超臨界循環(huán)硫化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的特性，設(shè)計(jì)出了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，整個(gè)協(xié)調(diào)控制采用PID反饋+前饋的設(shè)計(jì)思路。整個(gè)協(xié)調(diào)控制包括汽機(jī)主控、鍋爐主控、給水控制以及燃燒控制等邏輯。為了克服循環(huán)流化床機(jī)組燃用煤質(zhì)較差的特性，在鍋爐主控回路采用功率微分和壓力微分。給水指令采用分離器出口焓進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，給水指令中還考慮了給水焓、減溫水對(duì)其影響。在燃燒控制回路考慮床溫、床壓對(duì)給煤量、一二次風(fēng)量的影響。

關(guān)鍵詞：超臨界循環(huán)流化床鍋爐；協(xié)調(diào)控制；前饋控制；補(bǔ)償函數(shù)

前言

循環(huán)流化床鍋爐由于具有燃燒效率高、低污染、燃料適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)非線性、時(shí)變、多變量耦合的控制對(duì)象，循環(huán)流化床鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)需要完成比煤粉鍋爐更復(fù)雜的控制任務(wù)[1]。超臨界循環(huán)流化床鍋爐空冷熱電機(jī)

組，在設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)邏輯的時(shí)候要充分考慮超臨界和循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)。

目前針對(duì)超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有兩種方式[2、3]，即ALSTOM技術(shù)所生產(chǎn)的超（超）臨界直流爐和三菱技術(shù)所生產(chǎn)的超（超）臨界直流爐。這兩種超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略中都采用了動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償技術(shù)，只不過所采用具體的計(jì)算方式略有不同。文章在吸收這兩種控制思路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

1 超臨界循環(huán)流化床機(jī)組特點(diǎn)

超臨界循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)分布參數(shù)、非線性、時(shí)變、多變量耦合緊密的控制對(duì)象[4]，如圖1所示。采用超臨界直流鍋爐，由于汽包的存在解除了蒸汽管路與水管路及給水泵間的耦合，直流爐機(jī)組從給水泵到汽機(jī)，汽水直接關(guān)聯(lián)，使得鍋爐各參數(shù)間和汽機(jī)與鍋爐間具有強(qiáng)烈的耦合特性，整個(gè)受控對(duì)象是一多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)[5、6]，當(dāng)燃料量增大時(shí)，機(jī)組的負(fù)荷、壓力、溫度、床溫等均增大；當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門開度增大。負(fù)荷增大，主汽壓力、溫度降低；給水流量增大，機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力增大，溫度降低。在擾動(dòng)存在的情況下，要保持床溫在一定范圍變化，需要調(diào)節(jié)給煤量以及送風(fēng)量。給煤量的大小與負(fù)荷密切相關(guān)。如果采用送風(fēng)量控制床溫，會(huì)改變傳熱系數(shù)從而影響負(fù)荷（傳熱系統(tǒng)與爐內(nèi)氣體流速、床溫、懸浮物料密度等密切相關(guān)）。而由此造成蒸汽流量的變化。給煤量和送風(fēng)量又影響煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓和料床高度等。

對(duì)比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于普通的超臨界機(jī)組，循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制控制變量更多，相互之間的耦合關(guān)系更加復(fù)雜，這是受到循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致。文章將針對(duì)華電朔州電廠為350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合循環(huán)流化床的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際實(shí)踐中，超臨界機(jī)組多采用間接能量平衡和直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)方案。這兩種協(xié)調(diào)控制方案中都是采用PID+前饋的控制方式[7]。文章在結(jié)合超臨界循環(huán)流化床機(jī)組特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制方案，邏輯框圖如圖2所示。該套協(xié)調(diào)控制邏輯包含了常規(guī)超臨界機(jī)組中的汽機(jī)閥門控制回路、鍋爐主控制回路、給水控制回路以及燃燒控制回路，還考慮有流化床床溫、床壓等重要參數(shù)對(duì)協(xié)調(diào)控制回路的補(bǔ)償功能。

2.1 汽輪機(jī)控制回路

在協(xié)調(diào)模式下汽機(jī)主控為功率控制回路。即通過控制汽機(jī)高、中壓缸調(diào)門以保證進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽量與機(jī)組的負(fù)荷指令相適應(yīng)，從而協(xié)調(diào)機(jī)爐間的能量平衡。控制回路被調(diào)量為實(shí)際功率，功率控制回路設(shè)定值由3部分構(gòu)成：

（1）機(jī)組負(fù)荷指令及其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。由于鍋爐對(duì)機(jī)組負(fù)荷指令的響應(yīng)慢于汽機(jī)側(cè)，故用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來匹配，慣性時(shí)間代表機(jī)組負(fù)荷指令變化到新蒸汽產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程；（2）頻差信號(hào)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻差值，設(shè)置有±2rmp/min的死區(qū)；（3）壓力拉回函數(shù)，如圖2中的函數(shù)f2（x），即經(jīng)過死區(qū)特性和限幅特性的壓力偏差信號(hào)。這樣做的目的是當(dāng)機(jī)前壓力偏差較小時(shí)，由鍋爐主控系統(tǒng)控制壓力，維持機(jī)前壓力為穩(wěn)定。當(dāng)機(jī)前壓力偏差較大時(shí)，有可能超過鍋爐主控的調(diào)節(jié)范圍，此時(shí)汽機(jī)主控也參與調(diào)壓。二者共同作用可迅速使機(jī)前壓力拉回到設(shè)定值。

2.2 鍋爐主控回路

鍋爐主控的目的一方面當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，能提供相應(yīng)的燃料量指令，另一方面也要維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。因此在協(xié)調(diào)控制模式下，鍋爐主控指令為壓力PID控制器與鍋爐主控前饋的和，如圖3所示。由于鍋爐響應(yīng)負(fù)荷速率慢，因此單純的反饋控制回路不能滿足變負(fù)荷時(shí)鍋爐的能量需求，而前饋控制可以很好地彌補(bǔ)反饋控制回路的缺陷，本項(xiàng)目對(duì)于鍋爐主控的前饋控制回路設(shè)計(jì)了靜態(tài)前饋+動(dòng)態(tài)前饋。

鍋爐主控靜態(tài)前饋函數(shù)f3（x）代表機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)荷和燃料量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；鍋爐主控的動(dòng)態(tài)前饋主要是為了消除燃燒環(huán)節(jié)的滯后。直接與負(fù)荷指令、壓力指令及壓力偏差相關(guān)。在控制中微分具有超前作用，適合于克服燃燒環(huán)節(jié)的大遲延，因此將鍋爐的動(dòng)態(tài)前饋設(shè)計(jì)為三者的微分函數(shù)之和。為了適應(yīng)機(jī)組在AGC模式下機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力，在負(fù)荷指令的微分式上乘以負(fù)荷變化率對(duì)應(yīng)的修正函數(shù)f1（x）來

提高機(jī)組鍋爐主控指令對(duì)的變負(fù)荷率的響應(yīng)能力。由于鍋爐主控的另外一個(gè)目的是為了保證主氣壓力的穩(wěn)定，因此在負(fù)荷指令的微分式上乘以主氣壓力偏差對(duì)應(yīng)的修正函數(shù)f2（x），保證機(jī)組在變負(fù)荷時(shí)鍋爐主控對(duì)主汽壓力波動(dòng)的適應(yīng)能力。

鍋爐主控動(dòng)態(tài)前饋還包含了主汽壓力定值的微分式以及主汽壓力設(shè)定和實(shí)際壓力的偏差的微分式，如圖3所示，圖中Kd、Td代表微分式的增益和微分時(shí)間。這是因?yàn)楫?dāng)燃料量增加后，機(jī)組的負(fù)荷和壓力均慣性上升，燃料量決定了負(fù)荷的最終變化量，同時(shí)對(duì)于壓力也是影響其變化的因素之一，在作用的強(qiáng)度上，可以認(rèn)為燃料量對(duì)于負(fù)荷是超強(qiáng)作用，而對(duì)于壓力是強(qiáng)作用。單元機(jī)組滑壓變負(fù)荷時(shí)，代表汽機(jī)和鍋爐平衡的主汽壓力同時(shí)也要隨著滑壓曲線發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，也就意味著鍋爐動(dòng)態(tài)反饋所補(bǔ)充的蓄熱除了一部分要滿足初期負(fù)荷設(shè)定值的變化對(duì)蓄熱的快速利用外，還需一部分滿足主汽壓力設(shè)定值變化對(duì)蓄熱的影響，保持主汽壓力的參數(shù)適應(yīng)負(fù)荷的變化。

3 給水控制策略設(shè)計(jì)

對(duì)于直流鍋爐，給水控制的主要目的是保證燃水比、實(shí)現(xiàn)過熱汽溫的粗調(diào)、滿足負(fù)荷的響應(yīng)。在啟動(dòng)或較低負(fù)荷時(shí)，分離器處于濕態(tài)運(yùn)行，同汽包一樣起著汽水分離的作用，此時(shí)適當(dāng)控制分離器水位，通過循環(huán)回收合格工質(zhì)；當(dāng)鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行階段，分離器處于干態(tài)運(yùn)行，成為（過熱）蒸汽通道。純直流后的給水控制是整個(gè)超臨界直流機(jī)組控制的核心部分[5]，用中間點(diǎn)溫度（焓）來修正給水指令。對(duì)比于用燃料控制煤/水比的控制策略，用給水控制煤水比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，給水的響應(yīng)更快速，沒有燃料制粉和燃燒過程的大時(shí)滯。

給水指令的前饋包括：靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋二部分組成。如圖4所示。其中靜態(tài)前饋及修正是給水指令的主導(dǎo)部分。由鍋爐的負(fù)荷指令折算出鍋爐需要的給水總量（由圖4中的負(fù)荷-給水f（x）函數(shù)），扣除減溫水量后，作為直流爐的給水指令，通過這部分的靜態(tài)前饋，基本保證了穩(wěn)態(tài)的煤水比。由于煤量指令和給水指令同時(shí)跟蹤鍋爐的負(fù)荷指令，而制粉系統(tǒng)存在較大的滯后，給水的響應(yīng)則相對(duì)較快，為了使燃料和給水在動(dòng)態(tài)過程中仍有較好的匹配性，使鍋爐的主汽溫變化相對(duì)較小，對(duì)給水指令前加了2階慣性環(huán)節(jié)，適當(dāng)減慢了給水指令的動(dòng)作速度。其中慣性時(shí)間T是主汽流量的函數(shù)。靜態(tài)前饋部分實(shí)際上確定了鍋爐負(fù)荷指令與給水流量之間的關(guān)系，在實(shí)際運(yùn)行中，這一關(guān)系還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作必要的修正。如加熱器未投用時(shí)，高溫省煤器入口的給水焓值顯然會(huì)偏低，為確保主汽溫度，應(yīng)適當(dāng)減小穩(wěn)態(tài)的給水流量。因此，設(shè)計(jì)中考慮了根據(jù)高溫省煤器出口焓對(duì)靜態(tài)給水前饋指令的修正。變負(fù)荷時(shí)的給水動(dòng)態(tài)超調(diào)用于變負(fù)荷初期加快給水的響應(yīng)，主要是為了提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度。

給水控制的最終目標(biāo)是確保分離器出口的焓值等于希望的定值，盡管通過前饋調(diào)整后，可基本保證煤水比，但為使過熱器進(jìn)口的焓維持在定值附近，還必須通過反饋調(diào)整。反饋調(diào)整的思想為：當(dāng)過熱器進(jìn)口的焓大于設(shè)定值時(shí)，適當(dāng)逐步加大給水指令；反之，則減少給水指令。

反饋調(diào)整最主要的問題是如何確保過熱器進(jìn)口焓的設(shè)定值，正常情況下焓定值由二部分組成：一是基準(zhǔn)的焓設(shè)定值；二是由實(shí)際運(yùn)行情況確定的定值修改量。基準(zhǔn)的焓設(shè)定值是分離器壓力的函數(shù)，見圖4中的f3（X），滑壓運(yùn)行方式下的分離器壓力可以代表負(fù)荷值，所以f2（X） 代表了不同負(fù)荷對(duì)過熱器進(jìn)口蒸汽保證一定的過熱度的控制要求。

焓控設(shè)定值修正是指根據(jù)高溫省煤器出口溫度或減溫水流量在一定范圍內(nèi)修正焓控設(shè)定值。當(dāng)某種原因使過熱噴水量減小，焓值修正就會(huì)也減小焓控設(shè)定值，從而增加給水指令。

4 燃燒控制策略

燃燒控制包括給煤量控制、一二次風(fēng)量控制。超臨界循環(huán)流化床燃燒控制的目的一方面保證機(jī)組變負(fù)荷時(shí)的煤量、風(fēng)量的需求，另一方面是保證鍋爐密相區(qū)上下部床溫穩(wěn)定在850℃～950℃之間。其中燃料主控回路為控制給煤機(jī)給煤量的指令，在設(shè)計(jì)燃料主控過程中特別考慮到了煤種變化對(duì)燃料量的影響，因此設(shè)計(jì)了熱值校準(zhǔn)回路，通過熱值校準(zhǔn)PID產(chǎn)生校準(zhǔn)系數(shù)乘以鍋爐主控指令作為燃料主控指令，燃料主控回路被調(diào)量為在運(yùn)行的給煤機(jī)瞬時(shí)給煤量之和。此外為了增加鍋爐側(cè)負(fù)荷響應(yīng)速率，在給煤量指令側(cè)增加了燃水比的微分式，如圖5所示。其中Kd、Td為其微分增益和微分時(shí)間。由于循環(huán)流化床床溫主要受到給煤量的影響，因此把床溫控制器的輸出疊加到原來給煤量指令中。以達(dá)到床溫的穩(wěn)定。

循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)量不僅要滿足流化床上的流化風(fēng)量，而且要維持兩側(cè)床物料的平衡，以避免CFB床層物料翻床。而在CFB翻床發(fā)生時(shí)，為了使一次風(fēng)具有足夠壓力，在CFB兩側(cè)一次風(fēng)室壓力大值選擇后疊加一個(gè)偏置得到一次風(fēng)壓力設(shè)定值。這樣運(yùn)行人員可以實(shí)時(shí)根據(jù)流化床物料情況進(jìn)行手動(dòng)修改。將一次風(fēng)機(jī)指令作為床上燃燒器一次風(fēng)量指令，保證有足夠的一次風(fēng)量。

在二次風(fēng)量控制策略中，通過調(diào)節(jié)2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)液力耦合器控制二次風(fēng)流量，總風(fēng)量設(shè)定值在負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)風(fēng)量的基礎(chǔ)上經(jīng)氧量修正后的得到，如圖5所示。其中基本指令為鍋爐主控指令對(duì)于的二次風(fēng)量函數(shù)。所得到的二次風(fēng)量經(jīng)過二次風(fēng)量PID控制器，得出二次風(fēng)機(jī)指令。

5 結(jié)束語

循環(huán)流化床機(jī)組由于燃用煤種較差，因此其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度要高于普通的燃煤機(jī)組。文章在分析超臨界循環(huán)流化床機(jī)組特性的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)超臨界機(jī)組循環(huán)流化床協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的時(shí)候，兼顧兩者的特性，設(shè)計(jì)了負(fù)荷超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的協(xié)調(diào)控制、給水控制以及燃燒控制策略。此外為了提高循環(huán)流化床機(jī)組適應(yīng)變負(fù)荷的能力，在協(xié)調(diào)控制、給水控制以及燃燒控制回路中增加了大量的前饋控制和補(bǔ)償函數(shù)。為以后同類型的機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：王鳳蛟（1968，1-），男，籍貫：黑龍江省木蘭縣，1990年7月畢業(yè)于哈爾濱船舶學(xué)院，現(xiàn)學(xué)歷：西安交大EMBA研究生，現(xiàn)就職于華電山西能源有限公司，職務(wù)：總經(jīng)理。