浅谈循环流化床锅炉系统的仪表选型设计

2016-06-20谢腾腾

石油化工自动化 2016年2期

关键词：流化床自控选型

谢腾腾

(中海油山东化学工程有限责任公司，济南 250101)

浅谈循环流化床锅炉系统的仪表选型设计

谢腾腾

(中海油山东化学工程有限责任公司，济南 250101)

摘要：为了实现对循环流化床的自动控制要求，结合热工专业提出的锅炉测点位置及要求，完成了锅炉自控总体及现场仪表的选型、设计，详细介绍了循环流化床控制系统设计的注意事项。在满足测量要求前提下，优化了压力变送器安装方式，降低了投资成本，简化了现场安装且便于运行维护。锅炉自控系统投产后实际运行效果良好，达到了设计要求。

关键词：循环流化床自控系统现场仪表

循环流化床CFB(circulating fluidized-bed)锅炉具有燃料适应性广、环保性能优异、负荷调节范围广等优点，因而在世界范围内得到了迅速的发展[1]。随着CFB锅炉系统的不断发展，在满足安全、经济的条件下，CFB锅炉的自动化水平要求也不断提高，而正确选择CFB锅炉自动化仪表类型对实现自动化控制非常必要[2]。

1自控系统简介

根据某40t/h CFB锅炉厂家提供的锅炉设计测点及热工专业要求，将锅炉系统分为锅炉烟气系统、锅炉燃料系统、锅炉燃料主蒸汽系统、锅炉给水系统、给水除氧系统、疏水循环水脱盐水系统、排污系统。在工程应用中通常是多台锅炉联合使用，笔者以2台CFB锅炉为例，进行测点统计，见表1所列[3]。

从安全可靠、技术先进、经济实用的角度出发，对现场温度测点、压力测点、流量测点、物位测点、分析测点、气动阀进行仪表选型设计[4]。CFB锅炉的工艺过程比较复杂，测量点和控制回路较多，因而自控系统采用DCS[5]，系统配置如图1所示。

表1　2台CFB锅炉系统监测点统计　个

图1　系统配置示意

根据远传测点个数及电气信号进DCS点个数，统计出控制回路为210个。根据控制回路规模，按照HG/T 20573—2012《分散型控制系统工程设计规范》[6]，得出CFB锅炉控制系统规模： 4台操作员站、1个I/O机柜、2个扩展机柜、1台工程师站、3台打印机、1个网桥[7]。其中，操作员站与工程师站及打印机位于操作室内，机柜及网桥位于锅炉机柜室，机柜室配套有UPS柜。仪表用电电量为15kV·A，双路供电，1路为220V，1路为380V。

2仪表选型设计

现场仪表选型按照HG/T 20507—2014《自动化仪表选型设计规范》[8]，均采用目前主流DDZ-Ⅲ仪表。以下介绍CFB锅炉系统仪表选型及安装设计。

2.1温度仪表选型及安装

在温度仪表选型过程中，400℃以下时选用热电阻，400℃以上选用热电偶[7]。因锅炉炉膛内工况为高温、高流速、高灰浓度区，此工况下热电偶磨损情况较为严重且更换较为频繁，如果选型不合理或者插入深度设计不合理，将产生高昂的维护成本甚至对操作人员造成人身伤害。

该设计中，此工况下采用装配式法兰安装高温耐磨型热电偶，热电偶材质采用经济实用的镍铬-镍硅材质，热电偶套管采用310S材质，以保证较长的使用寿命。锅筒表面温度测量采用贴片式温度传感器，贴片式探头直径D=8mm，贴片厚度为12mm，其他远传温度仪表均采用铠装(带套管)固定外螺纹安装方式。

热电偶的插入深度设计，影响测量精度、使用寿命。因锅炉本体不同部位炉壁及保护层(保护板、保温砖、耐火材料等)厚度不同，温度仪表的插入深度根据锅炉保护层厚度及工况确定。以炉膛为例：炉壁厚度为60mm，轻质保温材料厚度为80mm，保护板厚度为80mm，保护套管伸出外部240mm。为准确测量温度，同时提高温度仪表的使用寿命，大量现场实践证明伸入炉壁内部100mm最为合适，因而最后温度计插入深度为560mm。插入深度设计完成后，请锅炉厂家确认，方可请购。

其他温度仪表选择时，在遵守文献[8]规范的基础上，均按照上述步骤进行选取。

2.2压力仪表选型及安装

锅炉流化床、炉膛、分离器进口压力测点，压力仪表选型过程中需要考虑到高温、高流速、强烈颗粒返混的工况，本着安全可靠、经济实惠原则，仪表选用引压管引压、单晶硅谐振式压力变送器。在安装过程中应该进行防堵及除尘处理。目前，针对该工况进行防堵处理的常用方案有两种：第一种安装方式参照HG/T 21581—2012《自控安装图册》[9]中，HK03-R031带除尘器的压力表安装图，但是该安装图现场安装较复杂，泄漏点较多，维护较为复杂。第二种安装方式是增加吹气防堵装置，该安装方式在一定程度上能够防堵，但是投入成本及运营成本较高，气源难取，操作复杂。在锅炉开车时，往往吹气防堵装置成为摆设。

结合上述两种安装方式，进行优化设计后的安装方式如图2所示。该方式较第一种安装方式，减少了沉降除尘器及连接件，方便了安装施工及运行操作；较第二种安装方式，降低了投入及运行成本，方便了操作。因增加了根部导压管的长度及内径，运行维护时定期打开根部导压管螺母定期吹扫即可，现场运行效果俱佳。

图2　优化后压力变送器除尘防堵安装示意

锅炉本体流向稳定其他压力测点，根据锅炉内部运行工况判断，安装方式均可参照文献[9]中相应安装图。

2.3流量仪表选型及安装

CFB锅炉一次风及二次风测量的过程中，因大部分锅炉厂家配备的直风道管线不会太长，一般长度不大于2倍直径；风速流动大，风管震动较为剧烈；风灰灰尘颗粒较多。因此，该设计在选择流量计时，采用插入式抗震漩涡流量计，抗震强度为2g(震动频率2～110Hz)，能满足工艺的测量要求。

CFB锅炉出口蒸汽流量测量时，考虑到高温、高压、高流速工况，流量计采用分体焊接式平衡流量计。平衡式流量计较标准孔板流量计，测量精度更高，压力损失更小，压力回复更快，要求直管段更短。分体式流量计的适当长度导压管能充分冷却高温高压蒸汽，在不影响测量精度情况下确保运行时维护人员的人身安全。工艺过程连接采用焊接式，是为防止高温高压蒸汽泄漏，运行时确保维护人员生命安全。

2.4物位和分析仪表选型及安装

锅炉汽包及联排液位测点，因汽包操作温度为253℃，联排操作温度为170℃，因而在液位测量时，需要配置单室平衡容器。

过热器出口及锅炉出口含氧量测量，采用直插式氧化锆氧量分析仪器，插入深度选择根据炉壁及保护层厚度得出插入深度为700mm，并带有防尘过滤措施。

3结束语

以新型高效、低污染清洁燃煤系统CFB锅炉作为特定的控制对象出发，根据测点个数、测点分布及业主要求完成CFB自控系统的设计；结合其高温、高烟速和高灰等工况特点，在满足基本性能条件下，根据安全可靠、技术先进、经济实用的设计原则，完成现场仪表选型及安装图设计。

现场压力变送器安装图的优化是基于文献[9]中标准安装图，结合多个CFB锅炉项目的现场实践经验设计出来的。通过现场使用情况来看，该设计减少投资成本、简化现场安装且便于运行维护。任何仪表安装方案的设计均需因地制宜，根据设计规范，结合实际情况，尽可能保证经济实用。

参考文献:

[1]蒋敏华，肖平.大型循环流化床锅炉技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]张艳，李少远.热电厂75t/h循环流化床锅炉自动控制系统的设计与实现[J].高技术通讯，2004，14(07)： 74-78.

[3]柴庆凯.循环流化床锅炉DCS系统的研究与应用[D].重庆：重庆大学，2011.

[4]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京：化学工业出版社，2000.

[5]毛宝瑚，郑金吾，刘敬彪.油气田自动化[M].东营：石油大学出版社，2005.