(nèi)進(jìn)行的，通過在爐內(nèi)加入石灰石的方式進(jìn)行脫硫，在加入石灰石時需要精確控制其加入量以確保脫硫效果的同時降低運行成本。因此，要對石灰石料倉料位及給料量進(jìn)行檢測。

1.3 不宜設(shè)置爐膛火焰電視

CFB鍋爐內(nèi)燃料是呈高速流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒的，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐有很明顯的區(qū)別，難以直接觀察到爐膛的燃燒情況，因此CFB鍋爐一般不設(shè)置火焰電視系統(tǒng)。

1.4 不宜設(shè)置爐管泄漏探測裝置

CFB鍋爐在運行過程中其噪聲較大，會嚴(yán)重干擾到爐管泄漏探測裝置的工作，使其難以判斷鍋爐爆管情況，因此不建議設(shè)置爐管泄漏探測裝置。

由以上工藝系統(tǒng)介紹可知，超超臨界循環(huán)流化床機組鍋爐汽水以及汽機側(cè)儀控設(shè)備的選型設(shè)計同超超臨界煤粉鍋爐區(qū)別不大，其特殊性主要體現(xiàn)在鍋爐本體以及常規(guī)煤粉鍋爐所沒有的相關(guān)系統(tǒng)上，其中又以床溫和床壓的控制為關(guān)鍵點。

提高床溫有利于煤中揮發(fā)物的析出，縮短燃盡時間，但床溫同時會受到灰熔點和最佳脫硫溫度的限制。因此，為了兼顧燃燒效率和脫硫效率，床溫一般控制在870～920 ℃。而床壓的高低不僅影響物料流化，也會造成鍋爐的結(jié)渣，正常運行時床壓應(yīng)控制在7～8 kPa。對過程參數(shù)準(zhǔn)確的檢測是控制的先決條件，傳統(tǒng)的儀表選型方案往往只注重儀表的精度，測量范圍等參數(shù)，沒有考慮到CFB鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部條件，導(dǎo)致儀表的使用壽命較短，文章根據(jù)超超臨界CFB鍋爐結(jié)構(gòu)和工藝系統(tǒng)的特點對儀表的選型進(jìn)行了針對性分析。

2 就地典型儀表選型原則

2.1 壓力測量裝置

就地壓力指示一般選用彈簧管壓力表，有腐蝕或易堵介質(zhì)壓力測量選用膜片隔離式壓力表。壓力表精度為±1.5 %。

壓力遠(yuǎn)傳選用壓力變送器，測量壓差或微壓力選用差壓變送器，精度為±0.075 %。

在機組運行中，若爐膛壓力測點發(fā)生堵塞現(xiàn)象，會造成測點顯示不準(zhǔn)確、廠用電量增加的情況，嚴(yán)重時還會造成床料流化不良而使鍋爐結(jié)焦等不安全事件。

為了防止取樣管路堵塞，一般采取的方法是增加防堵取樣裝置，定期使用壓縮空氣對儀表管路進(jìn)行吹掃，這種安裝的方式基本可以防止堵塞。

2.2 溫度儀表選型原則

溫度儀表選型原則包括以下幾個方面：①就地溫度指示選用萬向型抽芯式雙金屬溫度計。②溫度測量元件選用雙支型鎧裝熱電阻/熱電偶。③熱電阻選用Pt100、雙支三線制。④不采用電接點儀表用于報警、聯(lián)鎖、控制。

2.3 流量/液位儀表選型原則

流量、液位儀表選型原則包括以下幾方面：①流量測量元件優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置（長徑噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和孔板）。特殊情況下，或用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置不合適的場合，可選用插入式流量計等。②標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置采用國際標(biāo)準(zhǔn)計算、制造和驗收。根據(jù)管道情況，合理選擇節(jié)流裝置的前后直管段。③就地液位指示選用磁翻板液位計。④液位儀表測量優(yōu)先選用差壓式液位儀表，在特殊場合選用超聲波、導(dǎo)波雷達(dá)液位計。⑤連續(xù)料位測量可選用超聲波料位計、雷達(dá)料位計、無源核子料位計。

3 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用原則

鑒于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）、給水泵汽機電液控制系統(tǒng)（MEH）、給水泵汽機緊急跳閘系統(tǒng)（METS）對機組安全運行至關(guān)重要，回路處理速度要求高，建議采用成熟的常規(guī)控制系統(tǒng)。

旁路控制系統(tǒng)采用常規(guī)控制方案。機組SOE點要求有1 ms的分辨率，建議仍采用硬接線方式接入常規(guī)DI卡或?qū)Ｓ肧OE卡。

用于影響機組安全運行的主機和主要輔機的保護(hù)不納入總線控制，用于聯(lián)鎖保護(hù)的氣動開關(guān)閥、電磁閥不納入現(xiàn)場總線。由于主廠房內(nèi)電磁閥控制的二位式氣動閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進(jìn)行控制不太合適，應(yīng)采用常規(guī)I/O方式接入DCS。

用于重要保護(hù)連鎖的開關(guān)量儀表，如壓力/差壓、液位、溫度等過程開關(guān)不納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

電動執(zhí)行機構(gòu)均考慮采用具有現(xiàn)場總線接口的設(shè)備，重要回路的電動執(zhí)行機構(gòu)采用冗余接口或常規(guī)硬接線方式。

調(diào)節(jié)型氣動執(zhí)行機構(gòu)，用于非重要回路的設(shè)備采用總線型式，用于重要回路的設(shè)備采用常規(guī)硬接線方式。

變送器均采用現(xiàn)場總線型智能變送器，重要系統(tǒng)的變送器，采用常規(guī)硬接線方式。

380 V電動機及電氣開關(guān)柜控制納入現(xiàn)場總線，重要對象（保安段）采用冗余接口。

在離主廠房較遠(yuǎn)或現(xiàn)場監(jiān)測點比較集中的區(qū)域，如在爐頂壁溫區(qū)域、發(fā)電機本體溫度區(qū)域等溫度監(jiān)視密集區(qū)可采用遠(yuǎn)程I/O或智能前端接入DCS系統(tǒng)。

4 電纜橋架和電纜設(shè)計選型原則

主廠房及一般輔助車間儀控用電纜橋架全部采用鍍鋅鋼橋架。

主廠房控制電纜、計算機電纜、補償電纜采用阻燃型，高溫環(huán)境下敷設(shè)的電纜采用耐高溫電纜。

超超臨界CFB鍋爐電纜的選型原則與常規(guī)燃煤機組基本一致，應(yīng)注意的是耐高溫電纜的應(yīng)用范圍有所變化，文章對CFB鍋爐機組中耐高溫電纜的選取范圍進(jìn)行了分析總結(jié)，耐高溫電纜用于爐膛吹灰器、火檢探頭、床上/床下燃燒器點火柜、床下點火風(fēng)道執(zhí)行機構(gòu)、二次風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu)、疏水罐液位開關(guān)、管道層設(shè)備（如抽汽逆止閥、抽汽電動門、抽汽溫度、抽汽管壁溫）、汽機本體及接線盒等。

對于電纜的具體型號、截面積以及芯數(shù)，需要根據(jù)不同的工程進(jìn)行實際選型。

不同電壓等級的儀表控制電纜分開設(shè)置在不同層的電纜橋架中，或同層在電纜橋架中設(shè)置分隔板，同一根多芯電纜所傳輸?shù)男盘枮橥愋盘?。儀表控制電纜橋架主通道架空敷設(shè)。從就地控制柜和接線盒到就地儀表的電纜穿管敷設(shè)。

電纜通道按SDJ26—1989《發(fā)電廠、變電所電纜選擇與敷設(shè)設(shè)計規(guī)程》規(guī)定設(shè)置電纜著火阻燃措施：對易遭受外部著火影響的架空敷設(shè)電纜，采取防護(hù)措施。如涂刷防火涂料，采用耐火隔板及槽盒等，減少電纜著火率。對電纜著火后易造成延燃的區(qū)段，采取分段隔離措施，盡可能縮小事故范圍，減少損失。如電纜隧道通往豎井處設(shè)防火門，用耐火材料封堵;電纜豎井，電纜貫穿樓板、墻孔及車間配電屏的電纜孔洞均用耐火隔板與軟性耐火材料嚴(yán)密封堵;廠區(qū)電纜溝進(jìn)入建筑物入口處設(shè)阻火隔墻等。

5 煙氣分析儀表配置

CEMS即煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在線測量二氧化硫濃度、氮氧化物濃度、顆粒物濃度、含氧量等氣體參數(shù)。CEMS系統(tǒng)包括：采樣探頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位分析系統(tǒng)等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并留有與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的數(shù)據(jù)傳輸接口。監(jiān)測項目包括SO2、煙塵、NOx等，附帶測量參數(shù)包括煙氣溫度、流量、壓力、含濕量、氧量等。

脫硫煙氣連續(xù)分析系統(tǒng)可采用稀釋法取樣分析或抽取法，滿足超低排放要求。脫硫出入口煙塵測量禁止采用激光對穿法測量，原煙氣煙塵測量可采用光散射法測量，凈煙氣煙塵測量可采用抽取加熱式或光散射加震蕩天平法測量。脫硫、脫硝CEMS系統(tǒng)必須滿足國家環(huán)保局和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及電網(wǎng)公司的要求。

煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)除參與脫硫、脫硝過程的控制外，還將保證在脫硫、脫硝系統(tǒng)運行或停運時均能分別對鍋爐的煙氣排放進(jìn)行實時在線監(jiān)測。

6 結(jié)論

超超臨界CFB鍋爐是目前電力行業(yè)研究的重點，由于其本體結(jié)構(gòu)、工藝系統(tǒng)配置與常規(guī)燃煤鍋爐相比較為復(fù)雜，因此儀表選型是工程中的難點。文章根據(jù)該類型鍋爐的實際結(jié)構(gòu)、工藝系統(tǒng)特點，并結(jié)合同類型機組工程實施的成功經(jīng)驗，總結(jié)出了該類型鍋爐儀表選型、電纜選型等設(shè)計特點和原則，為超超臨界循環(huán)流化床機組儀控設(shè)備投入率、運行可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面提供合理、可靠的儀控設(shè)備。

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