動葉可調式軸流風機并列運行平衡出力策略研究

李達

摘要：本文通過在鍋爐負壓自動控制系統中嵌入風機出力平衡模塊，解決風機運行過程因動葉線性偏差大引起的搶風現象。該模型不依賴設備的實際線性曲線，具有調整簡單、實時修正并列風機出力的功能，對鍋爐壓力控制回路優化與運行具有重要意義。

關鍵詞：自動化控制;鍋爐壓力控制;并列運行;線性;軸流風機;電流偏差

現代人民生產生活離不開電能，在我國暫時還沒有哪一種穩定、可靠、易控的能源來替代火電重要地位。火電鍋爐在運行中就要考慮到負壓控制。爐膛負壓過大或過小將引起鍋爐爆炸，所以鍋爐負壓自動控制系統的正常運行對電力系統穩定具有重要意義。

目前針對電站鍋爐爐膛負壓自動控制系統一般都是常規PID單回路調節系統，它的優點就是結構簡單，但是缺點比較多例如：模型依賴性比較高，模型不易確定，無法克服設備線性問題，干擾因素較多，負荷適應性不強等。后來隨著模糊自適應PID算法的出現，減少了引風機在調整爐膛負壓時的超調量，明顯提高了調節器的調節靈敏度。近些年隨著人工智能的發展，國內也出現基于人工神經網絡的無模型自適應控制控制算法的研究及成果。

一、某大型鍋爐負壓自動控制介紹

某大型鍋爐控制系統采用的是上海新華控制技術（集團）有限責任公司的集散控制系統OnXDC2.1軟件系統是目前比較成熟的協調控制系統。

在CCS協調控制投入前需要投入爐膛負壓自動控制。爐膛負壓自動控制由中兩臺并列式動葉可調軸流風機投入自動調整，其結構是一個雙執行機構單回路調節系統，主要調節量為爐膛壓力，經過一個LAG模塊處理爐膛壓力信號，再和設定值進行一個偏差計算輸出到爐膛壓力控制回路PI模塊進行計算產生一個動葉指令，同時包含一、二次風機出力，鍋爐主燃料量的前饋與爐膛壓力控制回路PI模塊產生的動葉指令進行求和得到引風機動葉綜合指令。偏置模塊輸出偏置量與引風機動葉綜合指令結合分配到各引風機控制器，最終通過控制引風機動葉控制爐膛負壓。如圖1

二、某大型鍋爐爐膛壓力控制回路存在的問題

2018年01月17日某廠循環流化床鍋爐兩臺引風機自動運行，尾部煙道積灰較多，乙炔吹灰時尾部煙道瞬時受阻，爐膛出現正壓導致引風機出力自動突增，由于引風機運行線性不一致，在動葉全開過程中，兩臺風機一臺過負荷，一臺負荷突降至空載，總引風量瞬間降低，爐膛壓力突增導致鍋爐跳閘保護條件觸發，鍋爐停爐。

三、并列運行風機出現搶風現象的原因

造成并列運行風機失速搶風原理上就是工作點進入了實際失速曲線內，主要原因有以下幾點：

（一）檢修時在調整動葉安裝角度初始位置、最終位置調試不夠精確。

（二）電動執行機構通過連桿、梅花墊與控制軸相連，在運行過程中因長期振動、摩擦可能會出現空檔;反饋機構、油缸和動葉傳動機構安裝、運行中也出現空檔，這些都會影響到風機運行的線性。[1]

（三）風機安裝時存在差異。各級葉片實際形狀、安裝角度不一致，運行中部分葉片漂移先發生失速現象。[2]

（四）運行中引風機葉片因所處工作環境惡劣，部分葉片磨損或者損壞等都會對風機自身運行曲線造成影響。

（五）兩臺風機進出口管道特性偏差，造成易失速風機管道阻力系數較大，比如進出口門有節流，尾部煙道擋板開度不一致，煙道堵灰情況等

四、爐膛壓力自動控制回路策略修正

為防止搶風現象發生，通過對現有上海新華控制技術（集團）有限責任公司的集散控制系統的XCU組態軟件中的MCS系統進行優化升級，在鍋爐負壓控制回路嵌入引風機出力平衡模塊。

該引入風機出力平衡模塊設計的主要控制策略是：將引入兩臺引風機電流求偏差，通過對偏差電流進行PI計算輸出引風機動葉一個微調值，將此值與原引風機偏置求和生成一個新偏置指令調節兩臺引風機出力差，從根本上解決并列運行引風機因線性不一致出現搶風現象。需要考慮解決的問題有以下幾點：

（一）引風機電流量作為熱工模擬量輸入的可行性

雖然經過交直流轉變后DCS采集的引風機電機4-20mA電流有效值直流信號與熱工信號并沒有本質區別但新增模塊采用電流量作為熱工模擬量輸入仍是一個挑戰，因為電流量來自電流互感器，不易核對準確性且易出現階躍性波動最終導致可靠性差，不能作為模擬量輸入信號。但本文中引入的兩個電流量是用于求偏差的，基于相似原理，對兩臺型號一致的電動機、原動機、電流互感器來說，相同出力的引風機電流不會偏差太大。

（二）動葉可調軸流風機并列運行自動平衡回路模塊設計

該平衡模塊加在原偏置控制器之后，它與原偏置控制器串聯在一起，均單獨設有相互切換和跟蹤功能。它們的運行都建立在兩臺風機動葉全部投入自動上的基礎之上，任意一臺引風機未自動控制該平衡模塊和偏置控制器均不輸出偏置參與兩臺風機出力調整。

首先仍然要考慮引風機電流可能的不穩定性，防止制動控制誤動作，可以增加引風機電流測點為兩個，加入電流測點品質判斷，消除壞點影響，對電流進行滯后處理和平滑濾波，保證模電流擬量輸入平穩度，在引入偏差計算前對數值進行限幅處理，設置輸入有效值為電機空載電流到額定出力10%，防止因電流模擬量信號故障出現超調。

然后引入兩臺風機電流做偏差，通過限制電流差，將電流差輸入PI模塊經過計算生成一個實時微調偏置，此偏置與原來手動偏置控制器輸出求和后分配到兩個引風機控制器，通過實時微調兩臺并列運行風機動葉偏差來保證兩臺風機出力一致，避免搶風現象發生。

為防止風機偏置出力頻繁調整，可在PI模塊設置電流調整死區，將兩臺風機電流差限制在一個比較寬的經驗值范圍，根據實際試驗得到只要不出現搶風現象然后留有余量即可，如（-10，+10）A。

考慮到事故情況下，任一臺風機電流低于某一閥值（停機電流或電機空載電流），將閉鎖偏差輸出，風機自動跳手動，防止事故情況下風機自動誤調整。

對平衡回路PI輸出偏置與原偏置指令控制器求和得到的最終偏置指令輸出再次設置高低限，不僅約束故障電流對風機出力平衡的破壞還能避免操作者誤輸指令和調試者更改參數異常對并列風機平衡運行的影響。

并列運行風機初狀態動葉線性不一致運行危害性要遠小于終態不一致，因為終態系統阻力更大，動葉迎角更大，工作點更靠近失速線，更易出現失速的現象。為應對動葉終端不一致現象，保證兩臺風機的調整效果，在電流不超情況下限制兩臺風機最大動葉調整指令不超105%某一時間，即電流不超情況時允許該引風機將動葉指令超過5%，即設定值允許（0%～105%），并且超正常值（0-100%）時給予聲光報警提示。

以下是設計后的邏輯原理圖：如圖2

（三）自動平衡回路模塊調節特性的驗證

將自動平衡回路模塊嵌入本廠仿真機新華DCS組態控制軟件中，利用仿真軟件檢測平衡回路工作情況。由于仿真軟件無法模擬并列風機失速現象，故將兩臺引風機手動調節至偏差電流超過死區但不超出最終指令上下限的時候，再投入兩臺引風機自動，檢查驗證兩臺風機最終動葉動作和電流偏差情況符合預期。將兩臺風機電流偏差調至死區以下，投入自動檢查動葉偏差無變化，在設定爐膛負壓觀察動葉偏差和電流偏差情況最終驗證整個控制回路動作符合預期。

結論

本文分析了軸流風機失速的原因，提出在控制回路中加入風機出力平衡模塊，利用電流偏差比對并列運行風機進行時時微調，從而保證在全行程范圍內兩臺風機不發生較大出力偏差，有效的避免了因線性偏差造成的風機搶風現象，對爐膛壓力平穩定予以較好的保證。但是在具體參數設置上還要根據實際情況確定。

參考文獻：

[1]王新生 動葉可調軸流風機調整異常原因分析及措施 江西電力，2004，（5）：27-29

[2]李海送 動葉可調軸流風機動葉漂移原因分析及預防措施 中國信息科技，2012，（9）：117-118