輻射能信號在循環流化床鍋爐主汽溫控制中的試驗

姜志偉,王淅芬

(武漢科技大學材料與冶金學院,湖北 武漢 430081)

鍋爐主蒸汽溫度是反映機組運行經濟性和安全性的一項重要參數,要求維持在額定值附近,溫度過高會使過熱器管道和汽輪機高壓缸等設備產生形變而發生事故,溫度過低會導致機組熱效率降低,并使進入汽輪機低壓缸末級葉片的蒸汽濕度增大,腐蝕或打斷汽輪機葉片[1]。目前調節主蒸汽溫度的主要手段是啟動噴水減溫器對過熱蒸汽進行噴水冷卻。汽溫特性的動態試驗表明[2],過熱蒸汽溫度在煙氣擾動下延遲較小,而在減溫水量擾動下延遲較大,這種特性使得過熱蒸汽溫度的控制滯后,傳統的以熱量信號為反饋的PID串級控制系統很難改變這種滯后的特性,不能對主蒸汽溫度進行及時有效的調節。國內外學者采用智能控制技術來抑制主蒸汽超溫,取得了一定的效果,但需引入機組參數或對模型的準確性要求較高,實際應用仍有困難[3-5]。從輻射能信號的定義及提取原理來看[6],它反映的是爐側的燃燒強度,對爐內放熱量變化的響應速度要比熱量信號快,將其引入到機組主汽溫控制系統中,通過其變化趨勢來提前調節減溫水量,可以較快地控制過熱蒸汽溫度。不少學者在這方面已展開了研究,并取得了一些有應用價值的成果[7-10],然而這些研究都是在煤粉爐上進行的。與之相比,循環流化床鍋爐的時變性更強,滯后性更大,運行工況也更為復雜,本文將在循環流化床鍋爐上對輻射能信號參與主汽溫控制進行試驗。

1 方案設計

本試驗在某電廠一臺DG480/13.7-II2型循環流化床鍋爐上進行,爐膛截面寬15240mm,長7492 mm,通過安裝在爐膛墻壁上的火焰圖像探測器來獲得輻射能信號,并用硬接線的方式將其送入機組DCS中,結構如圖1所示,輻射能信號具體獲取方法見參考文獻[6]。

圖1 爐膛及成像系統結構示意圖

圖2是某時段輻射能信號與機組相關參數的變化曲線。其中圖2(a)為燃料量增加后輻射能的動態響應趨勢,可以看到輻射能信號可以很好地反映出燃料量的變化;圖2(b)為機組負荷與輻射能信號隨時間變化的關系,可以發現兩者之間變化趨勢非常一致,而且輻射能信號明顯超前于機組負荷的響應,這是因為工質從不飽和水經受熱面吸熱變為具有做功能力的過熱蒸汽,是一個純延遲、大滯后的過程;圖2(c)和(d)分別是輻射能信號與主蒸汽壓力、溫度的動態變化曲線,同樣可以發現輻射能信號超前于主蒸汽溫度和壓力。

輻射能信號引入主汽溫控制的方案設計如圖3所示。在原有主汽溫控制回路的基礎上加入輻射能微分信號,并將其作為減溫水調節的前饋。修正后的主蒸汽流量和熱值信號組成的熱量信號作為原導前汽溫控制信號,與輻射能信號由乘法器合成為主控回路新的導前控制信號。其中,輻射能信號和熱量信號采用給定比例系數的方式來調節各自對控制系統作用的強弱。例如當熱量信號的比例系數為1時,輻射能信號的比例系數為0,即輻射能信號不引入主汽溫控制回路,全部以原熱量信號作為導前控制信號;當熱量信號的比例系數為0時,輻射能信號的比例系數為1,即熱量信號不參與主汽溫控制,全部以輻射能信號參與主汽溫控制。

2 運行試驗及結果分析

圖4為機組負荷150 MW時原主汽溫控制的過熱器減溫水動態調節過程曲線?？梢钥闯?在該穩定工況過程中主汽溫的變化范圍為515～545℃,主汽溫波動的幅度范圍-20～10℃(主汽溫設定值為535℃),此時過熱器一級減溫噴水量維持在大約20 t/h。

圖2 某時段輻射能信號與機組相關參數的變化曲線

圖5是引入輻射能信號參與機組主汽溫控制系統后不同機組負荷下的主蒸汽溫度的動態變化過程,此時輻射能信號參與的比例系數為0.1。從圖中可以明顯看出,引入輻射能信號參與主汽溫控制后主汽溫的波動幅度顯著縮小,在±5℃之間。

圖3 主汽溫控制引入輻射能的信號原理

圖4 原控制方式下主蒸汽溫度的變化

圖5 引入輻射能信號后主蒸汽溫度的變化

圖6為引入輻射能信號后在燃料量擾動時主蒸汽溫度的動態響應?？梢钥闯?當爐內給煤量發生擾動時主蒸汽溫度還是在可接受的幅度范圍內波動,說明輻射能信號的引入的確可以改善主汽溫的動態響應特性。

圖6 引入輻射能信號后燃料量擾動對主蒸汽溫度的影響

3 結論

輻射能作為表征鍋爐爐膛燃燒工況的測量信號,具有對燃料響應的超前性。在循環流化床鍋爐上的試驗表明,將輻射能信號引入主汽溫控制系統可有效改善主蒸汽溫度的動態特性,使主汽溫的控制品質提高,獲得良好的效果,具有較強的應用價值。

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