爐膛壓力控制系統(tǒng)控制策略優(yōu)化研究

蘇晨，王文蘭，張家暉，馮永祥

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，呼和浩特 010080)

0 引言

鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐蒸汽負(fù)荷的需要，同時還要保證燃燒過程的安全性和經(jīng)濟性。鍋爐爐膛壓力反映了燃燒過程中進(jìn)入爐膛的送風(fēng)量與流出爐膛的煙氣量之間的工質(zhì)平衡關(guān)系。爐膛壓力直接影響爐膛內(nèi)的燃燒質(zhì)量和鍋爐的安全性。若送風(fēng)量大于排風(fēng)量，則爐膛壓力升高，會造成爐膛往外噴灰或噴水，而壓力過高有造成爐膛爆炸的危險。若排風(fēng)量大于送風(fēng)量，爐膛壓力下降，不僅增加爐膛漏風(fēng)，而且降低爐膛溫度，影響爐內(nèi)燃燒工況。因此，爐膛壓力必須保持在一定的允許范圍之內(nèi)。

目前，國內(nèi)尚無先進(jìn)的火電廠爐膛壓力可控技術(shù)，此項技術(shù)的缺位造成大量資源的浪費并伴隨著危險的不可控性，給熱電廠正常作業(yè)增加了許多隱患和不可測因素。針對此情況，從負(fù)壓控制系統(tǒng)著手，采用變增益控制和防內(nèi)爆保護(hù)超馳控制策略，從根本上穩(wěn)定爐膛壓力，從而減少影響爐膛壓力的不可控因素，從本質(zhì)上提高爐壓的穩(wěn)定性。

1 爐膛壓力控制系統(tǒng)

爐膛壓力控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是通過控制2臺引風(fēng)機動葉或入口擋板的開度，使引風(fēng)量滿足機組自身當(dāng)前的運行狀況、負(fù)荷能力、設(shè)備安全保護(hù)及變負(fù)荷承受能力等，目標(biāo)負(fù)荷與送風(fēng)量相適應(yīng)，從而保證爐膛壓力在允許范圍內(nèi)，以穩(wěn)定燃燒、減少污染、保障安全。

某300 MW單元機組爐膛壓力控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1示。由圖1可見，它的組成與送風(fēng)控制系統(tǒng)基本相同，是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，可分為爐膛壓力調(diào)節(jié)、引風(fēng)機動葉控制和低爐膛壓力保護(hù)等幾個部分。

圖1 爐膛壓力變增益控制系統(tǒng)

1.1 變增益控制策略

爐膛壓力控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機動葉，將爐膛壓力控制在設(shè)定值。如圖1所示，系統(tǒng)采用了變增益控制策略，根據(jù)爐膛壓力偏差的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)：小偏差采用小增益控制，大偏差采用大增益控制，增強系統(tǒng)抑制偏差的能力。采用此變增益控制策略的目的是避免因爐膛壓力經(jīng)常有微小波動而導(dǎo)致頻繁動作調(diào)節(jié)機構(gòu)，增加機械磨損和動力消耗。

此外，系統(tǒng)還根據(jù)投入自動的引風(fēng)機數(shù)量進(jìn)行自動增益補償，將風(fēng)量指令信號或送風(fēng)控制指令作為超前變化的前饋信號。當(dāng)送風(fēng)量改變時，如果以爐膛壓力的變化調(diào)節(jié)引風(fēng)量，必然使?fàn)t膛壓力的動態(tài)偏差較大，采用送風(fēng)量前饋信號可使引風(fēng)量及時隨送風(fēng)量的改變而改變。這樣可以大大改善爐膛壓力的動態(tài)偏差，使?fàn)t膛負(fù)壓的波動最小。

1.2 引風(fēng)量調(diào)節(jié)

引風(fēng)量調(diào)節(jié)部分以調(diào)節(jié)器PI為中心?？刂葡到y(tǒng)的被調(diào)量是爐膛壓力信號pf，其給定值pf0是運行人員在軟手操控制器M/A2上給出的。當(dāng)爐膛壓力因某種擾動發(fā)生變化時，壓力調(diào)節(jié)器PI接收爐膛壓力Pf與給定值Pf0的偏差信號，并對此進(jìn)行比例積分控制運算，其運算結(jié)果與作為前饋信號的送風(fēng)機動葉平均指令Vf疊加后，形成引風(fēng)機的控制指令Gd，分別送至2臺引風(fēng)機的軟手操站M/A1和M/A2。系統(tǒng)中引入2臺送風(fēng)機動葉指令的平均值作為引風(fēng)機動葉的前饋信號，在機組負(fù)荷變化時，能使引風(fēng)量與送風(fēng)量同步動作，以減小送風(fēng)量變化對爐膛壓力的影響。函數(shù)器f(x)用于調(diào)整前饋作用的強弱。

1.3 風(fēng)機動葉控制與保護(hù)

風(fēng)機動葉控制部分由軟手操控制器M/A1和 M/A2、閉鎖指令增減與防喘振環(huán)節(jié)及超馳控制回路組成。正常情況下，調(diào)節(jié)器輸出的引風(fēng)量控制指令Gd，加上運行人員的手動偏置Gb作為引風(fēng)機動葉控制指令，經(jīng)M/A站、切換器T、閉鎖指令增減與防喘振環(huán)節(jié)輸出，去控制引風(fēng)機動葉的開度，改變引風(fēng)量以調(diào)節(jié)爐膛壓力，并最終使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在給定值附近。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常或故障時，控制系統(tǒng)將發(fā)出自動/手動切換、閉鎖指令增/減、超馳開/關(guān)指令，對系統(tǒng)設(shè)備實施保護(hù)。

(1)調(diào)節(jié)器的自動/手動切換。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)如下條件之一時，引風(fēng)機動葉控制切為手動狀態(tài)：鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)發(fā)出“請求自然通風(fēng)”信號；順序控制系統(tǒng)(SCS)發(fā)出“建立A(B)引風(fēng)機空氣通道”信號；SCS發(fā)出“關(guān)A(B)引風(fēng)機動葉”信號。3個爐膛壓力信號均發(fā)生故障時，使2臺引風(fēng)機動葉開度瞬間跟蹤30 s前調(diào)解器的輸出，并將2臺引風(fēng)機動葉的控制均切為手動狀態(tài)。

(2)調(diào)解器輸出閉鎖增減。當(dāng)如下任一情況發(fā)生時，閉鎖調(diào)解器的輸出增加：A引風(fēng)機處于自動狀態(tài)且控制指令大于或等于上限，B引風(fēng)機處于手動狀態(tài)；A引風(fēng)機處于自動狀態(tài)，B引風(fēng)機處于手動狀態(tài)，且爐膛壓力低于某一值；B引風(fēng)機處于自動狀態(tài)且控制指令大于或等于上限，A引風(fēng)機處于手動狀態(tài)；B引風(fēng)機處于自然狀態(tài)，A引風(fēng)機處于手動狀態(tài)，且爐膛壓力低于某一值。

(3)引風(fēng)機動葉的控制指令閉鎖增減：當(dāng)爐膛壓力高于某一值時，禁止動態(tài)關(guān)小引風(fēng)機動葉；當(dāng)爐膛壓力低于某一值時，禁止動態(tài)開大引風(fēng)機動葉。

(4)超馳開/關(guān)引風(fēng)機動葉。

1)超馳開。當(dāng)FSSS發(fā)出“請求自然通風(fēng)”信號時，延時一段時間(約30 s)后使2臺引風(fēng)機的動葉以一定的速率開至100％；當(dāng)SCS發(fā)出“建立A(B)引風(fēng)機空氣通道”信號時，B(A)引風(fēng)機動葉以一定的速率開至100％。“建立A(B)引風(fēng)機空氣通道”信號，是在引風(fēng)機啟動前由SCS發(fā)出的。由于引風(fēng)機容量較大，為防止其啟動時爐膛產(chǎn)生過大的負(fù)壓而損壞爐膛，啟動引風(fēng)機前必須打開2臺引風(fēng)機的動葉和出口擋板、2臺空氣預(yù)熱器的煙/風(fēng)側(cè)擋板以及未啟動的另一臺引風(fēng)機的入/出口擋板和動葉。

2)超馳關(guān)。當(dāng)SCS發(fā)出“關(guān)A(B)引風(fēng)機動葉”信號時，A(B)引風(fēng)機動葉以一定速率關(guān)至0％。

(5)防喘振保護(hù)。為防止引風(fēng)機發(fā)生喘振，系統(tǒng)中設(shè)計了風(fēng)機防喘振環(huán)節(jié)。根據(jù)引風(fēng)機入口煙氣流量和風(fēng)機特性曲線，計算出風(fēng)機動葉不同流量下的最大開度，以此作為動葉開度的限制值。

1.4 低爐膛壓力保護(hù)

低爐膛壓力保護(hù)回路組成如圖1右側(cè)虛線框內(nèi)部分所示。它由低限壓力給定器、爐膛壓力與低限壓力的比較器、比例調(diào)節(jié)器、高限限制器、加法器等組成。當(dāng)爐膛壓力低于某一值時，比較器輸出負(fù)值，經(jīng)比例調(diào)節(jié)器、高限限制器和加法器輸出，動態(tài)關(guān)小引風(fēng)機動葉開度，以保證鍋爐安全運行。高限限制器設(shè)置高限為零，防止?fàn)t膛壓力大于低限壓力時誤動。

當(dāng)發(fā)生主燃料跳閘(MFT)時，由于滅火瞬間爐膛壓力會急劇下降，而且發(fā)生MFT前機組負(fù)荷越高，滅火后爐內(nèi)工況變化越劇烈，處理不當(dāng)可能引起爐膛內(nèi)爆。為此應(yīng)阻止引風(fēng)機動葉開大，并緊急將動葉關(guān)小到某一開度。MFT動態(tài)修正回路根據(jù)發(fā)生MFT前機組的負(fù)荷值，按一定比例瞬間動態(tài)關(guān)小引風(fēng)機動葉開度，并保持一段時間后再以斜坡變化，回到發(fā)生MFT前瞬間的開度數(shù)值上，并恢復(fù)爐膛壓力的正常調(diào)節(jié)。

1.5 爐膛壓力防內(nèi)爆保護(hù)

爐膛壓力防內(nèi)爆保護(hù)由方向閉鎖、超馳控制、MFT返程控制等控制回路構(gòu)成。

方向閉鎖的作用是，通過對引風(fēng)機動葉指令的增減閉鎖，防止?fàn)t膛壓力工況的進(jìn)一步惡化。如圖2所示，當(dāng)爐膛壓力出現(xiàn)高報警時，T3置A，大選模塊的作用使引風(fēng)機動葉只能開大、不能關(guān)?。划?dāng)爐膛壓力出現(xiàn)低報警時，T3置B，小選模塊的作用使引風(fēng)機動葉只能關(guān)小、不能開大。

圖2 爐膛壓力防內(nèi)爆保護(hù)

圖2給出的是1臺600 MW機組的爐膛壓力超馳控制策略，MFT動作值為-1.75 kPa。當(dāng)爐膛壓力低于-1.23 kPa時，超馳控制回路在引風(fēng)機動葉指令上疊加了一個負(fù)值，使引風(fēng)機動葉迅速關(guān)小，直到爐膛壓力工況得到改善。

MFT以后，由于爐膛急劇冷卻，送、引風(fēng)機的平衡關(guān)系被破壞，如果不迅速減小引風(fēng)機動葉開度，爐膛內(nèi)將會出現(xiàn)很高的負(fù)壓，甚至?xí)λ浔诤蜖t墻造成損壞。圖2給出的MFT返程控制策略，用主蒸汽流量信號代表鍋爐負(fù)荷， 給出的返程控制量與滅火瞬間的鍋爐負(fù)荷有關(guān)。1臺600 MW機組的最大返程控制量約為30％，存儲模塊將MFT前的返程控制量存儲起來；機組正常運行時，T1置A，T2置B；發(fā)生MFT以后，T1和T2均置A，MFT返程控制回路將返程控制量送至爐膛壓力調(diào)節(jié)回路，在引風(fēng)機動葉指令上疊加了一個負(fù)值，使引風(fēng)機動葉迅速關(guān)?。籑FT發(fā)生5 s以后，T1置B，因f(x)模塊的作用，返程控制量將隨時間逐漸減小，15 s后減為0，動葉恢復(fù)正常調(diào)節(jié)。

2 擾動試驗

圖3為1臺沒有采用優(yōu)化策略的600 MW機組爐膛壓力定值擾動試驗曲線，試驗擾動量±100 Pa，過渡過程衰減率Ψ>0.90、穩(wěn)定時間2 min。由圖3可見，引風(fēng)機調(diào)節(jié)相應(yīng)遲緩，過渡過程太長，不完全滿足300 MW等級及以上機組爐膛壓力控制系統(tǒng)試驗要求和品質(zhì)指標(biāo)要求，即擾動量±150 Pa、過渡過程衰減率Ψ=0.75，穩(wěn)定時間<1 min，穩(wěn)態(tài)偏差<±100 Pa。

圖3 爐膛壓力定值擾動試驗1

圖4為1臺采用優(yōu)化策略的200 MW機組爐膛壓力定值擾動試驗曲線，爐膛壓力控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機變頻器，使?fàn)t膛壓力維持在微負(fù)壓-50 Pa運行。試驗擾動量±100 Pa，爐膛負(fù)壓設(shè)定值為-150～-50 Pa，穩(wěn)定再回到-50 Pa，過渡過程衰減率Ψ=0.75、穩(wěn)定時間25 s，穩(wěn)態(tài)偏差在±25 Pa以內(nèi)。完全滿足300 MW等級以下機組爐膛壓力控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)要求(擾動量±100 Pa、過渡過程衰減率Ψ=0.75，穩(wěn)定時間<40 s，穩(wěn)態(tài)偏差<±50 Pa)。

圖4 爐膛壓力定值擾動試驗2

圖5為1臺采用優(yōu)化策略的300 MW機組爐膛壓力定值擾動試驗曲線，試驗擾動量±200 Pa，過渡過程衰減率Ψ=0.75、穩(wěn)定時間<1 min，滿足300 MW等級機組爐膛壓力控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)要求。

圖5 爐膛壓力定值擾動試驗3

圖6為1臺采用優(yōu)化策略的600 MW機組爐膛壓力定值擾動試驗曲線，試驗擾動量±150 Pa，過渡過程衰減率Ψ=0.75、穩(wěn)定時間<1 min。由此可見，該爐風(fēng)煙系統(tǒng)由于空氣預(yù)熱器存在故障(間隙調(diào)整不當(dāng)或存在不均勻堵灰)，有微幅振蕩，但引風(fēng)機調(diào)節(jié)滿足600 MW等級機組爐膛壓力控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的要求。

圖6 爐膛壓力定值擾動試驗4

3 結(jié)論

爐膛壓力正常與否，關(guān)系著鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。采用變增益和防內(nèi)爆控制策略的爐膛壓力控制系統(tǒng)，可以有效降低各項資源(自然、人力等)的浪費，減少單位成本損耗，加大安全保障，更能為熱電廠節(jié)約大量資金，增加鍋爐的可操作性。通過200，300和600 MW擾動試驗曲線可以看出，此改進(jìn)的策略是可行的。

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