大型循环流化床（CFB）锅炉仪表与控制系统.doc

中电联科技服务协作网 当前位置：首页 论文频道 正文 大型循环流化床（CFB）锅炉仪表与控制系统 作者：郑慧莉编辑：jhm发布时间：2007-01-05 浏览次数：15 查看字体： 中 小 大 特大 文章摘要： 摘要：采用300MW级的大型循环流化床（CFB）锅炉是我国未来电站建设的发展方向之一。本文结合我国通过技贸结合方式引进的法国ALSTOM公司鲁奇（Lurgi）炉型技术及其在建的四川白马1300MWCFB示范电站项目对大型CFB锅炉的仪表与控制系统设计进行了探讨。文章首先对大型CFB锅炉检测仪表的特殊要求和对CFB锅炉需增设的检测仪表进行了研究，认为CFB锅炉应设置汽包水位工业电视和烟气连续监测系统， 带点火装置的燃烧器应装设火焰检测装置，认为CFB锅炉不宜设置炉膛火焰工业电视和炉管泄漏检测装置。文章又对CFB锅炉的控制方式和自动化水平进行了论述，并分别讨论了CFB锅炉的热工调节设计、热工联锁和热工保护设计。关键词：循环流化床（CFB） 仪表 控制 0 引言 循环流化床（CFB）锅炉的燃烧技术是煤洁净燃烧发电的核心技术之一。CFB电站具有环保性能好、煤种适应性广、综合利用性能好、优越的调峰经济性和负荷调节范围大等显著特点，是符合国家环保政策、产业政策和市场需求的电站新技术。目前我国已掌握了135MW CFB电站的制造和设计技术，已建和正在建设同等容量的项目已有100多台机组。 300MW 级CFB锅炉电站技术是我国“十五”国家重大技术装备研制项目，该项目由原国家经贸委立项，在国家体制改革之后，变更为由国家发展和改革委员会高技术产业司负责。经过研究论证和比选，国家最终决定采用技贸结合的方式对300MW鲁奇型CFB锅炉系统设计与制造采用技术引进和消化吸收的方式最终形成自主设计制造能力，尽快实现产业化、商品化，从而缩短开发周期，为实现我国大型CFB技术创新提供高起点，推动我国发电设备技术进步和优化火电结构。目前大型CFB已成为国内电站建设的热门话题。 中国电力工程顾问集团公司承担了对法国ALSTOM鲁奇炉型锅炉岛系统设计技术引进和吸收消化工作，并在此基础上能够实现CFB锅炉系统的自主设计，成为国内唯一一家（包括下属七个子公司）拥有法国ALSTOM公司200350MW CFB电站系统设计技术转让产权，并且具备独立设计和审查大型CFB电站能力的企业。 鲁奇型CFB锅炉是国际上三大主流CFB技术之一，ALSTOM公司也是国际上两大生产大型CFB锅炉的厂家之一。200MW?350MW等级的CFB锅炉在国内、外的应用实践较少。法国普罗旺斯250MW CFB电站是世界首台该炉型电站并已成功投运近十年，我国四川白马工程是法国ALSTOM公司在全世界范围内的第一台300MW级CFB锅炉电站，该项目已于2006年4月15日顺利通过168小时试运转。继四川白马1300MW CFB锅炉示范电站项目之后，第一台由中国电力工程顾问集团公司华北电力设计院自主设计的河北秦皇岛（2300MW）CFB电站目前施工图设计已经完成，第一台机组已于2006年5月底通过锅炉酸洗实验，预计于2006年10月底完成机组168小时试运转。 目前，我国正在进行内蒙古蒙西电厂、云南巡检司电厂、云南小龙潭电厂、国电黄桷庄二期（异地建设）电厂、淮北临涣矸石电厂、徐矿坑口电厂、福建龙岩坑口电厂、山西国际电力平朔电厂等等一批大型CFB工程的建设工作，电厂的设计煤种都是劣质烟煤、矸石、煤泥等低热值煤种，完全符合国家关于建设节约型社会的国策。CFB电厂具有良好的煤种适应性和高效的劣质燃料燃烧技术，能实现中温燃烧，氮氧化物的排放量远远低于常规煤粉炉，同时在燃烧过程中可实现直接脱硫，因此大型循环流化床电站在国内有着很大的应用前景。我们应对法国ALSTOM公司设计的仪表与控制系统方案进行不断完善和优化，逐步形成自主设计能力是势在必行的。 CFB机组与常规煤粉炉机组相比，从控制策略和仪表检测两个方面都有很大的不同之处，鉴于大型CFB技术转让的知识产权要求，以下仅就CFB机组仪表与控制系统的主要设计原则进行讨论。 1. 大型CFB锅炉仪表设计的特殊性 目前，国外大型CFB锅炉主要有两大流派。一是以德国的Lurgi Lentjies Babcock(LLB)、法国的Stein 和ABB?CE等公司为代表的鲁奇（Lurgi）派；二是以美国的Foster Wheeler(FW)、芬兰的Alstrom（后者于1995年被前者所兼并）等公司为代表的FW Pyropower派。 大型CFB锅炉的炉型主要有三种：德国Lurgi公司的Lurgi型、原芬兰Alstrom公司（现为美国Foster Wheeler公司）的Pyroflow型和德国Babcock公司研制的Circofluid型。本文主要针对我国引进的法国ALSTOM的Lurgi型炉型锅炉进行研究。 CFB锅炉仪表与控制的设计范围至少包括：锅炉汽包、蒸发受热面及其联箱、省煤器、空预器、过热器、再热器、减温器、旋风分离器、密封槽、锅炉布风板及喷嘴、锅炉点火系统、吹灰系统及助燃油系统、炉底灰冷却器、外置床、锥形阀等锅炉本体设备；锅炉汽水系统；一次风系统、二次风系统；密封风系统；高压流化风系统；锅炉烟气系统；锅炉灰系统；石灰石破碎以及输送系统；输煤设备及系统；除灰渣设备及系统等。 众所周知，国内300MW亚临界、600MW亚临界/超临界常规煤粉炉的仪表控制系统设计与选型都已非常成熟，而300MW级的CFB锅炉与常规煤粉炉相比，在仪表设计与选型方面具有一定的特殊性和难点。仪表与控制设计人员应根据CFB锅炉本体的结构特点、工艺系统设计要求和锅炉运行方式等要求进行检测仪表的设计与选型。在设计与选择CFB锅炉的检测元件及仪表时，应注意选用技术先进、质量可靠、有成熟应用业绩的设备和元器件。CFB锅炉的过程测量仪表除满足常规要求外，应具有以下几方面的特殊性： 11 仪表的防堵与耐磨设计 根据CFB锅炉的工艺流程和所测量介质的要求决定了其一次检测元件及仪表的选型必须考虑防堵和耐磨。例如用于炉膛、床料循环系统、石灰石、热风或烟道的压力、差压等测量仪表应采取有效的防堵措施，必要时应加装吹扫装置，其气源可来自于电厂内仪表用压缩空气。 CFB床温测量信号是床温控制的重要参数，要求在CFB锅炉炉膛燃烧室内密相区分层布置多支热电偶，并将多个测量值进行综合运算后得出床温信号，床温热电偶应选用稳定性好、反应灵敏、耐磨、维护工作量小的检测元件。 12 需增设的工艺检测仪表 与常规煤粉炉相比，热工检测除了应增加CFB锅炉床温和床压的测量外，还应增加流化风压力流量和温度的检测、石灰石料仓料位及给料量的检测、旋风分离器温度和压力的检测、冷渣器温度压力和冷却水流量的检测、风量的检测、密封回料器温度和压力的检测以及用于炉膛燃烧和脱硫控制等的检测仪表。 CFB锅炉系统的风量测量仪表是CFB重要检测仪表之一，它包括一次风、二次风和流化风的母管和支管风量测量。白马1300MW CFB示范电站风量测量仪表近40支，选用的是插入式测量装置，满量程测量精度可以达到1%。目前阿牛巴、威力巴以及德国的易它巴（ITAB）测量仪表的测量原理基本相同且都能满足CFB锅炉风量测量要求，具体工程实施时应通过招标方式择优选择。 13 设置汽包水位工业电视和烟气连续监测系统(CEMS) 汽包水位是CFB锅炉启动和运行的重要监视参数之一，应设置汽包双侧水位工业电视摄像探头，并单独设置彩色监视器布置在机组集中控制室内便于运行人员监视。 为达到良好的脱硫和脱硝效果，满足环保要求，CFB锅炉炉膛燃烧室温度应控制在850C?900C实现中温稳定燃烧。根据法国ALSTOM公司有关资料介绍，在钙/硫比为1.5时脱硫效率能达到90%，脱硝后NOX的排放量能达到100?300ppm，由此可见完全能满足我国火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2003）的要求。CFB锅炉机组所设置的烟气连续监测系统(CEMS)，测量项目包括NOX，SO2，CO及DUST等，其中SO2信号通过硬接线接入机组分散控制系统（DCS）的模拟量调节系统控制石灰石给料量从而控制脱硫效率，其余测量结果可通过通讯方式接入分散控制系统，在单元控制室指示及记录，同时烟气连续监测系统的信号接口还应能满足当地环保检测站的要求。 14 不宜装设炉膛火焰监视工业电视系统 CFB锅炉炉膛物料的燃烧是高速流化状态的，其燃烧与常规煤粉炉燃烧方式有着很大的本质区别，所观察到的炉膛火焰并不明显，因此一般建议不设置炉膛火焰监视工业电视系统。 15 不宜装设炉管泄漏检测装置 CFB锅炉炉膛燃烧的噪音相对比较大，目前国内在PC炉上设置的炉管泄漏检测装置大多数是采用声波导入的原理，目前根据法国ALSTOM公司设计师的经验和目前135MW CFB运行经验，我们建议不设置CFB锅炉炉管泄漏检测装置。 16 带点火装置的燃烧器应装设火焰检测装置 由于炉膛结构和运行方式的不同，决定了CFB锅炉燃烧器与PC炉燃烧器存在着很大的区别。CFB锅炉的风道燃烧器和床上燃烧器应装设火焰检测装置，床枪不设火焰检测装置。随CFB锅炉本体成套提供的风道燃烧器设备应包括油枪、点火枪、伸进和退出装置、高能点火器、就地点火控制箱等现场仪表设备。CFB火焰检测装置的数量比PC炉火检数量要少，火检冷却风也无需设置专门的冷却风机。 17系统设计方与锅炉本体制造商的接口原则 由于国内几大锅炉厂早期分别引进过100MW级CFB不同的炉型和技术流派，国内建设投运的中小型CFB电厂已呈现百花齐放的状况。而本次ALSTOM公司300MW级CFB鲁奇炉型的制造与系统设计技术转让期限为十五年，且属于中国市场独家转让，在国家发展和改革委员会统一领导下，于2003年底至2004年期间，由东方、上海、哈尔滨三大锅炉制造集团和中国电力工程顾问集团公司共同承担300WM CFB锅炉制造与系统技术引进和消化吸收工作。 为规范今后设计院与锅炉制造厂商的接口工作，建议设计院和制造厂之间的设计界面在依据国内电力市场惯例划分的基础上，按照锅炉系统设计的一次检测元件和仪表、控制系统应由设计院设计方案，由业主招标采购的原则进行。但CFB锅炉本体制造商应提供监控和性能试验所必需的压力、差压、液位测点开孔并提供相应一次仪表阀门、门前脉冲管、必需的空气过滤减压阀等附件。 原则上建议CFB锅炉制造商仅成套提供就地显示仪表包括：弹簧管压力表、双金属温度计、就地风量指示仪、汽包双色水位计、PCV就地控制装置、空预器间隙调整控制装置(如有)、空预器着火监测报警装置等。 2 大型CFB锅炉的控制方式和控制水平 CFB锅炉系统自动控制的设计应包括一次检测元件及仪表的配置、控制系统的配置与功能、主辅设备的可控性、控制室布置及运行管理模式等各方面。控制系统的设计原则应遵照“安全可靠、先进适用、符合国情”的原则。 21控制方式 CFB锅炉机组的控制设计水平应不低于相同容量常规煤粉炉机组的监控水平，应采用CFB锅炉、汽轮机、发电机?变压器组组成的单元集中控制方式，根据不同工程的实际建设规模和电厂运行管理模式要求可采用1台机组设1个集中控制室、2台机组合设1个集中控制室或多台机组合设1个集中控制室的布置方案，在集中控制室内实现单元机组的炉、机、电全能值班和辅助车间系统全能值班运行管理模式。 22控制系统 采用DCS作为机组的核心控制系统，以操作员站LCD/CRT和键盘等人机界面作为监视和控制中心，实现CFB锅炉机组的炉、机、电统一集中监控，满足机组冷态、温态、热态、极热态启动方式、正常运行工况（带基本负荷或调峰）、事故处理工况、安全停机以及具备快速减负荷（RUN BACK）的需要。 CFB锅炉机组DCS对工艺系统实现集中监控，完成数据采集和处理（DAS）功能、模拟量控制（MCS）功能、顺序控制（SCS）功能以及炉膛安全监控（FSSS）功能。 CFB锅炉机组DCS的设计原则采用功能和物理分散的总体原则，控制网络按分级、分组结构配置，即在垂直方向分层或分级，水平方向分组。DCS重要的控制器、通信网络、重要的I/O通道、操作员站应采用冗余设计方案以满足系统安全可靠运行的需要。 23 控制系统的后备手操设置 CFB锅炉采用DCS对其工艺系统实现集中监控后，尚需设置必要的后备手操。所谓后备手操是指独立于DCS软手操之外的后备硬接线操作手段。 当DCS发生全局性或重大故障时，如：DCS电源丧失、通信网络故障、全部操作员站失去功能、重要的控制器失去控制和保护功能等，为确保CFB锅炉紧急安全停炉，并结合锅炉运行的实际特点，建议设置下列后备手操： 锅炉紧急跳闸 锅炉安全门打开 汽包事故放水门打开 锅炉汽包紧急补水泵启动 有关机组DCS其它后备硬手操的设置应参照火力发电厂设计技术规程（DL5000-2000）相关规定进行设计。 3 大型CFB锅炉的热工调节设计 热工调节包括单冲量和多冲量的调节，CFB锅炉模拟量调节是由DCS来实现的，其模拟量调节应能满足机、炉协调控制的要求，参与电网一、二次调频和调峰。 CFB锅炉控制系统的设计要求对风煤比、配风比等回路进行控制实现CFB锅炉稳定、经济的中温燃烧并使机组运行满足环保脱硫、脱硝的要求，在控制策略上CFB锅炉与常规煤粉炉有很大的不同，例如：锅炉主控、协调控制、给煤控制、总风量控制、二次风压力控制、二次风流量控制、二次风温度控制、一次风压力控制、一次风流量控制、一次风温度控制、流化风压力控制、流化风流量控制、床枪压力控制、炉膛压力控制、一级喷水温度控制、二级喷水温度控制、再热蒸汽温度调节、炉膛温度调节、炉膛差压调节、给水调节、空预器冷端温度调节、旁路控制等等均有不同的控制策略和调节回路。鉴于大型CFB技术转让的知识产权要求和文章篇幅限制，在此不做详细论述。 4 大型CFB锅炉的热工联锁设计 CFB锅炉的热工联锁功能应能满足机组启动、停机、正常运行及异常工况下的控制要求，CFB锅炉辅机至少包括的联锁项目有：CFB的风机、空预器、除尘器以及引风机在启停及事故跳闸时的顺序联锁；CFB的风机、空预器、除尘器之间的跳闸顺序及与烟、风道中有关阀门、挡板的启闭联锁；燃料系统投入与切除以及与风道燃烧器、床上燃烧器和床枪之间的启停顺序及联锁；石灰石制备、输送系统中各设备启停顺序以及与阀门、挡板之间的联锁；煤燃料制备、输送系统中各设备启停顺序以及与阀门、挡板之间的联锁；渣循环系统相关的冷渣器、密封回料器设备之间以及相应的烟、风道中有关阀门、挡板之间的启停顺序及联锁等。 5 大型CFB锅炉的热工保护设计 CFB锅炉炉膛安全保护系统(FSSS)在分散控制系统中实现，它包括以下主要功能： 锅炉吹扫； 风进入炉膛的允许条件； 燃料进入炉膛的允许条件； 主燃料跳闸； 锅炉跳闸。 鉴于大型CFB技术转让的知识产权要求和文章篇幅限制，在此不做详细论述。 6 结束语 以上主要针对法国ALSTOM公司转让的鲁奇（Lurgi）炉型技术就大型CFB锅炉仪表与控制系统的主要设计原则进行了探讨与研究，并就大型CFB锅炉的仪