330 MW循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點分析與應(yīng)用實例

郭濤，葛智平，張世才，張順，楊熹，石耀武，鄭宗輝

(甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050)

330 MW循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點分析與應(yīng)用實例

郭濤，葛智平，張世才，張順，楊熹，石耀武，鄭宗輝

(甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050)

循環(huán)流化床機(jī)組在動態(tài)特征上不同于煤粉爐，其燃料煤粒較粗，燃燒過程復(fù)雜，并且因為其燃燒室內(nèi)的床料具有相當(dāng)大的熱慣性和蓄熱能力，是以當(dāng)給煤量改變后，主蒸汽壓力的變化相應(yīng)比煤粉鍋爐的遲延和慣性要大得多，造成了循環(huán)流化床機(jī)組燃燒過程實現(xiàn)自動協(xié)調(diào)控制的困難。以京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司鳳凰嶺電廠新建工程2×330 MW循環(huán)流化床機(jī)組控制系統(tǒng)為例，從變參數(shù)的應(yīng)用、前饋的應(yīng)用、主壓力與給水的解耦控制、煤質(zhì)修正控制等多方面闡述了循環(huán)流化床機(jī)組的控制特點，分析探討了應(yīng)用中存在的問題并提出了解決方法。

循環(huán)流化床;330MW;協(xié)調(diào);修正

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的新型燃燒技術(shù)，因具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點而得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］。循環(huán)流化床鍋爐與其他種類鍋爐的根本區(qū)別在于燃燒系統(tǒng)。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng)是由燃燒室、物料收集器和返料器組成。高溫物料在氣流的夾帶下進(jìn)入物料收集器，被收集下來的物料進(jìn)入返料器，再經(jīng)返料器送回燃燒室，進(jìn)行多次循環(huán)燃燒，因此燃燒效率很高［2－5］。在循環(huán)流化床鍋爐中，燃料僅占床料的3%左右，其余是不可燃的固體顆粒。循環(huán)流化床鍋爐特殊的流體動力特性使得氣固和固固混合非常好，因此燃料進(jìn)入爐膛后很快與大量床料混合，燃料被迅速加熱至著火溫度，而同時床層溫度沒有明顯降低。因此所有煤種均可在其中穩(wěn)定、高效地燃燒。運行中變換煤種時，燃燒設(shè)備和鍋爐本體不做任何修改也可取得較高的燃燒效率。鍋爐運行中經(jīng)常會出現(xiàn)負(fù)荷的變化，當(dāng)負(fù)荷降到70%以下時，其他類型鍋爐燃燒率和熱效率會明顯降低且燃燒很不穩(wěn)定，有時甚至不能維持正常的燃燒;而循環(huán)流化床只需調(diào)節(jié)給煤量、空氣量和返料循環(huán)量，故而其負(fù)荷可在30%～110%之間調(diào)節(jié)。

但相應(yīng)的，因為循環(huán)流化床機(jī)組在動態(tài)特征上不同于煤粉爐，其燃料煤粒較粗，燃燒過程復(fù)雜，并且因為其燃燒室內(nèi)的床料具有相當(dāng)大的熱慣性和蓄熱能力，是以當(dāng)給煤量改變后，主蒸汽壓力的相應(yīng)比煤粉鍋爐的遲延和慣性要大得多，其燃燒系統(tǒng)是一個大滯后、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，各個變量之間相互影響。有的被調(diào)參數(shù)同時受到幾個調(diào)節(jié)參數(shù)的共同影響，如床層溫度要受到給煤量、一次風(fēng)量、返料量及排渣量等多個參數(shù)控制。同時，有的調(diào)節(jié)參數(shù)又影響多個被調(diào)參數(shù)，如給煤量不僅影響主汽壓力，還影響床溫、爐膛溫度等參數(shù)，造成了循環(huán)流化床機(jī)組燃燒過程實現(xiàn)自動控制的困難［6－11］。

1 330 MW循環(huán)流化床機(jī)組概況

京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司鳳凰嶺電廠新建工程2×330MW循環(huán)流化床機(jī)組，鍋爐為東鍋集團(tuán)生產(chǎn)的DG 1177/17.4－Ⅱ1型循環(huán)流化床汽包爐。單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器、自然循環(huán)、循環(huán)流化床燃燒方式，固態(tài)排渣，采用平衡通風(fēng)方式，壓力平衡點位于爐膛出口處。鍋爐以最大連續(xù)負(fù)荷(BMCR)工況為設(shè)計參數(shù)，最大連續(xù)蒸發(fā)量1177t/h，過熱器蒸汽出口溫度為540℃，再熱器蒸汽出口溫度為540℃，給水溫度282.8℃。

DCS系統(tǒng)可以實現(xiàn)對機(jī)組的各項控制功能，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、電氣量控制系統(tǒng)(ECS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)、旁路控制系統(tǒng)(BYPASS)、空冷系統(tǒng)(ACC)等系統(tǒng)功能。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方式及系統(tǒng)組成

該機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式分為基本控制、汽機(jī)跟隨控制、鍋爐跟隨控制及機(jī)爐協(xié)調(diào)控制四種方式。

2.1 基本控制(BASE)方式

鍋爐主控和汽機(jī)主控均處于手動狀態(tài)，機(jī)組運行進(jìn)入BASE方式。在這種方式下，運行人員手動操作燃料量、給水流量、風(fēng)量等參數(shù)。DEH處于本地控制方式，DEH投入功率閉環(huán)以控制機(jī)組負(fù)荷，或投入壓力閉環(huán)控制機(jī)前主蒸汽壓力。

2.2 汽機(jī)跟隨控制(TF)方式

當(dāng)DEH處于遠(yuǎn)方(CCS)狀態(tài)，鍋爐主控處于手動方式，而汽機(jī)主控處于自動方式時，機(jī)組運行方式就會進(jìn)入TF方式。在這種運行方式下，汽機(jī)主控通過控制汽機(jī)調(diào)門來控制機(jī)前蒸汽壓力，燃料量通過操作人員手動改變，機(jī)組負(fù)荷指令信號跟蹤實際的負(fù)荷信號。該方式下汽輪機(jī)運行比較穩(wěn)定，但不能滿足電網(wǎng)要求。

2.3 鍋爐跟隨控制(BF)方式

當(dāng)鍋爐主控處于自動方式，汽機(jī)主控處于手動方式，且DEH未投入功率回路時，機(jī)組運行方式就會進(jìn)入BF方式。這種運行方式，只作為投入?yún)f(xié)調(diào)方式過程中的過渡方式。

2.4 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制(CCS)方式

這是機(jī)組正常運行方式。機(jī)組負(fù)荷指令同時送給鍋爐和汽機(jī)，汽機(jī)調(diào)速汽門控制響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令，鍋爐燃料量、風(fēng)量等指令根據(jù)機(jī)組負(fù)荷指令形成，使輸入給鍋爐的能量與汽機(jī)的輸出能量相匹配。在這種方式下，機(jī)組運行穩(wěn)定，可以滿足電網(wǎng)的需求(包括AGC負(fù)荷調(diào)整以及一次調(diào)頻的快速動作)。機(jī)爐協(xié)調(diào)控制運行方式的投入，不僅要把鍋爐主控和汽機(jī)主控投入自動，而且還要把所有的主要控制回路投入自動控制方式，例如給水控制、燃料量控制、風(fēng)量控制和爐膛壓力控制等。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點

3.1 協(xié)調(diào)方式下主控指令的形成

在協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控指令的形成方式如下:

式中:Ps為壓力設(shè)定值;Pt為機(jī)前壓力;ULD為目標(biāo)負(fù)荷。

在協(xié)調(diào)方式下，汽機(jī)主控指令的形成方式如下:

3.2 PID控制器變參數(shù)的應(yīng)用

PID控制由于其算法簡單、魯棒性好及可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中。但當(dāng)控制對象存在較大的慣性、非線性、強(qiáng)干擾特性時，PID的控制效果不理想。由于循環(huán)流化床鍋爐在動態(tài)特征上不同于煤粉爐，其燃燒室內(nèi)流化層大熱容量的熱平衡特征隨運行工況變化而變化，常規(guī)的控制策略控制困難。因此采用變參數(shù)PID、變結(jié)構(gòu)控制，以保證在各個負(fù)荷點上控制效果。

3.3 前饋控制的應(yīng)用

前饋控制是根據(jù)工況變化情況，提前進(jìn)行預(yù)判斷并做出相關(guān)動作的一種前向控制。前饋在時間上提前于反饋，因此在有效調(diào)整各負(fù)荷點PID參數(shù)的基礎(chǔ)上，加入相應(yīng)量的前饋控制，可以有效加快機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)過程，快速穩(wěn)定機(jī)組的運行參數(shù)。只有在以前饋為主、PID為輔的協(xié)調(diào)控制的綜合作用下，才能真正實現(xiàn)物料、功率的平衡，實現(xiàn)機(jī)組動態(tài)響應(yīng)過程中相對的穩(wěn)定理想工作點，使燃料、風(fēng)、水、汽等物料和能量關(guān)系處于平衡點，從而使鍋爐子系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)器進(jìn)入了小偏差調(diào)節(jié)狀態(tài)。

前饋具體在指令中表現(xiàn)為鍋爐主控中f(ULD) +df(ULD)/dt+df(Ps)/dt以及汽機(jī)主控中的f(Pt)。其中，鍋爐主控中的f(ULD)為靜態(tài)前饋。它來源于鍋爐廠設(shè)計資料以及實際運行參數(shù)，形成穩(wěn)定的前饋信號，作為前饋的基礎(chǔ)指令，實際作用于燃料、風(fēng)量、水量等各個子系統(tǒng)。同樣，汽機(jī)主控中的f(Pt)可以在機(jī)前壓力偏差過大時，通過汽機(jī)負(fù)荷控制，予以一定程度的負(fù)荷補(bǔ)償。鍋爐主控中df(ULD)/dt+df(Ps)/dt為動態(tài)前饋。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷或壓力變化時，提前使燃料、風(fēng)量做出相關(guān)動作，用于克服鍋爐側(cè)的燃燒滯后，而在穩(wěn)態(tài)時不發(fā)生作用。

3.4 給水控制

循環(huán)流化床機(jī)組的給水控制中，其蒸汽過熱器位于鍋爐頂部的爐膛煙氣出口處，減溫水量的水流動阻力大。在給水調(diào)節(jié)時，不考慮給水壓力，就可能造成減溫水流量不足，主汽溫度超溫。由此，在循環(huán)流化床機(jī)組中增加了水量分配調(diào)節(jié)閥。減溫水中間抽頭位置在水量分配調(diào)節(jié)閥前，應(yīng)用中將給水壓力與汽包壓力的偏差作為被調(diào)量，保證差值為2.0～3.0MPa。同時，水量分配調(diào)節(jié)閥為全關(guān)時，仍需保證300t/h左右的漏流量，確保鍋爐不會斷水。為了盡量減少對給水流量調(diào)節(jié)控制的影響，水量分配調(diào)節(jié)作用不能過強(qiáng)，只保證參數(shù)相對穩(wěn)定即可。

4 存在的問題及解決辦法

4.1 變參數(shù)曲線的確定

循環(huán)流化床機(jī)組對于燃料量的要求，在165MW至250MW負(fù)荷段時，基本維持線性關(guān)系，而在250MW負(fù)荷以上，呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢，并且同樣燃料量轉(zhuǎn)化為熱量所需的時間也大不相同。這就要求大量的實際測試與記錄，力求在煤質(zhì)不變的條件下，提出能夠準(zhǔn)確反映配煤比變化的實際運行曲線。

4.2 鍋爐主控中動態(tài)前饋的應(yīng)用

循環(huán)流化床機(jī)組的燃燒系統(tǒng)是一個大滯后非線性系統(tǒng)，動態(tài)前饋就顯得尤為重要。它不但能夠克服循環(huán)流化床機(jī)組大滯后的固有缺陷，而且能在一定程度上克服煤質(zhì)變化帶來的外界干擾。

4.3 負(fù)荷調(diào)整下限的整定

由于內(nèi)蒙古省電力調(diào)度中心要求，AGC功能中負(fù)荷變化范圍為50%～100%，并且，當(dāng)負(fù)荷低于50%后，牽扯到給水泵停運過程，因此負(fù)荷變化低值只達(dá)到165MW。

5 結(jié)語

京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司鳳凰嶺電廠2× 330MW循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過對變參數(shù)的應(yīng)用、前饋的應(yīng)用與給水的解耦控制、煤質(zhì)修正控制的成功應(yīng)用，以及在運行實踐中對相關(guān)邏輯的多次修改、完善和控制策略的優(yōu)化，使得各項功能均得以成功實施和實現(xiàn)。據(jù)內(nèi)蒙電網(wǎng)規(guī)定，循環(huán)流化床機(jī)組AGC投入時，變負(fù)荷速率不得低于機(jī)組額定負(fù)荷1%。經(jīng)測試負(fù)荷變動速率3.5MW/min，負(fù)荷單次最大變動范圍140MW，全過程主蒸汽壓力波動幅值小于0.8MPa，瞬間最大溫升率4.2，穩(wěn)定變動期間溫升率1.4，成功完成AGC試驗。目前，168h試運移交生產(chǎn)已經(jīng)半年，整套調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)系統(tǒng)能夠長期正常投運。

［1］昌樹文，李明亮，曹興偉，等.300MW循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用［J］.云南電力技術(shù)，2006，34(2):43－46.

［2］何華慶.國產(chǎn)首臺300MW循環(huán)流化床鍋爐的調(diào)試和運行［J］.鍋爐制造，2007，(2):5－7.

［3］聶立，王鵬，霍鎖善，等.東方型300 MW循環(huán)流化床鍋爐開發(fā)設(shè)計［J］.東方電氣評論，2007，21(2):33－42.

［4］趙發(fā)家，董志乾，王家萬，等.300MW循環(huán)流化床鍋爐運行優(yōu)化［J］.中國電力，2008，41(2):30－33.

［5］武建忠，黨黎軍，楊建華，等.300MW循環(huán)流化床空冷機(jī)組啟動與調(diào)整［J］.鍋爐技術(shù)，2008，39(6):42－45.

［6］李衛(wèi)華，王玉山，宋兆星.大型循環(huán)流化床機(jī)組控制策略及其優(yōu)化［J］.中國電力，2008，41(7):65－68.

［7］趙果然，姜孝國.中國大型循環(huán)流化床技術(shù)的發(fā)展［J］.鍋爐制造，2009，(3):16－18.

［8］于英利，戴瑩瑩，趙勇綱，等.SG690/13.7M451型循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點與啟動調(diào)試［J］.鍋爐技術(shù)，2009，40(4):44－48.

［9］趙志丹，郝德鋒，黃曉華，等.300MW循環(huán)流化床空冷機(jī)組協(xié)調(diào)控制及其優(yōu)化［J］.熱力發(fā)電，2009，(7):83－87.

［10］黃湘，徐敏.白馬電廠300MW循環(huán)流化床鍋爐熱控系統(tǒng)評述［J］.電力建設(shè)，2009，30(8):102－105.

［11］王萬召，王紅閣，譚文，等.智能解藕控制器在循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.動力工程，2009，29(8):757－760.

Characteristic analysis of collaborative control system of 330 MW CFB units and its application

The CFB units are different in the dynamic characteristic with the powdered coal stove，its bunker coal grain is larger，the combustion process is complex.The material in its combustion chamber bed has the quite big thermal lag and regeneration ability.So when the coal amount changed，the pressure of main stream changed correspondingly and the change is much bigger than the powdered coal boiler＇s delay and the inertia，which caused the Circulation Fluid Bed unit combustion process to realize the automatic coordination control difficulty.Taking the new construction 2×330MW CFB units control system of Jinghai gangue electricity generation limited liability company Fenghuanglin power plant as example，the characteristics of Circulation Fluid Bed unit＇s control system are elaborated from the following aaspects，the variable element application，the forward feed application，the main pressure and for the water decoupling control，the anthrax revision control and so on.The problems existed in the application are analyzed and its countermeasures are put forward.

CFB;330MW;coordinated;revision

TM621

B

1674－8069(2012)04－056－03

2012-04-20;

2012-06-19

郭濤(1974-)，男，江蘇人，高級工程師，從事保護(hù)及自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、研究及應(yīng)用。E－mail:2002gtao@163.com