淺談循環流化床鍋爐系統的儀表選型設計

謝騰騰

(中海油山東化學工程有限責任公司，濟南 250101)

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淺談循環流化床鍋爐系統的儀表選型設計

謝騰騰

(中海油山東化學工程有限責任公司，濟南 250101)

摘要：為了實現對循環流化床的自動控制要求，結合熱工專業提出的鍋爐測點位置及要求，完成了鍋爐自控總體及現場儀表的選型、設計，詳細介紹了循環流化床控制系統設計的注意事項。在滿足測量要求前提下，優化了壓力變送器安裝方式，降低了投資成本，簡化了現場安裝且便于運行維護。鍋爐自控系統投產后實際運行效果良好，達到了設計要求。

關鍵詞：循環流化床自控系統現場儀表

循環流化床CFB(circulating fluidized-bed)鍋爐具有燃料適應性廣、環保性能優異、負荷調節范圍廣等優點，因而在世界范圍內得到了迅速的發展[1]。隨著CFB鍋爐系統的不斷發展，在滿足安全、經濟的條件下，CFB鍋爐的自動化水平要求也不斷提高，而正確選擇CFB鍋爐自動化儀表類型對實現自動化控制非常必要[2]。

1自控系統簡介

根據某40t/h CFB鍋爐廠家提供的鍋爐設計測點及熱工專業要求，將鍋爐系統分為鍋爐煙氣系統、鍋爐燃料系統、鍋爐燃料主蒸汽系統、鍋爐給水系統、給水除氧系統、疏水循環水脫鹽水系統、排污系統。在工程應用中通常是多臺鍋爐聯合使用，筆者以2臺CFB鍋爐為例，進行測點統計，見表1所列[3]。

從安全可靠、技術先進、經濟實用的角度出發，對現場溫度測點、壓力測點、流量測點、物位測點、分析測點、氣動閥進行儀表選型設計[4]。CFB鍋爐的工藝過程比較復雜，測量點和控制回路較多，因而自控系統采用DCS[5]，系統配置如圖1所示。

表1　2臺CFB鍋爐系統監測點統計　個

圖1　系統配置示意

根據遠傳測點個數及電氣信號進DCS點個數，統計出控制回路為210個。根據控制回路規模，按照HG/T 20573—2012《分散型控制系統工程設計規范》[6]，得出CFB鍋爐控制系統規模： 4臺操作員站、1個I/O機柜、2個擴展機柜、1臺工程師站、3臺打印機、1個網橋[7]。其中，操作員站與工程師站及打印機位于操作室內，機柜及網橋位于鍋爐機柜室，機柜室配套有UPS柜。儀表用電電量為15kV·A，雙路供電，1路為220V，1路為380V。

2儀表選型設計

現場儀表選型按照HG/T 20507—2014《自動化儀表選型設計規范》[8]，均采用目前主流DDZ-Ⅲ儀表。以下介紹CFB鍋爐系統儀表選型及安裝設計。

2.1溫度儀表選型及安裝

在溫度儀表選型過程中，400℃以下時選用熱電阻，400℃以上選用熱電偶[7]。因鍋爐爐膛內工況為高溫、高流速、高灰濃度區，此工況下熱電偶磨損情況較為嚴重且更換較為頻繁，如果選型不合理或者插入深度設計不合理，將產生高昂的維護成本甚至對操作人員造成人身傷害。

該設計中，此工況下采用裝配式法蘭安裝高溫耐磨型熱電偶，熱電偶材質采用經濟實用的鎳鉻-鎳硅材質，熱電偶套管采用310S材質，以保證較長的使用壽命。鍋筒表面溫度測量采用貼片式溫度傳感器，貼片式探頭直徑D=8mm，貼片厚度為12mm，其他遠傳溫度儀表均采用鎧裝(帶套管)固定外螺紋安裝方式。

熱電偶的插入深度設計，影響測量精度、使用壽命。因鍋爐本體不同部位爐壁及保護層(保護板、保溫磚、耐火材料等)厚度不同，溫度儀表的插入深度根據鍋爐保護層厚度及工況確定。以爐膛為例： 爐壁厚度為60mm，輕質保溫材料厚度為80mm，保護板厚度為80mm，保護套管伸出外部240mm。為準確測量溫度，同時提高溫度儀表的使用壽命，大量現場實踐證明伸入爐壁內部100mm最為合適，因而最后溫度計插入深度為560mm。插入深度設計完成后，請鍋爐廠家確認，方可請購。

其他溫度儀表選擇時，在遵守文獻[8]規范的基礎上，均按照上述步驟進行選取。

2.2壓力儀表選型及安裝

鍋爐流化床、爐膛、分離器進口壓力測點，壓力儀表選型過程中需要考慮到高溫、高流速、強烈顆粒返混的工況，本著安全可靠、經濟實惠原則，儀表選用引壓管引壓、單晶硅諧振式壓力變送器。在安裝過程中應該進行防堵及除塵處理。目前，針對該工況進行防堵處理的常用方案有兩種： 第一種安裝方式參照HG/T 21581—2012《自控安裝圖冊》[9]中，HK03-R031帶除塵器的壓力表安裝圖，但是該安裝圖現場安裝較復雜，泄漏點較多，維護較為復雜。第二種安裝方式是增加吹氣防堵裝置，該安裝方式在一定程度上能夠防堵，但是投入成本及運營成本較高，氣源難取，操作復雜。在鍋爐開車時，往往吹氣防堵裝置成為擺設。

結合上述兩種安裝方式，進行優化設計后的安裝方式如圖2所示。該方式較第一種安裝方式，減少了沉降除塵器及連接件，方便了安裝施工及運行操作；較第二種安裝方式，降低了投入及運行成本，方便了操作。因增加了根部導壓管的長度及內徑，運行維護時定期打開根部導壓管螺母定期吹掃即可，現場運行效果俱佳。

圖2　優化后壓力變送器除塵防堵安裝示意

鍋爐本體流向穩定其他壓力測點，根據鍋爐內部運行工況判斷，安裝方式均可參照文獻[9]中相應安裝圖。

2.3流量儀表選型及安裝

CFB鍋爐一次風及二次風測量的過程中，因大部分鍋爐廠家配備的直風道管線不會太長，一般長度不大于2倍直徑；風速流動大，風管震動較為劇烈；風灰灰塵顆粒較多。因此，該設計在選擇流量計時，采用插入式抗震漩渦流量計，抗震強度為2g(震動頻率2～110Hz)，能滿足工藝的測量要求。

CFB鍋爐出口蒸汽流量測量時，考慮到高溫、高壓、高流速工況，流量計采用分體焊接式平衡流量計。平衡式流量計較標準孔板流量計，測量精度更高，壓力損失更小，壓力回復更快，要求直管段更短。分體式流量計的適當長度導壓管能充分冷卻高溫高壓蒸汽，在不影響測量精度情況下確保運行時維護人員的人身安全。工藝過程連接采用焊接式，是為防止高溫高壓蒸汽泄漏，運行時確保維護人員生命安全。

2.4物位和分析儀表選型及安裝

鍋爐汽包及聯排液位測點，因汽包操作溫度為253℃，聯排操作溫度為170℃，因而在液位測量時，需要配置單室平衡容器。

過熱器出口及鍋爐出口含氧量測量，采用直插式氧化鋯氧量分析儀器，插入深度選擇根據爐壁及保護層厚度得出插入深度為700mm，并帶有防塵過濾措施。

3結束語

以新型高效、低污染清潔燃煤系統CFB鍋爐作為特定的控制對象出發，根據測點個數、測點分布及業主要求完成CFB自控系統的設計；結合其高溫、高煙速和高灰等工況特點，在滿足基本性能條件下，根據安全可靠、技術先進、經濟實用的設計原則，完成現場儀表選型及安裝圖設計。

現場壓力變送器安裝圖的優化是基于文獻[9]中標準安裝圖，結合多個CFB鍋爐項目的現場實踐經驗設計出來的。通過現場使用情況來看，該設計減少投資成本、簡化現場安裝且便于運行維護。任何儀表安裝方案的設計均需因地制宜，根據設計規范，結合實際情況，盡可能保證經濟實用。

參考文獻:

[1]蔣敏華，肖平.大型循環流化床鍋爐技術[M].北京： 中國電力出版社，2009.

[2]張艷，李少遠.熱電廠75t/h循環流化床鍋爐自動控制系統的設計與實現[J].高技術通訊，2004，14(07)： 74-78.

[3]柴慶凱.循環流化床鍋爐DCS系統的研究與應用[D].重慶： 重慶大學，2011.

[4]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000.

[5]毛寶瑚，鄭金吾，劉敬彪.油氣田自動化[M].東營： 石油大學出版社，2005.

[6]童秋階，李一樂，羅倩，等.HG/T 20573—2012分散型控制系統工程設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，2012.

[7]王森，紀綱.儀表常用數據手冊[M].北京： 化學工業出版社，2006.

[8]王雪梅，張悅崑，安鐵夫，等.HG/T 20507—2014自動化儀表選型設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[9]童秋階，楊云漪，隋明新，等.HG/T 21581—2012自控安裝圖冊[S].北京： 中國計劃出版社，2012.

[10]郭建文.循環流化床鍋爐汽包水位測量中的問題分析與改進[J].化工自動化及儀表，2015，42(05)： 585-588.

作者簡介：謝騰騰(1988—)，男，2013年畢業于中國石油大學(華東)信息與通信工程專業，獲碩士學位，現就職于中海油山東化學工程有限責任公司電氣自控室，從事自控設計工作。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)02-0071-02

稿件收到日期： 2015-10-29，修改稿收到日期： 2016-01-15。