基于直接能量平衡和負(fù)荷分配的母管制機(jī)組控制

沈智慧（浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312025)

馬 駿（南京科遠(yuǎn)自動化集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

在供熱電廠中，存在供熱對象需求的多元化，供熱方式多樣化，為了提供供熱可靠性，節(jié)約能源，提高尾氣燃燒利用率，鍋爐和汽機(jī)之間常常采用母管制聯(lián)結(jié)。

所謂“母管制”機(jī)組是指由幾臺鍋爐并列向同一母管供汽運(yùn)行以滿足企業(yè)發(fā)電、供熱需求的機(jī)爐聯(lián)結(jié)方式。母管制機(jī)組中鍋爐和汽機(jī)的聯(lián)系并不像單元制機(jī)組中鍋爐與汽機(jī)的聯(lián)系那么緊密，相對于單元制機(jī)組存在幾臺鍋爐相互間耦合性強(qiáng)，負(fù)荷分配不均，母管壓力波動大等問題。為了提高其運(yùn)行效率，增加其經(jīng)濟(jì)效益[1]，須考慮并列運(yùn)行鍋爐的負(fù)荷分配和燃燒控制優(yōu)化等問題。

本文針對母管制運(yùn)行機(jī)組控制的本質(zhì)問題：外界耗汽量的變化才會引起鍋爐供汽量的變化，提出了基于直接能量平衡和負(fù)荷分配的控制方案，實(shí)現(xiàn)并列運(yùn)行的鍋爐共同維護(hù)母管壓力平衡，優(yōu)化了母管制機(jī)組的動態(tài)特性，達(dá)到了減少控制滯后時(shí)間的目標(biāo)。

2 母管制工藝流程簡介

本文以福建某熱電廠的一期工程為研究對象，介紹母管制機(jī)組的工藝流程。其中鍋爐為超高壓參數(shù)自然循環(huán)、四角切向燃燒方式、單爐膛、無再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、“Π”型布置、配回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，汽輪機(jī)為北京全四維動力科技有限公司、南京汽輪電機(jī)集團(tuán)公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，南京汽輪電機(jī)集團(tuán)公司制造的超高壓沖動式、單軸雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，型號為C150-12.5/4.3。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 母管制熱電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看到，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽集中聚集到母管中，再經(jīng)汽輪機(jī)做功或經(jīng)減溫減壓裝置向外抽汽供熱。

本項(xiàng)目中采用的是集中母管制，熱電廠所有鍋爐的蒸汽引至一根蒸汽母管，再由母管分別引向汽輪機(jī)和其他用汽處。在實(shí)際運(yùn)行過程中，汽輪機(jī)和其他用汽處負(fù)荷的變化，就會引起母管蒸汽壓力的變化。所以，母管蒸汽壓力是母管制熱電廠的主要被控對象，是表征鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。因此，在工藝允許范圍內(nèi)，控制母管蒸汽壓力穩(wěn)定是母管制電廠控制的核心問題。

3 直接能量平衡的控制優(yōu)化

引起母管蒸汽壓力變化的最主要擾動因素是蒸汽流量擾動（外擾）和燃燒率擾動（內(nèi)擾）[3]。所謂“外擾”就是因蒸汽負(fù)荷波動引起的供耗汽量平衡失調(diào)；所謂“內(nèi)擾”就是因燃料率波動引起的鍋爐產(chǎn)汽量波動進(jìn)而影響供耗汽量平衡失調(diào)。在此項(xiàng)目中，因?yàn)楣S產(chǎn)生的化學(xué)廢氣作為燃?xì)鈪⑴c燃燒，然而此燃?xì)獾牧侩S工廠的生產(chǎn)狀況有較大的變化，所以“內(nèi)擾”主要是燃?xì)猱a(chǎn)生量的擾動；“外擾”的產(chǎn)生是外界所需負(fù)荷的波動引起的。

3.1 能量平衡理論

由于燃?xì)饬坎环€(wěn)定，所以“內(nèi)擾”對母管蒸汽壓力的影響是長期存在的。如果直接從燃燒控制的角度來考慮，這就是一個(gè)很復(fù)雜的控制環(huán)節(jié)，將涉及燃燒過程的燃料、送風(fēng)和引風(fēng)三大系統(tǒng)，顯然是不合適的。

但是，從能量平衡的角度，燃料燃燒后最終的能量可以簡單地分為兩部分：一部分產(chǎn)生了蒸汽流量D，這部分能量流進(jìn)了蒸汽母管，進(jìn)入了汽輪機(jī)做功以及供給用熱對象的需求；另一部分則貯存在鍋爐本身的工質(zhì)中，表現(xiàn)為鍋爐汽包壓力Pb的上升，因此，這部分能量可以用鍋爐汽包壓力Pb的微分來表示。

若第i臺鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽流量和汽包壓力分別為Di和Pbi（i=1，2，3），為第i臺鍋爐的蓄熱系數(shù)，則第 i 臺鍋爐所能提供的熱量信號為Qi：

顯然，3臺鍋爐提供的總熱量信號為Eb：

式中Db可以理解為總蒸汽流量。

若外界需要總蒸汽流量為Dt，母管蒸汽實(shí)際壓力與設(shè)定壓力分別為Pm和Po，為了滿足外界符合的需要，希望鍋爐提供的總能量Et可以表示為：

式中Et為鍋爐提供的總能量，也是外界所需要的總能量。

從以上的分析可以看出，只要保證外界需要蒸汽流量Dt和鍋爐實(shí)際提供的蒸汽流量Db相等，就能保證母管蒸汽壓力Pm等于其設(shè)定值Po。但是在實(shí)際控制系統(tǒng)中，外界所需的蒸汽流量Dt難以測量[4]，所以我們必須對能量方程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 能量平衡優(yōu)化

以上的公式推導(dǎo)是在考慮各臺鍋爐均為調(diào)壓爐的前提下進(jìn)行，所以針對系統(tǒng)中只有一臺調(diào)壓爐（第K臺鍋爐），（4）可以轉(zhuǎn)化為：

在穩(wěn)態(tài)工況下，存在鍋爐需求流量Dtk與實(shí)際主蒸汽流量Dbk相匹配，因此可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化：

將上式移項(xiàng)后可以得到：

圖2 基于直接能量平衡的控制策略

4 負(fù)荷分配方案設(shè)計(jì)

從控制工藝的角度來看，母管蒸汽壓力的高低變化是平衡過程中蒸汽盈余量所反映出來的物理現(xiàn)象。因此可以用母管蒸汽壓力的恒定作為鍋爐供汽量和外界耗汽量平衡的標(biāo)志，所以保證母管蒸汽壓力穩(wěn)定在給定值是鍋爐汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要要求之一。母管蒸汽壓力作為控制系統(tǒng)的主要被調(diào)量，消除“外擾”對母管蒸汽壓力的影響，可以采用調(diào)整鍋爐的蒸發(fā)量和調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽閥門開度及調(diào)節(jié)其他用熱對象的進(jìn)汽閥門開度三種調(diào)節(jié)手段。但是在該項(xiàng)目中，其他用熱對象的負(fù)荷可以近似為恒定，所以一般選擇前兩者為調(diào)節(jié)手段。

由此，可設(shè)計(jì)控制策略為：選擇以母管蒸汽壓力為控制對象，鍋爐和汽機(jī)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系為典型的“爐跟機(jī)”方式。

為避免出現(xiàn)各個(gè)鍋爐蒸汽負(fù)荷輕重不均的“搶負(fù)荷”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)“母管蒸汽壓力調(diào)節(jié)器”來分配負(fù)荷。母管蒸汽壓力控制器根據(jù)母管蒸汽壓力對各臺并列運(yùn)行鍋爐按預(yù)定關(guān)系發(fā)出增、減負(fù)荷的燃燒指令信號，并對汽機(jī)進(jìn)汽閥的開度變化發(fā)出指令。

其中，母管蒸汽壓力調(diào)節(jié)器具體可如下設(shè)計(jì)：

（1）根據(jù)鍋爐正平衡熱效率計(jì)算公式，每臺的熱效率可以表示為：

其中排污水相對給水流量和蒸發(fā)量很小，可忽略不計(jì)。則公式簡化為：

（2）設(shè)計(jì)鍋爐負(fù)荷分配系數(shù)

從公式10中可以發(fā)現(xiàn)，如果選取每兩個(gè)小時(shí)為一時(shí)間段，通過測量在該時(shí)間段內(nèi)的蒸發(fā)量和耗煤量，就可以計(jì)算出該時(shí)間段內(nèi)的熱效率。所以，根據(jù)鍋爐的熱效率進(jìn)行的負(fù)荷分配系數(shù)就可以表示為：

由于鍋爐的熱效率不會低于80%，根據(jù)公式10可知，分配系數(shù)不會小于0.25，而正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷不會低于1340t/h，所以必定能滿足鍋爐40%BMCR的最低穩(wěn)燃負(fù)荷。

（3）設(shè)計(jì)無擾切換方式運(yùn)行

若其中一臺鍋爐切除自動調(diào)節(jié)模式，則使其滿負(fù)荷運(yùn)行，另外兩臺鍋爐參與負(fù)荷分配；若其中一臺鍋爐達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，則退出自動調(diào)節(jié)模式，繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，不再參與負(fù)荷分配。

負(fù)荷分配的自動控制系統(tǒng)形式如圖3所示。

圖3 負(fù)荷分配的自動控制系統(tǒng)形式

L1、L2是1#機(jī)和2#機(jī)的閥門開度系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)是根據(jù)汽機(jī)額定負(fù)荷和增減負(fù)荷的能力確定。

所以，通過消除“外擾”和“內(nèi)擾”的產(chǎn)生因素，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的控制系統(tǒng)圖

從圖4中可以看出：PID1為主控制器，控制母管蒸汽壓力，其輸出為鍋爐總負(fù)荷；PID2為副控制器，控制鍋爐負(fù)荷，其輸出為磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

本文以母管制運(yùn)行鍋爐的核心問題：并列運(yùn)行鍋爐共同維護(hù)母管蒸汽壓力為出發(fā)點(diǎn)，分析產(chǎn)生母管蒸汽壓力變化的兩個(gè)主要因素：“外擾”和“內(nèi)擾”；并從能量守恒和控制工藝的角度，通過對控制方案的優(yōu)化，分別減少由于“外擾”和“內(nèi)擾”產(chǎn)生的控制滯后時(shí)間，使母管蒸汽壓力趨于穩(wěn)定，達(dá)到提高運(yùn)行效率，增加經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

[1] 孫艷, 婁幸. 母管制機(jī)組的爐機(jī)負(fù)荷分配運(yùn)算與協(xié)調(diào)控制[J]. 自動化儀表,2003, 24 (10) , 53-56.

[2] 朱洪軍, 周佐. 母管制鍋爐壓力協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 控制系統(tǒng),2009, 24 (10) , 34-38.

[3] 王雪波. 母管制運(yùn)行鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的研究[J]. 科技信息, 2008 (16) ,101-102.

[4] 于開江. 母管制機(jī)組典型熱工過程的優(yōu)化控制[D]. 南京 : 東南大學(xué), 2004, 9.

[5] 呂劍虹等. 基于大滯后的控制技術(shù)的并列鍋爐母管蒸汽壓力的優(yōu)化控制[J]. 動力工程, 2005 (10) , 431-436.