鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性優(yōu)化

張 宇

（寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川 750001）

寧夏棗泉電廠一期工程是寧東至浙江±800kV特高壓直流輸電線路電源項(xiàng)目之一，工程建設(shè)兩臺(tái)660MW超超臨界燃煤空冷發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置。鍋爐為北京巴布科克· 威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的660MW超超臨界參數(shù)直流爐，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，燃燒器布置在爐膛的前后墻。爐膛寬度為21962.7mm，深度為15935.7mm，鍋爐采用緊身封閉布置，鍋爐吹灰系統(tǒng)由戴蒙德電力機(jī)械（湖北）有限公司提供。

1 鍋爐吹灰系統(tǒng)

鍋爐吹灰系統(tǒng)旨在保持鍋爐受熱面管的外壁清潔，防止結(jié)渣結(jié)焦，保證各受熱面擁有良好的傳熱性能，降低排煙溫度，提高鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平[1]。鍋爐吹灰系統(tǒng)可以有效清除各受熱面的灰焦，這些灰焦如果沒有及時(shí)清理，當(dāng)其大量脫落時(shí)，很容易造成鍋爐跳閘甚至鍋爐爆炸等事故，因此所有燃煤電廠從鍋爐一開始投入運(yùn)行就需要定期對(duì)鍋爐各個(gè)受熱面進(jìn)行吹灰。棗泉電廠每臺(tái)機(jī)組分別設(shè)計(jì)了56臺(tái)爐膛吹灰器、46臺(tái)長伸縮吹灰器、22臺(tái)半伸縮吹灰器和4臺(tái)空預(yù)器吹灰器，每天進(jìn)行一輪吹灰。

棗泉電廠鍋爐吹灰器均為蒸汽吹灰器，分別為IR-2H型爐膛吹灰器、IK-530型長伸縮式吹灰器、IK-530EL型半伸縮吹灰器、IK-525DM3空預(yù)器吹灰器。吹灰汽源設(shè)計(jì)為鍋爐低過出口集箱蒸汽，MBCR參數(shù)為壓力29.52MPa，溫度494℃。在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行和燃燒不穩(wěn)定的時(shí)候，鍋爐不進(jìn)行吹灰。鍋爐吹灰順序從爐膛開始，順煙氣流動(dòng)的方向直至尾部，并對(duì)側(cè)進(jìn)行。

鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)由機(jī)組DCS實(shí)現(xiàn)。棗泉電廠DCS系 統(tǒng)（Distributed Control System 分 散 控制系統(tǒng)）采用艾默生Ovation控制系統(tǒng)，具有集中管理、分散控制的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代大型工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域[2]。棗泉電廠鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，第一部分是負(fù)責(zé)鍋爐吹灰器順序啟停的順序控制系統(tǒng)Sequence Control System（以下簡(jiǎn)稱為鍋爐吹灰順控），它可以按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序，對(duì)吹灰器的工作狀態(tài)自動(dòng)地進(jìn)行檢查、判斷和控制，主要完成鍋爐吹灰蒸汽母管隔離閥、鍋爐吹灰蒸汽母管疏水閥、鍋爐吹灰器的順序啟?？刂?。第二部分是負(fù)責(zé)鍋爐吹灰蒸汽壓力控制的模擬量控制系統(tǒng)MCS，它負(fù)責(zé)通過控制鍋爐吹灰蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐吹灰蒸汽壓力的閉環(huán)控制。

2 鍋爐吹灰系統(tǒng)存在的問題及原因分析

2.1 部分水平煙道吹灰器工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致吹灰器保護(hù)動(dòng)作

鍋爐吹灰順控下屬4個(gè)子順控：爐膛吹灰順控、水平煙道吹灰順控、尾部煙道吹灰順控和空預(yù)器吹灰順控。其中爐膛吹灰順控、水平煙道吹灰順控、尾部煙道吹灰順控均設(shè)計(jì)為對(duì)吹模式，即所有吹灰器分為兩兩一組，每組的2個(gè)吹灰器對(duì)稱布置，每組吹灰器的啟動(dòng)指令會(huì)同時(shí)啟動(dòng)這組的2臺(tái)吹灰器。以水平煙道吹灰順控為例：水平煙道吹灰順控第一步，會(huì)同時(shí)啟動(dòng)L1吹灰器和R1吹灰器；當(dāng)吹灰器接到啟動(dòng)指令，推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，吹灰槍開始前進(jìn)；當(dāng)吹灰槍到達(dá)設(shè)定位置，拉繩開關(guān)動(dòng)作，該吹灰器的氣源閥打開，吹灰槍開始吹灰；當(dāng)啟動(dòng)指令持續(xù)220s后，DCS發(fā)出吹灰器退指令，吹灰槍開始后退，后退至設(shè)定位置，拉繩開關(guān)動(dòng)作，該吹灰器的氣源閥關(guān)閉；當(dāng)吹灰槍退到位后，吹灰結(jié)束。

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)水平煙道吹灰順控自動(dòng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)中斷，尤其是L1、R1，L2、R2，L3、R3這3組吹灰器工作時(shí)，鍋爐吹灰蒸汽壓力波動(dòng)幅度大，很容易超過吹灰器保護(hù)設(shè)定值（H：4MPa，L：1.5MPa），觸發(fā)繼而導(dǎo)致吹灰順控中斷。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)L1吹灰器和R1吹灰器均為同一型號(hào)，拉繩開關(guān)位置也相同。而根據(jù)順控邏輯設(shè)計(jì)，L1吹灰器、R1吹灰器是同時(shí)啟動(dòng)的，因此L1吹灰器的汽源閥和R1吹灰器的汽源閥也會(huì)同時(shí)開啟、同時(shí)關(guān)閉，長伸縮吹灰器的用汽量又相對(duì)較大，這就很容易造成吹灰蒸汽壓力大幅擾動(dòng)。

2.2 鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制調(diào)節(jié)性能差

鍋爐吹灰蒸汽壓力由鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥控制，吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥采用PID閉環(huán)控制，壓力設(shè)定值STPT固定為3MPa，實(shí)測(cè)值PV由1個(gè)壓力變送器提供。通過對(duì)測(cè)量元件進(jìn)行系統(tǒng)校驗(yàn)，排除了測(cè)量回路誤差造成自動(dòng)控制效果差的原因；通過對(duì)鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量特性實(shí)驗(yàn)，排除了調(diào)節(jié)閥流量特性差導(dǎo)致自動(dòng)控制效果差的原因；通過對(duì)歷史曲線分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐吹灰蒸汽壓力和鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥指令的波動(dòng)幅度很大，鍋爐吹灰蒸汽壓力的波動(dòng)幅度有±0.5MPa以上，鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥指令經(jīng)常在0%～65%之間來回波動(dòng)。由于鍋爐吹灰系統(tǒng)的工作特性，每組吹灰器工作時(shí)開、關(guān)吹灰器汽源閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，而一組吹灰器工作完成后下一組又會(huì)繼續(xù)工作，繼續(xù)產(chǎn)生擾動(dòng)，那么鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制回路就需要增加抗擾動(dòng)能力。

2.3 爐膛吹灰器工作時(shí)對(duì)鍋爐火檢系統(tǒng)的影響

鍋爐火檢系統(tǒng)是鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS（Furnace Safety Supervision System） 的 重 要 組成部分，它的作用是對(duì)火焰進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)視，在鍋爐點(diǎn)火、低負(fù)荷運(yùn)行或有異常情況時(shí)防止鍋爐滅火和爐內(nèi)爆炸事故，確保鍋爐安全運(yùn)行[1]。目前，燃煤電廠廣泛使用的火檢系統(tǒng)均為探測(cè)火焰的全輻射光譜的光學(xué)傳感器技術(shù)。這種火焰系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括多燃料適應(yīng)性，火焰可以連續(xù)檢測(cè)，提供穩(wěn)定可靠的火焰品質(zhì)信息等。但一旦出現(xiàn)阻礙光傳導(dǎo)的工作環(huán)境，如鏡頭或觀火孔堵灰、結(jié)焦等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，火焰系統(tǒng)容易發(fā)生誤報(bào)。

在鍋爐快速降負(fù)荷過程中有時(shí)會(huì)導(dǎo)致爐膛大量掉焦，由于目前大部分電廠會(huì)采用濕式刮板撈渣機(jī)，掉下的焦塊會(huì)濺起大量水汽。如果此時(shí)爐膛吹灰器正在工作，會(huì)加大水汽擴(kuò)散量，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐火檢系統(tǒng)異常動(dòng)作，觸發(fā)鍋爐主燃料跳閘MFT（Main Fuel Trip）。因此，只能進(jìn)行對(duì)吹的爐膛吹灰順控并不能滿足所有運(yùn)行工況，需要根據(jù)鍋爐燃燒及掉焦情況合理分配吹灰器工作數(shù)量[3]。

2.4 鍋爐吹灰對(duì)鍋爐爐膛壓力的影響

鍋爐爐膛壓力保護(hù)同樣是鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS的重要組成部分，鍋爐爐膛壓力是否穩(wěn)定直接關(guān)系到鍋爐能否安全運(yùn)行。鍋爐爐膛壓力過高或過低時(shí)都會(huì)造成鍋爐形變，甚至造成鍋爐爆炸事故。通常燃煤電廠鍋爐爐膛負(fù)壓控制在-100Pa左右，當(dāng)爐膛負(fù)壓低于-1.75kPa或高于1.5kPa時(shí)，將觸發(fā)鍋爐主燃料跳閘MFT[4]。

鍋爐蒸汽吹灰是用2.5MPa～3.5MPa的蒸汽對(duì)鍋爐各受熱面進(jìn)行吹掃，這本身就對(duì)鍋爐爐膛壓力有一定程度的影響。而鍋爐吹灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是為了清除受熱面上積存的灰、渣、焦等，這些焦、渣脫落時(shí)對(duì)爐膛負(fù)壓的影響更大[5]。例如水平煙道吹灰器工作時(shí)，有可能導(dǎo)致過熱器與在熱器受熱面上的焦塊脫落；爐膛吹灰器工作時(shí)，有可能導(dǎo)致水冷壁上的焦塊大量脫落。當(dāng)大量脫落的焦塊掉入濕式刮板撈渣機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量水汽，這些水汽對(duì)鍋爐爐膛壓力的擾動(dòng)非常大，近幾年來因?yàn)殄仩t掉渣引起爐膛壓力波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事件時(shí)有發(fā)生。因此，鍋爐吹灰控制系統(tǒng)應(yīng)該引入爐膛壓力對(duì)鍋爐吹灰的閉鎖，在鍋爐爐膛壓力不好的工況下停止鍋爐吹灰[6]。

3 鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.1 鍋爐吹灰順控優(yōu)化

針對(duì)吹灰器對(duì)吹模式對(duì)吹灰蒸汽壓力擾動(dòng)大的問題，采用了將同組的兩個(gè)鍋爐吹灰器開、關(guān)汽源閥的時(shí)間錯(cuò)開的方法，降低擾動(dòng)的幅度。通過對(duì)歷史曲線的分析，發(fā)現(xiàn)水平煙道的前3組長吹的對(duì)吹工作時(shí)擾動(dòng)很大，每次順控大多都會(huì)在這里失敗，跳過前3組后順控運(yùn)行相對(duì)正常。因此，對(duì)水平煙道的前3步順控進(jìn)行修改，以L1、R1這對(duì)長吹為例：原順控邏輯為水平煙道吹灰順控第一步指令將同時(shí)啟動(dòng)L1吹灰器和R1吹灰器，L1吹灰器、R1吹灰器工作完成后，水平煙道吹灰順控第一步完成；現(xiàn)修改為水平煙道吹灰順控第一步指令先啟動(dòng)L1吹灰器工作，L1吹灰器工作完成后再啟動(dòng)R1吹灰器工作，R1吹灰器工作完成后，水平煙道吹灰順控第一步完成。如圖1，鍋爐吹灰順控優(yōu)化后，對(duì)比順控優(yōu)化前的壓力曲線，實(shí)際壓力偏離壓力設(shè)定值的比例從原來的126%下降到了113%，有效降低了吹灰器開、關(guān)汽源閥時(shí)對(duì)吹灰蒸汽壓力的擾動(dòng)幅度。

圖1 鍋爐吹灰順控修改前后吹灰蒸汽壓力對(duì)比曲線Fig.1 Comparison curve of soot blowing steam pressure before and after modification of boiler soot blowing sequence control

3.2 鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制回路增加實(shí)際微分環(huán)節(jié)

鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)主要來自吹灰器開、關(guān)汽源閥時(shí)的壓力波動(dòng)，而吹灰器開、關(guān)汽源閥的時(shí)間又嚴(yán)格遵守鍋爐吹灰順控邏輯，也就是說這個(gè)擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間和擾動(dòng)量是固定且可預(yù)測(cè)的。那么根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以在鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加微分環(huán)節(jié)，讓控制系統(tǒng)的輸出提早修正，以優(yōu)化控制系統(tǒng)的超調(diào)量[7]。同時(shí)，由于微分作用對(duì)高頻信號(hào)很敏感，容易在控制系統(tǒng)內(nèi)引入高頻干擾，所以選擇具有一階慣性環(huán)節(jié)的實(shí)際微分環(huán)節(jié)[8]，如圖2。一階慣性環(huán)節(jié)具有低通濾波的功能，有較強(qiáng)的抗高頻干擾能力。

圖2 鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制回路增加實(shí)際微分環(huán)節(jié)Fig.2 The actual differential link is added to the automatic control loop of boiler soot blowing steam pressure

增加實(shí)際微分環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)鍋爐吹灰蒸汽壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)中的PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低了比例作用以減少控制系統(tǒng)的震蕩，增強(qiáng)了積分作用以更好的消除靜差[9]。鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化后，鍋爐吹灰蒸汽壓力的波動(dòng)幅度降低至±0.2MPa以下，鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥指令通常維持在35%～50%之間，鍋爐吹灰蒸汽壓力超出吹灰器保護(hù)設(shè)定值的現(xiàn)象不再出現(xiàn)，鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性有很大提升。

3.3 增加爐膛吹灰器單吹順控

為削弱爐膛吹灰器對(duì)吹對(duì)燃燒系統(tǒng)、火檢系統(tǒng)的影響，鍋爐增加爐膛吹灰器單吹順控邏輯，以A層為例（B、C、D層順序與A層一致），具體順序?yàn)椋篈1-A7-A2-A8-A3-A9-A4-A10-A13-A5-A11-A6-A12-A14。 吹灰器布置情況為從爐膛右墻左端至右端為A1-A2-A3，從爐膛后墻左端至右端為A4-A5-A6-A7，從爐膛左墻左端至右端為A8-A9-A10，從爐膛前墻左端至右端為A11-A12-A13-A14。同時(shí)，運(yùn)行規(guī)程規(guī)定機(jī)組負(fù)荷在300MW～400MW之間，爐膛吹灰必須手動(dòng)單支進(jìn)行，運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組負(fù)荷及鍋爐結(jié)焦情況手動(dòng)選擇單吹或?qū)Υ捣绞?。A、B層爐膛吹灰每日進(jìn)行一次，C、D層爐膛吹灰每2日進(jìn)行一次。機(jī)組全天負(fù)荷低于400MW時(shí)，爐膛吹灰分2個(gè)班進(jìn)行[10]，以A層為例：白班進(jìn)行奇數(shù)吹灰器吹灰，具體順序?yàn)锳1-A3-A5-A7-A9-A11-A13；中班進(jìn)行偶數(shù)吹灰器吹灰，具體順序?yàn)锳2-A4-A6-A8-A10-A12-A14；長吹L1至L8、R1至R8進(jìn)行手動(dòng)單吹。

3.4 增加鍋爐爐膛壓力超限時(shí)的爐膛吹灰器保護(hù)

鍋爐吹灰對(duì)鍋爐爐膛壓力的影響較大，可能導(dǎo)致鍋爐爐膛壓力波動(dòng)。為防止鍋爐吹灰過程中鍋爐爐膛壓力異常，在吹灰器保護(hù)中增加鍋爐爐膛壓力超限保護(hù)。鍋爐爐膛壓力測(cè)點(diǎn)有4個(gè)模擬量變送器，任意一個(gè)鍋爐爐膛壓力測(cè)點(diǎn)高于500Pa或低于-800Pa將觸發(fā)吹灰器保護(hù)，強(qiáng)制退出所有吹灰器并禁止吹灰器啟動(dòng)運(yùn)行。這樣設(shè)計(jì)可以從一定程度上緩解鍋爐吹灰對(duì)鍋爐爐膛壓力的影響，避免鍋爐爐膛壓力本身就在波動(dòng)時(shí)，鍋爐吹灰器工作加劇鍋爐爐膛壓力波動(dòng)而導(dǎo)致鍋爐MFT。

4 結(jié)語

隨著近年燃煤價(jià)格上漲，燃煤電廠用煤普遍呈現(xiàn)出低熱值高灰渣的現(xiàn)象，這也使避免鍋爐結(jié)焦結(jié)渣影響鍋爐效率和安全運(yùn)行的討論日益增多，而可靠的鍋爐吹灰系統(tǒng)就是防止鍋爐結(jié)焦結(jié)渣的有效依靠。在DCS系統(tǒng)普遍運(yùn)用的今天，鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性又是保證鍋爐吹灰系統(tǒng)正常工作的最重要的一部分，只有提高鍋爐吹灰自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，加強(qiáng)運(yùn)行人員操作規(guī)范培訓(xùn)，才能保證鍋爐吹灰系統(tǒng)正確運(yùn)行，提高鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。