300MW机组稀相气力除灰控制系统设计与应用

DesignandApplicationofLeanPhasePneumaticAsh
RemovalSystemof300MWBoilerSets

　　上海外高桥发电厂（上海200137）　　梁国建
摘　要：分析300MW机组稀相气力除灰系统工作原理；以300MW机组引进稀相除灰系统及控制应用实例为背景，结合华东周边地区应用的情况，指出相应控制系统的结构特点与设计方法。
关键词：气力除灰；稀相输送；控制系统；设计应用；工艺流程；省煤器；气锁阀

　　除灰系统及PLC（ProgrammableLogicCon－troller）控制是近年来电站新建、扩建、改建（含大代小）的热点项目之一。随着电站大机组的建设，环境保护对电站建设中的除灰、脱硫、排渣、除尘、废水排放等提出了更高的要求。除灰系统的设计与制造前景非常广阔。特别是北方地区的电厂受自然条件的限制，缺水非常严重，推广气力除灰技术更为迫切。300MW机组新建电厂或老厂改造（含大代小），按2×300MW机组稀相气力除灰系统配置，以工艺流程为基础，机电一体化为核心的新颖设计思想，从工艺系统考虑，摈弃了传统的设计方法，优化工艺流程，加强系统计算，在保证工艺过程合理的基础上，充分利用和开发了软件的功能。在PLC控制系统设计上，增加了与DCS系统及其它信息网络（InformationNetworks）的接口，改进原来主机与远程站DH＋单缆冷备通讯，采用与远程通讯的双缆热备ControlNet网络的设置，并提出了模拟信号处理采用总线通讯的新思想。2×300MW机组的除灰系统是国产化大型程控设计的一个新课题，其中涉及到气固二相流体力学、机械制造、机电接口、可编程控制器、计算机网络技术、数据通讯、生产过程自动化、气动原理等多方面的专业技术，是集机电一体化、自动控制设计为一体，具有代表性的典型项目。
　　现以上海外高桥发电厂稀相气力除灰输送控制系统为背景，结合华东周边地区实际应用中所出现的问题，提出意见和建议，为今后选择或制造
同类系统时提供参考依据。

1　工艺流程及控制原理
　　气力除灰系统的主要任务是将省煤器及电除尘下集灰斗所收集到的飞灰，通过气力输送排放到灰库，然后用车装运，或搅拌成湿灰装船运走。整个过程是以密封管道形式输送。稀相除灰系统的最大压力P≤0．2MPa。
1．1　控制原理
　　该飞灰系统是一套微正压气力输灰装置，每台机组对应一套输灰装置，两台机组为一个控制单元，可同时或单独运行。其控制原理简述如下：

　　（1）用输送风机作为系统的动力源，将烟尘内收集到的飞灰排往灰库。
　　（2）系统内设两根输灰管，粗、细灰分排，将省煤器和一电场里的粗灰收集起来后输送到对应机组的粗灰库。而二、三电场的细灰则被输送到细灰库。当1号炉粗灰管出现故障时，用细灰管将粗、细灰送至1号／2号细灰库。灰库也可以选择，当细灰库不能工作时，可用1号炉或2号炉输灰管将粗、细灰输送到1号或2号粗灰库；同样，当粗灰库不能工作时，可将粗、细灰输送到细灰库。

　　（3）气锁阀从灰斗里收集灰并将灰排到正压输送管路。气锁阀工作周期为2min，根据时间分别控制气锁阀的进排灰，灰斗与气锁阀的压力、气锁阀与输送管道的压力均保持平衡。为了使输灰管路内的灰流量稳定，同一电场的各个气锁阀的工作周期相互错开，即有4个气锁阀在进灰，4个气锁阀在排灰，气锁阀的前半个周期为进灰时间，后半个周期为排灰时间。
　　（4）灰斗气化风机通过加热管道给每个电除尘灰斗的气化板及气锁阀提供干燥的热空气，使气锁阀的灰呈流化状态。灰库气化系统将加热空气引入灰库，防止灰库内灰结块，同时使灰库内的灰呈流化状态，便于灰从灰库内排出。灰库布袋除尘器对灰库内的气灰混合物进行过滤，以保证排放空气的纯度为99．9％。

　　（5）灰库底部有干灰伸缩节卸灰装置，放灰时，收尘风机联锁自动投入，将余灰吸入灰库，确保放灰干净。另留有两个湿排灰卸载口，为湿排灰搅拌或装船，作为备用手段。

2　除灰控制系统的设计
　　除灰系统的PLC控制设计比较复杂，除工艺本身涉及到的气固两相流体力学计算外，其逻辑条件比较复杂，设备选型、匹配比较特殊。有的老电厂系统改造时，仍需保留原水力排灰装置，水／气隔离阀的共存给系统设计带来了更大的难度，也提出了更高的要求。
2．1　I／O离散量分布
　　开关量输入DI：544；开关量输出DO：448；模拟量输入AI：24；冗余量：20％。
2．2　PLC控制系统的配置
　　2×300MW机组除灰系统的PLC与上位监控机布置见图2，下设4个远程站和1个本地站，本地站主要完成人—机接口及信息管理功能。

　（1）程控系统主机（PLC）采用RockwellAu－tomation公司的PLC－5／40C系列可编程控制器2台，组成一套完整的双机热备系统，对飞灰系统实时监控。其中一台为主控器，另一台为热备机。当一台出现故障时，另一台在50ms内无扰自动切换上去，保证系统安全可靠连续运行。上位机监控采用Rockwellsoftwaer的RS－View软件，以Windows95和NT为操作系统，以RS－232／DH＋485通讯口连接2台64cmCRT，另配2台喷墨打印机组成监控本地站，供运行人员监控用。
　　（2）远程通道与主机之间采用控制网络进行通讯，通讯介质为同轴电缆，传输距离最长为30km，传输速率为5MBaud。本系统设计传输距离为1500m，传输速率为5MBaud。每个远程站按功能作用不同，配置不同的I／O模块。留有与以太网及DCS的标准接口。
　　（3）下位机控制采用运行在MicrosoftWin－dows95和WindowsNT环境平台的RSLogix5软件，运用最新技术以节省开发时间，获取最高效率，新的RSLogix5软件融梯型图、拖放数据库编辑、准确方便的I／O组态、参考信息、报表诊断功能为一体，加强互操作性，增加了自动检测和组态通讯参数，以提供可靠的通讯方式。

3　稀相除灰系统应用问题分析与探讨
　　近年来，新建、扩建、改建（含大代小）的300MW机组大都采用稀相除灰输送技术，但每个电厂由于燃烧煤种、灰分比例不同，陆续暴露出一些问题。总结其经验教训，为我们更好地掌握、应用、开发该系统，提供良好的技术储备。
3．1　灰管堵灰
　　堵灰问题是除灰系统中三大“瓶颈”问题之一，如何解决克服这一重大缺陷是制造商在设计时考虑的主要方向之一。在1号炉调试时，系统曾出现过省煤器输灰管堵灰及灰倒流现象，不得已在其输灰管出口端加装了手动闸阀，靠人工完成作业。为此，我们会同外方专家及设计院、安装公司等单位商量解决办法。改变原管路走向，减少90°弯头，并缩短管路距离，对2、3、4号炉的原直“T”型三通改成“Y”型三通，解决了堵灰问题，并得到了外方专家的赞同。
3．2　风机过压保护
　　输送风机的可靠运行是系统出力动力源的根本保证。系统原设计负荷压力运行范围不大于105kPa。但在实际运行中，曾出现过管道压力超出定值20％以上。为此，我们同外方专家一起商讨风机保护措施，在软件程序上增设自动保护功能。当由于突然故障使负荷增至120kPa并持续10s，风机便自动跳闸报警。增设这一功能以后，确保了输送风机在限定的范围之内安全运行。
3．3　压力趋势监控
　　压力趋势图能实时反应压力变化，分析压力趋势走向，帮助我们监控系统的运行状况，以免在极限峰值边界附近波动。外方在设计中没有考虑这一因素，故在Control－View软件选件中没有配置这一功能的软件包，以至对突发故障所致的压力突然增高，无法用数据记录其原因及时间。外方在前期排空清管设定值为38kPa。实际运行中，特别是省煤器至一电场排灰这一段，经常出现堵灰现象。中方工程技术人员向外方提出这个问题，外方开始不相信，将排空清管这一设定值改为45kPa，吹扫2min。看上去是解决了堵灰问题，实际上管道仍有积灰现象，影响出力。经过几次试验，外方修改了原程序，改变了排灰顺序，延长了吹扫时间，并在1、2、3、4号炉增加了实时压力趋势图。

3．4　双机热备通讯
　　双机热备的主要目的是考虑电站的特殊性。希望当主控机发生故障时，另一台热备机能无扰动地自动切换上去，代替主控机工作，保证系统可靠运行。从主机配置来看是没有问题的。但在软件设置及组态上，外方的设计也是有问题的。在通讯热备用程序的编写中未组态好，以至在1号炉调试中无法完成这一功能。后来还是中方技术人员会同PLC中国代理商的GTS人员一起会诊才找出其症结。建议今后在系统设计时，特别是编写程序时对这一功能特别考虑。
3．5　系统通讯抗干扰
　　程控系统中，远程通讯的抗干扰问题一直是困扰工程技术人员的天敌。书本上提及的大多是理论原则，而现场实际工况各有不同，故即使有成功的经验亦只能借鉴，而不能生搬硬套。因为其涉及到传输速率与阶误码率的问题，两者必然矛盾。综合平衡考虑其他因素，在满足系统PLC运行速度和内存容量的条件下，应尽量采用软件抗干扰设计。其主要方法是数字滤波、睡眠模式、看门狗定时器、指令冗余、标志判断。上述几种方法应根据不同的工艺和要求，分别对硬件、软件进行改进，找出干扰因素的起源，选择有针对性的抗干扰措施。在实际应用中，我们对硬件采取了一些保护措施：
　　（1）首先是将通讯电缆与动力电缆、信号电缆分设隔离；
　　（2）其次在通讯电缆的连接处加装金属保护套管；
（3）再次是计算机系统设置独立接地。

　　这样基本上消除了干扰信号，从而保证系统通讯可靠、稳定、安全运行。

4　稀相除灰系统及PLC的设计改进方向
　　下面提出新系统设计与改进的几点建议。
4．1　系统出力计算
　　输灰系统采用间断输送方式运行，系统出力按200％冗余设计。若有水力除灰作备用，系统出力可以按120％～150％冗余设计，给检修、维护留有足够的时间。
　　系统出力、系统阻力、灰气比、当量长度、送风量在参照国外技术的基础上，应根据燃烧煤种变化的实际工况，通过模拟试验结合现场试验不断加以总结，形成我国自己的设计计算方法。确保设备选型数据的准确性，使所选设备与系统完好地匹配，以保证整个系统设计合理与运行可靠。
4．2　远程通讯
　　电厂灰库区域的自然环境一般比较恶劣，附近还有许多场源、电磁噪声等干扰因素，DH＋单缆通讯（冷备用通讯电缆）不适应中国电厂的运行环境，所以都要求双缆热备通讯，以防突发故障。远程站采用主－从通讯方式，当就地出现故障时，从站没有在线控制能力，要返回主站寻找故障，在实际应用中，给检修判断故障带来许多不便。
　　主控PLC与远程站的设置应改用ControlNet网络双缆热备通讯，增加PLC－5／20主机，改适配器通讯主－从方式为令牌环方式。该网络具有遥控输入／输出的功能和5Mb／s的数据信息传输能力（DH＋通道）。高通数据用于改进输入／输出信息和PLC的联锁功能；ControlNet网络媒介预选件还能提供更高级的系统潜能。安装双缆可以防止网络失误、线路断裂、节点丢失或外部声源的干扰等。该网络还可帮助用户确信所需的确定性和重构性，只要相应的设备和各模拟卡，该软件可对其提供反馈，对控制系统进行严密的控制，真正从根本上解决远程通讯中所出现的问题。
4．3　机电接口
　　国内的6kV开关触点为常开形式，而国外采用负逻辑设

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