多爐多機(jī)母管制供熱電廠蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)

李 蕾 包成強(qiáng)

（1中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司 西安 710054；2上海福克斯波羅有限公司 上海 200333）

多爐多機(jī)母管制供熱電廠蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)

李 蕾1包成強(qiáng)2

（1中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司 西安 710054；2上海福克斯波羅有限公司 上海 200333）

蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)蒸汽母管壓力和其定值的偏差改變鍋爐的負(fù)荷指令，調(diào)節(jié)鍋爐的負(fù)荷（蒸汽流量），使蒸汽母管壓力保持在其額定值上。

母管制；協(xié)調(diào)；壓力

一 引言

主蒸汽母管作為并列運(yùn)行母管制鍋爐的核心裝置之一，母管壓力的控制效果不但直接影響供熱中心的供熱質(zhì)量，同時(shí)也影響鍋爐運(yùn)行狀況和煤粉利用率，對(duì)供熱中心的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。

二 常規(guī)典型的火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)分析

1.1 內(nèi)外擾動(dòng)

鍋爐運(yùn)行時(shí)蒸汽壓力是否穩(wěn)定，取決于鍋爐蒸發(fā)量和外界負(fù)荷兩個(gè)方面。只有鍋爐蒸發(fā)量等于外界負(fù)荷所需要的蒸發(fā)量時(shí)，汽壓才能維持穩(wěn)定。影響汽壓變化的因素有以下兩點(diǎn)：一是鍋爐外部的因素，稱為“外擾”；二是鍋爐內(nèi)部的因素，稱為“內(nèi)擾”。

1.1.1 外擾

外擾主要是指外界負(fù)荷的正常增減及事故情況下大幅度減負(fù)荷。當(dāng)外界負(fù)荷突然增加，而鍋爐的燃料量未來(lái)得及增加時(shí)，汽壓將下降；當(dāng)外界負(fù)荷突然減少時(shí)，汽壓則上升。

在母管制系統(tǒng)中，當(dāng)外界負(fù)荷變化時(shí)，并列運(yùn)行的各鍋爐汽壓將受到一定的影響，其后果與外界負(fù)荷變化的劇烈程度、各爐特性和各爐所處位置有關(guān)；當(dāng)外界負(fù)荷不變時(shí)，并列運(yùn)行鍋爐之間的參數(shù)變化也將互相影響。例如：某一臺(tái)爐由于汽壓下降，而影響其它爐汽壓也下降，此亦屬外擾因素。

1.1.2 內(nèi)擾

內(nèi)擾是指鍋爐機(jī)組自身因素引起的汽壓變化。主要包括爐內(nèi)燃燒工況的變化（如燃燒不穩(wěn)定等）和鍋爐工作情況（如熱交換）的不正常。燃燒不穩(wěn)定的原因很多，如煤質(zhì)、入爐煤量、風(fēng)煤比、風(fēng)量風(fēng)速變化、爐內(nèi)結(jié)焦、爐內(nèi)漏風(fēng)、給煤系統(tǒng)故障、燃?xì)鈮毫Α⑷細(xì)馄焚|(zhì)變化等，這些都會(huì)降低傳熱效果，影響蒸發(fā)量。

1.1.3 內(nèi)擾和外擾的判斷

不論是內(nèi)擾還是外擾，汽壓的變化總與蒸汽流量的變化密切相關(guān)。因此，在鍋爐運(yùn)行中，可根據(jù)汽壓和蒸汽流量的變化，來(lái)判斷引起汽壓變化的原因?qū)儆趦?nèi)擾還是外擾：

1) 汽壓與蒸汽流量變化的方向若相反，則屬外擾。

2) 汽壓與蒸汽流量變化的方向若相同，大多數(shù)是內(nèi)擾所致。

3) 對(duì)單元機(jī)組運(yùn)行而言，燃料量減少，蒸汽量下降，而爐的蒸汽流量反而增加。此過(guò)程，初期受內(nèi)擾，后期則兼受外擾。

1.2 常規(guī)燃煤鍋爐母管壓力調(diào)節(jié)

常規(guī)的燃煤鍋爐母管壓力/給粉（煤）調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案多以母管壓力為校正調(diào)節(jié)器，與各調(diào)壓爐的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)器構(gòu)成了串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。母管壓力校正調(diào)節(jié)器根據(jù)母管壓力的偏差值，將熱負(fù)荷要求分配給各調(diào)壓爐。母管壓力校正調(diào)節(jié)器及熱負(fù)荷調(diào)節(jié)器均采用常規(guī)PID控制。事實(shí)證明，該方案很難取得良好控制效果，具體原因如下：

1）母管壓力信號(hào)時(shí)滯大。并列運(yùn)行的鍋爐壓力藕合現(xiàn)象嚴(yán)重，不能快速跟蹤負(fù)荷的變化。并列運(yùn)行的鍋爐越多，則時(shí)滯越大。

2）熱量信號(hào)難以準(zhǔn)確整定。由于每臺(tái)鍋爐爐膛的煤粉進(jìn)量缺乏很好的計(jì)量手段，通常以熱量信號(hào)作為煤粉量的間接反應(yīng)。但蓄熱系數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中難以整定，導(dǎo)致在調(diào)試中控制系統(tǒng)不能正確區(qū)別內(nèi)外擾動(dòng)。

1.3 優(yōu)化的母管壓力負(fù)荷分配控制

主蒸汽母管壓力的調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)是對(duì)進(jìn)入蒸汽母管流量或各鍋爐蒸發(fā)量的調(diào)節(jié)。汽壓過(guò)高、過(guò)低或者急劇變化，對(duì)鍋爐機(jī)組以及整個(gè)發(fā)電廠運(yùn)行都是很不利的。對(duì)并列運(yùn)行機(jī)組，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特性確定一臺(tái)或幾臺(tái)爐作為調(diào)壓爐，以應(yīng)付外界負(fù)荷的變化。而其它爐作為定負(fù)荷爐，進(jìn)行固定熱負(fù)荷燃燒的風(fēng)煤自動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)擾動(dòng)的穩(wěn)定控制。

母管壓力控制的負(fù)荷指令必須經(jīng)過(guò)溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算，以消除由外擾產(chǎn)生的假負(fù)荷量對(duì)母管壓力控制的逆轉(zhuǎn)反應(yīng)。

針對(duì)母管制鍋爐的強(qiáng)耦合特點(diǎn)，提出壓力協(xié)調(diào)控制方案，即對(duì)相鄰調(diào)壓爐的壓力負(fù)荷偏差閥值進(jìn)行自動(dòng)平衡分配或手動(dòng)修正，以抑制因調(diào)壓爐間壓力及流量偏差而產(chǎn)生的互相干擾。

1.3.1 優(yōu)化的燃燒前饋及非線性復(fù)合控制

前饋及非線性復(fù)合控制調(diào)節(jié)方案為使給粉機(jī)（給煤機(jī)）轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤負(fù)荷的變化，在控制回路中引入了主汽流量前饋控制。為了避免給粉機(jī)轉(zhuǎn)速的大幅度波動(dòng)，引入了汽包壓力前饋控制；而為了保證給粉控制回路在穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)情況下均能達(dá)到良好的控制指標(biāo)，控制過(guò)程要注意區(qū)分燃燒系統(tǒng)所處的狀態(tài)——穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)，對(duì)內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)過(guò)程分別選用不同的控制器。

1.3.1.1 總體控制及前饋

控制器1：外環(huán)調(diào)節(jié)器，控制母管壓力，其輸出sp_dq為所有調(diào)壓鍋爐的總負(fù)荷給定。該值乘以各調(diào)壓爐的負(fù)荷分配系數(shù)α即為該爐的負(fù)荷給定。負(fù)荷分配系數(shù)滿足如下條件：

對(duì)于該項(xiàng)目，α0代表#3鍋爐負(fù)荷分配系數(shù)，α1代表#4鍋爐負(fù)荷分配系數(shù)。

控制器2：內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，控制鍋爐負(fù)荷，其輸出u2為給粉機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.3.1.2 非線性給粉控制器的設(shè)計(jì)

為達(dá)到穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)均佳，控制過(guò)程中時(shí)刻判斷燃燒系統(tǒng)所處的狀態(tài)——穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)。內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)分別選用不同的控制參數(shù)（見(jiàn)圖 2）。當(dāng)母管壓力／主汽壓力偏差大時(shí)，系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)過(guò)程，采用快速PI控制器；反之，采用阻尼較大的PI控制器。

圖2 具有多種控制手段及給粉機(jī)（給煤機(jī)）快速投切技術(shù)的給粉回路控制程序框圖

控制器的選取基于以下規(guī)則：

若汽機(jī)快速拋負(fù)荷（K=1，否則 K=0），則采用具有給粉機(jī)（給煤機(jī)）自動(dòng)投切功能的控制器（Controller1），K值根據(jù)母管壓力/主汽壓力偏差及變化率現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)試情況確定。

若母管壓力 / 主汽壓力偏差e小于預(yù)先設(shè)定的門檻值eε(∞)，則采用具有較大阻尼和汽包壓力前饋的 PI控制器（Controller2）。e< eε(∞)說(shuō)明系統(tǒng)狀態(tài)接近穩(wěn)態(tài)，此時(shí)主要關(guān)心調(diào)節(jié)精度問(wèn)題，故采用較大阻尼的PI控制器；引入汽包壓力前饋是為了降低接近穩(wěn)態(tài)時(shí)給粉機(jī)（給煤機(jī)）轉(zhuǎn)速的大范圍波動(dòng)；

若母管壓力 / 主汽壓力偏差e大于預(yù)先設(shè)定的門檻值eε(∞)，且ddq（為采樣兩時(shí)刻之間的負(fù)荷增量）與 ddp（為采樣兩時(shí)刻之間的主汽壓力增量）同號(hào)，則采用具有主汽流量前饋的快速PI控制（Controller3）。e> eε(∞)說(shuō)明系統(tǒng)處于暫態(tài)過(guò)程中，故采用快速PI控制；ddq與ddp同號(hào)說(shuō)明系統(tǒng)受到的干擾為外擾動(dòng)（如負(fù)荷變化），為了抵消外擾動(dòng)的影響引入了主汽流量前饋控制；

若母管壓力 / 主汽壓力偏差e大于預(yù)先設(shè)定的門檻值eε(∞)，且ddq與ddp異號(hào)，則采用無(wú)前饋的快速PI控制（Controller4）。e> eε(∞)說(shuō)明系統(tǒng)處于暫態(tài)過(guò)程中，故采用快速PI控制；ddq與ddp異號(hào)說(shuō)明系統(tǒng)受到的干擾為內(nèi)擾動(dòng)（如煤質(zhì)變化），內(nèi)擾動(dòng)情況下不需加入前饋控制。

當(dāng)汽機(jī)快速甩負(fù)荷、外網(wǎng)負(fù)荷突然下降時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化的大小、主汽壓力上升的速度，急停 1—2臺(tái)給粉機(jī)，使燃料量迅速下降，同時(shí)又穩(wěn)定了其它給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速，不致因所有給粉機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降而造成滅火。給粉機(jī)的投切邏輯在控制程序中自動(dòng)完成。給粉機(jī)自動(dòng)投切技術(shù)的使用，能夠使鍋爐負(fù)荷在較大范圍內(nèi)快速波動(dòng)時(shí)，燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)具備快速穩(wěn)定主蒸汽壓力的能力。