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        激光測量型鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)及應(yīng)用

        2013-10-15 03:24:14姜肇雨崔志建于鵬展
        山東電力技術(shù) 2013年4期
        關(guān)鍵詞:氧量偏置爐膛

        姜肇雨 ,劉 濤 ,崔志建 ,于鵬展

        (1.華能日照電廠,山東 日照 276832;2.華能臨沂電廠,山東 臨沂 276000)

        0 引言

        對于燃煤鍋爐來說,常規(guī)燃燒優(yōu)化調(diào)整是在機組停運檢修時,通過靜態(tài)調(diào)整二次風(fēng)進(jìn)入爐膛的角度、開度來適應(yīng)將來鍋爐運行中爐膛的燃燒。然而,爐膛燃燒情況是千變?nèi)f化的,由于煤種變化大,燃用煤質(zhì)普遍較差,再加之鍋爐實際運行中,設(shè)備改造、變負(fù)荷運行、熱力試驗間隔時間長等原因,存在鍋爐燃燒達(dá)不到最佳的現(xiàn)象[1-2]。因此迫切需要通過燃燒優(yōu)化,提高機組經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性能。

        鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng),需要有成熟可靠的爐內(nèi)燃燒信號測量系統(tǒng),能真實反映鍋爐內(nèi)部的燃燒情況,將爐膛內(nèi)部的重要參數(shù)的分布(如溫度、氧量、CO、NOx等信號)送到燃燒優(yōu)化軟件,燃燒優(yōu)化軟件根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行邏輯處理,形成對二次風(fēng)、煤量、風(fēng)量的修正,來對爐膛燃燒進(jìn)行實時在線的調(diào)整[3-5]。

        日照電廠4號機組為680 MW超臨界燃煤汽輪發(fā)電機組,鍋爐燃燒測量系統(tǒng)使用美國ZOLO技術(shù)公司開發(fā)的激光測量診斷系統(tǒng),采用可調(diào)諧二極管激光可吸收光譜 (TDLAS)技術(shù)的激光測量診斷系統(tǒng),可以滿足嚴(yán)酷的燃燒情況監(jiān)測,將爐膛內(nèi)部溫度場、氧量、CO以及水蒸氣的含量提供給燃燒優(yōu)化系統(tǒng)。燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)采用SIEMENS的P3000控制系統(tǒng),基于先進(jìn)的控制算法和方案,對二次風(fēng)控制進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到平衡燃燒和降低氧量的目的。

        1 鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)組成

        1.1 激光測量子系統(tǒng)

        激光測量子系統(tǒng)采用美國ZOLO公司的Zolo-BOSS產(chǎn)品,由激光頭、信號分配柜和中央控制柜組成。激光頭和信號分配柜安裝在鍋爐49.6 m平臺 ,遮焰角下方約1 m處,共安裝12對激光路徑,組成6×6激光網(wǎng),來給鍋爐做切面“CT”,將氧量、水蒸汽、一氧化碳含量等信號送出,如圖1所示。

        激光頭分為發(fā)射頭(P)和接收頭(C),安裝方式相同。安裝過程為:打開部分爐墻保溫,在中間鰭片處切割1 cm×5 cm的切片,在爐墻上焊接安裝支架,安裝探頭,均勻在爐墻四周安裝24個探頭,并保證相對的兩個探頭在同一水平線。探頭上有儀用氣吹掃裝置和自動打焦裝置,來保證探測孔的暢通。發(fā)射頭把中央控制柜來的激光發(fā)射到爐膛內(nèi)部,接受頭接受剩余的激光送到中央控制柜進(jìn)行分析。圖2為安裝好的一個激光探頭外貌。

        圖1 鍋爐燃燒測量系統(tǒng)激光網(wǎng)

        圖2 激光探頭外貌

        信號分配柜安裝在探頭附近,將中央控制柜來的激光信號逐一分配到各個發(fā)射探頭,并將接收探頭回收的激光進(jìn)行初步處理送到中央控制柜。

        中央控制柜安裝在電子間內(nèi),有激光發(fā)生器、同步器、接收器以及上位機等設(shè)備,除了生成不同波長的激光外,還對回收的激光進(jìn)行分析,從而生成各個參數(shù)的數(shù)據(jù),在上位機上進(jìn)行分析顯示。它還可與燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

        1.2 燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)

        燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)采用SIMENS的P3000控制系統(tǒng),由優(yōu)化服務(wù)器、客戶端、通信設(shè)備和接口等組成。服務(wù)器為非冗余配置,用于過程控制、信息、存檔、組態(tài)和優(yōu)化??蛻舳朔旁诩厥遥B接服務(wù)器對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。通信設(shè)備用于連接優(yōu)化服務(wù)器與客戶端、激光測量子系統(tǒng)(OPC協(xié)議)以及DCS系統(tǒng)的CM 3000串口通信模件。日照電廠4號機組DCS是FOXBORO I/A系統(tǒng),優(yōu)化系統(tǒng)與現(xiàn)有DCS之間的連接采用MODBUS協(xié)議。它使燃燒優(yōu)化系統(tǒng)可以獲取來自DCS的測量數(shù)據(jù),如給煤量、二次風(fēng)流量、煙氣中的CO和NOx等。

        2 系統(tǒng)初步調(diào)試

        激光測量子系統(tǒng)。系統(tǒng)在安裝完成之后,即可進(jìn)行上電調(diào)試。首先進(jìn)行的是單路探頭的控制以及對齊,然后投入激光進(jìn)行聯(lián)調(diào),看各路信號是否正常。正常運行后,顯示12路溫度、氧量、CO、水蒸汽的數(shù)值,并在二維圖上顯示分布情況,如圖3所示。

        圖3 溫度、氧量、CO、水蒸汽的數(shù)值顯示

        燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)。P3000各軟硬件安裝完畢后,保證P3000系統(tǒng)與ZOLO以及DCS的通信正常,能正??刂聘鞫物L(fēng)門開度。

        未投入燃燒優(yōu)化情況下鍋爐爐膛燃燒情況測試。該項測試是為了采集鍋爐燃燒系統(tǒng)的主要調(diào)整機構(gòu)(四個角的二次風(fēng)門,即SOFA、CCOFA等風(fēng)門)或主要參數(shù)(氧量、風(fēng)量、煤量等)單個變化時對鍋爐燃燒工況帶來的影響,該測試結(jié)果用于自動燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)建模,使得自動燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上通過自學(xué)習(xí)實現(xiàn)最優(yōu)控制,使鍋爐燃燒達(dá)到最佳效果。

        DCS對風(fēng)量控制是層操,而層操只是將風(fēng)的位置升高或者降低,對于平衡燃燒幫助不大。因此,本次示范試驗是對輔助二次風(fēng)的列進(jìn)行操作的。

        測試過程發(fā)現(xiàn),投入燃燒優(yōu)化之前,鍋爐火焰經(jīng)常不在爐膛中心,導(dǎo)致熱傳輸不均勻以及結(jié)焦的概率加大。爐膛內(nèi)氧量不平衡,導(dǎo)致高氧區(qū)熱量損失,低氧區(qū)燃燒惡化。氧量設(shè)定值還有減低的余地,這樣可提高鍋爐的效率及降低排煙損失。

        3 在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)控制策略

        在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)使用來自DCS的過程測量的數(shù)據(jù)以及激光測量的數(shù)據(jù),根據(jù)燃燒模型計算出相關(guān)二次風(fēng)擋板控制的優(yōu)化值,優(yōu)化值作為DCS二次風(fēng)擋板指令的偏置疊加到DCS側(cè)。它為相關(guān)二次風(fēng)擋板(各個角)的控制提供了新的設(shè)定值。在優(yōu)化偏置值從P3000優(yōu)化系統(tǒng)送入DCS側(cè)前,在P3000內(nèi)相繼有三道安全保障措施:第一道是為來自P3000的優(yōu)化偏置值設(shè)置高低限;第二道是為P3000送來的優(yōu)化偏置值設(shè)置變化速率限制,以避免其劇烈變化;第三道是設(shè)置無擾切換開關(guān)。另外,操作員能夠在DCS直接投入或切除P3000燃燒優(yōu)化系統(tǒng)。

        現(xiàn)場試驗列操輔助二次風(fēng),可在ZoloBOSS的測量畫面上監(jiān)測到效果,證實了通過改變每列二次風(fēng)擋板的開度可以達(dá)到改善燃燒平衡的目的。另外,在輔助二次風(fēng)對角上加偏置,可以更好地控制氧量與溫度場的分布。

        系統(tǒng)投入閉環(huán)主要有以下四個主要控制模塊。

        1)火焰中心的控制。火焰中心的控制采用優(yōu)化輔助二次風(fēng)各擋板的開度來實現(xiàn)的。通過ZoloBOSS系統(tǒng)計算出的實際火焰中心位置,計算出與物理中心的偏差,通過已建立的各角對火焰中心的影響的數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器,形成對各角各層的偏置量,來改變輔助二次風(fēng)的實際開度,來達(dá)到調(diào)節(jié)火焰中心的目的。燃燒優(yōu)化投入前后對火焰中心控制的效果對比如圖4所示??梢钥闯?,在燃燒優(yōu)化后火焰更靠近中心,四角溫度平均,這樣使?fàn)t內(nèi)傳熱更好,較少結(jié)焦風(fēng)險,并能提高鍋爐效率。

        圖4 燃燒優(yōu)化投入前后火焰中心對比

        2)燃燒平衡優(yōu)化。這項功能主要通過優(yōu)化周界二次風(fēng)門來實現(xiàn),燃燒平衡的目標(biāo)是均衡燃燒,優(yōu)化風(fēng)煤比。本模塊的功能是將截面分區(qū),按照氧量、溫度、一氧化碳的比例以及各區(qū)的偏差,對此三個參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化,并將偏置輸出到周界二次風(fēng)門,來對燃燒平衡進(jìn)行優(yōu)化。

        3)氧量均衡控制。此功能是通過優(yōu)化SOFA二次風(fēng)門來實現(xiàn)。通過ZoloBOSS系統(tǒng)的氧量分布圖,計算出四個角的氧量平均值,根據(jù)各角離平均值的偏差對其進(jìn)行控制,使各角氧量平均,達(dá)到優(yōu)化的目的。這是通過對SOFA二次風(fēng)的控制加偏置實現(xiàn)的。燃燒優(yōu)化投入前后對氧量平衡的影響如圖5所示。投入燃燒優(yōu)化之后,爐內(nèi)氧量平衡,均衡了燃燒,提高鍋爐效率和燃燒穩(wěn)定性。

        圖5燃燒優(yōu)化投入前后對氧量平衡的影響對比

        4)降低過量O2。燃燒優(yōu)化控制能夠降低過量O2,提高鍋爐效率。沒有安裝燃燒優(yōu)化系統(tǒng)前,在機組運行時,氧量有降低的余地,但是,由于運行人員沒有監(jiān)測爐內(nèi)工況的手段,手動降低氧量給定值受到限制。燃燒優(yōu)化投入以后,來自激光測量的CO測量值和來自DCS的FGD后CO測量值用于產(chǎn)生實際CO濃度,大選后與CO定值比較后進(jìn)入一個調(diào)節(jié)器,用于對氧量定值進(jìn)行修正,以控制CO濃度的方式來控制風(fēng)量,達(dá)到降低風(fēng)量、降低飛灰含碳量、降低排煙溫度,從而達(dá)到提高鍋爐效率的目的。

        4 結(jié)語

        鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)投入后,對日照電廠4號鍋爐的燃燒工況有較大的改善,平衡燃燒使鍋爐燃燒更加穩(wěn)定,降低鍋爐結(jié)焦情況;火焰更加居中,防止鍋爐偏燒,降低了爆管幾率;減少有害氣體排放,降低飛灰含碳量。

        在此基礎(chǔ)上煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)平均能降低0.7%~1.1%,提高了鍋爐效率,600 MW負(fù)荷下的測試,可提高效率0.47%,并有效地降低了送、引風(fēng)機和FGD側(cè)增壓風(fēng)機的出力,降低了廠用電和供電煤耗。

        系統(tǒng)使用情況基本良好,但在燃煤灰分過高的情況下(25%以上),測量系統(tǒng)受到一定限制,偶爾有不能測出數(shù)據(jù)的情況,可定期擦拭激光頭的鏡頭進(jìn)行解決。

        綜上所述,鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)真正實現(xiàn)了實時的鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整。

        [1]周建新,樊征兵,司風(fēng)琪,等.電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)研究發(fā)展綜述[J].鍋爐技術(shù),2008,39(5):42-46.

        [2]余旭紅,元海榮,陳云榮.電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)展[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2009,22(4):32-34.

        [3]黃磊,梁紹華,李秋白,等.鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計特點及應(yīng)用[J].中國電力,2008,41(1):60-62.

        [4]應(yīng)劍,徐旭,王新龍.基于閉環(huán)控制系統(tǒng)的電站鍋爐燃燒優(yōu)化[J].華東電力,2007,35(1):69-72.

        [5]胡志宏,楊興森,王軍,等.1000 MW超超臨界鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整[J].鍋爐技術(shù),2008,39(4):42-46.

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