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UW500集散控制系統在鍋爐煤氣發電過程中的應用

行業方案

1、概述

燃油燃氣鍋爐發電在國內已有60多年的歷史,當時在我國東北建成的鍋爐,至今仍在安全運行。目前開發的燃油鍋爐、燃氣鍋爐,在原有的煤氣發生爐的基礎上,又增添了節能、環保等技術,使之成為高效、節能、安全、環保型技術。鍋爐的經濟運行是一個急需得到重視的問題,這不僅牽扯個體的經濟,而且在能源日益短缺的將來對節約能源,實現持續協調發展更具有重大意義。

UW500集散控制系統是杭州優穩與浙江大學工業自動化國家工程研究中心聯合開發,經過不斷分析總結、開發創新、測試改進與考核完善,推出的新一代集散控制系統。該系統能夠顯著提高監控的自動化水平,提高鍋爐的經濟和可靠的運行。

2、工藝簡介

發電的過程就是一個能量轉換的過程:燃料化學能蒸汽熱能 機械能 電能。簡單的說就是利用燃料(煤氣)發熱,加熱水 ,形成高溫高壓過熱蒸汽,推動氣輪機旋轉,帶動發電機轉子(電磁場)旋轉,定子線圈切割磁力線,發出電能,再利用升壓變壓器,升到系統電壓,與系統并網,向外輸送電能。

燃氣發電的主要設備系統包括:燃料供給系統、給水系統、蒸汽系統、冷卻系統、電氣系統及其他一些輔助處理設備。

其發電系統主要由燃燒系統(以鍋爐為核心)、汽水系統(主要由各類泵、給水加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成)、電氣系統(以汽輪發電機、主變壓器等為主)、控制系統等組成。前二者產生高溫高壓蒸汽;電氣系統實現由熱能、機械能到電能的轉變;控制系統保證各系統安全、合理、經濟運行。

3、控制策略

    集散控制系統鍋爐機組的自動化功能,功能包括數據采集功能(DAS)、模擬量控制功能(MCS)、汽機停機保護(ETS)、順序控制功能(SCS)、鍋爐主燃料切斷保護(MFT)及信息管理等功能。

1、煤氣燃料的控制系統

一般鍋爐燃燒系統控制中,主要的被控參數為主汽壓力或負荷。對主汽壓力和負荷參數的控制是通過調節進入鍋爐的燃氣量來實現的。鍋爐的燃料量控制系統采用以控制鍋爐的出口蒸汽壓力為主調,以鍋爐主蒸汽流量為前饋。

高爐煤氣發電機組的燃燒系統可通過機組盡可能在維持不停爐的前提下,按煤氣量大小維持鍋爐在25%~110%的燃料負荷情況下運行。汽機進汽閥門的開度變化會引起主蒸汽的壓力參數,通過反饋控制調節燃料來實現主蒸汽的壓力穩定。因此,本系統首先保證高爐煤氣進氣壓力,通過調節高爐煤氣進氣閥門的開度來控制高爐煤氣進氣壓力,煤氣壓力得到保證的情況下,來控制燃料。

2、送風量控制系統(煙氧含量控制系統)

送風控制既要保證鍋爐的安全燃燒,又要保證鍋爐的經濟效益,而送風控制系統最終是由保證最佳的爐膛出口氧量來標志其燃燒工況的安全與經濟性的。

送風控制系統,是以調節高爐煤氣的配風量為主,再以氧量校正回路串級接在送風量控制回路中。

3、引風量控制系統(爐膛負壓控制系統)

根據高爐煤氣發電實踐工程,引風控制系統是以爐膛負壓為主要控制參數,但可將送風總量信號作為前饋信號。

4、機爐協調控制

鍋爐出口主蒸汽壓力的改變,則高爐煤氣燃料量的改變。若高爐煤氣燃料量改變后,又必然通過其壓力參數值的改變顯示出來。因此,燃料系統的控制是通過調節高爐煤氣進氣閥門的開度來控制高爐煤氣進氣壓力來控制燃燒狀態(而不是控制煤氣燃料的進氣量),來配合汽機的控制達到控制鍋爐主蒸汽壓力的目的。因此,一方面,鍋爐負荷的調節通過鍋爐負荷分配運算系統進行運算及控制;另一方面,鍋爐主蒸汽母管壓力的控制是通過調節汽機閥門的開度來控制的。

5、主蒸汽溫度控制系統

鍋爐主蒸汽溫度的調節,應根據鍋爐特點進行設計。在規定的鍋爐運行范圍內,達到溫度控制的負荷時(特別是低負荷、高負荷區域),控制第一級過熱器的出口溫度使之達到設定范圍之內。

調節量:減溫水流量

調節設備:減溫水調節閥門

導前溫度信號:高溫過熱器出口溫度

6、給水控制(汽包水位控制)

正常的控制應是由蒸汽流量、汽包水位和給水流量組成的三沖量控制系統。當負荷小于30%時采用只有汽包水位的單沖量控制,當負荷大于30%時切換至三沖量控制,應提供單沖量和三沖量控制之間的無擾切換,反之亦然。

測量汽包水位的變送器,應為雙重冗余,最好三重冗余,并有壓力補償、比較和選擇。

經溫度補償的給水流量應加入噴水流量,得出總給水流量信號。

蒸汽流量測量應有壓力和溫度補償,并加入供熱母管流量得出總蒸汽流量信號。

被調量:汽包水位

調節量:給水流量

副回路輸入信號:給水流量

前饋輸入信號:主蒸汽流量

 

圖1汽包液位保護

7、凝氣器水位控制系統

保持一定的凝汽器水位,目的用于保障建立正常的凝汽器真空。凝汽器水位的過高和過低都可能破壞凝汽器真空。在凝汽器水位控制系統中,凝汽器水位測量值與給定值的偏差值進行PID運算,其運算結果調節凝汽器水位調節閥開度,維持凝汽器水位恒定。

8、軸封壓力控制系統

在汽輪機級內隔板和主軸間隙處,以及主軸穿出氣缸外處等部位,蒸汽氣缸會往外泄漏或外部空氣漏入,使汽輪機的效率降低并使機組真空惡化,破壞汽輪機的正常運行。故必須采用軸封阻擋蒸汽外漏和空氣漏入,來保障汽輪機的正常運行。軸封性能的好壞是通過控制軸封蒸汽壓力來實現的。

在汽輪發電機組軸封壓力調節系統中,軸封壓力的測量值與給定值進行PID運算,其運算結果控制軸封供汽調節閥,維持軸封壓力在設定值。

9、連排擴容器水位控制系統

根據連排擴容器水位信號,控制連排擴容器疏水調節器,維持連排擴容器水位在設定值。

10、高壓加熱器水位控制系統

高壓加熱器是汽機抽汽與主給水的熱交換設備。低壓加熱器是汽機抽汽與凝結水的熱交換設備。它們的水位過高,有可能導致汽輪機進水,從而引發事故。

在高壓加熱器水位調節系統中,水位的測量值與給定值進行PID運算,其運算結果控制高壓加熱器的疏水調節閥,使高加水位滿足運行要求。

11、低壓加熱器水位控制系統(一般小機組沒有)

在低壓加熱器水位調節系統中,水位的測量值與給定值進行PID運算,其運算結果控制低壓加熱器的疏水調節閥,使低加水位滿足運行要求。緊急情況下,由事故放水電動門控制其液位。

12、除氧器水位控制系統

保持除氧器水位的目的是用來保障鍋爐供水量與需求量的平衡。根據生產工藝的不同,除氧器水位控制有單沖量和三沖量兩種調節方式。它們的區別在于化學補充水是否連續進水。其中,三沖量調節方式與汽包水位控制系統相類似,在啟動和低負荷運行期間為單沖量調節,正常負荷時為三沖量調節。單沖量和三沖量之間的切換可以通過手動或自動實現。

當除氧器水位達到高值時,除氧器水位調節器關閉,凝結水再循環閥打開。除氧器水位過高時,開事故放水電動門。當汽機停運時,除氧器水位調節由化學補給水閥實現。

13、除氧器壓力控制系統

在機組啟動期間,除氧器壓力的調節是通過打開廠蒸汽母管調節閥,來維持除氧器壓力的設定值。

在正常負荷工況下,除氧器壓力的調節系統的設計是將除氧器壓力測量值與設定值的偏差送入PID進行運算,其運算結果調整除氧器壓力調節閥,控制除氧器壓力在設定值上。

4、控制工程

UW500集散控制系統在鍋爐發電上已經得到廣泛的應用。UW500可以完成包括數據采集、模擬量控制、爐膛安全保護、電氣控制、廠用電公用控制、熱網控制等功能,系統支持32個控制站,系統規模達:AIO:16384,DIO:32768。

UW500集散控制系統能夠對鍋爐發電中需監控的大量點數進行實時監控,優秀的雙重化冗余設計,使系統更加穩定可靠。

 

圖2 系統機構圖

 

圖3鍋爐燃燒系統

 

5、小結

    利用UW500集散控制系統對大量監控點的監控,可大幅度的減輕了工人的工作量,使大量分散的數據集中顯示在操作站上,穩定的系統讓控制更安全、簡易。鍋爐的燃燒也得到很好的控制,使燃燒效率顯著提高。

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