熱量信號(hào)在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王靜

摘 要：以太原第一熱電廠燃煤300 MW機(jī)組（中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)）的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為例，從BMS中的投油負(fù)荷、CCS中的鍋爐燃料量控制和風(fēng)煤比幾個(gè)方面入手，綜合評(píng)述了熱量信號(hào)的作用及其使用過(guò)程中的不足。通過(guò)比較幾種情況下燃料量的不同，剖析了熱量信號(hào)的特性，并提出了幾點(diǎn)關(guān)于熱量信號(hào)應(yīng)用的注意事項(xiàng)，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：熱量信號(hào)；自動(dòng)調(diào)節(jié)；燃料量；風(fēng)煤比

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.075

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱量信號(hào)被廣泛應(yīng)用于常規(guī)二型儀表搭接的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，它可以間接反映鍋爐的熱負(fù)荷。雖然熱量信號(hào)是分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但它是以組態(tài)的形式出現(xiàn)在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的。

1 熱量信號(hào)

在設(shè)計(jì)燃煤機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，瞬時(shí)給粉量是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量。鍋爐調(diào)節(jié)器的設(shè)置如圖1所示。

因?yàn)樗矔r(shí)給粉量很難測(cè)量到，所以，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也很難正常運(yùn)行。這時(shí)，設(shè)計(jì)者可用熱量信號(hào)間接表示鍋爐的熱負(fù)荷。熱量信號(hào)的計(jì)算公式為：

式（1）中：QD為熱量信號(hào)；d為主蒸汽流量；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)；Pb為汽包壓力；t為主蒸汽溫度。

引入熱量信號(hào)的主要目的是讓其取代瞬時(shí)給粉量，保證在無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量瞬時(shí)給粉量時(shí)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

2 熱量信號(hào)與燃料量的關(guān)系

理想的熱量信號(hào)只反映燃料量的變化，但是，它并不代表負(fù)荷的變化，鍋爐蓄熱系數(shù)的選取就是基于這一原則進(jìn)行的。具體整定方式是，當(dāng)鍋爐在某一負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，給粉量不變，開(kāi)大或關(guān)小主汽門(mén)，蒸汽流量d都會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)，熱量信號(hào)QD應(yīng)不變，則主蒸汽流量變量Δd的計(jì)算公式為：

至此，鍋爐汽包的蓄熱量可以等效轉(zhuǎn)換為蒸汽流量。這樣，就可以在不同負(fù)荷段分別整定出Cb的值。試驗(yàn)證明，在不同的汽包壓力下，Cb是個(gè)變量。這說(shuō)明，在不同的汽包壓力下，相同的汽包壓力變化量所釋放（或吸收）的熱量并不相同，這是值得注意的問(wèn)題，同時(shí)，也給熱量信號(hào)的整定工作增加了一定的難度。在應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)際熱量信號(hào)與理論熱量信號(hào)是很難保持一致的，而熱量信號(hào)可以反映蒸汽流量的變化。蒸汽流量與汽機(jī)的出力成正比，因此，熱量信號(hào)也能反映汽機(jī)負(fù)荷的變化。這一特性使得熱量信號(hào)的使用變得更加復(fù)雜。如果能充分利用這一特性，會(huì)在一定程度上提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是，如果利用不當(dāng)，則會(huì)引發(fā)很多問(wèn)題。

3 熱量信號(hào)的劣勢(shì)

熱量信號(hào)能夠間接反映鍋爐燃料量，在實(shí)際應(yīng)用中，它基本上可以保證協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，也能較好地反映鍋爐的燃料量。但是，其中也存在一些問(wèn)題：①無(wú)法快速反映燃料量的擾動(dòng)情況。當(dāng)進(jìn)入爐膛的燃料量自發(fā)擾動(dòng)時(shí)，熱量信號(hào)無(wú)法感知到。只有燃料量變化導(dǎo)致主汽流量和汽包壓力發(fā)生變化時(shí)，熱量信號(hào)才會(huì)發(fā)生變化。由此可見(jiàn)，熱量信號(hào)具有遲延性。因此，引入熱量信號(hào)后，它在燃料量調(diào)節(jié)內(nèi)回路中起不到快速消除燃料量?jī)?nèi)擾的作用。②不易整定。由于汽包蓄熱系統(tǒng)是不變量，所以，在整定時(shí)，要多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)。只有這樣，才能測(cè)取本臺(tái)鍋爐的蓄熱系數(shù)。而在實(shí)際應(yīng)用中，常用汽包壓力的函數(shù)是需要修正的。

常用汽包壓力函數(shù)公式為：

式（3）中：f（p1）為汽機(jī)一級(jí)壓力的函數(shù)，代表主汽流量；f（pt）

為汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力的函數(shù)。

在大型火力發(fā)電廠中，主汽流量一般不用流量孔測(cè)量，因?yàn)樗斐傻墓?jié)流損失是非常大的。通常情況下，可采用汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力或高加缸排汽壓力計(jì)算主汽流量，也就是所謂的“無(wú)孔板測(cè)量”。

實(shí)際熱量信號(hào)與理論熱量信號(hào)不同。在實(shí)際應(yīng)用中，熱量信號(hào)能夠反映汽機(jī)負(fù)荷的變化。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，當(dāng)調(diào)門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，熱量信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。在自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，恬當(dāng)?shù)匾眠@一變化量能快速響應(yīng)鍋爐給粉量的變化。但是，要注意的是，如果作用不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致鍋爐燃燒波動(dòng)，自動(dòng)調(diào)系統(tǒng)發(fā)生震蕩，需要多個(gè)調(diào)節(jié)周期才能穩(wěn)定下來(lái)。

3.1 BMS邏輯判斷錯(cuò)誤

在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“BMS”）中，爐膛瞬時(shí)給粉量是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量，它關(guān)系著油層的投入、煤層的點(diǎn)火能量和煤層的跳閘等。在CCS中引入熱量信號(hào)，讓它取代瞬時(shí)給粉量，給鍋爐的燃燒管理工作帶來(lái)了許多不便，主要表現(xiàn)為以下2點(diǎn)：①熱量信號(hào)與瞬時(shí)給粉量相比，其遲延性較強(qiáng)，推遲了油層的投入和煤層的跳閘時(shí)間，嚴(yán)重威脅著鍋爐的運(yùn)行安全。當(dāng)進(jìn)入爐膛的瞬時(shí)給粉量發(fā)生變化時(shí)，要等它完全燃燒使汽機(jī)一級(jí)壓力發(fā)生變化后熱量信號(hào)才會(huì)發(fā)生變化。比如，當(dāng)某層或某幾臺(tái)給粉機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，瞬時(shí)給粉量會(huì)發(fā)生變化，使?fàn)t內(nèi)燃燒受到?jīng)_擊。這時(shí)，BMS應(yīng)迅速投入油層穩(wěn)定燃燒。但是，由于使用的是熱量信號(hào)而不是給粉量，所以，BMS只會(huì)根據(jù)熱量信號(hào)的變化決定是否投油穩(wěn)燃，這時(shí)的熱量信號(hào)不會(huì)發(fā)生太大的變化。即使?fàn)t內(nèi)燃燒瞬間惡化，BMS也不會(huì)投油穩(wěn)定燃燒。②熱量信號(hào)受汽機(jī)負(fù)荷變化的影響，使用后常常會(huì)出現(xiàn)油層誤投的問(wèn)題。由相關(guān)分析可知，汽機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度的變化可能是調(diào)節(jié)指令造成的，也可能是調(diào)節(jié)門(mén)自發(fā)擾動(dòng)造成的。但這并不重要，重要的是當(dāng)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱量信號(hào)發(fā)生變化。例如，當(dāng)汽機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)發(fā)生擾動(dòng)或作汽機(jī)閥門(mén)抖動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，鍋爐負(fù)荷保持不變。由于高調(diào)門(mén)開(kāi)度變小，所以，熱量信號(hào)就會(huì)受弱。當(dāng)熱量信號(hào)低于某一值時(shí)（例如50%，視BMS內(nèi)部的聯(lián)鎖定值而定），BMS就會(huì)發(fā)出投油穩(wěn)定燃燒的指令。此時(shí)，鍋爐燃燒未發(fā)生任何變化，當(dāng)然也無(wú)需投油穩(wěn)燃。這樣做，一方面，會(huì)浪費(fèi)燃油；另一方面，會(huì)增加鍋爐的出力，導(dǎo)致主汽起壓，甚至還會(huì)導(dǎo)致汽包水位發(fā)生劇烈的變化。這些都是熱量信號(hào)取代瞬時(shí)給粉量造成的。

3.2 無(wú)法保證常使暫態(tài)下的風(fēng)煤比

風(fēng)煤比對(duì)于爐膛的燃燒十分重要，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，要注意保持爐膛燃燒所需的風(fēng)煤比。要想增加燃料，就要先增加風(fēng)量；要想減小風(fēng)量，就要看其是否受燃料量的制約；要想保證風(fēng)煤比，就要保證富風(fēng)燃燒，這也是大型鍋爐防爆標(biāo)準(zhǔn)方案之一。受使用熱量信號(hào)取代了給粉量后，原來(lái)的風(fēng)煤比變成了風(fēng)與熱量信號(hào)的配比，使得原本不太好控制的風(fēng)煤比更加復(fù)雜。

從圖1中可以看出，當(dāng)機(jī)組以投全協(xié)調(diào)方式運(yùn)行時(shí)，送風(fēng)機(jī)會(huì)接收鍋爐主調(diào)的指令調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使送風(fēng)量與鍋爐指令相匹配，燃燒主調(diào)接收鍋爐主調(diào)的指令，使燃燒量與鍋爐指令相匹配。但是，熱量信號(hào)與給粉量是相差很大的，比如，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐、汽機(jī)指令都會(huì)增加，汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)大。鍋爐指令增加會(huì)使送風(fēng)主調(diào)輸出增加，鍋爐送風(fēng)量增加。對(duì)于燃燒主調(diào)來(lái)說(shuō)，這種情況是很復(fù)雜的。鍋爐指令增加會(huì)增加燃料主調(diào)的設(shè)定點(diǎn)，但是，在汽機(jī)主調(diào)指令增加的同時(shí)也會(huì)增加熱量信號(hào)，燃燒主調(diào)的控制變量也就相應(yīng)增加了。如果汽機(jī)主調(diào)的動(dòng)作比鍋爐主調(diào)快，那么，燃料量不會(huì)增加，反而還會(huì)減少。這時(shí)，風(fēng)量將比燃料量大，不利于鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在實(shí)際工作中，汽機(jī)增負(fù)荷基本上沒(méi)有延遲，熱量信號(hào)比鍋爐指令增加得快，尤其是當(dāng)系統(tǒng)要求機(jī)組負(fù)荷快速增加時(shí)；相反，當(dāng)機(jī)組減負(fù)荷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃料量過(guò)剩。

3.3 加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定難度

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，在增加汽機(jī)主調(diào)的同時(shí)，熱量信號(hào)的增加大于鍋爐主調(diào)的增加，那么，燃料主調(diào)的輸出反而會(huì)減小，進(jìn)而降低鍋爐出力，導(dǎo)致主汽壓降低。這時(shí)，就要關(guān)小調(diào)門(mén)。當(dāng)熱量信號(hào)小于鍋爐指令時(shí)，燃料量才能增加。這樣做，雖然減緩了增負(fù)荷的速率，但會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的振蕩。如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用的是給粉量，就不會(huì)發(fā)生這種問(wèn)題。因此，使用熱量信號(hào)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其整定難度很大。這里的“難度大”是指在整定燃料主調(diào)時(shí)，要充分考慮汽機(jī)的調(diào)節(jié)特性；相反，在整定汽機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，要充分考慮它對(duì)燃料主調(diào)的影響。

4 熱量信號(hào)應(yīng)用方案

由上述分析可知，熱量信號(hào)在CCS中發(fā)揮著巨大的作用，它能保證協(xié)調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行。盡管其在應(yīng)用過(guò)程中還存在不足，但只要合理使用并輔以其他信號(hào)加以修正，就能保證CCS和BMS的正常運(yùn)行。

4.1 熱量信號(hào)有利于消除內(nèi)擾

在CCS中，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力處于穩(wěn)態(tài)，有利于消除熱量信號(hào)的內(nèi)擾。熱量信號(hào)的形成如圖2所示。

從圖2中可以看出，從給粉特性到汽機(jī)特性的一系列傳遞函數(shù)，當(dāng)某一傳遞函數(shù)發(fā)生變化即產(chǎn)生內(nèi)擾時(shí)，熱量信號(hào)都會(huì)發(fā)生變化，而且熱量信號(hào)的變化是個(gè)負(fù)反饋環(huán)節(jié)。熱量信號(hào)的變化會(huì)導(dǎo)致燃料調(diào)節(jié)器在主汽壓和機(jī)組負(fù)荷未發(fā)生變化時(shí)就進(jìn)行調(diào)節(jié)。這說(shuō)明，引用熱量信號(hào)后，協(xié)調(diào)系統(tǒng)消除內(nèi)擾的能力會(huì)增強(qiáng)。

當(dāng)給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，熱量信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，只是這一變化比瞬時(shí)給粉量的變化晚。也就是說(shuō)，熱量信號(hào)對(duì)給粉量擾動(dòng)消除能力的影響比較小。但是，對(duì)于汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)和汽包壓力的變化，熱量信號(hào)的反映比較快，即熱量信號(hào)在消除汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)和汽包壓力擾動(dòng)方面的能力比較強(qiáng)。

4.2 熱量信號(hào)在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一般來(lái)說(shuō)，直吹式制粉系統(tǒng)中設(shè)有計(jì)量式電子皮帶秤，用它可以測(cè)量磨煤機(jī)的給煤量。在設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，常常用給煤量來(lái)代替瞬時(shí)燃料量。由于給煤量與瞬時(shí)給粉量相比有一定的延遲性，而且動(dòng)態(tài)特性又有較大的差別，所以，它的調(diào)節(jié)特性并不好。引入熱量信號(hào)后，不僅能提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除內(nèi)擾的能力，還能提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的自平衡能力。熱量信號(hào)在給粉量測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖3所示。

圖3設(shè)計(jì)了一個(gè)跟蹤回路，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化率較小時(shí)，可投入熱量信號(hào)調(diào)節(jié)回路。當(dāng)給煤量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，燃料調(diào)節(jié)器會(huì)快速調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)；當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)壓力、汽包壓力發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，熱量信號(hào)調(diào)節(jié)器會(huì)快速消除擾動(dòng)；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化率較大時(shí)，熱量信號(hào)調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)，繼而圖3所示的控制系統(tǒng)就演變成了只使用燃料量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在整定過(guò)程中，如果單獨(dú)使用熱量信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽機(jī)調(diào)節(jié)器的作用強(qiáng)度會(huì)比較小。當(dāng)汽機(jī)的動(dòng)作速率過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致燃料調(diào)節(jié)器作出與負(fù)荷變化相反方向的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度等。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，雖然熱量信號(hào)的使用存在一些弊端，但是，只要使用合理，還是可以保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。合理的參數(shù)配置在消除內(nèi)擾、穩(wěn)定負(fù)荷方面發(fā)揮著巨大的作用。

〔編輯：白潔〕