白马电厂300MW循环流化床锅炉热控系统评述

1  白马300MW CFB锅炉热控系统结构
    白马300 MW CFB 锅炉采用的是 ABB 公司的SYMPHONY DCS控制系统，分为 MCS(模拟量控制系统)、SCS(B/T)(锅炉、汽机顺序控制系统)、SCS(G/A)(发变组一厂用电顺序控制系统)、DAS(数据采集系统)、FSSS(燃烧管理及炉膛安全监控系统)等。整个系统采用VDK/KB方式，设置大屏幕监视器，无任何后备仪表盘；就地辅助系统采用小型PLC顺序控制器(如给煤机顺控、吹灰程控)。热控测量元件主要用于测量压力、温度、风量、S0₂浓度、0₂浓度。压力和风量测量选用ABB公司的变送器，为一次检测设备，风量测量另配威尼巴流量装置；温度测量主要采用耐高温、耐磨不锈钢热电偶；S0₂、0₂、NO_x浓度测量选用德国SIEMENS和日本FUJI测量设备；就地执行机构选用ABB系列气动系统(除疏水有少量电动执行器)。
2  热控系统安装设计特点
2.1 测量设计
2.1.1 温度测量
    本项目温度设计有2个优点：(l)测点定位较好，既考虑了测量的准确性，又考虑了安装维护的方便。如汽包上下温差测量一改以前的贴壁焊接式，采用螺纹护套插入面接触式；炉膛、外置床、返料器及点火风道均采用法兰式侧面安装，并尽可能靠近建筑平台，无障碍物。(2)设计点位少，全面监测，重点突出。整个锅炉本体温度监测点(包括汽包、炉膛、外置床、返料器、点火风道、后竖井过热器、底冷器)不到200个。
    温度设计缺点也有2个：(l)点火风道温度设计选型及典型设计安装方式存在问题。首先，点火风道的作用是将轻油燃烧后的热量加热炉膛底部的床料，点火风道末段温度正常情况为 800~900℃[1-6]，而点火风道温度计测量的正好是这里的温度，因此应选用带耐高温(1200℃ 以上)、大直径(φ≥32mm)、厚壁≥δ4mm)、刚性好的不锈钢保护套管热电偶；其次，选型不宜太长，点火风道温度计长度L为1600mm，自重大，受热后变形弯曲成直角，造成元件损坏，也无法抽出更换，宜选用L不大于800mm的温度计，插入风道500mm即可准确测量。(2) 锅炉后竖井屏吊杆温度测点引出线的典型设计安装方式不妥。屏吊杆温度测量的目的是监测锅炉承重刚性吊杆是否因不锈钢保护套损坏，烟尘颗粒直接冲刷磨损导致断裂危险的发生[7-15]。该温度计是不锈钢K分度恺装热电偶，引出线长度不小于15m。温度计装在吊杆不锈钢保护套内，引出线在保护套顶端由不锈钢保护管转弯穿出锅炉顶棚经锁紧装置引至接线盒。正常工况时，竖井温度在800 ℃ 以上，不锈钢保护套因烟气冲刷，受热变形下沉，易拉裂温度计。目前，温度计已损坏2 次，均因刚性材料发生变形，更换非常困难。1个吊杆上下2个测点，更换一只往往损坏另一只，因此必须2只同时更换。建议在吊杆不锈钢保护套内直接用 1 根不锈钢保护管将温度计垂直穿出锅炉顶棚，顶端加盖保温材料并用封头封住，防止热量外传和烟尘泄露；温度计引出线处于自由状态，这样不会因膨胀、冲刷等损坏温度计，即使更换也非常方便。
2.1.2 压力测量
    压力测量采用就地就近控制箱布置方式，变送器安装在控制箱内，布置合理，节省管路材料，减少压降损失，保证测量精度。尤其是锅炉汽包水位取样仪表管敷设长度不到10m ，取样管比其他常规煤粉锅炉汽包水位仪表管管径大50%，这就提高了汽包水位测量准确度，减少了时滞。压力测量系统缺点有2个：(1)仪表保护箱内接头太多，给正常运行、维护带来了极大的不便。接头太多容易泄漏，且汽水系统未设计排污门，无法正常排污，从变送器上排污容易造成设备损坏，建议以后增加排污门。(2)许多压力设计是水平取样，然后倒直角弯垂直向上，尤其是烟风系统，容易造成积灰堵塞，从而影响到压力测量的准确性，这在运行中已多次出现。建议改进取样管倾斜角度，使之与取样平面成45“仰角，这样取样管积灰会因自重而掉下。
2 2.1.3 风量测量
    CFB锅炉需要40多个风量监测点。测风装置的典型一次元件是威尼巴，典型安装方式沿风道中心线垂直贯穿。因威尼巴是靠正负压侧差压来计算流量的，而正负压侧开孔很小，尤其是风道竖直安装，而威尼巴必须与之垂直，且正侧必须迎着风向，因此极易造成堵灰，无法测量，设计有风量防堵监测装置，实际上无法使用。原因是吹扫风直接进入取样管路，影响测量精度，再则吹扫压力低，根本无法将灰清除。
    建议采用减压后的仪用气源定时吹扫，在吹扫的时间间隔内停止采样，以免采集错误信息，这在 DCS 系统中是容易做到的。另在威尼巴的末端不宜垂直连接，应有一定倾斜，以免造成堵灰死角。
2.1.4 其他测量
    其他测量包括振动测量、物位测量、S0₂浓度测量等，其设计安装方式与传统锅炉没有多大差别，测量也比较准确。
2.2 DCS 系统接线及电缆设计
2.2.1 DCS接线
    DCS接线采用中间转接端子柜，所有就地电缆(除热电偶补偿导线)均接到中间端子柜。中间端子柜再通过64×l×0.5mm²的控制电缆连接到DCS模件。在中间端子柜里用跳线将就地来的控制与连盘电缆连接起来。这种设计的好处是各自独立施工，互不影响，电缆排列整洁，接线正确率高，工艺良好。由于工作的独立性，提前敷设了DCS至就地电缆，以及DCS与中间端子柜间电缆，这为DCS带电及调试争取了时间。缺点是跳线连盘电缆多，接口点太多(大约有18000 根线，36000个接口点)，出现故障的可能性较大。
2.2.2 锅炉电缆设计及施工
    锅炉岛本体的电缆和以往的工程有所不同，它是由DCS敷设至就地接线盒或就地小型控制箱，再由接线盒或控制箱敷设至就地设备。这种方式有一定的优越性，首先 DCS 的电缆排线整齐、均匀有序(均为12×2×0.75mm²的控制电缆)，采用预定的颜色顺序后，接线就相对简单，不宜出错，接线人员可以通过颜色的排列进行自检，为调试查线打下良好基础。其次，减少长电缆的敷设根数，这样大大减少了电缆经费和节约电缆敷设时间，同时由于电缆均匀，这使得电缆敷设整齐、美观。这种方式也存在不足，由于增加了中间端子箱，往往会导致就地接线盒增加错误接线，这就要求施工人员在工作中必须责任到位，提高接线正确率。
2.3 热控其他部分安装设计
2.3.1 电缆桥架的设计安装
    白马300MW CFB 锅炉采用的是铝合金桥架。受锅炉纵横交错的设备及配套装置不协调影响，供货方法国ALSTOM 公司设计深度不够，锅炉电缆桥架通道弯道众多，许多电缆桥架通道的走向、标高、大小容量与现场实际需要不符合，导致施工非常困难。尤其是许多特殊件设计没有考虑，现场又无法制作，使得加工成本极高。特别是未考虑电气高压动力电缆的走向，影响外观工艺和外观质量，只有靠技术员现场想办法解决。笔者认真查阅热工、电气及机务相关的图纸资料，事前确定其转弯和升降标高尺寸，并计算其弯度和弯角，设计出弯头并成批量定制。对于不能事前确定的特殊角，采用现场建造模型，精确计算，细心制作，制造出工艺水平高的弯头，保证了电缆桥架的整体协调美观。
2.3.2 热控给煤机系统设计
    热控给煤机采用美国STOCK给煤机，该给煤机在电厂使用比较成功，但仍存在3个问题：(l)给煤机入口电动门电机、热继电器容量设计过小，无法进行正常操作；(2)因落煤口垂直管道太短，落煤没有缓冲段，加上堵煤开关设计位置不太合理，且没设计吹扫风，极易造成堵煤误发；(3)堵煤开关应设计有保持延时动作的功能，这样能避免因异物短暂冲击而造成的误发。除入口电动门须更换外，其余已成功改进。
2.3.3 风道点火器系统的设计
    本台CFB锅炉是靠风道点火器先点火，加热床温，等到床温升到500℃后直接投床上油枪，无须再打火。该设计从理念上来说是比较先进的，但整个风道点火器系统设备安装的设计却不够理想，具体如下：
    (1)安装角度设计。点火枪、油枪、火检探头均倾斜朝上，尾部向下布置，这种设计是不科学的。点火风道内是正压运行，积灰容易掉进点火枪、油枪、火检探头前面的管口里，造成堵塞。试运时经常检测不到火焰就是因为粉尘进入火检探头保护管内，挡住火检探头对火焰光源的探测。点火枪也经常烧坏，其原因就是部分积灰进入点火枪打火头内侧，而油枪又安装在点火枪的正上部位，部分余油掉进点火枪孔内，造成点火枪内绝缘不好，点火时在枪管内部打火而烧坏点火枪。
    (2)清扫空气设计。火焰检测直接影响锅炉 FSSS 系统的正常动作。一旦检测不到火焰， FSSS 系统就认为没有正常燃烧，而事实上经常是燃烧正常却没有检测到火焰，引起误动。因为吹扫空气是从探头前部引入的，若探头积灰则无法吹掉。因此，空气应从探头尾部引入，避免探头处成死角。
    建议点火枪、油枪、火检探头等点火设备安装应头下尾上，成10°左右倾斜角度安装。火检探头的冷却风管经封闭后，吹扫空气从尾部引入。
2.3.4 石灰石系统热控设计
    CFB锅炉燃烧过程中，须添加石灰石，进行炉内脱硫。石灰石系统设计分2级独立碎石控制，设备质量好，但测量系统测点设计定位较差，受系统运行影响严重，如3台石灰石粉仓连续料位计安装在不足0.5m²的平面上，下面的传感器相互影响；料位开关上部不设防尘装置，经常误动。后经多次移位、加防尘罩才得以改善。控制设计配套系统性较差。石灰石系统采用 DCS 给启停控制命令，就地 PLC 程序控制，但就地执行机构与 PLC 控制器设计有近一半不配套，如 PLC 的输出驱动电压仅24V(直流)，而就地电磁阀一般是 220V(交流)，因此必须加装转换装置才得以实现。
3  热控调试基本情况和特点
3.1 DCS 系统I/O 跳线
    白马300 MW CFB 机组，DCS采用的是ABB的SYMPHONY系统，设计现场I/0点4500 余个。锅炉岛由 ALSTOM 设计，汽机及公用系统由西南电力设计院设计。设计之初，在现场I/0点与DCS接口连接上，存在如下问题：DCS由ABB设计，I/0点由中外双方分配。为了回路设计及逻辑组态工作能同步进行，双方约定现场FO点接口设计与组态I/0分配分开，现场I/0接口按端子板顺序分配，同一个系统的模拟量、开关量全部按端子板顺序排列，最后再统一用跳线将现场I/0点与组态I/0地址端进行连接。这样虽然可使设计与组态简化，且不影响设计及组态速度，但就此一项就增加了2万多根跳线连接，难度极大，但系统维护比较方便。
3.2 给煤系统
    给煤系统投用以来，先后出现刮板机堵煤，刮板机堵煤开关误报，刮板机零速开关不动作，给煤机堵煤开关误动，给煤机皮带打滑等情况，造成给煤机和刮板机频繁跳闸，严重影响了系统的安全、稳定运行。
    对堵煤开关的误动情况，根据现场实际，采取了修改堵煤开关的安装位置及加防尘罩等措施，对堵煤开关灵敏度进行适当调整，并加延时逻辑。经反复试验，整改后的堵煤开关已能满足系统稳定运行的要求。由于刮板机本身转动固有频率较低，极易造成刮板机零速开关不能正常触发，影响到给煤机跳闸。为此，一是修改零速开关的检测时间，将零速开关从启动检测到正常信号触发之间的延时跳闸时间由10S改至 25S；二是将零速开关检测旋转支件由原来的4齿分支改为8齿分支，在不变动刮板机控制频率的情况下，这样就相当于增大了零速开关的检测频率，从根本上解决了刮板机零速不能触发问题。
3.3 石灰石系统
    石灰石系统附属设备很多，由于就地PLC逻辑控制和DCS控制设计接口不完善等原因，造成了查线及调试工作进展困难。石灰石系统在调试及试投运中，频繁出现了一些阻塞开关误报、料位计误动、零速开关检测不准确等相关情况，影响到石灰石系统的正常监视及投运。
    由阻旋堵料开关误动作而引发的石灰石系统全线跳闸有多次。该阻塞开关为一微电机驱动的旋转检测探头，当有石灰料位上升到达探头传感器位置时，将转动探头阻塞，并迫使微电机停转发出阻塞报警信号，导致现场经常发生误动。分析原因：(l)探头安装的检测长度不合理，使部分探头检测不到正常料位而产生误报。鉴于此种情况，已将探头安装深度进行了改造，使探头直接接受流动介质，从而能准确检测料位。(2)探头微电机的转矩力很小，而电机转轴又暴露于流动介质中，转轴结合处极易由于石灰颗粒粘滞而使转轴停转发出信号误动，将探头转轴清理后，将探头加装防灰罩，使转轴因粘滞而误发信号的情况得以很大缓解。
3.4 风道点火逻辑
    风道点火器的控制逻辑是同一侧2台油枪(即上、下层)同时点火，且油压必须维持在某一定值以上，2个对应的火检信号必须在规定时间内(约3s)到达，否则迅速关掉燃油快关阀，跳闸。而且一侧油枪已点好，另一侧必须在10min内点火成功，否则已点好的油枪也将全部跳闸。这样是为了避免单边床温温升过快，造成锅炉床温不平衡。但事实证明这种点火方式不易成功，造成时间和燃油的大量浪费，运行也不是很稳定可靠。
    建议更改为上、下层分层点火。可以在1套点火系统故障的情况下，不影响整个系统(除非一侧2套点火系统全部故障)。这样既能维持系统先运行，又有时间来排除故障，确保不至于出现1个故障，系统就无法工作的情况。
3.5 DCS系统模件
    本套 DCS 系统硬件安全设计存在一定的问题，在锅炉底冷器排灰电动门的控制中，烧坏2 块DI模件(数字量输入模件)。故障原因至今还未完全得出结论。DCS 系统模件应有2重保护：(l)软件自诊断隔离功能。一旦发现外部系统有问题，设备应自动切换或隔离。(2)硬件开路保护。设备一旦有异常，保险或热开关动作，确保设备安全。