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目之一，工程建設(shè)兩臺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清理，當(dāng)其大量脫落時，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行就需要定期對鍋爐各個受熱面進(jìn)行吹灰。棗泉電廠每臺機(jī)組分別設(shè)計了56臺爐膛吹灰器、46臺長伸縮吹灰器、22臺半伸縮吹灰器和4臺空預(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)荷運行和燃燒不穩(wěn)定的時候，鍋爐不進(jìn)行吹灰。鍋爐吹灰順序從爐膛開始，順煙氣流動的方向直至尾部，并對側(cè)進(jìn)行。

鍋爐吹灰自動控制系統(tǒng)由機(jī)組DCS實現(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，廣泛運用于現(xiàn)代大型工業(yè)自動化領(lǐng)域[2]。棗泉電廠鍋爐吹灰自動控制系統(tǒng)主要由兩個部分組成，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，對吹灰器的工作狀態(tài)自動地進(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停控制。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)閥實現(xiàn)對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會導(dǎo)致吹灰器保護(hù)動作

鍋爐吹灰順控下屬4個子順控：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)計為對吹模式，即所有吹灰器分為兩兩一組，每組的2個吹灰器對稱布置，每組吹灰器的啟動指令會同時啟動這組的2臺吹灰器。以水平煙道吹灰順控為例：水平煙道吹灰順控第一步，會同時啟動L1吹灰器和R1吹灰器；當(dāng)吹灰器接到啟動指令，推進(jìn)電機(jī)啟動，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)動作，該吹灰器的氣源閥打開，吹灰槍開始吹灰；當(dāng)啟動指令持續(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。

實際運行中發(fā)現(xiàn)水平煙道吹灰順控自動運行時經(jīng)常會中斷，尤其是L1、R1，L2、R2，L3、R3這3組吹灰器工作時，鍋爐吹灰蒸汽壓力波動幅度大，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?，F(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)L1吹灰器和R1吹灰器均為同一型號，拉繩開關(guān)位置也相同。而根據(jù)順控邏輯設(shè)計，L1吹灰器、R1吹灰器是同時啟動的，因此L1吹灰器的汽源閥和R1吹灰器的汽源閥也會同時開啟、同時關(guān)閉，長伸縮吹灰器的用汽量又相對較大，這就很容易造成吹灰蒸汽壓力大幅擾動。

2.2 鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制調(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，實測值PV由1個壓力變送器提供。通過對測量元件進(jìn)行系統(tǒng)校驗，排除了測量回路誤差造成自動控制效果差的原因；通過對鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量特性實驗，排除了調(diào)節(jié)閥流量特性差導(dǎo)致自動控制效果差的原因；通過對歷史曲線分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐吹灰蒸汽壓力和鍋爐吹灰蒸汽調(diào)節(jié)閥指令的波動幅度很大，鍋爐吹灰蒸汽壓力的波動幅度有±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。由于鍋爐吹灰系統(tǒng)的工作特性，每組吹灰器工作時開、關(guān)吹灰器汽源閥時會產(chǎn)生較大擾動，而一組吹灰器工作完成后下一組又會繼續(xù)工作，繼續(xù)產(chǎn)生擾動，那么鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制回路就需要增加抗擾動能力。

2.3 爐膛吹灰器工作時對鍋爐火檢系統(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，它的作用是對火焰進(jìn)行檢測和監(jiān)視，在鍋爐點火、低負(fù)荷運行或有異常情況時防止鍋爐滅火和爐內(nèi)爆炸事故，確保鍋爐安全運行[1]。目前，燃煤電廠廣泛使用的火檢系統(tǒng)均為探測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)勢包括多燃料適應(yīng)性，火焰可以連續(xù)檢測，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，火焰系統(tǒng)容易發(fā)生誤報。

在鍋爐快速降負(fù)荷過程中有時會導(dǎo)致爐膛大量掉焦，由于目前大部分電廠會采用濕式刮板撈渣機(jī)，掉下的焦塊會濺起大量水汽。如果此時爐膛吹灰器正在工作，會加大水汽擴(kuò)散量，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐火檢系統(tǒng)異常動作，觸發(fā)鍋爐主燃料跳閘MFT（Main Fuel Trip）。因此，只能進(jìn)行對吹的爐膛吹灰順控并不能滿足所有運行工況，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行。鍋爐爐膛壓力過高或過低時都會造成鍋爐形變，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，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的蒸汽對鍋爐各受熱面進(jìn)行吹掃，這本身就對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、渣脫落時對爐膛負(fù)壓的影響更大[5]。例如水平煙道吹灰器工作時，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，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)時會產(chǎn)生大量水汽，這些水汽對鍋爐爐膛壓力的擾動非常大，近幾年來因為鍋爐掉渣引起爐膛壓力波動導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事件時有發(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 鍋爐吹灰自動控制系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.1 鍋爐吹灰順控優(yōu)化

針對吹灰器對吹模式對吹灰蒸汽壓力擾動大的問題，采用了將同組的兩個鍋爐吹灰器開、關(guān)汽源閥的時間錯開的方法，降低擾動的幅度。通過對歷史曲線的分析，發(fā)現(xiàn)水平煙道的前3組長吹的對吹工作時擾動很大，每次順控大多都會在這里失敗，跳過前3組后順控運行相對正常。因此，對水平煙道的前3步順控進(jìn)行修改，以L1、R1這對長吹為例：原順控邏輯為水平煙道吹灰順控第一步指令將同時啟動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L1吹灰器工作，L1吹灰器工作完成后再啟動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，對比順控優(yōu)化前的壓力曲線，實際壓力偏離壓力設(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)汽源閥時對吹灰蒸汽壓力的擾動幅度。

圖1 鍋爐吹灰順控修改前后吹灰蒸汽壓力對比曲線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控制回路增加實際微分環(huán)節(jié)

鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)中的擾動主要來自吹灰器開、關(guān)汽源閥時的壓力波動，而吹灰器開、關(guān)汽源閥的時間又嚴(yán)格遵守鍋爐吹灰順控邏輯，也就是說這個擾動出現(xiàn)的時間和擾動量是固定且可預(yù)測的。那么根據(jù)這個特點，可以在鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制系統(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，由于微分作用對高頻信號很敏感，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控制回路增加實際微分環(huán)節(jié)Fig.2 The actual differential link is added to the automatic control loop of boiler soot blowing steam pressure

增加實際微分環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制系統(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]。鍋爐吹灰自動控制系統(tǒng)優(yōu)化后，鍋爐吹灰蒸汽壓力的波動幅度降低至±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吹對燃燒系統(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），具體順序為：A1-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，運行規(guī)程規(guī)定機(jī)組負(fù)荷在300MW～400MW之間，爐膛吹灰必須手動單支進(jìn)行，運行人員根據(jù)機(jī)組負(fù)荷及鍋爐結(jié)焦情況手動選擇單吹或?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，爐膛吹灰分2個班進(jìn)行[10]，以A層為例：白班進(jìn)行奇數(shù)吹灰器吹灰，具體順序為A1-A3-A5-A7-A9-A11-A13；中班進(jìn)行偶數(shù)吹灰器吹灰，具體順序為A2-A4-A6-A8-A10-A12-A14；長吹L1至L8、R1至R8進(jìn)行手動單吹。

3.4 增加鍋爐爐膛壓力超限時的爐膛吹灰器保護(hù)

鍋爐吹灰對鍋爐爐膛壓力的影響較大，可能導(dǎo)致鍋爐爐膛壓力波動。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)。鍋爐爐膛壓力測點有4個模擬量變送器，任意一個鍋爐爐膛壓力測點高于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運行。這樣設(shè)計可以從一定程度上緩解鍋爐吹灰對鍋爐爐膛壓力的影響，避免鍋爐爐膛壓力本身就在波動時，鍋爐吹灰器工作加劇鍋爐爐膛壓力波動而導(dǎo)致鍋爐MFT。

4 結(jié)語

隨著近年燃煤價格上漲，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)普遍運用的今天，鍋爐吹灰自動控制系統(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控制系統(tǒng)的可靠性，加強(qiáng)運行人員操作規(guī)范培訓(xùn)，才能保證鍋爐吹灰系統(tǒng)正確運行，提高鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運行水平。