锅炉运行是一项谨慎的平衡工作,需要在各种负荷条件下对燃料、气流和通风压力等进行匹配。随着电厂被要求以与往不同的方式运行,进一步增加了负荷条件的范围。
如果反应时间太慢,系统就会跳闸,电厂就会损失产能并增加排放。热应力就会减少设备寿命并且造成额外的维护。
锅炉的安全运行要求对水/蒸汽系统以及燃烧系统的控制均进行优化。对于锅炉燃烧侧来说,这就意味着以合理的比例将空气和燃料混合以便控制燃烧率:对燃烧室的空气进出进行合理控制并将空气压力控制在合理范围内。过多的空气将导致运行效率低并增加NOx氮氧化物的排放;不足的空气将导致燃烧不充分并增加过多的一氧化碳排放,在损耗电厂能源的同时还会产生爆炸危险。
在燃烧室里,空气压力应该仅仅稍小于周围的大气压力。如果内部压力比周围的大气压力还要高,那么燃烧的副产品将通过任何开口向外泄露,例如检测口或门,这将违反排放规定并造成安全隐患。如果压力太低的话,外部的冷空气将通过同样的开口进入燃烧室并降低锅炉的效率。在极端情况下,锅炉可能会发生内爆。电厂控制系统当然有在锅炉达到内爆点之前关闭系统的机械装置,但是这些计划外的停机将使电厂付出昂贵代价。
过去几年中人们已经开发出一些方法来使压力保持在合理的程度。最简单的方法就是自然通风法,当通过烟囱的废气上升时就会产生一个压力梯度使空气通过锅炉。这种方法是可行的,但是不能提供所需的控制,使效率最大化、排放最小化。强制通风(FD)锅炉使用风机强制空气进入炉膛内。炉膛以正压运行并且必须完全密封以避免泄漏。进入炉膛的空气流量通过挡板和/或风机进行速度控制。诱导通风(ID)系统在排气侧安装风机和挡板,产生负压并把外部空气拉入燃烧室内。
对于带有长排气烟道的大型锅炉,上述两种方法都不是理想的方法。因此,为确保充分的通风和压力,平衡通风系统得到应用。这些系统把强制通风和诱导通风燃烧相结合,并且在进口处和出口处都安装了风机和挡板。平衡通风炉的控制系统通过对挡板位置(和/或风机速度)的调整,使得炉膛能够在轻微的负压下运行。
处理瞬变
在理想世界里,锅炉应在一些恒定条件下运行,这样压力控制就成为一个简单的问题。但是实际上,ID引风机需要进行持续地调节,以保持压力达到最佳水平,维持效率并避免电厂跳闸停机。挡板上的执行器将根据控制系统信号进行动作,对废气流量进行所需要的调节,来维持炉膛压力。问题在于当有一个突然的、较大的需求变化时,例如,如果蒸汽轮机出现甩负荷,瞬间需要少很多的蒸汽。在这种情况下,燃料和空气迅速减少,ID风机必须快速调整才能维持炉内的真空度。大多数电厂都采用在分散控制系统(DCS)中使用一个改进版本的前馈控制,以此实现所需要的速度要求,以便达到在此应用上所需要的运行结果。然而,仅仅DCS控制系统中的响应速度是不够的,采用能够优化精确度、重复性和响应性(无死区时间)的最终控制元件同样重要。
亚特兰大的迈朗(Mirant)公司在美国东部经营8家电厂,在旧金山湾区有3家电厂。在过去几年,该公司对公司旗下的马里兰州和维吉尼亚州的4个燃煤电厂(Morgantown,Dickerson,ChalkPoint和PotomacRiver发电厂)的ID引风机执行器进行了升级改造。
“在我们的应用当中,我们寻求对ID引风机有着大出力和高速度能力的驱动设备”,对这4家电厂进行监督工作的迈朗公司工程仪表和控制经理弗兰克说到,“能够对正常控制流量、炉膛通风进行有效控制,同时尽可能降低机组跳闸造成的瞬变影响”。
迈朗公司使用过很多执行器,有些是随原始设备成套过来的,其他执行器则是改造时安装的。但是这些驱动装置都没有达到公司的速度要求。电动执行器的全行程时间大约为24-40秒,气动执行器的全行程时间为15-30秒。
弗兰克说,“对于ID引风机入口挡板控制,根据在机组上观察到的动力学,我们想要一些能在0-%行程内仅用10秒左右或者更快的设备”。
因为现有的ID引风机执行器不能达到迈朗公司的要求,公司在Morgantown电厂安装低NOx燃烧器的项目中开始寻找替换方案。电动执行器速度太慢了,所以只能在气动和液压执行器之间做出选择。
气动执行器速度很快,并且比液压执行器价格要低,但精确度不高。因为气体是可压缩的,在执行器收到控制信号开始增加压力到挡板开始运动之间会有一个延迟,并且,还会超出新的设定点。“智能”气动定位器在执行器接近新的设定点时使其速度降低,来解决过调问题,但这同时也增加了响应时间延迟。在工艺上,这个更长的响应时间滞后被定义为死区时间。死区时间是控制工程师的噩梦之一,并且需要在炉膛压力控制这类应用中,最大限度地减少死区时间。
液压执行器不存在响应滞后的问题(在接收到控制信号后的死区时间小于70毫秒),也不存在过冲的现象,精度可以达到全行程的0.05%。其劣势在于比气动系统更贵,需要高压管路和管接头,并要求对油和过滤系统进行经常性维护。最终,电厂选用自带油源的新型电液一体化执行器。
“这是一个安全问题”,他说。“我们有一些老电厂,这些电厂没有与新电厂一样的结构整体性。通过使用这些ID引风机执行器,我们可以确保我们不超出炉膛和烟道部件的屈服或承受能力”。