锅炉二次风门气动控制系统改造方案探讨
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【摘要】本文以哈锅2×660MW超超临界四角型锅炉为例，论述了锅炉二次风门气动控制系统的控制方案，并针对使用过程中存在的问题进行优化改造方案探讨。
【关键词】二次风；气动控制系统；机械定位器；智能定位器；优化改造方案
二次风提供锅炉燃烧时所需的助燃空气，优化燃烧室内热力场的风量和煤粉量的配比，提高锅炉稳定燃烧能力和入炉煤的燃尽程度，减少物理和化学类的热损失，控制出口烟气含氧量，在控制稳定炉温、强化传热方面起到重要作用。根据锅炉各风门所起的作用不同，二次风又分为中心风、周界风和燃尽风。
二次风门气动控制系统是控制火电机组锅炉二次风门挡板开度的气动控制设备，以其动作速度快、使用安全、维护简单、寿命长等优点得到广泛应用。它以标准仪用压缩空气为动力源，接收DCS提供的4～20mA电流信号，根据锅炉负荷情况通过控制二次风挡板，来调整二次风量来改善锅炉燃烧特性，适应负荷的变化。
一、原控制方案简介
以哈锅2×660MW超超临界四角型锅炉为例，风门挡板开关采用“层操”，即在同一标高上的执行器同步动作。
最初的设计原理为：DCS系统发出的4～20mA指令信号通过就地控制柜内的电气转换器转换相应的0.02～0.1MPa的气压信号，再经气动放大器进行流量放大后通过机械定位器去控制同层4台二次风执行器。执行机构的位移由位置变送器转换为4～20mA反馈信号至DCS。
然而在运行使用中发现，部分气动执行机构关不到位，导致四角二次风门配风不均，向炉膛内漏风，影响炉内空气动力场。究其原因一般为：
1.由于气源配管用量较大，焊点较多，容易产生泄露，进而影响执行机构动作精度和反馈信号；
2.如果控制同一层的电气转换器故障，将造成同层的4个二次风门失控，反馈信号漂移；
3.由于气源中含杂质，机械式定位器容易出现卡塞现象，导致气动执行机构不动作。
二、优化改造方案探讨
鉴于现场使用中存在的问题，我们将对原控制系统进行优化改造。由于原“一控四”气路控制方式无形中增加了故障点，我们将其更改为一控一的控制方式，即一台电气转换器只控制一台执行器，各执行器之间不会互相干扰。具体有如下两种改造方案：
（一）仅更改气路控制方式，沿用之前的机械型定位器
1.改造方式
将原有的一控四气路控制方式更改为一控一的控制方式，需在相对应的控制柜内增加电气转换器，并且在柜内加装一分四的电流信号分配器，不需要修改DCS的端口和主控操作画面，除电流信号分配器需要增加一路电源线外不需要修改原有电缆布线；控制回路部分：将原有一控多的气路更改为一路控制信号通过电流信号分配器后转换为多路控制信号分别接入相应的电气转换器，每个控制柜增加一路220V电源供电流信号分配器使用。具体原理如图1。
2.优势
（1）采用一控一的控制方式，避免了执行机构间的干扰；
（2）机械定位器流量大，且适用于温度稍高或有电磁干扰的环境中，对气源的要求也不是很高，维修成本较低，可自行拆卸、清洗。
3.存在问题
（1）机械定位器安装调试稍显复杂；
（2）此种改造方式需增加很多控制柜数量，成本提高，且由于现场安装空间限制，控制柜不便于安装，甚至造成气源管路环绕，安装难度加大；
（3）由于改造方式不是闭环控制系统，无法对现场管路漏气进行检测、修复，进而导致执行机构动作震荡等问题。
（二）更改气路控制方式，采用智能型定位器
智能型定位器可以实现就地一体化安装，集电气转换器与定位器功能于一体，控制精度好，动作平稳，操作简单，安装维护简易，具有智能通讯和现场显示功能，便于维修人员对定位器工作情况进行检查维修；而且可以进行自动调校，组态简单、灵活，可以非常方便地设定阀门正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。智能定位器可分为一体式和分体式。
1.采用一体式智能定位器
（1）改造方式
现场原设计为一控四的气路控制方式，现更改为一控一的控制方式。将原机械式定位器更改为智能型定位器，在定位器出口与气缸之间连接相应的铜管，并把原工作气源管接入ABB智能定位器即可。由于现场DCS电缆已铺设完毕，为节约成本，需保留原有控制柜且在柜内加装一分四的电流信号分配器，在控制柜与各执行器之间增加控制信号线，并在柜内增加一组电流信号分配器的220V供电电源线，反馈信号线使用原位置变送器的反馈线，原有DCS控制不变。
执行机构反馈可使用传统的铰链摆臂式连接或动作转换器连接。铰链摆臂式连接方式可直接利有原有位置变送器的支架换上ABB智能定位器，不需要增加其他机械连接装置，连接简单，定位器拆装方便；动作转换器式连接在直行程转换为角行程时所出现的线性精度更高，占用空间更小，有利于执行机构的安装布置，有的情况下可以不用区分执行机构的左右型，可做到完全通用，机械强度更高，在恶劣的现场环境下不易发生损坏。
一体式定位器如图2所示，智能定位器直接安装在直行程气动执行机构上。
（2）优势
1）智能定位器控制精度好，动作平稳，操作简单，安装维护简易，具有通讯和现场显示功能，便于维修人员对定位器工作情况进行检查维修。且具有自动调校功能，很方便地设定阀门正反作用等；
2）一体式定位器直接装配在执行机构上，控制和反馈结合在一块，无需控制柜。电气接线和气路连接均在现场执行器上完成。系统简单，施工和调试方便。但本方案因用于改造项目，为尽量减少现场的改动，降低成本，故此优势无法体现。
（3）存在问题
1）在日常维修方面，智能定位器在一定程度上受环境温度影响。由于智能定位器内控制部分为电路板，长期运行在高温环境下很可能导致烧毁，或进水等情况下若更换主板、反馈板，维修费用高；
2）智能定位器对气源的洁净度要求比较高，很容易造成定位器内部堵塞，给日常维护带来不便。
2.采用分体式智能定位器
目前，锅炉二次风门气动执行机构多采用一体式智能定位器，但由于现场运行工状比较恶劣，特别是有些风门挡板的轴端漏风比较严重，靠近锅炉壁侧温度较高，这样恶劣的运行环境还加速了电子元器件的老化，定位器主板烧毁，造成了执行机构动作不稳、卡涩等故障。为消除这些故障还必须安装脚手架后才能处理，这样就加大了机组的维护量，严重影响了机组的负荷。工作人员对设备的维护量会逐年增加，维护成本上升。因此，采用分体式智能定位器代替一体式。
（1）改造方式
分体式智能定位器包括控制模块和位置传感器模块，分体式位置传感器模块为线性电阻器，直接安装在执行机构上。另外需要配置控制柜，柜内安装定位器的控制模块。就地控制柜可置于方便日常检查维护并远离锅炉炉壁的位置，就地控制柜内有智能定位器和空气处理单元，将现场可调仪表、元件集中与一体，方便了日常维护检修并起到了很好的防护作用（防尘，防水）。现场执行机构上安装位置传感器，日常无需维护。
分体式智能定位器的系统示意图，如图3所示。
（2）优势
1）分体式智能定位器具有一体式智能定位器的控制优势；
2）分体式智能定位器分体安装，使其适用于恶劣的环境条件，耐高温，日常操作更方便；
3）分体式智能定位器由于分体安装，减少了很多故障问题，故降低了维护成本。
（3）存在问题
1）柜内定位器连接到气缸的管路不宜过长，否则容易产生漏气和调节滞后现象；
2）智能定位器对气源的洁净度要求比较高，很容易造成定位器内部堵塞，给日常维护带来不便。
三、结束语
以上是对锅炉二次风门气动控制系统控制方案的比较，每种控制方案都有其优点，随着设计水平和自动化技术的不断发展，对锅炉二次风门气动控制系统的控制方案将会更加进步和完善。
参考文献
[1]《热工自动化设计手册》编写组.热工自动化设计手册[M].水利水电出版社，1980，4.
[2]SMC（中国）有限公司，现代实用气动技术[M].机械工业出版社，2003，10.
[3]刘朝霞，焦相卿编.仪表及自动化[M].化学工业出版社，2007，1.