超超臨界鍋爐燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化

李存懷，繆紅紅，陳峰

(華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東省 鄒城市，273522)

0 引言

近年來，大容量、高參數(shù)的超臨界及超超臨界機(jī)組逐漸成為我國火電發(fā)展的主要方向，對于燃煤機(jī)組而言，鍋爐的燃燒控制既是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，安全性和燃燒的經(jīng)濟(jì)性是控制的重點(diǎn)。華電鄒縣發(fā)電有限公司2×1000 MW機(jī)組為國產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界燃煤火電單元機(jī)組，其鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)分別由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司、東方汽輪機(jī)廠、東方電機(jī)股份有限公司制造。鍋爐由日本巴布科克－日立公司、汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)由日立公司提供技術(shù)支持與保證。分散控制系統(tǒng)(distribution control system，DCS)則采用了EMERSON過程控制公司的OVATION控制系統(tǒng)。投產(chǎn)以來，燃燒控制系統(tǒng)存在諸多急需解決的問題，迫切需要對燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 超超臨界鍋爐燃燒的控制思想

超超臨界鍋爐燃燒過程控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)汽輪機(jī)負(fù)荷的需要，保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒和安全運(yùn)行。其控制目的是維持汽壓和爐膛壓力的穩(wěn)定，保證燃燒過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，控制鍋爐過熱汽溫度在合適范圍內(nèi)［1－10］。

超超臨界機(jī)組的鍋爐是一個多輸入、多輸出的被控對象，輸入量為汽溫、汽壓和蒸汽流量，輸出量為給水量、燃料量、送風(fēng)量。由于是強(qiáng)制循環(huán)且受熱區(qū)段之間無固定界限，1種輸入量擾動將影響各輸出量，汽溫、燃燒、給水相互關(guān)聯(lián)，如單獨(dú)改變給水量(或燃料量)，不僅影響主汽壓力與蒸汽流量，過熱器出口汽溫也會產(chǎn)生顯著的變化。尤其是水燃比不相適應(yīng)時，汽溫將會有顯著的變化。為使汽溫變化較小，要保持燃燒率和給水量的適當(dāng)比例。從動態(tài)特性來看，頂棚過熱器汽溫能迅速反應(yīng)過熱汽溫的變化，因此可以該信號來判斷給水和燃燒率是否失調(diào)。

燃燒控制系統(tǒng)包括燃料量控制和總風(fēng)量控制。

(1)燃料量控制。燃料量指令來自于鍋爐主控。鍋爐主控的指令經(jīng)過折線函數(shù)f(x)后，通過水燃比的修正形成信號，該信號和省煤器入口給水流量的折線函數(shù)f(x)形成的信號進(jìn)行小選，作為總?cè)剂狭康脑O(shè)定值。同時，進(jìn)行小選的信號分別用于給水和燃料交叉限制回路中?？?cè)剂狭康脑O(shè)定值和總風(fēng)量的折線函數(shù)f(x)形成的信號進(jìn)行小選形成燃料量指令，同時，進(jìn)行小選的信號分別用于給風(fēng)和燃料交叉限制回路中。

(2)總風(fēng)量控制。對于超超臨界機(jī)組，風(fēng)煤比的控制在靜態(tài)平衡的前提下要考慮動態(tài)下的風(fēng)煤交叉，保證動態(tài)過程中風(fēng)大于煤，確保鍋爐燃燒的穩(wěn)定。函數(shù)f(x)是風(fēng)煤比函數(shù)，鍋爐主控指令經(jīng)過函數(shù)f(x)后再經(jīng)過氧量校正，得到氧量修正后的總風(fēng)量設(shè)定，該設(shè)定和總?cè)剂狭亢瘮?shù)f(x)輸出經(jīng)過大選形成風(fēng)量設(shè)定，去控制送風(fēng)。同時，這2個參數(shù)還參與燃料風(fēng)量交叉限制和最小風(fēng)量限制回路，產(chǎn)生控制送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量指令，以保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性。

綜合來看，超超臨界機(jī)組鍋爐控制具有以下特點(diǎn):(1)非線性技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，變參數(shù)控制在控制系統(tǒng)中經(jīng)常被用于解決被控對象的非線性，尤其體現(xiàn)在控制上。(2)由于超超臨界機(jī)組各被控參數(shù)的慣性時間常數(shù)相對減小，一旦出現(xiàn)物質(zhì)或者能量之間的不平衡，會造成機(jī)組參數(shù)的巨大波動，因此各個子系統(tǒng)之間交叉限制更加突出。(3)動態(tài)補(bǔ)償和前饋控制的廣泛運(yùn)用提供了更為完善的控制方式，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的平衡，保證了鍋爐的正常運(yùn)行。

2 存在的問題

運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)2臺1000 MW機(jī)組在控制方面有潛在的問題，這些問題需要通過分析驗(yàn)證加以解決，而邏輯的優(yōu)化調(diào)整是最直接、最有效的解決方式。目前，機(jī)組在控制方面存在的主要問題是:熱量校正單元(balance thermal unit，BTU)熱值校驗(yàn)可調(diào)余量小，水煤交叉限制回路經(jīng)常動作，造成BTU不能真正投入，煤種偏離設(shè)計(jì)煤種時，燃燒存在偏差，不能滿足適時負(fù)荷的變化;在水燃比輸出回路上函數(shù)f(x)部分拐點(diǎn)參數(shù)設(shè)置不合理，不適合實(shí)際工況，造成被調(diào)量出現(xiàn)偏差，從而影響過程控制，造成調(diào)節(jié)遲緩;燃油流量沒有計(jì)入燃料回路中，造成投油時實(shí)際水燃比發(fā)生變化，從而造成溫度的變化;在水燃比輸出回路上缺少機(jī)組負(fù)荷的動態(tài)前饋的影響，部分回路設(shè)計(jì)不合理，前饋沒有真正起到作用，超前控制沒有滿足設(shè)計(jì)要求。

3 優(yōu)化方案

從巴布科克－日立公司設(shè)計(jì)的思想來看，以并行前饋為主，給鍋爐各子系統(tǒng)1個隨負(fù)荷變化的合理的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，再施以合理的PID單級或串級的反饋調(diào)節(jié)，發(fā)揮自動平衡、反饋糾偏的作用。合理地調(diào)整并行前饋量，鍋爐控制系統(tǒng)的實(shí)際工作點(diǎn)可以逼近理想工作點(diǎn)，使燃料、風(fēng)、水、汽等物料、能量關(guān)系處于平衡點(diǎn)鄰域，此時鍋爐子系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)器進(jìn)入了小偏差調(diào)節(jié)狀態(tài)，再調(diào)整各控制回路的參數(shù)，達(dá)到加快機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)過程。遵循這一思想，對燃燒控制回路進(jìn)行邏輯優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化，使燃燒控制更加利于控制，更具有經(jīng)濟(jì)性。圖1是燃料控制的設(shè)計(jì)思路。

圖1 燃燒設(shè)計(jì)思想Fig.1 Oiler burning design

(1)完善BTU指令回路。實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐燃燒在一定程度上偏離設(shè)計(jì)煤種，當(dāng)煤種變化時，煤的發(fā)熱量隨之而變，此時的負(fù)荷指令對應(yīng)的就不是以前的燃料量，熱值校正回路就是用來計(jì)算機(jī)組的煤種偏離設(shè)計(jì)煤種時煤量的校正系數(shù)的，目的是保證當(dāng)煤種變化時，機(jī)組的負(fù)荷不變。修改水燃比后的折線函數(shù)f(x)，使輸入輸出有準(zhǔn)確配比，被調(diào)量有準(zhǔn)確的定位。同時，修改控制回路，當(dāng)燃料主控切手動時用煤燃料量指令/總?cè)剂狭啃盘栕鳛槿剂蠠嶂敌盘?，使機(jī)組適應(yīng)煤種變化的能力大大提高。

(2)修改燃料調(diào)節(jié)指令函數(shù)。在燃料量設(shè)定形成回路中，鍋爐主控所形成的前饋折線函數(shù)OB71002 f(x)輸入輸出參數(shù)配比有一定的局限性，曲線斜率小，前饋?zhàn)饔貌幻黠@，對參數(shù)進(jìn)行修改。

(3)燃油流量計(jì)算回路。在機(jī)組變負(fù)荷或啟動過程中，如果需要投油助燃，油燃料未計(jì)入燃料量或者計(jì)入不準(zhǔn)確，造成了水燃比的變化，從而引起了汽溫的變化。為此通過更換計(jì)量準(zhǔn)確的燃油流量計(jì)進(jìn)行測量，保證燃油流量的可靠測量。

(4)水燃比調(diào)節(jié)汽溫時增加負(fù)荷指令前饋。在設(shè)計(jì)鍋爐水燃比汽溫控制時，只考慮了鍋爐主控對汽溫的影響，在給水和燃料同時接受鍋爐主控制器的控制信號時，水燃比控制信號對給水(燃料)進(jìn)行比例修正，以達(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的。而通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，汽機(jī)調(diào)門的開度同樣對汽溫有著不同的影響。由于機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷一定程度上代表汽機(jī)調(diào)門開度，因此，引入負(fù)荷指令前饋，通過對機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷的微分環(huán)節(jié)引入加法器OB68030sum，超前對汽溫進(jìn)行控制。

在優(yōu)化過程中，閉環(huán)控制功能都在前饋技術(shù)的基礎(chǔ)上完成。在系統(tǒng)整定過程中，盡量減少系統(tǒng)之間的相互牽連，調(diào)節(jié)回路的參數(shù)配比力爭準(zhǔn)確，按照系統(tǒng)校正緩步投入的原則，采用動態(tài)先行信號使前饋、變定值、變增益和變參數(shù)合理的控制策略，將過程控制變量維持在一個合理的限度內(nèi)，保證機(jī)組在任何運(yùn)行方式下，都能快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，達(dá)到性能最優(yōu)。

4 結(jié)語

本文所述的超超臨界機(jī)組的鍋爐為直流爐，鍋爐蓄熱能力小，控制對象的動態(tài)特性發(fā)生了明顯的改變，被控對象的慣性時間常數(shù)大大減小，控制的快速性要求提高，動態(tài)過程加快，各子系統(tǒng)的相互聯(lián)系更加緊密，更難以控制。因此只有在考慮成熟的情況下，在原有的控制策略上進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化，其過程是逐步的、漸進(jìn)的。通過以上幾個回路的優(yōu)化，鍋爐燃燒調(diào)節(jié)較以前有很大改善，機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)能力有了較大提高，該方案的成功實(shí)施，對國內(nèi)同類機(jī)組運(yùn)行有較大的借鑒意義。

［1］張玉鐸，王滿稼.熱工自動控制系統(tǒng)［M］.北京:水利電力出版社，1984.

［2］張朝陽，李衛(wèi)華，宋兆星.600 MW超臨界直流爐機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略［J］.華北電力技術(shù)，2007(1):24-28.

［3］徐金濤.超超臨界百萬千瓦機(jī)組直流爐燃燒器施工方案［J］.電力建設(shè)，2009，30(1):56-58.

［4］馬新立.2980 t/h超超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行分析［J］.發(fā)電設(shè)備，2009(3):181-187.

［5］張廷發(fā)，王助良.1000 MW超超臨界鍋爐低NOx燃燒與控制技術(shù)［J］.電站系統(tǒng)工程，2008(6):12-14.

［6］溫順利，謝波，蔣向南.1000 MW超超臨界鍋爐T23鋼水冷壁防泄漏探討［J］.電力建設(shè)，2010，31(9):82-86.

［7］陳輝，王文祥，嚴(yán)毅.當(dāng)前1000 MW超超臨界鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)［J］.鍋爐制造，2009(1):10-14.

［8］岳峻峰，梁紹華，寧新宇，等.600 MW超超臨界鍋爐墻式切圓燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能分析［J］.動力工程學(xué)報，2011，31(8):598-604.

［9］竇文宇，錢公，陳新中，等.我國超(超)臨界機(jī)組鍋爐燃燒方式對受熱面管安全影響的探討［J］.電力建設(shè)，2010，31(4):44-50.

［10］馬斌.大型超臨界、超超臨界鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.