W型火焰鍋爐超臨界機(jī)組雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化①

王 飛 何金奇 馮榮彬 周克宇 韋培元

(中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗研究院有限公司)

W型火焰鍋爐超臨界機(jī)組雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化①

王 飛 何金奇 馮榮彬 周克宇 韋培元

(中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗研究院有限公司)

結(jié)合貴州習(xí)水二郎電廠新建機(jī)組的調(diào)試經(jīng)驗，對W型火焰鍋爐雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)的各種相互擾動進(jìn)行具體分析，優(yōu)化制粉系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略，為整個機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)確定出一套切實可行的控制方案，確保了機(jī)組AGC功能的長期、正常投運。

W型火焰雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制 容量風(fēng) 燃料量 主汽壓力

目前,超臨界機(jī)組中W型火焰鍋爐、雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的應(yīng)用難點較多(鍋爐超溫、結(jié)焦；不能準(zhǔn)確計量入爐煤量等)[1]。如何提高該類型超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)是火電機(jī)組自動控制領(lǐng)域的一個重要研究課題。筆者總結(jié)出一套完善、成熟的超臨界火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略，為同類型的機(jī)組獲得優(yōu)秀的自動調(diào)節(jié)指標(biāo)提供強(qiáng)有力的保障。同時，能夠滿足電網(wǎng)和發(fā)電廠兩方面的需求。對電網(wǎng)而言，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度AGC指令進(jìn)而滿足電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的需要；對發(fā)電廠而言，在滿足電網(wǎng)負(fù)荷快速變化的同時能夠很好地控制機(jī)組的各項主要參數(shù)，包括主汽溫度、主汽壓力、過熱度控制(即金屬壁溫控制)、煤耗及廠用電率等[2]，對提高機(jī)組的運行壽命和經(jīng)濟(jì)運行指標(biāo)發(fā)揮了毋容置疑的重要作用。

1 系統(tǒng)介紹

貴州習(xí)水二郎電廠(4×660MW)新建工程三大主機(jī)廠家分別為北京巴威公司、東方汽輪機(jī)廠和東方電氣股份公司。鍋爐為超臨界參數(shù)、W型火焰燃燒、垂直管圈水冷壁變壓直流鍋爐。單爐膛露天島式布置，燃用貧煤，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架結(jié)構(gòu)。制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出正壓直吹冷一次風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配6臺鋼球磨。對于校核煤種6臺磨煤機(jī)全部投運可滿足鍋爐BMCR工況運行的要求。每臺磨煤機(jī)引出4根煤粉管道分別連接到鍋爐前墻和后墻的燃燒器[3]。

2 燃燒特性分析及其控制策略制定

在實際運行過程中，針對制粉系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)對主汽壓力的影響進(jìn)行擾動試驗。根據(jù)實際擾動結(jié)果得出直接影響鍋爐燃燒工況的因素包括燃料量(風(fēng)、粉)、磨煤機(jī)料位、磨煤機(jī)出口風(fēng)速和粉溫，根據(jù)這些因素制定出適合本機(jī)組的控制策略。

燃料量變化(風(fēng)、粉)對鍋爐燃燒的影響。增大磨煤機(jī)容量風(fēng)門開度，直接加大進(jìn)入磨煤機(jī)筒體的一次風(fēng)量，進(jìn)而增加了進(jìn)入分離器的粉量即鍋爐燃料量，加大鍋爐燃燒出力，反之則減少了鍋爐燃燒出力，這是控制鍋爐燃料量的唯一手段也是控制鍋爐燃燒的主要手段。

磨煤機(jī)料位對鍋爐燃燒的影響。原煤進(jìn)入磨煤機(jī)后與鋼球的混合物形成了一定的料位，為了保證系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)荷的速度(即只變化一次風(fēng)量)，必須保證磨煤機(jī)內(nèi)保持一定的儲粉量，即要求磨煤機(jī)內(nèi)的料位穩(wěn)定。在容量風(fēng)擋板開度不變的情況下，如果磨煤機(jī)筒體內(nèi)的料位增大(減小)，就會在短時間內(nèi)引起煤粉細(xì)度的減小(增大)，那么不能經(jīng)過分離器的不合格煤粉就會減少(增加)，從而增大(減小)了磨煤機(jī)和鍋爐燃燒的出力，所以在運行中必須控制磨煤機(jī)料位的穩(wěn)定。

磨煤機(jī)出口風(fēng)速和粉溫對鍋爐燃燒的影響。磨煤機(jī)分離器出口的粉溫升高可以導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的煤粉提前燃燒，提高煤粉燃燒的穩(wěn)定性，加劇鍋爐在下爐膛中的燃燒。旁路風(fēng)門開度的增大同時改變分離器出口的風(fēng)速，進(jìn)而改變煤粉進(jìn)入爐膛后的火焰行程，增加煤粉的下沖深度，可以提高下爐膛中熱負(fù)荷的均勻性。

綜上所述，影響鍋爐燃燒即磨煤機(jī)有效出力的因素包括風(fēng)量、料位和煤粉溫度，三者之間耦合性很強(qiáng)，因此在制定控制策略時要采取有效的解耦方法。

3 制粉系統(tǒng)各環(huán)節(jié)控制策略

3.1 磨煤機(jī)一次風(fēng)控制

磨煤機(jī)一次風(fēng)控制系統(tǒng)是雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)控制的核心。影響磨煤機(jī)一次風(fēng)量的因素除了容量風(fēng)門開度，還包括磨入口冷、熱風(fēng)門的開度和一次風(fēng)壓。對于制粉系統(tǒng)而言，給煤量(磨煤機(jī)的出力)與磨煤機(jī)容量風(fēng)有一一對應(yīng)的關(guān)系，常規(guī)控制方式為：根據(jù)給煤量對應(yīng)的容量風(fēng)量來調(diào)整容量風(fēng)擋板開度，旁路風(fēng)門跟隨容量風(fēng)擋板開度進(jìn)行調(diào)整，磨煤機(jī)入口熱風(fēng)門控制磨煤機(jī)的總?cè)肟陲L(fēng)量，磨煤機(jī)入口冷風(fēng)門控制溫度[4]。但由于容量風(fēng)量、旁路風(fēng)量、磨入口一次風(fēng)量的測量精度非常差，導(dǎo)致常規(guī)的一次風(fēng)量控制方案不可用，因此只能采用模糊控制手段來控制一次風(fēng)量。

根據(jù)通風(fēng)試驗數(shù)據(jù)得出，容量風(fēng)門開度在5%～50%區(qū)間其開度與容量風(fēng)量有比較好的線性關(guān)系，因此，可以以容量風(fēng)門開度代替容量風(fēng)量，接收燃料主控指令，通過加減容量風(fēng)門開度，改變磨煤機(jī)的出力。

旁路風(fēng)門開度的增大會改變進(jìn)入磨煤機(jī)筒體的原煤和磨煤機(jī)出口的煤粉干燥度，引起磨煤機(jī)分離器出口的煤粉溫度大幅波動。磨煤機(jī)分離器出口的粉溫升高可以導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的煤粉提前燃燒，提高煤粉的燃燒效率，加劇鍋爐燃燒。旁路風(fēng)門開度的增大會改變分離器出口的風(fēng)速，進(jìn)而改變煤粉進(jìn)入爐膛后的火焰行程，增加煤粉的燃燒時間，同樣加劇鍋爐燃燒，但是在磨煤機(jī)大負(fù)荷出力的工況下，開大旁路風(fēng)會降低容量風(fēng)的帶粉能力。旁路風(fēng)實際運行數(shù)據(jù)很好地驗證了這一點。考慮到旁路風(fēng)門(蝶閥)的非線性特性，列出旁路風(fēng)門與容量風(fēng)門的對應(yīng)數(shù)據(jù)(表1)，當(dāng)容量風(fēng)門大于40%以后，旁路風(fēng)門開度不再變化。

表1 旁路風(fēng)門與容量風(fēng)門的對應(yīng)數(shù)據(jù)

同樣由于風(fēng)量測量的不準(zhǔn)確，磨入口熱風(fēng)門無法準(zhǔn)確控制磨入口風(fēng)量，所以在正常運行過程中，磨煤機(jī)入口熱風(fēng)門全開，不參與調(diào)節(jié)，由磨煤機(jī)入口冷風(fēng)門控制磨煤機(jī)風(fēng)粉混合物溫度。

由于磨煤機(jī)入口熱風(fēng)門全開，要保證容量風(fēng)門的風(fēng)量線性特征，必須保證一次風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。由此要求在給煤量發(fā)生大的變化時(包括鍋爐出力大幅變化和煤質(zhì)發(fā)熱量大幅變化)一次風(fēng)機(jī)的出力要快速響應(yīng)，具體做法是將一次風(fēng)壓的設(shè)定值跟隨機(jī)組負(fù)荷指令自動調(diào)整，其跟隨數(shù)據(jù)見表2。

表2 一次風(fēng)壓與機(jī)組負(fù)荷指令的跟隨數(shù)據(jù)

磨煤機(jī)一次風(fēng)控制就是快速、穩(wěn)定地控制一次風(fēng)壓，通過控制容量風(fēng)門的開度來精確地控制進(jìn)入爐膛的給煤量，并且使旁路風(fēng)門相應(yīng)地跟隨容量風(fēng)門開度變化，從而達(dá)到控制鍋爐燃料量的目的。

3.2 磨煤機(jī)的料位控制

穩(wěn)定的料位是整個制粉控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提條件，從上面的分析可知，不管磨煤機(jī)出力如何變化，其料位應(yīng)保持不變。與其他制粉系統(tǒng)不同，雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)給煤機(jī)給煤量的變化并不能直接反映制粉系統(tǒng)的出力，但卻直接影響著磨煤機(jī)的料位，因此給煤機(jī)控制是調(diào)節(jié)磨煤機(jī)料位的主要手段[5]。本機(jī)組磨煤機(jī)料位由相應(yīng)的給煤機(jī)控制，磨煤機(jī)兩側(cè)料位信號的平均值作為給煤機(jī)控制回路的控制對象，在鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定時保持平穩(wěn)的料位和給煤量。

本機(jī)組料位控制系統(tǒng)的被調(diào)量采用的是差壓式料位計。差壓式料位計需要定期進(jìn)行吹掃，防止堵塞造成虛假料位；在吹掃之前，DCS接收到吹掃信號閉鎖當(dāng)前的料位值，防止給煤量波動。同樣，對單個煤粉管道進(jìn)行吹掃時也需要閉鎖磨煤機(jī)的料位信號，防止給煤量波動。在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)單側(cè)給煤機(jī)斷煤現(xiàn)象，這時應(yīng)該加快運行給煤機(jī)的調(diào)節(jié)速度，以響應(yīng)料位的變化，因此料位控制器的PI參數(shù)應(yīng)具備變參數(shù)功能。同時，為提高負(fù)荷變化的響應(yīng)能力，將磨煤機(jī)容量風(fēng)擋板開度作為前饋量進(jìn)行控制。

3.3 磨煤機(jī)煤粉溫度控制

磨煤機(jī)煤粉溫度控制就是要將磨煤機(jī)的出口溫度控制在一定的范圍內(nèi)，本機(jī)組采用磨煤機(jī)入口冷風(fēng)門控制。由于雙進(jìn)雙出鋼球磨的特性和本機(jī)組原煤較濕的原因，運行人員在開始暖磨后就將磨入口熱風(fēng)門全開。同時，磨煤機(jī)冷風(fēng)管道管徑比較小，調(diào)節(jié)冷風(fēng)門對磨煤機(jī)一次風(fēng)量的影響很小，但是對磨煤機(jī)出口的煤粉溫度影響很大，因此以冷風(fēng)門作為磨煤機(jī)出口溫度的主要調(diào)節(jié)手段。

4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 鍋爐主控

典型鍋爐主控回路為：鍋爐主控指令既作為總?cè)剂狭康脑O(shè)定值，又作為給水流量的設(shè)定值。鍋爐主控指令與實際煤量比較偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)后形成燃料主控指令(即給煤機(jī)給煤量平均指令)，燃料主控指令再加上操作員可以手動改變的偏置最終形成各給煤機(jī)給煤量指令，改變給煤機(jī)煤量；鍋爐主控指令經(jīng)過煤水比函數(shù)轉(zhuǎn)換為鍋爐給水流量指令，去調(diào)節(jié)汽動給水泵轉(zhuǎn)速[6]。

本機(jī)組采用雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)，如果也采取上述控制思路，由于無法準(zhǔn)確計量入爐煤量，給水流量設(shè)定值也就無法準(zhǔn)確給定，勢必造成機(jī)組動態(tài)過程水煤比偏差較大，將嚴(yán)重影響過熱蒸汽溫度和機(jī)組負(fù)荷的控制品質(zhì)。鑒于上述原因，筆者對協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了優(yōu)化：

a. 將鍋爐主控指令作為磨煤機(jī)容量風(fēng)門總指令，用容量風(fēng)門開度代替給煤機(jī)給煤量，鍋爐主控指令與實際容量風(fēng)門開度總和比較偏差經(jīng)PID計算后形成燃料主控指令(容量風(fēng)門平均指令)，燃料主控指令再加上操作員可以手動改變的偏置最終形成各容量風(fēng)擋板指令，調(diào)整磨煤機(jī)的出力。

b. 以功水比取代煤水比用于給水控制，機(jī)組功率與給水流量之間成正比關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系較為精確。因此，用機(jī)組功率指令經(jīng)函數(shù)計算，可換算出對應(yīng)的給水流量指令，從而取代常規(guī)的鍋爐給水流量指令計算方法。

4.2 “預(yù)給煤”邏輯

為解決變負(fù)荷初期鍋爐熱負(fù)荷滯后慣性的問題(即提高變負(fù)荷的響應(yīng)能力)，特制定一套完善的變負(fù)荷前饋邏輯(以下簡稱“預(yù)給煤”)，能夠精確靈敏地控制各個子系統(tǒng)快速響應(yīng)，動態(tài)地保持機(jī)爐兩側(cè)的能量平衡。“預(yù)給煤”邏輯(圖1)主要由4部分組成：機(jī)組變負(fù)荷指令微分邏輯、限幅邏輯、變量修正邏輯和限速邏輯。

圖1 “預(yù)給煤”邏輯

變負(fù)荷指令微分。在圖1中，機(jī)組實際指令經(jīng)過一個帶外置參數(shù)的微分環(huán)節(jié)后，形成“預(yù)給煤”的觸發(fā)信號。機(jī)組處于非協(xié)調(diào)控制模式時，微分環(huán)節(jié)輸出為0，這樣有效地避免了非協(xié)調(diào)方式下“預(yù)給煤”的自擾現(xiàn)象。機(jī)組正常變負(fù)荷時，其變動范圍的大小通過功能塊f(x)3轉(zhuǎn)換后變成微分環(huán)節(jié)的外置時間。如果變動范圍比較小，則微分時間相對較長，也就意味著單位電負(fù)荷變動量對應(yīng)的“預(yù)給煤”量持續(xù)的時間較長，能夠保證AGC指令小幅度變化時有足夠的前饋效果。邏輯中還引用了升負(fù)荷和降負(fù)荷功能，其目的是為了適應(yīng)變負(fù)荷指令方向隨機(jī)變化的特性。當(dāng)變負(fù)荷指令變向時微分環(huán)節(jié)輸出將及時改變“預(yù)給煤”量的方向，提高鍋爐側(cè)各子系統(tǒng)的靈敏度。

限幅功能。為了確保負(fù)荷指令變動時能夠靈敏地觸發(fā)“預(yù)給煤”邏輯，一般將前述微分環(huán)節(jié)的增益設(shè)置得足夠大。無論負(fù)荷指令變化幅度多大，也不論變負(fù)荷速率大小，其微分環(huán)節(jié)輸出量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常的前饋需求量，因此，必須根據(jù)電負(fù)荷變動幅度對微分環(huán)節(jié)輸出量進(jìn)行限幅。圖1中由輸入變量TL、LDC，功能塊LAG、T1、SUM1、f(x)1、f(x)2和大選塊、小選塊構(gòu)成限幅功能。

變量校正。考慮到鍋爐熱負(fù)荷與燃料量的非線性關(guān)系，邏輯中設(shè)置了f(x)4，根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷的變化自動校正“預(yù)給煤”量。為了避免變負(fù)荷過程結(jié)束后壓力超調(diào)現(xiàn)象，邏輯中設(shè)置了壓力校正環(huán)節(jié)，在變負(fù)荷過程中充分利用主汽壓力偏差量實時地校正“預(yù)給煤”量，在圖1中，由輸入變量MSPE和功能塊f(x)5、f(x)6、H、T共3部分組成。不同的變負(fù)荷速率對鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度要求也不同，因此邏輯中設(shè)置了f(x)7，其修正系數(shù)與變負(fù)荷速率是同步增長的。各路校正變量對限幅塊輸出值修正后計算出“預(yù)給煤”原始值。

速率限制。為了確保變負(fù)荷前饋量的效果，邏輯中通過速率限制功能塊實現(xiàn)變負(fù)荷過程中“快加(減)慢回”功能。在變負(fù)荷初始階段保證前饋量快速達(dá)到最大值；隨著機(jī)組實際指令與目標(biāo)指令偏差量的減小其變化速率也越來越慢。如此，既防止大范圍變動負(fù)荷時前饋量效果過強(qiáng)，又能保證小范圍變動負(fù)荷時前饋量的有效時間。速率限制功能由圖1中的f(x)8、f(x)9和速率限制塊組成。設(shè)置f(x)8的目的就是保證不同變負(fù)荷速率下的前饋量與變化速率之間的匹配關(guān)系，其參數(shù)設(shè)置必須與f(x)7保持一致。

“預(yù)給煤”前饋控制。預(yù)給煤量作為協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)的公用指令，同時作用到燃料、給水、總風(fēng)量、一次風(fēng)壓、磨煤機(jī)容量風(fēng)擋板和各級過熱器減溫水調(diào)門。各子系統(tǒng)將同時接收到“預(yù)給煤”公用信號，必須根據(jù)各自的系統(tǒng)特性設(shè)立獨立的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度。圖2以燃料前饋量控制為例，說明變負(fù)荷工況各子系統(tǒng)前饋量是如何形成的。

圖2 燃料前饋控制邏輯

5 機(jī)組實際運行效果

筆者選取了2015年12月18日11：18：00至14：20：00進(jìn)行AGC試驗，該試驗過程中負(fù)荷變動范圍為360～660MW，負(fù)荷變化率為7～10MW/min。

11∶22∶30從650MW開始降負(fù)荷，過程見表3，12:16:00從360MW開始升負(fù)荷，過程見表4，降/升負(fù)荷變化過程試驗記錄如圖3所示。

表3 650～360MW降負(fù)荷數(shù)據(jù)

表4 360～600MW升負(fù)荷數(shù)據(jù)

圖3 650～360MW降負(fù)荷和360～600MW升負(fù)荷趨勢

12：58：49從660MW開始降負(fù)荷，過程見表5，13：41：17從363MW開始升負(fù)荷，過程見表6，連續(xù)降、升負(fù)荷變化過程試驗記錄如圖4所示。

表5 660～363MW降負(fù)荷數(shù)據(jù)

表6 363～660MW升負(fù)荷數(shù)據(jù)

由圖3、4中的數(shù)據(jù)可以看出，協(xié)調(diào)控制方案經(jīng)受了負(fù)荷變動的考驗，過程中主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)均達(dá)到《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》(DL/T 657)的要求，能夠滿足機(jī)組變負(fù)荷的要求。

圖4 660～363MW降負(fù)荷和363～660MW升負(fù)荷趨勢

6 結(jié)束語

對于W型火焰鍋爐雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)的超臨界機(jī)組，以容量風(fēng)擋板開度代替給煤量，以功水比取代煤水比用于給水系統(tǒng)，再通過獨特的“預(yù)給煤”前饋邏輯，從變負(fù)荷指令微分、限幅、變量校正和速率限制4個方面對邏輯進(jìn)行優(yōu)化，有效地提高了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制精度和調(diào)節(jié)品質(zhì)。貴州習(xí)水二郎電廠(4×660MW)新建工程第1、2機(jī)組圓滿完成AGC試驗，并通過168h試運。在移交生產(chǎn)后，兩臺機(jī)組AGC功能長期投運，調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。

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OptimizationofCoordinatedControlSystemforDouble-inandDouble-outPulverizingSystemofW-typeFlame-firedBoilerSupercriticalUnit

WANG Fei, HE Jin-qi,FENG Rong-bin,ZHOU Ke-yu,WEI Pei-yuan
(EnergyChinaNorthwestElectricPowerTestResearchInstituteCo.,Ltd.)

In this paper, combined with the commissioning experience of the new unit of Xishui Erlang Power Plant in Guizhou Province, the various perturbations of the double-in and double-out ball milling system of W-type flame boiler were analyzed and the control strategy of the milling system and coordinated control system were optimized to provide the entire unit’s the coordinated control system with a set of practical control program so as to ensure long-term and normal operation of the unit AGC.

double-in and double-out ball milling system of W-type flame-fired boiler, coordination control, capacity air, fuel quantity, main steam pressure

王飛(1982-)，高級工程師，從事火力發(fā)電機(jī)組自動控制領(lǐng)域的調(diào)試研究工作，40439748@qq.com。

TH865

A

1000-3932(2017)12-1095-06

2017-07-15，

2017-08-15)

聲明

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