鍋爐燃燒器擺角控制問題分析

吳彥龍，劉曉峰，李仲明，鄧 堅

(廣東省粵電集團有限公司珠海發電廠，廣東 珠海 519000)

鍋爐燃燒器擺角控制問題分析

吳彥龍，劉曉峰，李仲明，鄧 堅

(廣東省粵電集團有限公司珠海發電廠，廣東 珠海 519000)

針對某電廠鍋爐燃燒器改造后擺角在鍋爐實際運行中控制不合理易造成汽溫、汽壓異常的情況，從燃燒器擺角的基本控制、擺角的偏差信號、機組負荷的擺角補償3方面分析了燃燒器擺角控制設置上存在的問題，并提出了鍋爐燃燒器擺角控制策略優化改進建議。

燃燒器；擺角控制；信號控制

0 引言

在目前的燃煤火電廠機組中，鍋爐燃燒器都設有擺角，其主要目的是調整鍋爐再熱器出口汽溫，使其維持在規定溫度下運行。但在實際運行中，由于燃燒器擺角控制不合理易造成汽溫、汽壓異常，因此已將燃燒器擺角調節作為鍋爐燃燒運行的主要調節手段，通過調整燃燒器擺角改變鍋爐爐膛火焰中心，直接影響鍋爐主汽的汽溫和汽壓，同時也影響進入鍋爐的煤量和送風量，改變鍋爐的燃燒工況，對機組運行的穩定和效率起到關鍵性的作用。

2013年，某電廠對鍋爐燃燒器進行了改造，同時也調整了燃燒器擺角的控制策略。從改造后投運至今，經過實際運行觀察發現，由于對鍋爐燃燒器擺角控制策略的修改并不完善，運行中常發生主汽參數波動較大、主汽超溫超壓的情況。

1 燃燒器改造前后的結構組成

該電廠使用的鍋爐為日本三菱重工設計的輻射再熱式、強制循環、平衡通風、四角切圓燃煤亞臨界汽包鍋爐。設計蒸汽流量(BMCR)為2 290 t/h，主/再熱出口汽溫為541/568 ℃；再熱蒸汽溫度調節以燃燒器擺角調節為主要手段，此外在再熱器入口還設有事故噴水減溫裝置。鍋爐燃燒器改造前，燃燒系統由6層(24只)煤粉燃燒器、3層輔助風(二次風)、3層輕油槍及4層OFA(燃燼風)組成。煤粉燃燒器為日本三菱重工設計的水平擺動式濃淡分離PM燃燒器，燃燒器擺角最大為±25°。

為了響應國家環保要求，降低煙氣的NOX排放，2013年該電廠分期對2臺鍋爐燃燒器進行了改造。主要改造方案是將水平擺動式濃淡分離PM燃燒器改換成日本三菱重工設計的新型內置式濃淡分離低氮APM燃燒器，取消1層OFA，在OFA上部加裝2層AA(還原風)，以實現鍋爐分級燃燒。燃燒器改造安裝后，調整燃燒器各擋板風量，并修改燃燒器擺角的控制邏輯。鍋爐經過各負荷段的各項性能調試，達到了降低NOX排放指標的預期效果，燃燒效果也得到了明顯改善，縮小了以往再熱出口汽溫偏差嚴重的問題。

2 燃燒器改造后鍋爐運行的問題

(1) 在制粉系統啟停過程中，主汽參數波動較大。機組參與AGC(自動發電負荷控制)后，負荷經常波動，需要啟停制粉系統以配合鍋爐負荷燃燒調整。在制粉系統啟停過程中，蒸汽參數波幅較大，特別是啟停第5臺制粉系統時，出現超溫和超壓比較嚴重的情況。當制粉系統啟動時，主汽壓力一直偏低，由于燃燒器擺角的自動調節速度過于緩慢，下降幅度過小，主/再熱出口汽溫容易超溫；而當制粉系統停運時，由于燃燒器擺角上調幅度偏小，主汽壓力容易過高，甚至超壓，造成汽溫偏低。

(2) 鍋爐再熱出口汽溫波動時，擺角調節的作用不明顯。再熱出口汽溫經常隨鍋爐負荷的變化而波動，容易偏離設定值，且波動幅度較大，波動周期長。但此時燃燒器擺角的調節速度比較緩慢，不能快速消除偏差。在調整鍋爐狀態平衡穩定的過程中，主汽壓力也受到影響，給鍋爐燃燒造成很大的擾動，影響了鍋爐燃燒參數的平衡調節。

(3) 在鍋爐加減負荷過程中，汽溫和汽壓變化過大。在鍋爐加負荷的過程中，主汽壓力下降較大，機組加負荷常受到壓力低的限制。過熱器和再熱器受熱面金屬溫度，特別是新加裝的過熱器和再熱彎管的金屬測點溫度也因此經常超限(2號鍋爐問題相對較嚴重)。當鍋爐在高負荷區域減負荷時，主汽壓力又容易上升過快、過高，在沒有人為干預的情況下，有時會導致高旁動作，主汽溫也大幅下降，嚴重威脅鍋爐安全運行。

3 燃燒器擺角的邏輯控制策略

燃燒器擺角的運行調整是各影響因素的綜合結果，根據擺角控制邏輯圖可知，影響燃燒器擺角調整的因素主要有：角指令反饋、擺角偏差、初始擺角值(設置為0°)、鍋爐負荷(BM)、機組負荷擺角補償、FCB/RB信號、擺角自動/手動控制指令、再熱器金屬溫度測點等。

當燃燒器擺角切換為手動方式時，擺角指令由運行人員直接控制，不受邏輯設置的影響。當擺角切換為自動方式后，將進入邏輯控制。

3.1 擺角的基本控制

運行中，BM值不同，再熱出口汽溫的設定值也有所不同，設置值如圖1所示。當BM大于350 MW后，再熱出口汽溫可達到額定溫度。邏輯上，控制人員在不同鍋爐負荷下通過函數FX026設置擺角對應一定角度，BM控制函數FX026曲線如圖2所示。

圖1 各負荷段的再熱出口汽溫設置

圖2 BM控制函數FX026曲線

從圖2可以看出：燃燒器擺角的調節主要受BM值的影響，當BM值大于175 MW時，擺角參與再熱出口汽溫調節開始變得明顯，干預度相當大，形成擺角控制的基礎。曲線上幾個主要節點為：BM值從175 MW升至300 MW，擺角上升；BM值從300 MW升至350 MW，擺角下降；BM值從350 MW升至525 MW，擺角上升；BM值從525 MW升至700 MW，擺角下降。這些節點的確定和制粉系統的啟停密切相關，因此可以認為：擺角的控制定值應該是根據鍋爐的運行特性、相關操作手冊以及對再熱出口汽溫變化趨勢所定下來的經驗曲線(包括以下其他函數控制曲線的制定)。機組正常時在AGC方式下運行，當啟動第5臺制粉系統時，BM值通常在450 MW；隨著磨煤機的啟動，大量的一、二次風投入，直接引起爐膛火焰中心的提高，且鍋爐負荷加大，燃燒器擺角呈上升趨勢，使鍋爐火焰中心更高，導致爐膛吸熱小。這就是制粉系統啟動時，主汽壓力降低、主/再熱出口汽溫容易超限的主要原因。而當制粉系統停運時，情況則恰好相反。

3.2 擺角的偏差信號控制

鍋爐的負荷變化對再熱出口汽溫變化影響很大，導致汽溫實際值與規定值經常發生偏差。該偏差被作為擺角調節的控制信號，稱為擺角偏差信號(TILT DEV SIGNAL)，控制方式表現為以下2種。3.2.1 引入溫度偏差的PID控制

PID調節由比例、積分、微分3部分組成。其中，比例調節作用是當系統出現偏差時，能立即同偏差量成比例地產生調節以減少偏差，但調節終了會產生靜態偏差。積分調節作用是使系統消除指令與反饋偏差，直至無差；積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti：Ti越小，積分作用就越強。查閱2號鍋爐PI調節器的參數(K=0，Ti=2 300 ms)可知，比例調節沒有參與溫度控制，積分系數較大，只有擺角偏差信號有瞬間性波動時，積分才有輸出參與擺角調節。微分作用反映系統偏差信號的變化率，能預見偏差變化的趨勢，邏輯上設置時間值Td=1 s，即當輸入的溫控偏差值變化率為1 ℃/s，微分調節輸出就改變擺角0.2°(溫控偏差×0.2)，當變化率變小時，輸出就小。由此可知，當有擺角偏差信號值時，PID調節主要是通過微分支路控制擺角指令，但在設置上控制力度明顯較弱，使擺角擺動較緩。擺角調整緩慢雖然擾動小，有利穩定，但使調整時間顯得過長，在鍋爐工況有變動時，反而造成鍋爐參數波動大，不利于運行的穩定。

3.2.2 設置BM的擺角補償

為了快速減少再熱溫控偏差，提高擺角反應速度，對擺角偏差信號設置BM的擺角補償，采用BM不變和BM變動2種控制方式，控制曲線如圖3，4所示。BM不變的擺角調節值為補償系數函數FX024與擺角偏差信號的積函數X022。其控制邏輯是：擺角偏差信號越大，函數X022輸出也越大，擺角補償就越大；擺角偏差信號輸出為正值，擺角上擺；擺角偏差信號輸出為負值，擺角下擺。BM變動的補償系數函數FX027與BM不變的補償系數函數FX024的切換是靠LOAD CHANGE IN PROG置“1”來自動完成的，控制方法同機組負荷穩定時一樣，只是輸出值有負荷段的區別：BM值從175 MW升至350 MW，補償系數逐漸增強；大于350 MW后補償系數保持不變；當機組負荷停止變動時，LOAD CHANGE IN PROG置“0”，延時120 s后，自動切換到BM不變的補償系數函數FX024控制輸出。

圖3 BM不變的FX024函數曲線

圖4 BM變動的FX027函數曲線

從BM值的擺角控制曲線分析，補償系數函數輸出最大值為0.15。如果擺角偏差信號為10 ℃，可算出函數X022的積值為1.5(即擺角上擺1.5°)。擺角上擺的幅度與產生的溫控差值相比偏小，制約了主/再熱出口汽溫參數的變化速度，以致影響到鍋爐燃燒的響應速度。

3.3 機組負荷的擺角補償

當機組負荷變化時，再熱出口汽溫受鍋爐燃燒影響，波動也較大。為了穩定再熱出口汽溫，策略上設置機組負荷擺角補償BIR TIL。

機組負荷擺角補償BIR TIL值受到機組負荷變化率LD、各負荷段的補償值和負荷補償限制值的影響。當機組負荷增加時，LD(H)輸出正值，LD(L)輸出為0；當機組負荷降低時，LD(L)輸出負值，LD(H)輸出為0。機組加減負荷的各負荷段擺角補償值設置不同，函數曲線如圖5，6所示。因為函數FX141和FX143的輸出均沒有正值，使機組負荷對擺角的補償表現為：機組加負荷時擺角下擺，機組減負荷時擺角上擺。

圖5 加負荷補償函數FX141曲線

圖6 減負荷補償函數FX143曲線

通過各函數曲線輸出值的計算比較，可以看出，函數模塊FX145(FX147)(見圖7)作為擺角補償BIR TIL控制系統的主控回路，對BIR TIL的輸出值起到很大的控制作用。

從圖5可以看出，在擺角參與負荷調節后，負荷變動擺角補償值隨負荷的增加呈現干預加劇趨勢，在負荷值為546 MW時，擺角補償值最大，往后影響逐漸減弱。通過比較，機組負荷為546 MW時，函數FX145的限制輸出約為1.5°/min，可知在函數FX145的作用下，嚴重影響了燃燒器擺角下擺的幅度。因此，當機組大幅度加負荷時，就出現燃燒器擺角下擺角度不夠大，導致主汽壓力下降嚴重，主/再熱出口汽溫容易超限的情況。同時，因為機組運行方式為協調控制運行模式，機組負荷也因為主汽壓力受限，上升速度受到了限制。這情況與負荷補償限制函數FX145曲線設置不合理有很大的關系。

圖7 負荷補償限制函數FX145(FX147)曲線

同時，由圖6控制曲線可看出：當機組減負荷時，機組負荷小于525 MW時，函數FX143才開始輸出負值，擺角補償BIR TIL輸出正值，開始干預擺角上擺。但機組負荷在700～525 MW時，負荷擺角補償BIR TIL輸出值為0，這時燃燒器擺角的控制僅受到鍋爐負荷BM值和擺角偏差信號的影響，上擺幅度小而且滯后。由于受汽包爐蓄熱的影響，汽機調門關小后，主汽壓力容易飆高，甚至造成高旁動作。這種現象和機組負荷降低時補償函數FX143曲線設置不合理，導致燃燒器擺角無法及時上擺有很大的關系。

4 優化燃燒器擺角控制策略的建議

綜上所述，燃燒器擺角的控制策略是以鍋爐負荷變化作為調節基礎，以再熱出口汽溫控制偏差作為調節對象，利用機組負荷變化加以輔助補償而構成的。擺角最終的指令輸出值為以上控制因素之和。各控制函數的制定遵循鍋爐加、減負荷時主汽壓力的變化趨勢，以及制粉系統啟停時對鍋爐燃燒運行的影響。但在鍋爐燃燒器擺角調節過程中，存在著控制參數和節點設置與實際運行狀況不吻合的問題，導致鍋爐各參數波動較大，經常偏離正常運行工況。因此，優化擺角控制函數設定十分必要。為使控制策略更合理有效，提出以下建議。

4.1 論證并修改函數曲線

(1) 將鍋爐負荷控制函數FX026曲線中的節點由525 MW修改為455 MW，使曲線和第5臺制粉系統啟動控制相符。

(2) 將BM不變的補償系數函數FX024的輸出值調整到0.3以上，以加大負荷平穩時對再熱出口汽溫偏差的靈敏度。

(3) 將BM變動的補償系數函數FX027輸出值增大到0.3～0.5，提高擺角調節幅度，參與主汽參數變化的深度調整。

(4) 修改機組負荷補償限制函數FX145(FX147)曲線，將該曲線上375 MW節點對應的控制值提高到1°/min。

(5) 修改機組減負荷補償函數FX143曲線，將該曲線上525 MW節點對應的控制值下調到-0.5°/min，并保證在700～525 MW減負荷時，擺角補償BIR TIL輸出正值，使擺角先于再熱出口汽溫下降前上擺，從而避免了主汽壓上升超限的問題。

4.2 加入主汽壓力偏差信號控制

主汽壓力偏差信號反映了鍋爐和汽機的平衡情況，間接地影響了擺角的調節，考慮將壓力偏差作為一個反饋信號加入擺角的控制，則可預先反映再熱出口汽溫的變化趨勢，有利于改善并加強鍋爐燃燒的調節力度和響應速度。

5 結束語

1，2號鍋爐燃燒器改造后，由于在調試中沒有充分考慮機組列入調峰對鍋爐負荷變動運行的影響，使燃燒器擺角對再熱出口汽溫的波動和機組負荷變動時的干預度較弱，調整性差，造成鍋爐各運行參數不理想，機組運行受到較大的影響。燃燒器擺角運行調試，也是對鍋爐各改造項目的綜合性能的校驗，需要細致、深入地分析各運行數據，做好長期跟蹤和改進，以取得更好的效果。

2014-11-18；修改日期：2015-01-12。

吳彥龍(1974-)，男，工程師，主要從事機組的啟停與設備運行控制管理工作，email：wuyanlong0233@sina.com。

劉曉峰(1975-)，男，工程師，主要從事發電機組熱動控制與設備改造研究工作。

李仲明(1974-)，男，工程師，主要從事機組調控運行與人事管理工作。

鄧 堅(1973-)，男，工程師，主要從事機組鍋爐運行方式控制運行措施制定與設備管理工作。