基于DEB的循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

賀建軍，任素龍，王曉嬌，齊　鳴

(1.河北建投任丘熱電有限責(zé)任公司，河北 　滄州　062550；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊　050021；3.河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司，河北　邢臺　054102)

?

基于DEB的循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

賀建軍1，任素龍2，王曉嬌3，齊鳴3

(1.河北建投任丘熱電有限責(zé)任公司，河北 滄州062550；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021；3.河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司，河北邢臺054102)

摘要：針對大型循環(huán)流化床(CFB)機(jī)組的鍋爐各參數(shù)之間具有強(qiáng)耦合、非線性、大遲延特點(diǎn),導(dǎo)致各主要的自動控制系統(tǒng)很難投入自動的問題，提出了基于直接能量平衡(DEB)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，介紹現(xiàn)場對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果證明該系統(tǒng)提高了協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)品質(zhì),取得了良好的應(yīng)用效果,對CFB機(jī)組的協(xié)調(diào)控制具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；直接能量平衡；參數(shù)優(yōu)化

隨著循環(huán)流化床(CFB)技術(shù)的成熟，循環(huán)硫化床機(jī)組在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，但是循環(huán)流化床機(jī)組自動控制能力較差，大部分CFB機(jī)組協(xié)調(diào)控制很難正常投入，基本都是靠運(yùn)行人員手動調(diào)節(jié)。為了解決CFB機(jī)組具有強(qiáng)耦合性、非線性、大遲延等問題，提高CFB機(jī)組協(xié)調(diào)控制的能力,對開灤古冶煤矸石坑口電廠(簡稱“古冶電廠”)CFB機(jī)組的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了深入研究，并提出基于直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制方案。通過對CFB鍋爐和汽包動態(tài)特性的分析，利用鍋爐主控的動態(tài)加速前饋、一次風(fēng)超前調(diào)節(jié)以克服流化床鍋爐的燃燒慣性，保證變負(fù)荷初期滑壓段主蒸汽壓力快速跟隨和機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，通過給煤量與一次風(fēng)量的錯時調(diào)節(jié)，保證合理的一、二次風(fēng)量配比，維持流化床鍋爐床溫長期穩(wěn)定。

1機(jī)組概述

古冶電廠2臺300 MW機(jī)組為亞臨界空冷循環(huán)流化床機(jī)組，鍋爐為DG1100/17.5-Ⅱ2型循環(huán)流化床鍋爐，汽輪機(jī)為C250/N300-16.7/538/538型汽輪機(jī)：亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、一次中間再熱、直接空冷、供熱凝汽式汽輪機(jī)。DCS系統(tǒng)采用艾默生分散控制系統(tǒng)，機(jī)組運(yùn)行方式有：汽輪機(jī)跟隨、鍋爐跟隨、協(xié)調(diào)控制和基本方式。目前，最常用的是協(xié)調(diào)控制方式，它是對機(jī)組運(yùn)行中各主要參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，保持機(jī)組內(nèi)部參數(shù)在額定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在維持機(jī)組內(nèi)部物質(zhì)與能量平衡的前提下，快速響應(yīng)機(jī)組對電網(wǎng)負(fù)荷的要求，是機(jī)組協(xié)調(diào)控制水平的主要標(biāo)志。

2循環(huán)流化床機(jī)組特性試驗(yàn)

CFB機(jī)組具有多參數(shù)、非線性、大遲延、時變性和多變量強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，其機(jī)理還未被充分掌握，常規(guī)的自動控制策略很難達(dá)到理想的控制效果。為了提高古冶電廠3號機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，必須了解機(jī)組的特性。在不同的負(fù)荷段進(jìn)行了給煤量、一次風(fēng)量和汽機(jī)調(diào)門的特性試驗(yàn)，對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，掌握了CFB機(jī)組的特性，為控制策略的制定奠定基礎(chǔ)。

2.1給煤量對機(jī)組的特性試驗(yàn)

CFB鍋爐的燃燒過程是一個很復(fù)雜的過程：燃料通過給煤系統(tǒng)送入流化床上，經(jīng)過加熱、干燥、顆粒膨脹、熱解和揮發(fā)分燃燒，再經(jīng)過旋風(fēng)分離器和返料裝置不斷送回爐膛燃燒，煤粒完全燃盡需要10多min，比普通煤粉爐的煤粉燃燒過程長很多，造成鍋爐燃燒過程滯后時間非常長，再加上燃燒室內(nèi)的床料具有非常大的熱慣性和蓄熱能力，造成了給煤量變化后，需要很長的一段時間才能對主蒸汽壓力產(chǎn)生影響。從給煤量階躍擾動試驗(yàn)中得知，當(dāng)給煤量增加20 t時，主蒸汽壓力需要經(jīng)過大約10 min的純延時才開始上升，達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要至少20 min的時間。試驗(yàn)曲線見圖1所示。

圖1　給煤量階躍擾動試驗(yàn)曲線

2.2一次風(fēng)量對機(jī)組的特性試驗(yàn)

CFB鍋爐是一個多變量緊密耦合的被控對象，給煤量和一次風(fēng)量對主蒸汽壓力存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，兩者的動態(tài)特性有很大的差別，一次風(fēng)量對主蒸汽壓力的影響更快更直接，利用這一特性可以提高機(jī)組的響應(yīng)速度。并且一次風(fēng)對床溫的影響也非常的強(qiáng)，充分利用對一次風(fēng)的調(diào)節(jié)，可以有助于對床溫的控制。在給煤量保持不變的情況下，進(jìn)行一次風(fēng)量階躍試驗(yàn)。從試驗(yàn)曲線可以得知：一次風(fēng)量階躍增大30 t時，主蒸汽壓力在1 min后就開始上升，6 min后達(dá)到最大值，維持3 min后開始下降，這一過程說明完全可以利用一次風(fēng)的特性來克服給煤純滯后的問題。流化床下部密相區(qū)的床溫隨著一次風(fēng)量的增大而降低，而流化床上部稀相區(qū)的溫度則隨著一次風(fēng)量的增大而增高。

2.3汽輪機(jī)調(diào)門開度特性試驗(yàn)

機(jī)組鍋爐主控和汽輪機(jī)主控切手動，維持一次風(fēng)量和給煤量不變，機(jī)組穩(wěn)定后，階躍開大調(diào)門5%的開度，調(diào)門開度增大，調(diào)速級壓力增大，機(jī)組實(shí)際功率上升，由于給煤量沒有變，機(jī)組功率上升后最終會下降到原來的功率。同樣的方法反復(fù)做調(diào)門開度試驗(yàn)，通過試驗(yàn)不斷優(yōu)化調(diào)整熱量信號中的蓄熱系數(shù)和相關(guān)的時間常數(shù)，使其在動態(tài)過程中保持熱量信號不變。試驗(yàn)曲線見圖2所示。

圖2　調(diào)門開度階躍擾動試驗(yàn)曲線

3DEB協(xié)調(diào)控制策略分析及優(yōu)化

3.1DEB協(xié)調(diào)控制策略分析

DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種以鍋爐系統(tǒng)為基礎(chǔ)的爐跟機(jī)(CCBF)式控制系統(tǒng)，該控制方式可對負(fù)荷要求做出快速響應(yīng)，能夠最大程度的提高AGC考核指標(biāo)，它與一般CCBF方式不同的是通過滿足熱量信號和能量信號的平衡，來實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力的解耦控制，即把一個雙輸入雙輸出的多變量系統(tǒng)化解為一個以能量控制為內(nèi)環(huán)，以負(fù)荷控制為外環(huán)的雙回路串級控制系統(tǒng)。

DEB協(xié)調(diào)控制采用汽輪機(jī)調(diào)速級壓力(P1)與汽輪機(jī)主汽門前壓力(Pt)之比乘以機(jī)前壓力設(shè)定值(Ps)作為汽輪機(jī)對鍋爐的能量需求信號，即(P1/Pt)×Ps，用該信號來控制鍋爐的燃料量；采用鍋爐汽包的熱量信號(P1+C*(dPd/dt))作為燃料的反饋信號。對鍋爐熱量信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以使鍋爐熱量信號在調(diào)門開度的擾動下，P1的正微分面積與dPd/dt負(fù)微分面積基本相等，使(P1+dPd/dt)在調(diào)門開度的擾動下基本不變，而僅反映燃料的變化。直接能量平衡系統(tǒng)就是利用P1*Ps/Pt僅反映汽輪機(jī)對鍋爐能量需求的特點(diǎn)和(P1+dPd/dt)僅反映燃料變化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷對燃料的需求，保證汽機(jī)和鍋爐總能保持能量供需平衡，以提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)。

3.2DEB協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種以汽輪機(jī)能量需求信號直接對鍋爐輸入熱量信號進(jìn)行控制的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在任何工況下均能保證汽輪機(jī)能量需求與鍋爐熱量的輸入相平衡。為了克服CFB鍋爐大遲延、強(qiáng)耦合的問題，提出基于直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制策略。

3.2.1鍋爐主控控制回路優(yōu)化

鍋爐主控根據(jù)汽輪機(jī)能量需求信號與鍋爐輸入熱量信號的偏差生成鍋爐主控指令(LDC_B)，鍋爐主控指令通過改變?nèi)剂狭縼韺?shí)現(xiàn)汽輪機(jī)能量需求與鍋爐熱量輸入的平衡，保證了主蒸汽壓力的穩(wěn)定。靜態(tài)過程中，主蒸汽壓力靠PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力的穩(wěn)定；動態(tài)過程中控制品質(zhì)主要依靠各種前饋控制：機(jī)組負(fù)荷指令對鍋爐燃料的靜態(tài)前饋(LSff)、機(jī)組負(fù)荷指令對鍋爐燃料的動態(tài)前饋(LDff)、壓力設(shè)定值對鍋爐燃料的動態(tài)前饋(PDff)、PID變參數(shù)控制等。

各個主要參數(shù)都需要在調(diào)試過程中，經(jīng)過大量的試驗(yàn)來確定。在DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，汽包蓄熱系數(shù)對系統(tǒng)的控制品質(zhì)影響較大。蓄熱系數(shù)設(shè)置過小會低估鍋爐汽包的蓄熱能力，容易產(chǎn)生燃料量的過調(diào)。如果蓄熱系數(shù)設(shè)置較大，超出了鍋爐的實(shí)際蓄熱能力，則主蒸汽壓力會收斂的較慢，影響主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)品質(zhì)。因此，在直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試和整定過程中，必須精確的確定蓄熱系數(shù)。

3.2.2燃料主控控制回路優(yōu)化

燃料量控制系統(tǒng)的任務(wù)將鍋爐主控指令轉(zhuǎn)換為給煤量指令。根據(jù)風(fēng)煤比限制來確定燃料量，鍋爐主控計算出的燃料量與總風(fēng)量折算出的燃料量進(jìn)行比較來確定燃料主控的設(shè)定值，既保證了總風(fēng)量不低于燃料量，又加快了燃料控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了克服循環(huán)流化床鍋爐的大遲延特性，燃料主控調(diào)節(jié)器根據(jù)給煤機(jī)自動投入臺數(shù)(N_feeders)自動進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，加快燃料量對負(fù)荷變化的響應(yīng)；為補(bǔ)償煤質(zhì)發(fā)熱量的變化，用熱值校正系數(shù)(CVC_c)對燃料主控調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)(BC_p、BC_i)進(jìn)行自動調(diào)整：煤質(zhì)較好時，自動降低燃料主控PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，給煤機(jī)指令信號的變化就會相應(yīng)的減小；煤質(zhì)較差時，自動將燃料主控PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，給煤機(jī)指令信號的變化就會相應(yīng)的增強(qiáng)，加快燃燒控制系統(tǒng)的響應(yīng)。

3.2.3一次風(fēng)量控制優(yōu)化

一次風(fēng)風(fēng)量控制的任務(wù)是保證鍋爐的燃燒和流化用風(fēng)。一次風(fēng)量和二次風(fēng)量通過煤量-一次風(fēng)量函數(shù)、煤量-總風(fēng)量函數(shù)形成各自的風(fēng)量指令，總風(fēng)量指令與30%最小風(fēng)量取大后形成最終的總風(fēng)量指令，一次風(fēng)量和二次風(fēng)量按照鍋爐說明4∶5的比例進(jìn)行配比，運(yùn)行人員可以根據(jù)機(jī)組情況自行調(diào)節(jié)。鍋爐燃料指令經(jīng)過折線函數(shù)得到一次風(fēng)量的理論值再乘以氧量修正得到一次風(fēng)量的設(shè)定值。一次風(fēng)量比燃煤量對床溫的影響要快，利用這一特性可以克服循環(huán)流化床鍋爐的燃燒慣性。在一次風(fēng)量指令回路中增加了鍋爐主控對一次風(fēng)量的動態(tài)前饋，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令增加時，一次風(fēng)量超前變化，原來位于床層中被灰包圍的碳顆粒被一次風(fēng)吹出，這些碳顆粒在過渡區(qū)和稀相區(qū)迅速燃燒釋放出熱量，傳熱系數(shù)迅速增加，尾部煙道對流受熱面吸熱量增加，再加上一次風(fēng)的增加使得密相區(qū)內(nèi)的氧氣濃度瞬間升高，燃燒速率快速增加，這些都會使鍋爐蓄熱快速釋放，避免升負(fù)荷初期的主蒸汽壓力下降過多。在變負(fù)荷中后期隨著進(jìn)入爐內(nèi)燃料量能量的釋放，維持著機(jī)爐間最終的能量平衡，確保了整個變負(fù)荷過程中主蒸汽壓力和機(jī)組負(fù)荷的跟隨品質(zhì)。

4應(yīng)用情況及效果

3號機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)引入直接能量平衡控制策略后，經(jīng)過多次擾動試驗(yàn)，對直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的優(yōu)化工作，確定了直接能量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)最終的PID調(diào)節(jié)參數(shù)和相關(guān)的折線函數(shù)。在對直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)參數(shù)整定過程中，發(fā)現(xiàn)鍋爐熱量信號中本文責(zé)任編輯：齊勝濤

蓄熱系數(shù)C對協(xié)調(diào)控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)影響很大，通過試驗(yàn)方法求得的蓄熱系數(shù)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的整定，經(jīng)過在不同負(fù)荷段的調(diào)整，確定了蓄熱系數(shù)C=6.56。3號機(jī)組直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了變負(fù)荷試驗(yàn)：將負(fù)荷變化率設(shè)定為6 MW/min，壓力變化率設(shè)定為0.15 MPa/min，負(fù)荷由200 MW升到250 MW，再由250 MW升到300 MW，負(fù)荷最大動態(tài)偏差±1 MW，最大靜態(tài)偏差±0.5 MW，主蒸汽壓力最大動態(tài)偏差±0.45 MPa，靜態(tài)最大偏差±0.2 MPa。3號機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)過程見圖3。

圖3　直接能量平衡協(xié)調(diào)控制變負(fù)荷試驗(yàn)曲線

5結(jié)束語

直接能量平衡法以及各種控制策略在循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，克服了循環(huán)流化床機(jī)組大遲延，大慣性的問題，提高了循環(huán)流化床機(jī)組在各種工況下主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)品質(zhì)，優(yōu)化了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)時間和升降速率超過了中調(diào)對AGC的考核指標(biāo)，為其他同類型機(jī)組的協(xié)調(diào)控制提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱北恒．火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗(yàn)[M]．北京：中國電力出版社，2003.

[2]史哲烽．汽包式火電機(jī)組直接能量平衡協(xié)調(diào)控制[J]．自動化儀表，2010，31(2):47-50.

[3]郝勇生，沈?yàn)钭恿迹龋?00 MW循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷、床溫和床壓的動態(tài)特性分析[J]．動力工程學(xué)報．2009(38):83-97.

[4]支保峰．直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)特性分析[J]．電力科學(xué)與工程，2007，23(4):16-18.

本文責(zé)任編輯：丁力

CCS Optimization of 300 MW Circulating Fluidized Bed Unit Basde on DEB

He Jianjun1,Ren Sulong2,Wang Xiaojiao3,Qi Ming3

(1.HVIG Renqiu Power Generation Company Limited,Cangzhou 062550,China;2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China;3.Hebei Xingtai Electric Power Co., Ltd.,Xingtai 054102,China)

Abstract：Because of the difficulties in the large CFB power units, such as large amount of heat storage, multi-variable coupling, non-linear and time-lagged, the main automatic control system is difficult to input automatically, thus affecting the normal input of the coordinated control of the unit. Based upon a series of tests for the power unit, the control system is debugged and the parameters are optimized, the solution of directly applying energy balance strategy in coordinated control of the unit is proposed, and the quality of coordinated control system was enhanced. The result of practical application indicates that the scheme provides excellent effects, taking great reference for the coordinated control systems in future.

Key words:CFB; CCS; DEB; optimization of parameters

中圖分類號：TM311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)01-0034-03

作者簡介：賀建軍(1973-),男， 工程師， 主要從事電廠技術(shù)管理的工作。

收稿日期：2015-06-26