基于前饋策略的燃氣鍋爐負壓控制優(yōu)化

張衛(wèi)慶

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

某鋼鐵公司將于2012年上半年形成760萬t鋼規(guī)模，屆時新增焦?fàn)t、高爐將陸續(xù)投產(chǎn)，煤氣發(fā)生量、蒸汽用量將進一步增加；4 070 m3高爐需新增中壓蒸汽170 t/h。原則上配套建設(shè)1臺220 t/h全燒煤氣鍋爐。項目建成后年供熱量393萬GJ，按內(nèi)部結(jié)算價預(yù)計年凈利1 429萬元，內(nèi)部收益率為14.2%。該鋼鐵公司已建設(shè)投產(chǎn)1臺220 t/h全燒煤氣鍋爐，與之前的3臺煤粉、煤氣混合燃燒鍋爐母管制并列運行發(fā)電供熱。從已投產(chǎn)的全燒煤氣鍋爐的自動投入來看，經(jīng)典的三沖量汽包水位控制、過熱器一級二級減溫水串級控制[1]等自動能正常投用，爐膛負壓控制效果不佳，長期處于手動狀態(tài)。新建220 t/h全燒煤氣鍋爐有必要解決這一問題。

1 煤氣鍋爐負壓控制的現(xiàn)狀

該燃氣鍋爐主設(shè)備為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的高壓、全燒煤氣、單爐膛∏型鍋爐,采用前后墻對沖燃燒方，平衡通風(fēng)，露天布置，全鋼、懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐燃料采用混合煤氣，不需建專門的煤氣燃料調(diào)節(jié)和處理設(shè)備。因燃料含塵量少，煙氣符合直接排放要求，故不設(shè)除塵器。每臺鍋爐配2臺送風(fēng)機和2臺引風(fēng)機。爐膛負壓自動控制是通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機變頻器轉(zhuǎn)速，保持爐膛負壓在-100～0 Pa的微負壓狀態(tài)，保證鍋爐安全燃燒。當(dāng)2臺引風(fēng)機同時運行時，應(yīng)并列或者固定其中的1臺對另1臺進行調(diào)節(jié)。

已投產(chǎn)的煤氣鍋爐為經(jīng)典的負壓控制，送風(fēng)量通過氧量校正調(diào)整。爐膛負壓自動調(diào)節(jié)效果并不理想，經(jīng)常出現(xiàn)-200～200 Pa大范圍的波動，不利于鍋爐設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

2 高爐煤氣總管壓力變化特性

通常情況下，要求鍋爐全部燒完鋼廠送來的高爐煤氣，爐膛負壓的波動可能與此有關(guān)，高爐煤氣總管壓力與爐膛負壓變化的對比曲線如圖1所示。由圖1可看出，爐膛負壓的波峰值、波谷值與高爐煤氣總管壓力的波峰值、波谷值一一對應(yīng)，且變化的波形完全一致。

圖1 爐膛負壓隨高爐煤氣總管壓力變化的波形

3 基本方案控制優(yōu)化

圖2 爐膛負壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不考慮送風(fēng)量前饋，爐膛負壓的基本控制方案是含有比例積分微分控制器（PID）的簡單閉環(huán)，如圖2所示，預(yù)先置入1個基本的比例積分作用系數(shù)，調(diào)節(jié)效果如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)甲引風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)的比例、積分作用較強(比例系數(shù)Kp=0.05，積分時間ti=20 s）時，爐膛負壓呈現(xiàn)振蕩的趨勢，最高值170 Pa，最低值-173 Pa，且不收斂。乙引風(fēng)機輸出為0，甲引風(fēng)機參與負壓調(diào)節(jié)，由于比例、積分作用較強，負壓出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象，爐膛負壓控制與乙引風(fēng)機的輸出呈現(xiàn)相同的振蕩趨勢。

針對這種現(xiàn)象，適當(dāng)調(diào)弱比例、積分作用，增大偏差調(diào)節(jié)死區(qū)。調(diào)節(jié)效果如圖4所示。乙引風(fēng)機輸出為0，仍然由甲引風(fēng)機參與負壓調(diào)節(jié)。適當(dāng)調(diào)弱比例、積分作用（Kp=0.01，ti=100 s），增大偏差調(diào)節(jié)死區(qū)(deadband=20 Pa)，執(zhí)行器動作變得遲緩，爐膛負壓波動幅度變小，但遇到大的爐膛負壓（負壓波峰值為362 Pa，波谷值為-291 Pa）波動時，不能有效控制負壓超調(diào)量，且過渡時間為3 min，較長。

圖3 強比例積分作用下的爐膛負壓變化

圖4 弱比例積分作用下的爐膛負壓變化

可見，經(jīng)參數(shù)調(diào)整后，負壓振幅雖然變小，但動態(tài)性能（超調(diào)量、過渡時間）仍不能滿足要求，抑制由于高爐煤氣壓力波動引起的擾動能力差。

4 基于高爐煤氣壓力前饋的控制方案優(yōu)化

鑒于此，特增加高爐煤氣總管壓力前饋信號至負壓調(diào)節(jié)PID輸出，如圖5所示。優(yōu)化后的爐膛負壓控制效果如圖6所示，高爐煤氣總管壓力發(fā)生劇烈波動，由峰值10.57 kPa迅速降到4.85 kPa,執(zhí)行器輸出迅速動作，甲引風(fēng)機變頻輸出迅速由56 Hz降到36 Hz，爐膛負壓保持平穩(wěn)狀態(tài)，控制在-80～5.9 Pa的安全區(qū)間，過渡時間為1 min。相關(guān)參數(shù)為：比例系數(shù)Kp=0.01，積分時間ti=20 s，前饋增益Kf=3.5，偏差調(diào)節(jié)死區(qū)deadband=5 Pa。

圖5 基于前饋策略的爐膛負壓控制優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 優(yōu)化后的爐膛負壓控制效果

5 參數(shù)整定的注意事項

在爐膛負壓控制參數(shù)的整定過程中，前饋作用能迅速根據(jù)擾動源的變化做出反應(yīng)，特別是對于高爐煤氣壓力變化較大的情形，對瞬間負壓大的波動有削峰作用，但高爐煤氣總管壓力對于爐膛負壓的影響并不是簡單的線性關(guān)系，前饋作用不宜太強，還要依靠后期的比例積分發(fā)揮作用來消除偏差，過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)束語

針對燃氣鍋爐工藝的特點，在原有基本控制方式的基礎(chǔ)上，提出了基于煤氣總管壓力前饋控制信號的燃氣鍋爐爐膛負壓控制方案。長時間運行顯示，該方案能提高爐膛負壓控制品質(zhì)，調(diào)節(jié)及時，超調(diào)不大，上下波動小，運行穩(wěn)定。

[1]李遵基.熱工自動控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2004.