鍋爐吹灰自動控制系統可靠性優化

張 宇

（寧夏棗泉發電有限責任公司，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，工程建設兩臺660MW超超臨界燃煤空冷發電機組，同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置。鍋爐為北京巴布科克· 威爾科克斯有限公司生產的660MW超超臨界參數直流爐，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，鍋爐吹灰系統由戴蒙德電力機械（湖北）有限公司提供。

1 鍋爐吹灰系統

鍋爐吹灰系統旨在保持鍋爐受熱面管的外壁清潔，防止結渣結焦，保證各受熱面擁有良好的傳熱性能，降低排煙溫度，提高鍋爐安全經濟運行水平[1]。鍋爐吹灰系統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行吹灰。棗泉電廠每臺機組分別設計了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臺空預器吹灰器，每天進行一輪吹灰。

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空預器吹灰器。吹灰汽源設計為鍋爐低過出口集箱蒸汽，MBCR參數為壓力29.52MPa，溫度494℃。在鍋爐低負荷運行和燃燒不穩定的時候，鍋爐不進行吹灰。鍋爐吹灰順序從爐膛開始，順煙氣流動的方向直至尾部，并對側進行。

鍋爐吹灰自動控制系統由機組DCS實現。棗泉電廠DCS系 統（Distributed Control System 分 散 控制系統）采用艾默生Ovation控制系統，具有集中管理、分散控制的特點，廣泛運用于現代大型工業自動化領域[2]。棗泉電廠鍋爐吹灰自動控制系統主要由兩個部分組成，第一部分是負責鍋爐吹灰器順序啟停的順序控制系統Sequence Control System（以下簡稱為鍋爐吹灰順控），它可以按照預先規定的邏輯順序，對吹灰器的工作狀態自動地進行檢查、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。第二部分是負責鍋爐吹灰蒸汽壓力控制的模擬量控制系統MCS，它負責通過控制鍋爐吹灰蒸汽壓力調節閥實現對鍋爐吹灰蒸汽壓力的閉環控制。

2 鍋爐吹灰系統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致吹灰器保護動作

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；當吹灰器接到啟動指令，推進電機啟動，吹灰槍開始前進；當吹灰槍到達設定位置，拉繩開關動作，該吹灰器的氣源閥打開，吹灰槍開始吹灰；當啟動指令持續220s后，DCS發出吹灰器退指令，吹灰槍開始后退，后退至設定位置，拉繩開關動作，該吹灰器的氣源閥關閉；當吹灰槍退到位后，吹灰結束。

實際運行中發現水平煙道吹灰順控自動運行時經常會中斷，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設定值（H：4MPa，L：1.5MPa），觸發繼而導致吹灰順控中斷。現場調查時發現L1吹灰器和R1吹灰器均為同一型號，拉繩開關位置也相同。而根據順控邏輯設計，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節性能差

鍋爐吹灰蒸汽壓力由鍋爐吹灰蒸汽調節閥控制，吹灰蒸汽調節閥采用PID閉環控制，壓力設定值STPT固定為3MPa，實測值PV由1個壓力變送器提供。通過對測量元件進行系統校驗，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節閥進行流量特性實驗，排除了調節閥流量特性差導致自動控制效果差的原因；通過對歷史曲線分析，發現鍋爐吹灰蒸汽壓力和鍋爐吹灰蒸汽調節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，鍋爐吹灰蒸汽調節閥指令經常在0%～65%之間來回波動。由于鍋爐吹灰系統的工作特性，每組吹灰器工作時開、關吹灰器汽源閥時會產生較大擾動，而一組吹灰器工作完成后下一組又會繼續工作，繼續產生擾動，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的影響

鍋爐火檢系統是鍋爐爐膛安全監控系統FSSS（Furnace Safety Supervision System） 的 重 要 組成部分，它的作用是對火焰進行檢測和監視，在鍋爐點火、低負荷運行或有異常情況時防止鍋爐滅火和爐內爆炸事故，確保鍋爐安全運行[1]。目前，燃煤電廠廣泛使用的火檢系統均為探測火焰的全輻射光譜的光學傳感器技術。這種火焰系統的優勢包括多燃料適應性，火焰可以連續檢測，提供穩定可靠的火焰品質信息等。但一旦出現阻礙光傳導的工作環境，如鏡頭或觀火孔堵灰、結焦等現象發生時，火焰系統容易發生誤報。

在鍋爐快速降負荷過程中有時會導致爐膛大量掉焦，由于目前大部分電廠會采用濕式刮板撈渣機，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，會加大水汽擴散量，進而導致鍋爐火檢系統異常動作，觸發鍋爐主燃料跳閘MFT（Main Fuel Trip）。因此，只能進行對吹的爐膛吹灰順控并不能滿足所有運行工況，需要根據鍋爐燃燒及掉焦情況合理分配吹灰器工作數量[3]。

2.4 鍋爐吹灰對鍋爐爐膛壓力的影響

鍋爐爐膛壓力保護同樣是鍋爐爐膛安全監控系統FSSS的重要組成部分，鍋爐爐膛壓力是否穩定直接關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壓控制在-100Pa左右，當爐膛負壓低于-1.75kPa或高于1.5kPa時，將觸發鍋爐主燃料跳閘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。而鍋爐吹灰系統設計的初衷是為了清除受熱面上積存的灰、渣、焦等，這些焦、渣脫落時對爐膛負壓的影響更大[5]。例如水平煙道吹灰器工作時，有可能導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，有可能導致水冷壁上的焦塊大量脫落。當大量脫落的焦塊掉入濕式刮板撈渣機時會產生大量水汽，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致機組跳閘的事件時有發生。因此，鍋爐吹灰控制系統應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優化改造

3.1 鍋爐吹灰順控優化

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，發現水平煙道的前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，鍋爐吹灰順控優化后，對比順控優化前的壓力曲線，實際壓力偏離壓力設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節

鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制系統中的擾動主要來自吹灰器開、關汽源閥時的壓力波動，而吹灰器開、關汽源閥的時間又嚴格遵守鍋爐吹灰順控邏輯，也就是說這個擾動出現的時間和擾動量是固定且可預測的。那么根據這個特點，可以在鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制系統中增加微分環節，讓控制系統的輸出提早修正，以優化控制系統的超調量[7]。同時，由于微分作用對高頻信號很敏感，容易在控制系統內引入高頻干擾，所以選擇具有一階慣性環節的實際微分環節[8]，如圖2。一階慣性環節具有低通濾波的功能，有較強的抗高頻干擾能力。

圖2 鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制回路增加實際微分環節Fig.2 The actual differential link is added to the automatic control loop of boiler soot blowing steam pressure

增加實際微分環節的基礎上，進一步對鍋爐吹灰蒸汽壓力自動控制系統中的PID參數進行優化，降低了比例作用以減少控制系統的震蕩，增強了積分作用以更好的消除靜差[9]。鍋爐吹灰自動控制系統優化后，鍋爐吹灰蒸汽壓力的波動幅度降低至±0.2MPa以下，鍋爐吹灰蒸汽調節閥指令通常維持在35%～50%之間，鍋爐吹灰蒸汽壓力超出吹灰器保護設定值的現象不再出現，鍋爐吹灰自動控制系統可靠性有很大提升。

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、火檢系統的影響，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，運行規程規定機組負荷在300MW～400MW之間，爐膛吹灰必須手動單支進行，運行人員根據機組負荷及鍋爐結焦情況手動選擇單吹或對吹方式。A、B層爐膛吹灰每日進行一次，C、D層爐膛吹灰每2日進行一次。機組全天負荷低于400MW時，爐膛吹灰分2個班進行[10]，以A層為例：白班進行奇數吹灰器吹灰，具體順序為A1-A3-A5-A7-A9-A11-A13；中班進行偶數吹灰器吹灰，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

鍋爐吹灰對鍋爐爐膛壓力的影響較大，可能導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，在吹灰器保護中增加鍋爐爐膛壓力超限保護。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將觸發吹灰器保護，強制退出所有吹灰器并禁止吹灰器啟動運行。這樣設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致鍋爐MFT。

4 結語

隨著近年燃煤價格上漲，燃煤電廠用煤普遍呈現出低熱值高灰渣的現象，這也使避免鍋爐結焦結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就是防止鍋爐結焦結渣的有效依靠。在DCS系統普遍運用的今天，鍋爐吹灰自動控制系統的可靠性又是保證鍋爐吹灰系統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的可靠性，加強運行人員操作規范培訓，才能保證鍋爐吹灰系統正確運行，提高鍋爐安全、經濟運行水平。