超超臨界鍋爐燃燒控制系統優化

李存懷，繆紅紅，陳峰

(華電鄒縣發電有限公司，山東省 鄒城市，273522)

0 引言

近年來，大容量、高參數的超臨界及超超臨界機組逐漸成為我國火電發展的主要方向，對于燃煤機組而言，鍋爐的燃燒控制既是重點，也是難點，安全性和燃燒的經濟性是控制的重點。華電鄒縣發電有限公司2×1000 MW機組為國產引進型超超臨界燃煤火電單元機組，其鍋爐、汽輪機、發電機分別由東方鍋爐(集團)股份有限公司、東方汽輪機廠、東方電機股份有限公司制造。鍋爐由日本巴布科克－日立公司、汽輪機與發電機由日立公司提供技術支持與保證。分散控制系統(distribution control system，DCS)則采用了EMERSON過程控制公司的OVATION控制系統。投產以來，燃燒控制系統存在諸多急需解決的問題，迫切需要對燃燒控制系統進行優化。

1 超超臨界鍋爐燃燒的控制思想

超超臨界鍋爐燃燒過程控制的基本任務是使燃料燃燒所提供的熱量適應汽輪機負荷的需要，保證鍋爐的經濟燃燒和安全運行。其控制目的是維持汽壓和爐膛壓力的穩定，保證燃燒過程的安全性和經濟性，控制鍋爐過熱汽溫度在合適范圍內［1－10］。

超超臨界機組的鍋爐是一個多輸入、多輸出的被控對象，輸入量為汽溫、汽壓和蒸汽流量，輸出量為給水量、燃料量、送風量。由于是強制循環且受熱區段之間無固定界限，1種輸入量擾動將影響各輸出量，汽溫、燃燒、給水相互關聯，如單獨改變給水量(或燃料量)，不僅影響主汽壓力與蒸汽流量，過熱器出口汽溫也會產生顯著的變化。尤其是水燃比不相適應時，汽溫將會有顯著的變化。為使汽溫變化較小，要保持燃燒率和給水量的適當比例。從動態特性來看，頂棚過熱器汽溫能迅速反應過熱汽溫的變化，因此可以該信號來判斷給水和燃燒率是否失調。

燃燒控制系統包括燃料量控制和總風量控制。

(1)燃料量控制。燃料量指令來自于鍋爐主控。鍋爐主控的指令經過折線函數f(x)后，通過水燃比的修正形成信號，該信號和省煤器入口給水流量的折線函數f(x)形成的信號進行小選，作為總燃料量的設定值。同時，進行小選的信號分別用于給水和燃料交叉限制回路中。總燃料量的設定值和總風量的折線函數f(x)形成的信號進行小選形成燃料量指令，同時，進行小選的信號分別用于給風和燃料交叉限制回路中。

(2)總風量控制。對于超超臨界機組，風煤比的控制在靜態平衡的前提下要考慮動態下的風煤交叉，保證動態過程中風大于煤，確保鍋爐燃燒的穩定。函數f(x)是風煤比函數，鍋爐主控指令經過函數f(x)后再經過氧量校正，得到氧量修正后的總風量設定，該設定和總燃料量函數f(x)輸出經過大選形成風量設定，去控制送風。同時，這2個參數還參與燃料風量交叉限制和最小風量限制回路，產生控制送風機的風量指令，以保證燃燒的經濟性及穩定性。

綜合來看，超超臨界機組鍋爐控制具有以下特點:(1)非線性技術的應用極為廣泛，變參數控制在控制系統中經常被用于解決被控對象的非線性，尤其體現在控制上。(2)由于超超臨界機組各被控參數的慣性時間常數相對減小，一旦出現物質或者能量之間的不平衡，會造成機組參數的巨大波動，因此各個子系統之間交叉限制更加突出。(3)動態補償和前饋控制的廣泛運用提供了更為完善的控制方式，協調各系統之間的平衡，保證了鍋爐的正常運行。

2 存在的問題

運行過程中，發現2臺1000 MW機組在控制方面有潛在的問題，這些問題需要通過分析驗證加以解決，而邏輯的優化調整是最直接、最有效的解決方式。目前，機組在控制方面存在的主要問題是:熱量校正單元(balance thermal unit，BTU)熱值校驗可調余量小，水煤交叉限制回路經常動作，造成BTU不能真正投入，煤種偏離設計煤種時，燃燒存在偏差，不能滿足適時負荷的變化;在水燃比輸出回路上函數f(x)部分拐點參數設置不合理，不適合實際工況，造成被調量出現偏差，從而影響過程控制，造成調節遲緩;燃油流量沒有計入燃料回路中，造成投油時實際水燃比發生變化，從而造成溫度的變化;在水燃比輸出回路上缺少機組負荷的動態前饋的影響，部分回路設計不合理，前饋沒有真正起到作用，超前控制沒有滿足設計要求。

3 優化方案

從巴布科克－日立公司設計的思想來看，以并行前饋為主，給鍋爐各子系統1個隨負荷變化的合理的穩態工作點，再施以合理的PID單級或串級的反饋調節，發揮自動平衡、反饋糾偏的作用。合理地調整并行前饋量，鍋爐控制系統的實際工作點可以逼近理想工作點，使燃料、風、水、汽等物料、能量關系處于平衡點鄰域，此時鍋爐子系統的反饋調節器進入了小偏差調節狀態，再調整各控制回路的參數，達到加快機組的動態響應過程。遵循這一思想，對燃燒控制回路進行邏輯優化和參數優化，使燃燒控制更加利于控制，更具有經濟性。圖1是燃料控制的設計思路。

圖1 燃燒設計思想Fig.1 Oiler burning design

(1)完善BTU指令回路。實際運行過程中，鍋爐燃燒在一定程度上偏離設計煤種，當煤種變化時，煤的發熱量隨之而變，此時的負荷指令對應的就不是以前的燃料量，熱值校正回路就是用來計算機組的煤種偏離設計煤種時煤量的校正系數的，目的是保證當煤種變化時，機組的負荷不變。修改水燃比后的折線函數f(x)，使輸入輸出有準確配比，被調量有準確的定位。同時，修改控制回路，當燃料主控切手動時用煤燃料量指令/總燃料量信號作為燃料熱值信號，使機組適應煤種變化的能力大大提高。

(2)修改燃料調節指令函數。在燃料量設定形成回路中，鍋爐主控所形成的前饋折線函數OB71002 f(x)輸入輸出參數配比有一定的局限性，曲線斜率小，前饋作用不明顯，對參數進行修改。

(3)燃油流量計算回路。在機組變負荷或啟動過程中，如果需要投油助燃，油燃料未計入燃料量或者計入不準確，造成了水燃比的變化，從而引起了汽溫的變化。為此通過更換計量準確的燃油流量計進行測量，保證燃油流量的可靠測量。

(4)水燃比調節汽溫時增加負荷指令前饋。在設計鍋爐水燃比汽溫控制時，只考慮了鍋爐主控對汽溫的影響，在給水和燃料同時接受鍋爐主控制器的控制信號時，水燃比控制信號對給水(燃料)進行比例修正，以達到調節汽溫的目的。而通過試驗發現，汽機調門的開度同樣對汽溫有著不同的影響。由于機組目標負荷一定程度上代表汽機調門開度，因此，引入負荷指令前饋，通過對機組目標負荷的微分環節引入加法器OB68030sum，超前對汽溫進行控制。

在優化過程中，閉環控制功能都在前饋技術的基礎上完成。在系統整定過程中，盡量減少系統之間的相互牽連，調節回路的參數配比力爭準確，按照系統校正緩步投入的原則，采用動態先行信號使前饋、變定值、變增益和變參數合理的控制策略，將過程控制變量維持在一個合理的限度內，保證機組在任何運行方式下，都能快速響應負荷的變化，達到性能最優。

4 結語

本文所述的超超臨界機組的鍋爐為直流爐，鍋爐蓄熱能力小，控制對象的動態特性發生了明顯的改變，被控對象的慣性時間常數大大減小，控制的快速性要求提高，動態過程加快，各子系統的相互聯系更加緊密，更難以控制。因此只有在考慮成熟的情況下，在原有的控制策略上進行補充和優化，其過程是逐步的、漸進的。通過以上幾個回路的優化，鍋爐燃燒調節較以前有很大改善，機組的負荷適應能力有了較大提高，該方案的成功實施，對國內同類機組運行有較大的借鑒意義。

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