引言和研究范围
本文总结了英国在常规燃煤电厂仪器仪表和控制系统方面的技术水平。文中所涉及的内容包括与常规粉煤燃烧电站相关的设备,这里没有论述先进的燃煤电厂专用的仪器仪表和控制设备(整体煤气化联合循环( IGCC),常压流化床燃烧(AFBC)和增压流化床燃烧)。
目前,随着对气体污染物排放限制越来越严格和对飞灰处理的规定越来越高,燃煤电厂的仪器仪表和控制技术的局限性逐渐暴露出来。燃煤电站一般都装备较简单的控制系统,但为了满足严格的污染物排放规定,燃煤电站需要装备更精确、更先进的仪器仪表和控制系统。
近年来,英国电力部门不再燃用国内传统的质量可靠的煤,而是转用进口煤和混煤。电力部门越来越多地使用国际贸易煤以降低燃料成本。世界的燃煤发电越来越多地反映出这种煤炭利用形式。新的燃料资源的质量不稳定,会影响电厂运行。因此,为保持和控制燃料质量(主要是硫份,其次是灰份)而进行配煤越来越重要。然而,遗憾的是许多煤的性质是不能相混的,它们之间的关系需要从试验中得出。电力部门燃用的不同的煤的特性变化很大,可导致研磨和燃烧性能不稳定。因此,重要的是对整个燃烧过程进行有效监测以便确定混煤对污染物排放和燃烧效率的影响。
要求电力部门改进电厂仪器仪表和控制系统的另一个因素是电力需求的改变。第一代超临界电站被设计成在稳定的高电力输出(基本负荷运行)条件下运行,因此这类电站可利用简单的控制系统。目前,改变对英国燃煤电站的电力需求意味着电站要相应地改变电力输出(负荷跟踪运行)。在英国,利用联合循环燃气透平( CCGT)装置发电的电厂越来越多,意味着大多数英国燃煤电厂不再以基本负荷运行,而是以两班倒的特定负荷跟踪方式运行,此时 CCGT装置以固定负荷运行。两班运行即电厂将在半天以高输出(~80%)远行(通常是白天)、下半天以低输出运行。这种运行方式也在全球范围内的燃煤电厂中越来越常见,而电厂控制系统面临的问题也很普遍。
当电站的电力需求在负荷跟踪运行过程中改变时,燃料、空气和水的输入量也必须做相应的改变以保持蒸汽的质量和避免损坏锅炉、透平和相关的设备。在电力需求快速变化中对锅炉保持精确控制是比较困难的。诸如热能和惯性等的动态效应可导致控制动作和理想响应之间产生明显的延迟。
和世界上其它地方一样,在负荷跟踪方式运行时,为保证超临界锅炉的安全运行需引进先进的计算机控制系统。这些最优的调节控制器根据计算机模拟的系统响应改变锅炉的输入。目前计算机智能控制系统也正在世界上亚临界电站中开发。在英国,鲍尔根( PowerGen)公司参与了开发 GNOCIS神经网络控制系统,用以平衡 NOx和灰中碳的含量。随着计算能力的飞速发展,用传感技术建立更高的‘智能’控制系统在某种程度上看来有一定的局限性。
图1 典型粉煤燃烧电站示意图(可选择更新除尘器和NOx脱除装置)常规燃煤电站的一些“控制块”:
1.蒸汽压力和发电控制
2.燃烧过程控制
3.蒸汽温度控制
4.水—汽回路控制
本文将集中讨论上述第2个‘控制块’:燃煤电站燃烧过程中所用的仪器仪表和控制方法,即整个过程中与煤炭利用关系最密切的那部分。为此,燃烧过程将分为下面几部分:
.粉煤供给系统
.锅炉/燃烧器系统
.煤质
.燃烧污染物排放
本文也将谈及技术开发中涌现的新一代先进控制系统。英国技术水平
粉煤供应系统
将煤从粉磨机送到燃烧器的输送系统可分为三类:直接的、半直接的和间接的。大多数电站由直接燃烧系统输送煤、这是三类中最简单的一种。直接系统包括一次风机、磨煤机和从磨煤机到燃烧器的空气运输管道。一次风机接收周围空气与来自锅炉风箱的预热空气的混合气。直接系统可用空气或烟气作为煤干燥和输送的介质。
为满足锅炉内的附加热的需要,粉磨机输出的粉煤量就要增加。如果使用立轴式磨煤机,那么进入磨煤机的煤随着进入粉磨机的空气流量和温度的增加而增加。进入磨煤机的—次风流量可由改变入口风门的开度(这里的一次风机为所有磨煤机共用)或通过调节各一次风机的速度来调整。—次风量可用文丘里管流量计或流线型流量计测量。进入磨煤机的煤流量可通过改变给煤机的速度来调整。如果使用管磨机,那么通过磨煤机的煤的流量增加,空气量也增加,以便维持磨煤机的正常运转。目前,英国为电厂提供空气流量计的公司有:卡尼佩尔佛洛(Carne Perfolow)公司、科尔顿(Conlton)仪器仪表公司、丹福斯(Danfoss)有限公司、德尔塔(Delta)控制系统有限公司、恩德埃斯+霍瑟(Endress+Hauser)公司、欧文锡科(Erwin Sick)光电有限公司、费希尔罗斯芒特(FisherRosemount)公司、福克斯伯勒(Foxboro)公司、哈尼维尔(Honeywell)控制系统有限公司、施卢姆博格尔(Schlumberger)公司和斯皮耶科斯萨罗(Spiax-Saro)有限公司。
在理想情况下,测量进入各个燃烧器的煤流量是可行的。目前,英国正进行着几个旨在开发粉状燃料在线流量计的研究与发展( R&D)项目。其中最有名的是赛德(Teesside)大学与ABB肯特-泰勒(Kent-Taylor)有限公司合作的项目。开发的静电测量议在斯考蒂施( Scottish)电力公司的梅西尔( Methil)电站进行了全规模试验,并且对粉煤输入管道系统中三叉管的燃料分流进行了成功可靠的测量(见图2电厂示意图)。另一个是 INFLO控制系统有限公司开发的微波质流技术,该技术在德国进行了广泛的试验。图3所示是典型磨煤机系统和控制方法示意图。 |
![]() 图2 斯考蒂施电力公司梅西尔电站的粉煤静电测量仪试验试验示意图 |
图3 粉磨机控制采集悬浮粉煤的过程对空气流形成了阻力,阻力随采集率的增加而增大。因此,要测量磨煤机入口至出口的压差,并作为悬浮粉煤生产率的经验指数。
进入磨煤机的空气通过空气加热器和研磨动作本身产生的热加热。为获得最佳热效率,煤/空气混和物应该加热至可接受的最高温度,但混和物的燃点决定了最高温度上限。因此从空气加热器出来的热空气要与冷的‘预热’空气混和,以确保磨煤机的出口温度适当。自动控制回路通过调整预热空气流量将该温度维持在最佳值。
可用INFLO控制系统有限公司开发的声学技术测量磨煤机中的燃料粒度。这种技术能够很好地监测磨煤机的运转情况。
为能够有效地控制粉煤供给系统,应该测量/监测以下参数:
·一次风流量( i/c) c
·粉磨机压差( i/c) c
·煤/空气温度( i/c) c
·预热空气温度( i/c) c
·粉磨机的抽风机压力( i/c) c
·煤仓输煤料位( i/m) c
·灰斗料位( i/m) c
·沉淀器料位( i/m) c
(i/c)c=控制仪:目前使用
(i/c)f=控制仪:未来使用
(i/m)c=测量议:目前使用
(i/m)f=测量议:未来使用锅炉/燃烧器系统
典型的粉煤燃烧电厂锅炉示意图如图4所示。燃烧器进料为燃烧空气和来自研磨系统的粉煤,燃烧器组向锅炉内点火。锅炉内衬将水转换成蒸汽驱动电站透平的热交换管。热交换管组也装在锅炉的出口,以便在燃烧过程中获得最高的热效率。热交换管组包括过热器、再热器和省煤器(见图1)。 |
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在实际应用中,上述参数在锅炉运行过程中不改变,以便控制燃烧条件。然而,如果要改变这些参数,可用下面列举的方法:
一次风与粉煤比——改变进煤量,改变一次风机速度
二次风供给量——改变风门位置
燃烧器倾角——人工改变各燃烧器位置
粉煤燃烧模式——改变磨煤机到燃烧器的进煤量
控制电站锅炉的目的是保持最佳燃烧效率。为节省燃料消费成本、降低CO2排放总量和减少飞灰中未燃碳,就必须提高燃烧效率。
粉煤电站运行上的许多约束是由与温度有关的金属工艺方面的限制决定的。因此,电厂的运行及其输出取决于电厂关键部分的温度测量的精确性,例如锅炉管道。温度也会影响电厂的效率,因此温度测量是必要的,以便提醒操作人员注意电厂的不正常情况。过热器、再热器和省煤器的温度需要测量。锅炉的温度在蒸汽侧测量,而不是在锅炉的烟气侧测量。锅炉烟气侧的环境恶劣,使仪器无法测量。由于锅炉内环境恶劣,因此,必须推测烟气侧发生的情况,这样做是很困难的,但利用锅炉外的热电偶网可近似测量锅炉的温度分布。
压力测量议已在电厂中大量使用,这种仪器的广泛应用对保证电厂的安全运行是至关重要的。测量热交换器两端的压差以检查管道是否堵塞就是一个例子。
电厂中使用的仪器仪表是由下列公司生产的:ABB肯特-泰勒有限公司、贝利(Bailey)自动化上市公司、科普斯-武尔坎(Copes-Vulcan)有限公司、钻石电业有限公司、恩德埃斯+霍瑟公司、欧文锡科光电有限公司、费希尔罗斯芒特公司、福克斯伯勒公司、杰姆斯特兰仪器(Gems Tansinstruments)公司、盖斯特技(Gestra)(英国)有限公司、哈尼维尔控制系统有限公司、米尔特罗尼科斯(Milltronics)有限公司、施卢姆博格尔公司、斯皮耶科斯-萨罗有限公司、瑟谢夫(Syseca)有限公司和涡轮机控制系统有限公司。
粉煤燃烧炉中燃烧器的安全有效运行是锻炉整个运行过程中最重要的。火焰不足可导致未燃燃料进入锅炉,从而导致具有爆炸性的燃料/空气混和物的聚积。另外,为保持燃烧系统的高效率,应该随时监测和评估火焰质量,以便能够迅速确认和更正火焰点火盘的任何不稳定性。在英国,火焰监测仪由以下公司生产:兰德(Land)燃烧公司、斯佩克特斯(Spectus)公司和托德(Todd)燃烧公司。 |
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粉煤燃烧炉中燃烧器的安全有效运行是锻炉整个运行过程中最重要的。火焰不足可导致未燃燃料进入锅炉,从而导致具有爆炸性的燃料/空气混和物的聚积。另外,为保持燃烧系统的高效率,应该随时监测和评估火焰质量,以便能够迅速确认和更正火焰点火盘的任何不稳定性。在英国,火焰监测仪由以下公司生产:兰德(Land)燃烧公司、斯佩克特斯(Spectus)公司和托德(Todd)燃烧公司。
粉煤燃烧中的未燃碳不仅影晌用于降低粉尘排放的静电集尘器的除尘效率,而且也影响飞灰作为燃烧副产品的销售价值。目前英国生产灰中碳含量监测仪的公司有:克莱德普纽麦蒂克(Clyde Pneumatic)传输有限公司、 EG和 G伯特霍尔德(Berthold)公司、 ETI集团有限公司、INFLO控制系统有限公司。帝国理工学院也正在研制不取样的灰中碳含量在线监测仪。
利用省煤器出口的O2和CO探针网测量省煤器中O2和CO含量。省煤器的气体温度低、条件好可进行精确测量。如果CO含量过高,那么可通过调节二次风的风门(前已述及)增加锅炉内的过量空气。
当聚合劳烃(PAHs)含量连同O2、CO2和灰中碳含量一起测得时,也能提供有关锅炉/燃烧器效率的有价值的信息。如果锅炉中有火焰跳动现象,那么就要定期测量炉中O2含量。然而,还没有进行过炉中O2含量的在线测量。
在燃烧过程中产生的少量SO2,可被氧化生成三氧化硫(SO3),SO3与水蒸气混合形成硫酸( H2SO4)。酸的凝聚会导致设备腐蚀。锅炉烟气中SO3和H2SO4的含量可通过测量气体的酸露点温度确定(见图1)。
在英国,锅炉的控制和监测系统由下列公司生产:自动过程控制系统有限公司、贝利自动化上市公司、钻石电业有限公司、 ETI集团有限公司、福克利伯勒公司、 GEC阿尔斯瑟姆(Alsthom)(包括 EGT)公司、盖斯特拉(英国)有限公司、兰德燃烧公司、彭特尔-恩维罗(Pentol—Enviro)(英国)有限公司、罗尔斯-鲁瓦斯(Rolls-Royce)工业控制系统有限公司、SAACKE公司、斯佩克特斯有限公司、斯皮耶科斯-萨罗有限公司、瑟谢卡有限公司和涡轮机控制系统有限公司。
锅炉/燃烧器系统中应测量/监测的参数有:
·粉煤流量(
i/c)f |
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煤质
电厂锅炉燃用的煤的质量与锅炉及其辅助设备的性能有直接关系。灰含量和特性的变化阻碍锅炉在最高效率下运行,最终导致运行和维护成本增加。对电力部门来说煤质对污染物排放和燃烧过程中残渣的销售的影响也成为越来越重要的问题。
因此,电力部门正在寻找改进电厂控制的方法。自二十世纪八十年代后期以来,发电厂商们就已使用灰份和水份在线测量仪监测电站的进料。尽管认识到灰份和水份对锅炉运行产生影响,煤质通常不作为一项输入值输入到计算机监测和控制系统中。在线分析仪可提供重要的煤质参数信息,它将能够使控制系统补偿任何变化对电厂远行产生的影响。使用精心设计的燃料管理系统的一些电站并没有把煤质参数考虑在内。如果对电站的实际需求给予密切关注,那么就会发现存在着改进电站运行的大量机会,并且也符合用户的需求。
下面是目前世界各地在线测量的主要的煤质参数:
·煤中灰份( i/m) c
·煤中水份( i/m) c
这也将有利于电厂操作人员在线监测其他煤质参数:
·煤中挥发份( i/m) f
·煤的热值( i/m) f
·煤中的氯含量( i/m) f
目前已有能够给出煤的所有元素分析的在线测量议,但是这些仪器都很贵,还不能作为标准仪器在电站中采用。然而,在南非的一个例子中,正是应用这种仪器使煤矿和电站之间顺利完成了商业交易。
斯考蒂施( Scottish)电力公司的隆加尼特(Longannet)电站采用了在电厂运行过程中在线测量煤热值(CV)的技术。该仪器可实时测量密度、灰份和水份、并可从煤阶分类表中查找数据计算净热值。这种仪器是INFL0控制系统有限公司生产的。燃烧污染物排放
硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和粉尘等污染物的排放限制越来越严格。因此,电厂生产者监测生产过程和污染物排放以便随时检查运转情况是非常重要的。
同时也确保电厂的燃烧污染物排放低于规定的排放限制,监测并提供有关燃烧过程的信息。然而,实际上,除CO和O2的浓度外,污染物排放的测量值没有反馈到控制系统中。为确保电站遵守排放限制、就要随时监测污染物徘放情况。
通常在锅炉烟道或烟囱中进行污染物排放测量。在烟囱中用标准气体分析议监测的排放气体一般包括: O2、SO2、NOx、CO2和 CO。以下公司都生产烟气分析仪: ABB肯特-泰勒有限公司、阿尔法( Alpha)电子上市公司、阿尔派恩(AIpine)配件公司、贝利自动化上市公司、科德尔(Codel)国际有限公司、伊诺蒂(Enotec)英国有限公司、欧文锡科光电有限公司、 ETI集团有限公司、费希尔罗斯芒特公司、福克斯伯勒大不列颠有限公司、兰德燃烧公司、彭特尔—恩维罗(英 国)有限公司、普罗卡尔(ProcaI)分析有限公司和塞尔沃麦克斯(Servomex)集团有限公司。
通常也利用光学探测系统横置在烟囱里进行浊度测量。一般在引风机后进行测量,因为在这一段气体是均匀混和的,所以,测量值将更准确地反映燃烧过程。以下公司都生产电厂粉尘排放监测仪:科德尔国际有限公司、欧文锡科光电有限公司、 ETI集团有限公司、福克斯伯勒大不列颠有限公司、兰德燃烧公司和彭特尔-恩维罗(英国)有限公司。
电力部门在上升气流中定期利用等运动抽取采样分析燃烧气体中的微量元素(例如汞(Hg)、硒(Se)和硼(B))。并且也用来分析灰中的碳含量。虽然现在用于测量灰中碳含量的现代采样系统已装备了在线分析仪,但是目前正在开发的新型非侵入、不取样的测量技术越来越受到关注。目前正在进行研究工作,以设法开发出既能测量微量元素也能测量灰中碳含量的不取样在线测量议。
目前,有关取样的代表性和污染物排放监测议的监测结果都没有明确的规定。烟气测量的仪器选择、现场的仪器校准和精密度也没有明确的规定。为此,环境机构、GAMBICA、仪器、控制和自动化协会以及DTI/ DOE联合环境市场机构(JEMU)提供资金、共同着手建立英国工业烟囱污染物排放监测仪的鉴定方案。用于大型火电厂的取样器和烟囱中污染物排放监测仪或现场污染物排放监测仪都将被作为最初的研究目标。人们希望鉴定方案将能使用户更好地根据他们的需要选择合适的仪器。被监测的排放污染物如下:
·O2(i/c) c
·SOx( i/m) c
·NOX( i/m) c
·CO2( i/m) c
·CO( i/c) c
·粉尘( i/m) c
·微量元素( i/m) c先进的电厂控制系统
新一代计算机控制系统正处于试验阶段,并引入电站使用。在英国,鲍尔根上市公司与南方公司和电力研究院(两个都是美国的)合作开发了基于神经网络的通用NOx智能控制系统(GNOCIS)。GNOCIS是在电站现有数字控制系统基础上的提高,它可降低NOx排放,同时以低成本满足其它的运行限制。 GNOCIS系统的核心是非线性 NOx排放模型及其他参数(例如灰中碳含量)。系统的优化流程确定最佳给定值,并通过现有的DCS(开环)传递给电厂操作人员,或由电厂经营者决策,没有操作人员的参与自动完成控制参数的设定(闭环)。 GNOCIS以开环形式在鲍尔根公司的金斯北( Kingsnorth)电站进行了试验,以‘闭环’形式在阿拉巴马(Alabama)电力公司的加斯顿( Gaston)电厂和乔治亚(Georgia)电力公司的哈蒙德( Hammond)电厂进行了试验,实现了降低NOx排放和改进燃烧性能的目的。这些系统曾经用电厂过去的数据做了试验,在性能上是可靠的,它们利用现有的仪器和控制系统测得的实际数据为操作人员提供参考或自动设定电厂控制参数以获得理想的输出。
GNOCIS只是目前正在开发的模糊逻辑或神经网络控制系统类型中的一个例子。一旦这些系统与适当的煤供给系统和锅炉本身的控制装置集成在一起。那么它们能够产生比现在更有效的锅炉控制。现有先进控制系统的一个例子是由INFLO控制系统有限公司提供的Ultramax技术。该技术是对锅炉性能进行概率计算,为操作人员进行锅炉调整提供信息。目前,智能控制系统由下列英国公司生产: ABB肯特-泰勒有限公司、福克斯伯勒公司、 MDC技术有限公司、 INFLO控制系统有限公司、鲍尔根上市公司、罗尔斯-鲁瓦斯工业控制有限公司和瑟谢卡有限公司。公司名录
研究和开发的粉煤流量计 INFLO Control Systems Limited University of Greenwich University of Teesside 火焰监测仪 Spectus Limited 研究和开发的灰中碳含量监测仪 测量仪 Danfoss Limited |
Diamond Power Specialty Limited 研究和开发的测量仪 智能控制系统 研究和开发的智能控制系统 电厂仪器仪表 粉尘排放监测 颗粒粒度测量 水流量计 |
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欲获取有关洁净煤技术项目的资料和有关出版物, |
煤炭信息研究院负责英国洁净煤技术项目资料的翻译、出版及散发,欲获得本项目资料及有关出版物或洽谈合作,请联系: |
| 专题004 |
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