動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行平衡出力策略研究

李達(dá)

摘要：本文通過在鍋爐負(fù)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)中嵌入風(fēng)機(jī)出力平衡模塊，解決風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程因動(dòng)葉線性偏差大引起的搶風(fēng)現(xiàn)象。該模型不依賴設(shè)備的實(shí)際線性曲線，具有調(diào)整簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)修正并列風(fēng)機(jī)出力的功能，對(duì)鍋爐壓力控制回路優(yōu)化與運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制;鍋爐壓力控制;并列運(yùn)行;線性;軸流風(fēng)機(jī);電流偏差

現(xiàn)代人民生產(chǎn)生活離不開電能，在我國(guó)暫時(shí)還沒有哪一種穩(wěn)定、可靠、易控的能源來替代火電重要地位?；痣婂仩t在運(yùn)行中就要考慮到負(fù)壓控制。爐膛負(fù)壓過大或過小將引起鍋爐爆炸，所以鍋爐負(fù)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。

目前針對(duì)電站鍋爐爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)一般都是常規(guī)PID單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)比較多例如：模型依賴性比較高，模型不易確定，無法克服設(shè)備線性問題，干擾因素較多，負(fù)荷適應(yīng)性不強(qiáng)等。后來隨著模糊自適應(yīng)PID算法的出現(xiàn)，減少了引風(fēng)機(jī)在調(diào)整爐膛負(fù)壓時(shí)的超調(diào)量，明顯提高了調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)靈敏度。近些年隨著人工智能的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無模型自適應(yīng)控制控制算法的研究及成果。

一、某大型鍋爐負(fù)壓自動(dòng)控制介紹

某大型鍋爐控制系統(tǒng)采用的是上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的集散控制系統(tǒng)OnXDC2.1軟件系統(tǒng)是目前比較成熟的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

在CCS協(xié)調(diào)控制投入前需要投入爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制。爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制由中兩臺(tái)并列式動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)投入自動(dòng)調(diào)整，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要調(diào)節(jié)量為爐膛壓力，經(jīng)過一個(gè)LAG模塊處理爐膛壓力信號(hào)，再和設(shè)定值進(jìn)行一個(gè)偏差計(jì)算輸出到爐膛壓力控制回路PI模塊進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)葉指令，同時(shí)包含一、二次風(fēng)機(jī)出力，鍋爐主燃料量的前饋與爐膛壓力控制回路PI模塊產(chǎn)生的動(dòng)葉指令進(jìn)行求和得到引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉綜合指令。偏置模塊輸出偏置量與引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉綜合指令結(jié)合分配到各引風(fēng)機(jī)控制器，最終通過控制引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉控制爐膛負(fù)壓。如圖1

二、某大型鍋爐爐膛壓力控制回路存在的問題

2018年01月17日某廠循環(huán)流化床鍋爐兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，尾部煙道積灰較多，乙炔吹灰時(shí)尾部煙道瞬時(shí)受阻，爐膛出現(xiàn)正壓導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)出力自動(dòng)突增，由于引風(fēng)機(jī)運(yùn)行線性不一致，在動(dòng)葉全開過程中，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)一臺(tái)過負(fù)荷，一臺(tái)負(fù)荷突降至空載，總引風(fēng)量瞬間降低，爐膛壓力突增導(dǎo)致鍋爐跳閘保護(hù)條件觸發(fā)，鍋爐停爐。

三、并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)出現(xiàn)搶風(fēng)現(xiàn)象的原因

造成并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)失速搶風(fēng)原理上就是工作點(diǎn)進(jìn)入了實(shí)際失速曲線內(nèi)，主要原因有以下幾點(diǎn)：

（一）檢修時(shí)在調(diào)整動(dòng)葉安裝角度初始位置、最終位置調(diào)試不夠精確。

（二）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過連桿、梅花墊與控制軸相連，在運(yùn)行過程中因長(zhǎng)期振動(dòng)、摩擦可能會(huì)出現(xiàn)空檔;反饋機(jī)構(gòu)、油缸和動(dòng)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝、運(yùn)行中也出現(xiàn)空檔，這些都會(huì)影響到風(fēng)機(jī)運(yùn)行的線性。[1]

（三）風(fēng)機(jī)安裝時(shí)存在差異。各級(jí)葉片實(shí)際形狀、安裝角度不一致，運(yùn)行中部分葉片漂移先發(fā)生失速現(xiàn)象。[2]

（四）運(yùn)行中引風(fēng)機(jī)葉片因所處工作環(huán)境惡劣，部分葉片磨損或者損壞等都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行曲線造成影響。

（五）兩臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道特性偏差，造成易失速風(fēng)機(jī)管道阻力系數(shù)較大，比如進(jìn)出口門有節(jié)流，尾部煙道擋板開度不一致，煙道堵灰情況等

四、爐膛壓力自動(dòng)控制回路策略修正

為防止搶風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，通過對(duì)現(xiàn)有上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的集散控制系統(tǒng)的XCU組態(tài)軟件中的MCS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，在鍋爐負(fù)壓控制回路嵌入引風(fēng)機(jī)出力平衡模塊。

該引入風(fēng)機(jī)出力平衡模塊設(shè)計(jì)的主要控制策略是：將引入兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)電流求偏差，通過對(duì)偏差電流進(jìn)行PI計(jì)算輸出引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉一個(gè)微調(diào)值，將此值與原引風(fēng)機(jī)偏置求和生成一個(gè)新偏置指令調(diào)節(jié)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)出力差，從根本上解決并列運(yùn)行引風(fēng)機(jī)因線性不一致出現(xiàn)搶風(fēng)現(xiàn)象。需要考慮解決的問題有以下幾點(diǎn)：

（一）引風(fēng)機(jī)電流量作為熱工模擬量輸入的可行性

雖然經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)變后DCS采集的引風(fēng)機(jī)電機(jī)4-20mA電流有效值直流信號(hào)與熱工信號(hào)并沒有本質(zhì)區(qū)別但新增模塊采用電流量作為熱工模擬量輸入仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娏髁縼碜噪娏骰ジ衅?，不易核?duì)準(zhǔn)確性且易出現(xiàn)階躍性波動(dòng)最終導(dǎo)致可靠性差，不能作為模擬量輸入信號(hào)。但本文中引入的兩個(gè)電流量是用于求偏差的，基于相似原理，對(duì)兩臺(tái)型號(hào)一致的電動(dòng)機(jī)、原動(dòng)機(jī)、電流互感器來說，相同出力的引風(fēng)機(jī)電流不會(huì)偏差太大。

（二）動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行自動(dòng)平衡回路模塊設(shè)計(jì)

該平衡模塊加在原偏置控制器之后，它與原偏置控制器串聯(lián)在一起，均單獨(dú)設(shè)有相互切換和跟蹤功能。它們的運(yùn)行都建立在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉全部投入自動(dòng)上的基礎(chǔ)之上，任意一臺(tái)引風(fēng)機(jī)未自動(dòng)控制該平衡模塊和偏置控制器均不輸出偏置參與兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出力調(diào)整。

首先仍然要考慮引風(fēng)機(jī)電流可能的不穩(wěn)定性，防止制動(dòng)控制誤動(dòng)作，可以增加引風(fēng)機(jī)電流測(cè)點(diǎn)為兩個(gè)，加入電流測(cè)點(diǎn)品質(zhì)判斷，消除壞點(diǎn)影響，對(duì)電流進(jìn)行滯后處理和平滑濾波，保證模電流擬量輸入平穩(wěn)度，在引入偏差計(jì)算前對(duì)數(shù)值進(jìn)行限幅處理，設(shè)置輸入有效值為電機(jī)空載電流到額定出力10%，防止因電流模擬量信號(hào)故障出現(xiàn)超調(diào)。

然后引入兩臺(tái)風(fēng)機(jī)電流做偏差，通過限制電流差，將電流差輸入PI模塊經(jīng)過計(jì)算生成一個(gè)實(shí)時(shí)微調(diào)偏置，此偏置與原來手動(dòng)偏置控制器輸出求和后分配到兩個(gè)引風(fēng)機(jī)控制器，通過實(shí)時(shí)微調(diào)兩臺(tái)并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉偏差來保證兩臺(tái)風(fēng)機(jī)出力一致，避免搶風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生。

為防止風(fēng)機(jī)偏置出力頻繁調(diào)整，可在PI模塊設(shè)置電流調(diào)整死區(qū)，將兩臺(tái)風(fēng)機(jī)電流差限制在一個(gè)比較寬的經(jīng)驗(yàn)值范圍，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)得到只要不出現(xiàn)搶風(fēng)現(xiàn)象然后留有余量即可，如（-10，+10）A。

考慮到事故情況下，任一臺(tái)風(fēng)機(jī)電流低于某一閥值（停機(jī)電流或電機(jī)空載電流），將閉鎖偏差輸出，風(fēng)機(jī)自動(dòng)跳手動(dòng)，防止事故情況下風(fēng)機(jī)自動(dòng)誤調(diào)整。

對(duì)平衡回路PI輸出偏置與原偏置指令控制器求和得到的最終偏置指令輸出再次設(shè)置高低限，不僅約束故障電流對(duì)風(fēng)機(jī)出力平衡的破壞還能避免操作者誤輸指令和調(diào)試者更改參數(shù)異常對(duì)并列風(fēng)機(jī)平衡運(yùn)行的影響。

并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)初狀態(tài)動(dòng)葉線性不一致運(yùn)行危害性要遠(yuǎn)小于終態(tài)不一致，因?yàn)榻K態(tài)系統(tǒng)阻力更大，動(dòng)葉迎角更大，工作點(diǎn)更靠近失速線，更易出現(xiàn)失速的現(xiàn)象。為應(yīng)對(duì)動(dòng)葉終端不一致現(xiàn)象，保證兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的調(diào)整效果，在電流不超情況下限制兩臺(tái)風(fēng)機(jī)最大動(dòng)葉調(diào)整指令不超105%某一時(shí)間，即電流不超情況時(shí)允許該引風(fēng)機(jī)將動(dòng)葉指令超過5%，即設(shè)定值允許（0%～105%），并且超正常值（0-100%）時(shí)給予聲光報(bào)警提示。

以下是設(shè)計(jì)后的邏輯原理圖：如圖2

（三）自動(dòng)平衡回路模塊調(diào)節(jié)特性的驗(yàn)證

將自動(dòng)平衡回路模塊嵌入本廠仿真機(jī)新華DCS組態(tài)控制軟件中，利用仿真軟件檢測(cè)平衡回路工作情況。由于仿真軟件無法模擬并列風(fēng)機(jī)失速現(xiàn)象，故將兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)至偏差電流超過死區(qū)但不超出最終指令上下限的時(shí)候，再投入兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)自動(dòng)，檢查驗(yàn)證兩臺(tái)風(fēng)機(jī)最終動(dòng)葉動(dòng)作和電流偏差情況符合預(yù)期。將兩臺(tái)風(fēng)機(jī)電流偏差調(diào)至死區(qū)以下，投入自動(dòng)檢查動(dòng)葉偏差無變化，在設(shè)定爐膛負(fù)壓觀察動(dòng)葉偏差和電流偏差情況最終驗(yàn)證整個(gè)控制回路動(dòng)作符合預(yù)期。

結(jié)論

本文分析了軸流風(fēng)機(jī)失速的原因，提出在控制回路中加入風(fēng)機(jī)出力平衡模塊，利用電流偏差比對(duì)并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)進(jìn)行時(shí)時(shí)微調(diào)，從而保證在全行程范圍內(nèi)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)不發(fā)生較大出力偏差，有效的避免了因線性偏差造成的風(fēng)機(jī)搶風(fēng)現(xiàn)象，對(duì)爐膛壓力平穩(wěn)定予以較好的保證。但是在具體參數(shù)設(shè)置上還要根據(jù)實(shí)際情況確定。

參考文獻(xiàn)：

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