熱量信號在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王靜

摘 要：以太原第一熱電廠燃煤300 MW機組（中儲式制粉系統(tǒng)）的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為例，從BMS中的投油負荷、CCS中的鍋爐燃料量控制和風煤比幾個方面入手，綜合評述了熱量信號的作用及其使用過程中的不足。通過比較幾種情況下燃料量的不同，剖析了熱量信號的特性，并提出了幾點關(guān)于熱量信號應(yīng)用的注意事項，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：熱量信號；自動調(diào)節(jié)；燃料量；風煤比

中圖分類號：TM621.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.075

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，熱量信號被廣泛應(yīng)用于常規(guī)二型儀表搭接的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，它可以間接反映鍋爐的熱負荷。雖然熱量信號是分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但它是以組態(tài)的形式出現(xiàn)在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的。

1 熱量信號

在設(shè)計燃煤機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的過程中，瞬時給粉量是一個非常重要的過程變量。鍋爐調(diào)節(jié)器的設(shè)置如圖1所示。

因為瞬時給粉量很難測量到，所以，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也很難正常運行。這時，設(shè)計者可用熱量信號間接表示鍋爐的熱負荷。熱量信號的計算公式為：

式（1）中：QD為熱量信號；d為主蒸汽流量；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)；Pb為汽包壓力；t為主蒸汽溫度。

引入熱量信號的主要目的是讓其取代瞬時給粉量，保證在無法準確測量瞬時給粉量時，協(xié)調(diào)系統(tǒng)仍能正常運行。

2 熱量信號與燃料量的關(guān)系

理想的熱量信號只反映燃料量的變化，但是，它并不代表負荷的變化，鍋爐蓄熱系數(shù)的選取就是基于這一原則進行的。具體整定方式是，當鍋爐在某一負荷下穩(wěn)定運行時，給粉量不變，開大或關(guān)小主汽門，蒸汽流量d都會發(fā)生變化。這時，熱量信號QD應(yīng)不變，則主蒸汽流量變量Δd的計算公式為：

至此，鍋爐汽包的蓄熱量可以等效轉(zhuǎn)換為蒸汽流量。這樣，就可以在不同負荷段分別整定出Cb的值。試驗證明，在不同的汽包壓力下，Cb是個變量。這說明，在不同的汽包壓力下，相同的汽包壓力變化量所釋放（或吸收）的熱量并不相同，這是值得注意的問題，同時，也給熱量信號的整定工作增加了一定的難度。在應(yīng)用過程中，實際熱量信號與理論熱量信號是很難保持一致的，而熱量信號可以反映蒸汽流量的變化。蒸汽流量與汽機的出力成正比，因此，熱量信號也能反映汽機負荷的變化。這一特性使得熱量信號的使用變得更加復(fù)雜。如果能充分利用這一特性，會在一定程度上提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是，如果利用不當，則會引發(fā)很多問題。

3 熱量信號的劣勢

熱量信號能夠間接反映鍋爐燃料量，在實際應(yīng)用中，它基本上可以保證協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常運行，而且在穩(wěn)態(tài)過程中，也能較好地反映鍋爐的燃料量。但是，其中也存在一些問題：①無法快速反映燃料量的擾動情況。當進入爐膛的燃料量自發(fā)擾動時，熱量信號無法感知到。只有燃料量變化導(dǎo)致主汽流量和汽包壓力發(fā)生變化時，熱量信號才會發(fā)生變化。由此可見，熱量信號具有遲延性。因此，引入熱量信號后，它在燃料量調(diào)節(jié)內(nèi)回路中起不到快速消除燃料量內(nèi)擾的作用。②不易整定。由于汽包蓄熱系統(tǒng)是不變量，所以，在整定時，要多次反復(fù)實驗。只有這樣，才能測取本臺鍋爐的蓄熱系數(shù)。而在實際應(yīng)用中，常用汽包壓力的函數(shù)是需要修正的。

常用汽包壓力函數(shù)公式為：

式（3）中：f（p1）為汽機一級壓力的函數(shù)，代表主汽流量；f（pt）

為汽機調(diào)節(jié)級壓力的函數(shù)。

在大型火力發(fā)電廠中，主汽流量一般不用流量孔測量，因為它造成的節(jié)流損失是非常大的。通常情況下，可采用汽機調(diào)節(jié)級壓力或高加缸排汽壓力計算主汽流量，也就是所謂的“無孔板測量”。

實際熱量信號與理論熱量信號不同。在實際應(yīng)用中，熱量信號能夠反映汽機負荷的變化。正是因為這一點，當調(diào)門開啟或關(guān)閉時，熱量信號也會發(fā)生變化。在自動調(diào)節(jié)的過程中，恬當?shù)匾眠@一變化量能快速響應(yīng)鍋爐給粉量的變化。但是，要注意的是，如果作用不當，就會導(dǎo)致鍋爐燃燒波動，自動調(diào)系統(tǒng)發(fā)生震蕩，需要多個調(diào)節(jié)周期才能穩(wěn)定下來。

3.1 BMS邏輯判斷錯誤

在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)（以下簡稱“BMS”）中，爐膛瞬時給粉量是一個非常重要的過程變量，它關(guān)系著油層的投入、煤層的點火能量和煤層的跳閘等。在CCS中引入熱量信號，讓它取代瞬時給粉量，給鍋爐的燃燒管理工作帶來了許多不便，主要表現(xiàn)為以下2點：①熱量信號與瞬時給粉量相比，其遲延性較強，推遲了油層的投入和煤層的跳閘時間，嚴重威脅著鍋爐的運行安全。當進入爐膛的瞬時給粉量發(fā)生變化時，要等它完全燃燒使汽機一級壓力發(fā)生變化后熱量信號才會發(fā)生變化。比如，當某層或某幾臺給粉機出現(xiàn)故障時，瞬時給粉量會發(fā)生變化，使爐內(nèi)燃燒受到?jīng)_擊。這時，BMS應(yīng)迅速投入油層穩(wěn)定燃燒。但是，由于使用的是熱量信號而不是給粉量，所以，BMS只會根據(jù)熱量信號的變化決定是否投油穩(wěn)燃，這時的熱量信號不會發(fā)生太大的變化。即使爐內(nèi)燃燒瞬間惡化，BMS也不會投油穩(wěn)定燃燒。②熱量信號受汽機負荷變化的影響，使用后常常會出現(xiàn)油層誤投的問題。由相關(guān)分析可知，汽機調(diào)節(jié)門開度的變化可能是調(diào)節(jié)指令造成的，也可能是調(diào)節(jié)門自發(fā)擾動造成的。但這并不重要，重要的是當調(diào)節(jié)門開度發(fā)生變化時，會導(dǎo)致熱量信號發(fā)生變化。例如，當汽機調(diào)節(jié)門發(fā)生擾動或作汽機閥門抖動試驗時，鍋爐負荷保持不變。由于高調(diào)門開度變小，所以，熱量信號就會受弱。當熱量信號低于某一值時（例如50%，視BMS內(nèi)部的聯(lián)鎖定值而定），BMS就會發(fā)出投油穩(wěn)定燃燒的指令。此時，鍋爐燃燒未發(fā)生任何變化，當然也無需投油穩(wěn)燃。這樣做，一方面，會浪費燃油；另一方面，會增加鍋爐的出力，導(dǎo)致主汽起壓，甚至還會導(dǎo)致汽包水位發(fā)生劇烈的變化。這些都是熱量信號取代瞬時給粉量造成的。

3.2 無法保證常使暫態(tài)下的風煤比

風煤比對于爐膛的燃燒十分重要，在設(shè)計調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，要注意保持爐膛燃燒所需的風煤比。要想增加燃料，就要先增加風量；要想減小風量，就要看其是否受燃料量的制約；要想保證風煤比，就要保證富風燃燒，這也是大型鍋爐防爆標準方案之一。受使用熱量信號取代了給粉量后，原來的風煤比變成了風與熱量信號的配比，使得原本不太好控制的風煤比更加復(fù)雜。

從圖1中可以看出，當機組以投全協(xié)調(diào)方式運行時，送風機會接收鍋爐主調(diào)的指令調(diào)節(jié)送風量，使送風量與鍋爐指令相匹配，燃燒主調(diào)接收鍋爐主調(diào)的指令，使燃燒量與鍋爐指令相匹配。但是，熱量信號與給粉量是相差很大的，比如，當機組負荷增加時，鍋爐、汽機指令都會增加，汽機調(diào)門開大。鍋爐指令增加會使送風主調(diào)輸出增加，鍋爐送風量增加。對于燃燒主調(diào)來說，這種情況是很復(fù)雜的。鍋爐指令增加會增加燃料主調(diào)的設(shè)定點，但是，在汽機主調(diào)指令增加的同時也會增加熱量信號，燃燒主調(diào)的控制變量也就相應(yīng)增加了。如果汽機主調(diào)的動作比鍋爐主調(diào)快，那么，燃料量不會增加，反而還會減少。這時，風量將比燃料量大，不利于鍋爐的安全、經(jīng)濟運行。在實際工作中，汽機增負荷基本上沒有延遲，熱量信號比鍋爐指令增加得快，尤其是當系統(tǒng)要求機組負荷快速增加時；相反，當機組減負荷時，會導(dǎo)致燃料量過剩。

3.3 加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定難度

當機組負荷增加時，在增加汽機主調(diào)的同時，熱量信號的增加大于鍋爐主調(diào)的增加，那么，燃料主調(diào)的輸出反而會減小，進而降低鍋爐出力，導(dǎo)致主汽壓降低。這時，就要關(guān)小調(diào)門。當熱量信號小于鍋爐指令時，燃料量才能增加。這樣做，雖然減緩了增負荷的速率，但會使系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的振蕩。如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用的是給粉量，就不會發(fā)生這種問題。因此，使用熱量信號的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其整定難度很大。這里的“難度大”是指在整定燃料主調(diào)時，要充分考慮汽機的調(diào)節(jié)特性；相反，在整定汽機調(diào)節(jié)參數(shù)時，要充分考慮它對燃料主調(diào)的影響。

4 熱量信號應(yīng)用方案

由上述分析可知，熱量信號在CCS中發(fā)揮著巨大的作用，它能保證協(xié)調(diào)系統(tǒng)正常運行。盡管其在應(yīng)用過程中還存在不足，但只要合理使用并輔以其他信號加以修正，就能保證CCS和BMS的正常運行。

4.1 熱量信號有利于消除內(nèi)擾

在CCS中，當機組負荷和主汽壓力處于穩(wěn)態(tài)，有利于消除熱量信號的內(nèi)擾。熱量信號的形成如圖2所示。

從圖2中可以看出，從給粉特性到汽機特性的一系列傳遞函數(shù)，當某一傳遞函數(shù)發(fā)生變化即產(chǎn)生內(nèi)擾時，熱量信號都會發(fā)生變化，而且熱量信號的變化是個負反饋環(huán)節(jié)。熱量信號的變化會導(dǎo)致燃料調(diào)節(jié)器在主汽壓和機組負荷未發(fā)生變化時就進行調(diào)節(jié)。這說明，引用熱量信號后，協(xié)調(diào)系統(tǒng)消除內(nèi)擾的能力會增強。

當給粉機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，熱量信號也會發(fā)生變化，只是這一變化比瞬時給粉量的變化晚。也就是說，熱量信號對給粉量擾動消除能力的影響比較小。但是，對于汽機調(diào)節(jié)級和汽包壓力的變化，熱量信號的反映比較快，即熱量信號在消除汽機調(diào)節(jié)級和汽包壓力擾動方面的能力比較強。

4.2 熱量信號在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一般來說，直吹式制粉系統(tǒng)中設(shè)有計量式電子皮帶秤，用它可以測量磨煤機的給煤量。在設(shè)計協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的過程中，常常用給煤量來代替瞬時燃料量。由于給煤量與瞬時給粉量相比有一定的延遲性，而且動態(tài)特性又有較大的差別，所以，它的調(diào)節(jié)特性并不好。引入熱量信號后，不僅能提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除內(nèi)擾的能力，還能提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的自平衡能力。熱量信號在給粉量測量系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖3所示。

圖3設(shè)計了一個跟蹤回路，當機組負荷變化率較小時，可投入熱量信號調(diào)節(jié)回路。當給煤量發(fā)生擾動時，燃料調(diào)節(jié)器會快速調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)；當調(diào)節(jié)級壓力、汽包壓力發(fā)生擾動時，熱量信號調(diào)節(jié)器會快速消除擾動；當機組負荷變化率較大時，熱量信號調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)，繼而圖3所示的控制系統(tǒng)就演變成了只使用燃料量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在整定過程中，如果單獨使用熱量信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽機調(diào)節(jié)器的作用強度會比較小。當汽機的動作速率過快，會導(dǎo)致燃料調(diào)節(jié)器作出與負荷變化相反方向的調(diào)節(jié)，進而影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度等。

5 結(jié)束語

總之，雖然熱量信號的使用存在一些弊端，但是，只要使用合理，還是可以保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的正常運行。合理的參數(shù)配置在消除內(nèi)擾、穩(wěn)定負荷方面發(fā)揮著巨大的作用。

〔編輯：白潔〕