采用序列化編碼順序控制的鍋爐蒸汽吹灰系統(tǒng)

郝濤，董建朋

(河南電力試驗研究院，鄭州市，450052)

0 引言

火力發(fā)電廠燃煤鍋爐在運行過程中不可避免地在爐膛水冷壁、過熱器、再熱器管路等有煙氣通流的管路表面，以及空氣預熱器通流部分換熱面等位置有大量積灰。其產(chǎn)生的不良后果是使傳熱效果下降，從而引起鍋爐換熱效率下降，經(jīng)濟性降低，嚴重時可能造成局部管路過熱損壞，發(fā)生爆管事故或引發(fā)空預器火災［1-2］。因此，在鍋爐運行時高效、可靠地清除管路及設備上的積灰對火力發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行有重要的作用。

鍋爐蒸汽吹灰系統(tǒng)使用高壓蒸汽吹灰裝置吹掃清除鍋爐設備上積存的灰塵(包括燃煤灰及燃油積垢)。不同安裝位置的吹灰器可對爐膛水冷壁管、過熱器管路區(qū)域、再熱器管路區(qū)域、尾部煙道以及空預器通流換熱面部分實施吹灰［3］。

鍋爐蒸汽吹灰系統(tǒng)的控制可用廠家配套的控制系統(tǒng)，一般為可編程邏輯控制器(programmable logical controller，PLC)或用分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)控制。其順序控制邏輯框架通常采用多個順控模塊擴展或主順控模塊帶若干個步序模塊的方式構成［4］。

本文探討了上述控制方式可能存在的一些不盡如人意的地方，提出了一種新型的控制邏輯框架。

1 某1 000 MW機組吹灰系統(tǒng)簡介

一般來說，隨著機組容量增大，鍋爐的規(guī)模也擴大，安裝的吹灰器也隨之增多。以某1 000 MW發(fā)電機組燃煤鍋爐為例，該鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司生產(chǎn)的DG-3000/26.15-Ⅱ1型超超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，單爐膛，尾部雙煙道結構，平衡通風。該鍋爐安裝有82臺爐膛短吹灰器，上爐膛、水平煙道和尾部煙道上部兩側墻裝設36臺長伸縮式吹灰器，省煤器的左、右兩側裝有16臺半伸縮式吹灰器，空氣預熱器布置4臺伸縮式吹灰器［5］。各類吹灰器參數(shù)見表1。

表1 某1 000 MW機組吹灰器參數(shù)Tab.1 Soot blower parameters of a 1 000 MW boiler

吹灰汽源來自末級過熱器入口集箱，經(jīng)減溫減壓站降壓后供給各路吹灰器。減溫減壓站減溫水取自再熱器減溫水?？疹A器吹灰還設有輔助汽源，來自輔汽聯(lián)箱，供機組啟動初期空預器吹灰用。

吹灰器數(shù)量眾多，不同的吹灰器一般被分成若干組按照一定的順序啟動運行。吹灰過程如下:汽源開啟→開疏水電動門→關疏水電動門→爐膛吹灰器吹灰→水平煙道吹灰器吹灰→尾部煙道吹灰器吹灰→空氣預熱器吹灰器吹灰→汽源關閉→開疏水電動門→結束。

2 傳統(tǒng)吹灰系統(tǒng)控制

吹灰系統(tǒng)控制傳統(tǒng)上由吹灰設備廠家提供一套控制系統(tǒng)，一般為PLC。隨著目前大型機組控制系統(tǒng)“一體化”的趨勢，越來越多的發(fā)電機組鍋爐吹灰系統(tǒng)與主機DCS一體控制，這樣設計既有利于系統(tǒng)維護，又便于運行人員監(jiān)控設備狀況［6］。上述機組的吹灰系統(tǒng)即設計為DCS控制，分配有2對控制器，分別控制爐膛短吹灰器及長(半)伸縮吹灰器。

吹灰系統(tǒng)控制思路一般采用的是順控方式，即在DCS上按照一定的順序使用順控模塊將各個吹灰器控制塊串起來，所有的吹灰器由1個或多個順控單元控制(見圖1)。由人工或一定條件自動觸發(fā)啟動順控，順控啟動后，按照順控的步序依次啟動吹灰器。順控完成或發(fā)生故障運作失敗后，順控停止［7］。

由圖1可以看出，使用這種傳統(tǒng)順控方式的優(yōu)點在于控制邏輯結構簡單，根據(jù)順控的步序順序啟動吹灰器，設備的運行、完成狀況較為清晰，而且順控模塊控制簡單。順序邏輯也是DCS控制邏輯中常見的一種模式，在電廠控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用。

3 傳統(tǒng)吹灰控制系統(tǒng)的弊端

上述傳統(tǒng)控制邏輯的控制方式存在著一些不盡如人意的地方。順控模塊在控制的設備數(shù)量較少，特別是在1個順控模塊的步數(shù)管腳范圍之內(nèi)(各DCS廠家的順控模塊都有一定的步數(shù)限制)時，控制邏輯結構簡單清晰［8］。當控制設備很多時，由于單個順控模塊可以容納的步數(shù)有限，需要多個順控模塊進行級聯(lián)(如圖1)，此時，需要將不同的順控模塊順序連接，而且通常這種連接需要多條邏輯連線，有的用來連接主模塊下發(fā)指令，有的用來與主模塊進行狀態(tài)信息交換。這樣原本簡單的順序插入了一些無序的回環(huán)，無形中增加了邏輯結構的復雜性及不確定性［9］。

圖1 傳統(tǒng)順控模塊控制結構Fig.1 Structure of traditional sequence control module

從圖1所示的結構還可以看出，使用順控模塊搭成的順控邏輯一旦成形，想要對其中某1步所控制的設備進行修改，所涉及的改動量將會很大。特別是需要在某2步之間插入1步，在插入點之后的每1步所控制的設備均要進行修改。對于單一順控模塊構成的簡單順控來說，這樣的修改已經(jīng)會讓維護人員感覺到棘手。而對吹灰系統(tǒng)這樣龐大的控制邏輯來說，如果發(fā)生這樣的情況，無論是在基建調(diào)試期間或是正常運行期間都將是十分繁瑣和復雜的。

這種情況的發(fā)生在各個發(fā)電廠并不少見。根據(jù)實際運行狀況發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的吹灰器無法滿足工藝要求，會增減吹灰設備;或者根據(jù)工藝流程的要求，修改某些吹灰器啟動的順序(例如爐膛兩側的吹灰器同時進退，從上至下吹灰或沿煙氣流動方向吹灰等)［10］。使用傳統(tǒng)的順控模塊控制方式，這種邏輯的變化量是相當大的。再考慮到修改邏輯過程中需要格外留心避免的參數(shù)漏填、重填，邏輯連線的錯位等情況，這樣的修改無異于很大部分的邏輯重新組態(tài)生成，客觀上對于整體工程的進度保證以及日常維護造成了較大的麻煩。

4 序列化編碼順序控制方式

4.1 控制方式簡介

為了避免上述種種可能出現(xiàn)的情況，在某1 000 MW機組的鍋爐蒸汽吹灰系統(tǒng)上采用了一種新的控制模式——序列化編碼順序控制。

序列化編碼順序控制的思路是:將每個參與控制的設備(以吹灰器為例)編一個預先設定的編碼(可修改)，該編碼的順序來自工藝系統(tǒng)的要求。對于運行順序靠前的吹灰器，其設備編碼較小(或靠前的較大，按序排列即可)。順序控制的主程序控制當前需要動作的吹灰器的編碼，當程序按照一定規(guī)則產(chǎn)生的序列碼與吹灰器的設備編碼相同時，該吹灰器自動啟動。

如圖2，主程序序列碼(serial code，SER_CODE)的產(chǎn)生由以下幾條邏輯構成:

(1)程控未運行或處于暫停狀態(tài)時，系統(tǒng)產(chǎn)生一個數(shù)值很大的序列碼(stopped code，STP_CODE)，保證任何吹灰器的設備碼與之不同，程序處于停止狀態(tài)。

(2)正常情況下，程序啟動后，序列碼由系統(tǒng)中未運行的吹灰器中的設備編碼排序產(chǎn)生。當前尚未運行的吹灰器的設備編碼按照從小到大的順序排序，最小的設備碼即為將運行的序列碼(running code，RUN_CODE)。程序處于運行狀態(tài)。

圖2 序列碼產(chǎn)生過程Fig.2 Rules to create serialization code(SER_CODE)

吹灰器的設備編碼由人工在DCS上的吹灰器設備驅(qū)動塊中設定，今后需要時可在組態(tài)工具中很方便地修改。

另外，該設備編碼雖然預先在邏輯中設定，但在程控運行過程中是動態(tài)管理的。

如圖3，在正常情況下，設備的編碼等于預先設定的數(shù)值(device code，DEV_CODE);當設備出現(xiàn)以下故障狀況時，設備的編碼被設置為一個特殊的大數(shù)值(overide code，OVR_CODE)以示非常狀態(tài):

(1)該吹灰器已完成吹灰;

(2)該吹灰器所在組未被選擇進行吹灰;

(3)該吹灰器設備故障。

當程控運行序列碼(RUN_CODE)等于某支吹灰器的設備編碼(DEV_CODE)，且滿足該吹灰器運行時所需的一些外部限制條件(工藝參數(shù)等條件)時，該支吹灰器自動啟動，執(zhí)行吹灰程序。

全部吹灰器的設備編碼均置于OVR_CODE時，系統(tǒng)可判斷出該狀況是正常吹灰結束還是設備故障引起的。如果是正常吹灰結束，則執(zhí)行吹灰完成后續(xù)邏輯;若是由于故障引起，則停止程序運行，并將順控置于暫停狀態(tài)。

圖3 設備碼產(chǎn)生過程Fig.3 Rules to create device code(DEV_CODE)

由上述分析可知，采用序列化編碼順序控制方式控制吹灰系統(tǒng)，控制程序整體結構簡單清晰，依靠簡單排序即可完成數(shù)量眾多的吹灰器設備的順控控制。如設備數(shù)量需要調(diào)整或工藝要求需要改變時，僅需調(diào)整某些吹灰器的設備編號即可改變設備控制的順序或增加、刪除設備，大大減少了邏輯的修改量。同時，因為邏輯修改難度下降，也大幅度降低了出現(xiàn)錯誤而導致故障的可能性。

表2列出了傳統(tǒng)順控方式與序列化編碼順序控制方式在邏輯結構、邏輯易讀性及維護難易程度方面的比較。

4.2 在某1 000 MW機組中的應用

在上述1 000 MW超超臨界機組鍋爐蒸汽吹灰控制系統(tǒng)中，使用了序列化編碼順序控制。在邏輯調(diào)試過程中，曾多次出現(xiàn)工藝要求變化，如原先設計的過熱器區(qū)域長行程吹灰器為爐膛左、右側2支吹灰器同時對吹，實際應用中，為保證吹灰蒸汽壓力不過多下降，改為單支運行。組態(tài)維護人員只用了很短的時間修改了十幾支吹灰器的設備編碼就解決了問題。又如，初始設計的吹灰順序與工藝要求有部分出入，需要調(diào)整，組態(tài)維護人員很快就按要求完成了修改，為調(diào)試贏得了寶貴的時間。

表2 序列化編碼順控與傳統(tǒng)順控方式的比較Tab.2 Comparison between serialization code sequence control and normal sequence control

在該1 000 MW機組蒸汽吹灰系統(tǒng)上的應用表明，序列化編碼順序控制邏輯可滿足各項工藝要求，得到了各方面的認可。

5 結語

傳統(tǒng)順序控制方式在受控設備數(shù)量較多的情況下會有一些不盡如人意之處，為此提出了一種新的控制模式——序列化順序控制方式。該控制方式程序邏輯清晰明朗，維護簡單，可有效地降低邏輯維護的數(shù)量和難度;使用范圍廣泛，能應用于大多數(shù)工藝要求的控制流程，特別適用于受控設備較多的情況。在某1 000 MW機組的鍋爐吹灰系統(tǒng)上使用效果良好。該控制方式可為同類工藝要求的控制系統(tǒng)提供參考。

［1］周強泰.鍋爐原理［M］.北京:中國電力出版社，2009:168-169.

［2］DL/T 435—2004電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］DL 5000—2000火力發(fā)電廠設計技術規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［4］吳曉洲.吹灰器控制系統(tǒng)改造［J］.華電技術，2009(1):50-52.

［5］東方鍋爐(集團)股份有限公司.超超臨界鍋爐控制系統(tǒng)說明［M］.德陽:東方鍋爐(集團)股份有限公司，2008.

［6］張洪，須文波，劉飛.吹灰器優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究與應用［J］.化工自動化及儀表，2004，31(5):59-61.

［7］DL/T 5175—2003火力發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)設計技術規(guī)定［S］.北京:中國電力出版社，2003.

［8］陳裕國，談宏華.鍋爐吹灰程序控制系統(tǒng)的設計［J］.武漢化工學院學報，2006，28(1):56-59.

［9］黃鶯，曹勇，崔占忠.鍋爐吹灰器使用情況及研究［J］.黑龍江電力，2003，25(2):36-38.

［10］李洪濤，董瑞信，冷成崗，等.1 000 MW 超超臨界機組鍋爐優(yōu)化吹灰試驗研究［J］. 電力建設，2011，32(3):99-101.