基于直接能量平衡和負荷分配的母管制機組控制

沈智慧（浙江浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江 紹興 312025)

馬 駿（南京科遠自動化集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

在供熱電廠中，存在供熱對象需求的多元化，供熱方式多樣化，為了提供供熱可靠性，節約能源，提高尾氣燃燒利用率，鍋爐和汽機之間常常采用母管制聯結。

所謂“母管制”機組是指由幾臺鍋爐并列向同一母管供汽運行以滿足企業發電、供熱需求的機爐聯結方式。母管制機組中鍋爐和汽機的聯系并不像單元制機組中鍋爐與汽機的聯系那么緊密，相對于單元制機組存在幾臺鍋爐相互間耦合性強，負荷分配不均，母管壓力波動大等問題。為了提高其運行效率，增加其經濟效益[1]，須考慮并列運行鍋爐的負荷分配和燃燒控制優化等問題。

本文針對母管制運行機組控制的本質問題：外界耗汽量的變化才會引起鍋爐供汽量的變化，提出了基于直接能量平衡和負荷分配的控制方案，實現并列運行的鍋爐共同維護母管壓力平衡，優化了母管制機組的動態特性，達到了減少控制滯后時間的目標。

2 母管制工藝流程簡介

本文以福建某熱電廠的一期工程為研究對象，介紹母管制機組的工藝流程。其中鍋爐為超高壓參數自然循環、四角切向燃燒方式、單爐膛、無再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、“Π”型布置、配回轉式空氣預熱器，汽輪機為北京全四維動力科技有限公司、南京汽輪電機集團公司聯合設計，南京汽輪電機集團公司制造的超高壓沖動式、單軸雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機，型號為C150-12.5/4.3。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 母管制熱電機組結構圖

從圖1中可以看到，鍋爐產生的蒸汽集中聚集到母管中，再經汽輪機做功或經減溫減壓裝置向外抽汽供熱。

本項目中采用的是集中母管制，熱電廠所有鍋爐的蒸汽引至一根蒸汽母管，再由母管分別引向汽輪機和其他用汽處。在實際運行過程中，汽輪機和其他用汽處負荷的變化，就會引起母管蒸汽壓力的變化。所以，母管蒸汽壓力是母管制熱電廠的主要被控對象，是表征鍋爐運行狀態的重要參數[2]。因此，在工藝允許范圍內，控制母管蒸汽壓力穩定是母管制電廠控制的核心問題。

3 直接能量平衡的控制優化

引起母管蒸汽壓力變化的最主要擾動因素是蒸汽流量擾動（外擾）和燃燒率擾動（內擾）[3]。所謂“外擾”就是因蒸汽負荷波動引起的供耗汽量平衡失調；所謂“內擾”就是因燃料率波動引起的鍋爐產汽量波動進而影響供耗汽量平衡失調。在此項目中，因為工廠產生的化學廢氣作為燃氣參與燃燒，然而此燃氣的量隨工廠的生產狀況有較大的變化，所以“內擾”主要是燃氣產生量的擾動；“外擾”的產生是外界所需負荷的波動引起的。

3.1 能量平衡理論

由于燃氣量不穩定，所以“內擾”對母管蒸汽壓力的影響是長期存在的。如果直接從燃燒控制的角度來考慮，這就是一個很復雜的控制環節，將涉及燃燒過程的燃料、送風和引風三大系統，顯然是不合適的。

但是，從能量平衡的角度，燃料燃燒后最終的能量可以簡單地分為兩部分：一部分產生了蒸汽流量D，這部分能量流進了蒸汽母管，進入了汽輪機做功以及供給用熱對象的需求；另一部分則貯存在鍋爐本身的工質中，表現為鍋爐汽包壓力Pb的上升，因此，這部分能量可以用鍋爐汽包壓力Pb的微分來表示。

若第i臺鍋爐所產生的蒸汽流量和汽包壓力分別為Di和Pbi（i=1，2，3），為第i臺鍋爐的蓄熱系數，則第 i 臺鍋爐所能提供的熱量信號為Qi：

顯然，3臺鍋爐提供的總熱量信號為Eb：

式中Db可以理解為總蒸汽流量。

若外界需要總蒸汽流量為Dt，母管蒸汽實際壓力與設定壓力分別為Pm和Po，為了滿足外界符合的需要，希望鍋爐提供的總能量Et可以表示為：

式中Et為鍋爐提供的總能量，也是外界所需要的總能量。

從以上的分析可以看出，只要保證外界需要蒸汽流量Dt和鍋爐實際提供的蒸汽流量Db相等，就能保證母管蒸汽壓力Pm等于其設定值Po。但是在實際控制系統中，外界所需的蒸汽流量Dt難以測量[4]，所以我們必須對能量方程進行進一步優化。

3.2 能量平衡優化

以上的公式推導是在考慮各臺鍋爐均為調壓爐的前提下進行，所以針對系統中只有一臺調壓爐（第K臺鍋爐），（4）可以轉化為：

在穩態工況下，存在鍋爐需求流量Dtk與實際主蒸汽流量Dbk相匹配，因此可進一步轉化：

將上式移項后可以得到：

圖2 基于直接能量平衡的控制策略

4 負荷分配方案設計

從控制工藝的角度來看，母管蒸汽壓力的高低變化是平衡過程中蒸汽盈余量所反映出來的物理現象。因此可以用母管蒸汽壓力的恒定作為鍋爐供汽量和外界耗汽量平衡的標志，所以保證母管蒸汽壓力穩定在給定值是鍋爐汽輪機安全運行的重要要求之一。母管蒸汽壓力作為控制系統的主要被調量，消除“外擾”對母管蒸汽壓力的影響，可以采用調整鍋爐的蒸發量和調節汽輪機的進汽閥門開度及調節其他用熱對象的進汽閥門開度三種調節手段。但是在該項目中，其他用熱對象的負荷可以近似為恒定，所以一般選擇前兩者為調節手段。

由此，可設計控制策略為：選擇以母管蒸汽壓力為控制對象，鍋爐和汽機之間的協調關系為典型的“爐跟機”方式。

為避免出現各個鍋爐蒸汽負荷輕重不均的“搶負荷”現象，設計“母管蒸汽壓力調節器”來分配負荷。母管蒸汽壓力控制器根據母管蒸汽壓力對各臺并列運行鍋爐按預定關系發出增、減負荷的燃燒指令信號，并對汽機進汽閥的開度變化發出指令。

其中，母管蒸汽壓力調節器具體可如下設計：

（1）根據鍋爐正平衡熱效率計算公式，每臺的熱效率可以表示為：

其中排污水相對給水流量和蒸發量很小，可忽略不計。則公式簡化為：

（2）設計鍋爐負荷分配系數

從公式10中可以發現，如果選取每兩個小時為一時間段，通過測量在該時間段內的蒸發量和耗煤量，就可以計算出該時間段內的熱效率。所以，根據鍋爐的熱效率進行的負荷分配系數就可以表示為：

由于鍋爐的熱效率不會低于80%，根據公式10可知，分配系數不會小于0.25，而正常運行時的負荷不會低于1340t/h，所以必定能滿足鍋爐40%BMCR的最低穩燃負荷。

（3）設計無擾切換方式運行

若其中一臺鍋爐切除自動調節模式，則使其滿負荷運行，另外兩臺鍋爐參與負荷分配；若其中一臺鍋爐達到滿負荷運行狀態，則退出自動調節模式，繼續滿負荷運行，不再參與負荷分配。

負荷分配的自動控制系統形式如圖3所示。

圖3 負荷分配的自動控制系統形式

L1、L2是1#機和2#機的閥門開度系數，這兩個系數是根據汽機額定負荷和增減負荷的能力確定。

所以，通過消除“外擾”和“內擾”的產生因素，優化后的控制系統設計圖如圖4所示。

圖4 優化后的控制系統圖

從圖4中可以看出：PID1為主控制器，控制母管蒸汽壓力，其輸出為鍋爐總負荷；PID2為副控制器，控制鍋爐負荷，其輸出為磨煤機轉速。

5 結論

本文以母管制運行鍋爐的核心問題：并列運行鍋爐共同維護母管蒸汽壓力為出發點，分析產生母管蒸汽壓力變化的兩個主要因素：“外擾”和“內擾”；并從能量守恒和控制工藝的角度，通過對控制方案的優化，分別減少由于“外擾”和“內擾”產生的控制滯后時間，使母管蒸汽壓力趨于穩定，達到提高運行效率，增加經濟效益的目標。

[1] 孫艷, 婁幸. 母管制機組的爐機負荷分配運算與協調控制[J]. 自動化儀表,2003, 24 (10) , 53-56.

[2] 朱洪軍, 周佐. 母管制鍋爐壓力協調優化控制系統的實現[J]. 控制系統,2009, 24 (10) , 34-38.

[3] 王雪波. 母管制運行鍋爐燃燒控制系統的研究[J]. 科技信息, 2008 (16) ,101-102.

[4] 于開江. 母管制機組典型熱工過程的優化控制[D]. 南京 : 東南大學, 2004, 9.

[5] 呂劍虹等. 基于大滯后的控制技術的并列鍋爐母管蒸汽壓力的優化控制[J]. 動力工程, 2005 (10) , 431-436.