超（超超）臨界機組引風機超前控制策略研究與應(yīng)用

羅志浩，陳 波，陳小強，蘇 燁

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

0 引言

爐膛壓力是鍋爐燃燒狀態(tài)的重要參數(shù)之一，直接反映了爐膛燃燒溫度和煙氣流量的變化。一旦燃燒工況發(fā)生變化，最先反映的就是爐膛壓力變化，然后才是蒸汽流量等指標的變化，因此保持各種工況下爐膛負壓的穩(wěn)定是保障爐內(nèi)燃燒正常的基本要求之一。

傳統(tǒng)的爐膛壓力控制依靠調(diào)節(jié)引風機出力完成，其調(diào)節(jié)指令基于壓力偏差和相應(yīng)的前饋信號。前饋信號通常是送風機動葉平均指令或總風量指令。該前饋信號可有效提前反映正常工況下爐內(nèi)煙氣量的變化趨勢，提前調(diào)整以提高負壓波動時的響應(yīng)。當出現(xiàn)主燃料跳閘（MFT）工況時，系統(tǒng)會自動采取相應(yīng)的超馳控制：引風機調(diào)節(jié)指令根據(jù)MFT前機組負荷減少一定量，以防止由于爐膛送風量的突然減少和燃料量的失去而導致爐膛內(nèi)爆。大多數(shù)運行工況下，傳統(tǒng)的引風機控制策略可以滿足爐膛負壓的控制要求。但在較為惡劣的工況下，特別是發(fā)生非主動的大幅度內(nèi)擾時，如磨煤機、一次風機跳閘后，由于爐膛內(nèi)大量的燃料量瞬間減少、溫度場瞬間降低，而引風機調(diào)節(jié)相對滯后，引起爐膛負壓劇烈波動，嚴重影響鍋爐的安全運行。

對于超（超超）臨界機組的鍋爐，由于鍋爐容量大、蒸汽參數(shù)高，使得爐膛負壓在爐內(nèi)燃燒狀態(tài)劇烈變化時更加難以控制。與其它類型的鍋爐相比，超（超超）臨界鍋爐在惡劣工況下爐膛負壓波動的幅度更加嚴重。因此，需要針對超（超超）臨界鍋爐在惡劣燃燒工況下的引風機前饋控制作進一步的研究和完善。

1 對象特性及控制策略分析

1.1 對象特性分析

爐膛壓力是鍋爐燃燒狀態(tài)的反映，綜合體現(xiàn)了煙氣量、燃料量、送引風機狀態(tài)、燃燒強度、爐內(nèi)溫度等參數(shù)。下面假定高溫低壓的煙氣為理想氣體，對爐膛負壓的特性進行定性分析。

由理想氣體性質(zhì)可得：

對（1）式求導得：

式中：P為爐膛壓力；m為爐內(nèi)煙氣總質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；T為爐內(nèi)煙氣溫度；V為鍋爐容積。

因鍋爐容積V固定，因此由（2）式中可以看出爐膛壓力僅和爐內(nèi)煙氣質(zhì)量變化、爐內(nèi)溫度變化相關(guān)。引起爐內(nèi)煙氣質(zhì)量變化的因素主要包括送風量、引風量和燃料量；引起爐內(nèi)溫度變化的因素主要是爐內(nèi)燃燒工況的變化。以磨煤機跳閘工況為例，磨煤機跳閘后燃料量大幅度減少，一方面使得爐內(nèi)煙氣質(zhì)量大幅度變化，另一方面也使爐內(nèi)燃燒工況惡化，導致爐內(nèi)溫度大幅下降，從而引起爐膛負壓的快速下降。在傳統(tǒng)控制方式下，由于磨煤機跳閘是非主動的內(nèi)擾，送風機指令將滯后于爐膛壓力，而引風機失去了相關(guān)前饋信號，僅依靠反饋調(diào)節(jié)將使爐膛壓力大幅波動。

以（2）式為基礎(chǔ)在仿真平臺進行定性分析，以磨煤機跳閘工況為例，分別用傳統(tǒng)控制模式和加入前饋后的控制模式對爐膛壓力進行控制，調(diào)整參數(shù)至最優(yōu)，得到圖1（b）中所示曲線，而傳統(tǒng)控制策略的仿真曲線如圖1（a）。由圖1可以看出加入相應(yīng)前饋后的控制模式優(yōu)于傳統(tǒng)控制模式。

1.2 控制策略改進

由上述分析可知，爐膛壓力主要受到爐內(nèi)煙氣質(zhì)量和溫度變化的影響。傳統(tǒng)控制策略中送風機動葉平均指令或總風量指令的前饋量只能在一定程度上提前反映爐內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化。但是出現(xiàn)磨煤機跳閘、一次風機跳閘等工況時則無法提前反映爐內(nèi)煙氣質(zhì)量和爐內(nèi)溫度的變化，因此在傳統(tǒng)邏輯中加入磨煤機跳閘臺數(shù)的前饋可以有效解決上述問題。圖2為改進后控制策略圖，虛線部分為新增的相關(guān)前饋。

圖1 控制策略仿真試驗效果對比示意圖

圖2 改進后爐膛壓力控制策略圖

需要注意的是，圖2中所示僅為相關(guān)控制示意圖，在實際組態(tài)實施過程中還需要考慮下面一些問題：

（1）前饋的作用時間、作用幅度和復歸方式。

增加的前饋作用時間和幅度主要是指前饋的持續(xù)時間和前饋的作用大小，前饋的作用時間太長、作用幅度太大將給該工況下的爐膛壓力控制帶來新的擾動；反之則達不到預(yù)期的效果，因此前饋的作用時間和作用幅度需要結(jié)合機組的實際情況在試驗后予以確定。

前饋的復歸方式主要需要考慮前饋復歸時對系統(tǒng)的沖擊。要求前饋在控制大致趨于穩(wěn)定后予以復歸，復歸的方式和速率要在爐膛壓力控制PID調(diào)節(jié)可以自動修復的范圍內(nèi)。

（2）前饋作用的范圍。

并不是所有的RB工況都需要前饋回路起作用。機組燃料RB、給水泵RB、一次風機RB時，由于磨煤機跳閘，爐內(nèi)煙氣質(zhì)量和爐內(nèi)溫度都迅速降低，爐膛壓力快速減少。為了降低爐膛壓力下降幅度，引風機需要提前速關(guān)。送引風機RB動作時，會跳閘同側(cè)送引風機。單臺運行的引風機由于平衡調(diào)節(jié)器的作用，其開度指令會立即開到最大出力，并且在調(diào)節(jié)量超過積分死區(qū)前，會一直維持最大出力，因此該類RB動作時，無需前饋回路起作用。

需要注意的是一次風機RB是爐膛壓力控制中最為惡劣的工況，由于一次風母管壓力快速下降，造成鍋爐10 s左右事實上的斷粉燃燒，爐膛壓力下降的幅度大大超過其它類型的RB，因此一次風機RB動作時，前饋的幅度可能需要更大。

2 控制策略的實際應(yīng)用

以樂清電廠和北侖電廠超（超超）臨界機組為例，分別介紹控制策略實施前后爐膛壓力的控制效果和控制策略實施過程中需要注意的問題。

2.1 樂清電廠爐膛壓力超前控制策略優(yōu)化

在樂清電廠600 MW超臨界機組調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，當機組正常運行時，引風機控制可以滿足鍋爐負壓的控制要求，控制品質(zhì)很好。但在非風機RB引起的跳磨過程中，負壓會出現(xiàn)振蕩、超調(diào)或調(diào)不回來的情況。按照以上分析對爐膛壓力控制策略進行了優(yōu)化：當RB發(fā)生時(送風機和引風機RB除外)，根據(jù)磨煤機跳閘的臺數(shù)來確定引風機超前控制前饋，同時考慮切換、限速和限幅等保護環(huán)節(jié)，使前饋在正常情況下不起作用，超馳動作后立即緩慢釋放，并修改引風機、送風機指令前饋和爐膛負壓偏差前饋。

經(jīng)過試驗確定跳磨臺數(shù)和引風機動葉前饋量函數(shù)關(guān)系如表1所示。

表1 600 MW機組跳磨臺數(shù)和引風機動葉前饋量

由于引風機靜葉控制從跳磨一出發(fā)就提前進行速關(guān)的動作，抑制了負壓的大幅度下降，表1中速關(guān)的量需要通過試驗來整定，該策略的實施和應(yīng)用使得機組爐膛壓力的控制品質(zhì)較修改前提高很多，效果良好。

2.2 北侖電廠爐膛壓力超前控制策略優(yōu)化

在北侖電廠三期1 000 MW超超臨界機組調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)控制策略時6號機組的爐膛壓力在正常工況下調(diào)節(jié)效果較好，但是在RB發(fā)生時 (送風機和引風機RB除外)，也存在爐膛壓力下降較多的情況。因此按照樂清電廠的優(yōu)化方式對7號機組的爐膛壓力控制策略進行了優(yōu)化，經(jīng)過試驗確定跳磨臺數(shù)和引風機動葉前饋量函數(shù)關(guān)系如表2所示。

表2 1 000 MW機組跳磨臺數(shù)和引風機動葉前饋量

圖3是在不同控制策略下爐膛壓力控制品質(zhì)的比較示意圖。從圖中可以看出：在原控制策略下，6號機組燃料RB（2臺磨煤機）時，爐膛壓力由原來的-117 Pa下降至-973 Pa，再上升至-81 Pa最大波動值為892 Pa，控制效果不理想。通過完善引風機前饋控制邏輯后，7號機組燃料RB（2臺磨煤機）時，爐膛壓力由原來的-164 Pa，最高至48 Pa，最低至-192 Pa，最大波動值只有240 Pa，調(diào)節(jié)品質(zhì)較6號機組有明顯改善。

3 結(jié)語

圖3 北侖電廠6，7號機組爐膛負壓控制效果對比示意圖

針對超（超超）臨界直流鍋爐爐膛壓力在惡劣工況下超調(diào)較多、振蕩幅度較大的問題，通過對爐膛壓力對象特性的分析，在仿真試驗的基礎(chǔ)上，提出了對引風機超前調(diào)節(jié)的優(yōu)化控制策略。在樂清電廠、北侖電廠三期的基建調(diào)試中實施了這一策略。實際運行結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化的引風機超前控制策略，能明顯改善惡劣工況下爐膛壓力的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高機組的安全性，對今后其他機組的爐膛壓力控制具有推廣意義。

[1]金以慧．過程控制[M]．北京：清華大學出版社，1993．

[2]朱北恒，孫長生，龔 皓.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M].北京：中國電力出版社，2005．