火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)研究與仿真

林洪瑩,葛樹俊

（山東魯能控制工程有限公司，濟(jì)南 250002）

0 引言

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電力能源的需求與日俱增，在電力能源中處于主力地位的火電機(jī)組需要更多地投運(yùn)和更深地優(yōu)化。因此，發(fā)電企業(yè)迫切需要在現(xiàn)有機(jī)組上挖掘潛力，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低供電煤耗，從而提高競(jìng)爭(zhēng)力。電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)變化，電網(wǎng)負(fù)荷谷峰差越來越大，機(jī)組要迅速滿足負(fù)荷變化，其中的火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)便是重要的一環(huán)。單元機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)關(guān)系到負(fù)荷、主汽壓力、汽溫、水位控制等一系列控制，對(duì)燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化不僅能夠保證主汽壓力等主要運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，而且能夠降低機(jī)組供電煤耗，所以得到了發(fā)電公司地廣泛關(guān)注。

火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)較復(fù)雜的綜合性控制系統(tǒng)，由3個(gè)子系統(tǒng)組成，包括燃料量控制系統(tǒng)，送風(fēng)控制系統(tǒng)，以及引風(fēng)控制系統(tǒng)。燃料量控制系統(tǒng)主要是通過控制燃料量來維持機(jī)組主蒸汽壓力的穩(wěn)定；送風(fēng)控制系統(tǒng)是通過控制送風(fēng)量來調(diào)節(jié)煙氣含氧量，使燃燒更充分；引風(fēng)控制系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量來維持機(jī)組爐膛壓力[1]?？梢姡瑱C(jī)組燃燒控制系統(tǒng)涉及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，可以有效的降低企業(yè)的成本，提高生產(chǎn)效率。

1 火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)概述

燃燒的過程是一個(gè)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，燃料通過一次風(fēng)機(jī)二次風(fēng)機(jī)經(jīng)燃燒器送入爐膛，燃料與熱空氣充分混合，燃燒產(chǎn)生的熱量使水受熱變成蒸汽，蒸汽便成為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，引風(fēng)機(jī)配合送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)爐膛壓力，最后燃燒后產(chǎn)生的煙氣充分利用后通過煙囪排出[2]。

燃燒控制系統(tǒng)要能夠及時(shí)響應(yīng)鍋爐指令，調(diào)節(jié)燃料量、送風(fēng)量，調(diào)節(jié)這兩個(gè)量的同時(shí)調(diào)節(jié)引風(fēng)量，使系統(tǒng)各參數(shù)達(dá)到一個(gè)平衡，滿足機(jī)組運(yùn)行需求，適應(yīng)外接負(fù)荷。燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速以及送風(fēng)機(jī)擋板開度均由鍋爐指令來控制，各調(diào)節(jié)量按事先約定好的值進(jìn)行動(dòng)作，并且隨外界環(huán)境的變化信號(hào)值發(fā)生變化，各信號(hào)相應(yīng)變化，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制[2]。

總而言之，鍋爐燃燒系統(tǒng)要保證機(jī)組運(yùn)行安全，還得保證節(jié)省成本，既要適應(yīng)不斷變化使之符合要求，還得讓燃料燃燒充分。系統(tǒng)控制得好，需要讓各個(gè)參數(shù)值處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。參數(shù)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系處理好了，不僅保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約成本的同時(shí)降低對(duì)大氣的污染。

2 火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)功能與調(diào)節(jié)量

2.1 燃料控制系統(tǒng)

燃料控制系統(tǒng)在DCS中通過不同負(fù)荷下的給煤量指令以及實(shí)際給煤量的多少，通過PID控制策略來調(diào)節(jié)給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制實(shí)際給煤量的多少，以達(dá)到控制燃燒產(chǎn)生蒸汽量的目的，使蒸汽量維持在一定的范圍內(nèi)。在外部，根據(jù)實(shí)際蒸汽壓力PT與給定指令蒸汽壓力P0之間的偏差，經(jīng)PID實(shí)現(xiàn)外環(huán)調(diào)節(jié)，維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。其中煤量控制的內(nèi)部擾動(dòng)，是指如因煤種、煤質(zhì)、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速異常等引起的擾動(dòng)；外部擾動(dòng)是指蒸汽量給蒸汽壓力帶來的擾動(dòng)[3]。燃料控制系統(tǒng)主要采用串級(jí)控制。

燃料控制系統(tǒng)主要作用是維持汽輪機(jī)所需主蒸汽壓力的穩(wěn)定。燃料控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化多少及時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)入爐膛燃料的多少，從而使產(chǎn)生的主蒸汽量滿足汽輪機(jī)的需求，使化學(xué)能與動(dòng)能之間達(dá)到平衡。

2.2 送風(fēng)控制系統(tǒng)

送風(fēng)控制系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)比值控制系統(tǒng)，為燃料燃燒提供所需空氣量。在燃燒系統(tǒng)中一般配有兩臺(tái)軸輪式送風(fēng)機(jī)，通過送風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉來調(diào)節(jié)送風(fēng)量?？偹惋L(fēng)量分為一次風(fēng)和二次風(fēng)，一次風(fēng)主要輸送燃燒所需燃料，二次風(fēng)主要保證燃燒的充分性[4]。根據(jù)送風(fēng)控制系統(tǒng)的任務(wù)可知，送風(fēng)控制就是要保證燃燒過程中有合適的燃料與風(fēng)量的比例，使?fàn)t膛里的燃燒為富氧燃燒，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒的目的；通過煤量確定送風(fēng)量的給定值，再與實(shí)際風(fēng)量求偏差，用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)。送風(fēng)控制系統(tǒng)主要采用比值控制。

送風(fēng)控制系統(tǒng)為燃燒經(jīng)濟(jì)型提供保障。煙氣含氧量是鍋爐燃燒過程中的一個(gè)重要參數(shù)，如果風(fēng)量升高，進(jìn)入爐膛的空氣相應(yīng)增加，在擋板開度不變的情況下，煙氣含氧量就會(huì)增大[5]。二次風(fēng)量根據(jù)此參數(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，與一次風(fēng)配合使燃料燃燒所需空氣量達(dá)到最佳值，既不多，導(dǎo)致浪費(fèi)，也不少，導(dǎo)致燃燒不充分。同時(shí)，煙氣含氧量也達(dá)到最佳狀態(tài)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，減少了電廠的運(yùn)營(yíng)成本。

送風(fēng)控制系統(tǒng)要保證一次風(fēng)量的穩(wěn)定。一次風(fēng)速度太慢，會(huì)導(dǎo)致燃料堆積，一次風(fēng)速度太快，會(huì)導(dǎo)致空氣和燃料混合不充分，從而燃燒不充分。因此送風(fēng)控制系統(tǒng)要保證一次風(fēng)量維持在給定值。

送風(fēng)控制系統(tǒng)要保證磨煤機(jī)出口溫度滿足需求。磨煤機(jī)出口溫度不能太高也不能太低，太高了容易引起制粉系統(tǒng)火災(zāi)，太低了又不能使煤粉足夠干燥。改變冷熱風(fēng)擋板的開度，讓磨煤機(jī)出口溫度保持在所需范圍以內(nèi)。

2.3 引風(fēng)控制系統(tǒng)

引風(fēng)控制系統(tǒng)是爐膛壓力控制系統(tǒng)，為單一回路控制系統(tǒng)，反應(yīng)送風(fēng)量與吸風(fēng)量的平衡關(guān)系，當(dāng)給風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，引風(fēng)量也隨之變化?；跔t膛給定負(fù)壓值PV0與實(shí)際爐膛負(fù)壓值PV的偏差進(jìn)行的反饋調(diào)節(jié)。通過送風(fēng)機(jī)的前饋指令信號(hào)及時(shí)調(diào)節(jié)引風(fēng)量的大小，使?fàn)t膛壓力保持穩(wěn)定，達(dá)到安全運(yùn)行目的。

引風(fēng)控制系統(tǒng)主要是維持爐膛壓力的穩(wěn)定，使引風(fēng)量和送風(fēng)量達(dá)到平衡。如果爐膛壓力過高，導(dǎo)致火焰外漏，帶來安全隱患。如果爐膛壓力過低，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定甚至滅火。因此引風(fēng)控制系統(tǒng)一定要保證爐膛壓力的穩(wěn)定，使之在要求的安全范圍以內(nèi)[6]。

2.4 燃燒過程調(diào)節(jié)量

燃燒過程關(guān)鍵調(diào)節(jié)量主要包括燃料、送風(fēng)和引風(fēng)，通過幾個(gè)參數(shù)的協(xié)調(diào)投入實(shí)現(xiàn)最佳燃燒過程。

2.4.1 燃料量

燃料量即送入爐膛煤粉的多少，是根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需蒸汽壓力的多少來調(diào)節(jié)的。

2.4.2 送風(fēng)量

送風(fēng)量即送風(fēng)機(jī)送風(fēng)的總量，隨燃料量的多少而改變，保證燃燒經(jīng)濟(jì)性，主要通過煙氣含氧量來判斷燃燒充分不充分。

2.4.3 引風(fēng)量

調(diào)節(jié)引風(fēng)量的目的是使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，來維持爐膛壓力的穩(wěn)定，一般通過調(diào)節(jié)引風(fēng)量使?fàn)t膛維持在微負(fù)壓狀態(tài)，以保證燃燒過程穩(wěn)定性。

3 送風(fēng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 送風(fēng)控制系統(tǒng)組態(tài)

送風(fēng)控制系統(tǒng)主要控制進(jìn)入爐膛的總風(fēng)量，使燃料充分燃燒，包括一次風(fēng)和二次風(fēng)[7]。一次風(fēng)輸送加熱煤粉，分為冷一次風(fēng)和熱一次風(fēng)，熱一次風(fēng)是通過空氣預(yù)熱器加熱產(chǎn)生的，二次風(fēng)是通過單獨(dú)通道送入爐膛熱空氣，為煤粉提供所需氧氣，可以起到助燃的作用，進(jìn)入爐膛和一次風(fēng)進(jìn)行混合。風(fēng)量控制要得當(dāng)，風(fēng)量過大過小都可能導(dǎo)致燃燒不充分，燃料利用率低。其簡(jiǎn)易SAMA圖如圖1所示。由圖1送風(fēng)控制系統(tǒng)的功能可知，送風(fēng)控制就是要保證燃燒過程中有合適的燃料與風(fēng)量的比例，使?fàn)t膛里的燃燒為富氧燃燒，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒的目的[8]；通過煤量確定送風(fēng)量的給定值，再與實(shí)際風(fēng)量求偏差，用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在燃料控制系統(tǒng)中，主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設(shè)定值經(jīng)過一個(gè)PID控制器，其輸出為鍋爐主控指令，然后經(jīng)過一個(gè)函數(shù)轉(zhuǎn)換器作為送風(fēng)控制PID控制器的設(shè)定值。在送風(fēng)系統(tǒng)中氧量作為風(fēng)量實(shí)際值的修正，送風(fēng)系統(tǒng)PID的輸出經(jīng)過兩個(gè)手操器去控制送風(fēng)機(jī)A與送風(fēng)機(jī)B的動(dòng)葉開度，從而維持爐膛內(nèi)合適的過?？諝庀禂?shù)。

3.2 送風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

3.2.1 送風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

煙氣含氧量是指燃料燃燒之后排出的煙氣中氧氣的含量，是影響燃燒過程經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，影響因素主要包括燃料量，空氣量等，主要通過改變送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度進(jìn)而改變進(jìn)入爐膛的送風(fēng)量，從而對(duì)煙氣含氧量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在做動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)時(shí)A，B送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥門均切手動(dòng)，A送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)閥開度由初始的45.3增大到50.0，觀測(cè)送風(fēng)量實(shí)際值（紅色曲線）與設(shè)定值（黃色曲線）的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖1 送風(fēng)控制系統(tǒng)SAMA圖Fig.1 SAMA map of the air control system

圖2 送風(fēng)系統(tǒng)飛升曲線Fig.2 The curve of air supply system

由圖2中送風(fēng)量以階躍曲線形式響應(yīng)可知，其動(dòng)態(tài)特性具有滯后、慣性和自平衡能力。

3.2.2 送風(fēng)系統(tǒng)給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

A、B送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥門均投自動(dòng)，鍋爐主控切手動(dòng)，然后將它的輸出由開始的240.42增大到260，觀測(cè)送風(fēng)量實(shí)際值（紅色曲線）與設(shè)定值（黃色曲線）的變化趨勢(shì)如圖3所示。

送風(fēng)控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器模塊參數(shù)設(shè)置為：比例帶170，積分時(shí)間為130，微分時(shí)間為0。由此參數(shù)計(jì)算調(diào)節(jié)指標(biāo)：

圖3 送風(fēng)系統(tǒng)給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 The curve of setpoint perturbation experiments of air supply system

由以上指標(biāo)可見，此給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)誤差為零但最大偏差過大，衰減幅度適中。

3.2.3 送風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

A送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥門切手動(dòng)，閥門開度由初始的43.16增大到50.0，B送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)閥處于自動(dòng)，觀測(cè)送風(fēng)量實(shí)際值（紅色曲線）與設(shè)定值（黃色曲線）的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 送風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 The curve of regulate quantity perturbation experiments of air supply system

從圖4可以看出，當(dāng)A送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥門開度增大時(shí)，為了保持送風(fēng)量恒定，B送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥門開度在A送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥門動(dòng)作之后隨之相應(yīng)地減小，從而控制送風(fēng)量，最終使送風(fēng)量維持恒定。

4 總結(jié)

本文對(duì)火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)地分析與介紹，包括燃燒控制系統(tǒng)的組成及功能，重點(diǎn)對(duì)送風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了更深入地介紹，對(duì)送風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性仿真實(shí)驗(yàn)、給定值擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)、調(diào)節(jié)量擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。為以后火電機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定的參考意見。

[1]孔亮,張毅,丁艷軍,等.電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制技術(shù)綜述[J].電力設(shè)備,2006（02）:19-22.

[2]劉麗麗,孫靈芳,付文光.智能控制在火電站鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表2008（04）:39-42.

[3]于曉東.計(jì)算機(jī)控制在鍋爐運(yùn)行中的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù),2001,21(5):43-45.

[4]彭波.火電廠控制系統(tǒng)發(fā)展研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2006,123（1）:4-5.

[5]鄧莎,潘維加.單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析[J].電站系統(tǒng)工程,2010,26（5）:51-54.

[6]趙征.劉偉,劉吉臻,等.基于信息融合的鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)[J].動(dòng)力工程,2009(1):13-17.

[7]師建斌,嚴(yán)道一.鍋爐燃燒優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)在火電企業(yè)的應(yīng)用[J].中國(guó)電力,1997,30(7):31-35.

[8]盧勇,徐向東.煙氣含氧量軟測(cè)量新方法研究[J].熱能動(dòng)力工程,2002,17(6): 614-617.