火電廠一次風(fēng)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

范勇

（國能重慶萬州電力有限責(zé)任公司 重慶 400000）

隨著對環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，迫切需要對燃煤電廠燃燒進(jìn)行優(yōu)化，以提高燃燒效率，在安全、穩(wěn)定、可靠的前提下，做到節(jié)能減排效率最大化。當(dāng)前形勢下，機(jī)組中、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間增加，偏離額定工況，導(dǎo)致鍋爐效率下降；同時(shí)，機(jī)組經(jīng)常深度調(diào)峰、調(diào)頻，原有的調(diào)節(jié)方式無法適應(yīng)要求；煤種多變，偏離設(shè)計(jì)煤種，對燃燒也存在較大影響［1］。這就要求對機(jī)組進(jìn)行精細(xì)化控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高鍋爐的效率。

1 系統(tǒng)簡介

國能重慶萬州電廠鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的2×1050MW 超超臨界燃煤直流鍋爐，制粉系統(tǒng)為中速磨（ZGM123G）正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配置兩臺成都凱凱凱風(fēng)機(jī)廠的雙級動葉可調(diào)一次風(fēng)機(jī)，額定功率3300kW，額定電流226.5A，DCS 系統(tǒng)為ABB Symphony PLUS系統(tǒng)。

2 工作原理

一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)IEC（Intelligence Expert Control）與DCS 系統(tǒng)通過TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在DCS系統(tǒng)中，構(gòu)建通信判斷及控制邏輯。DCS控制系統(tǒng)連續(xù)接收一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)（IEC）發(fā)送的模擬量心跳信號，進(jìn)行判斷，在保證通信正常的情況下，將IEC修正值疊加到熱一次風(fēng)壓設(shè)定值中，進(jìn)行尋優(yōu)控制。

IEC 控制系統(tǒng)能快速跟蹤AGC 負(fù)荷的變化，并在保證所有運(yùn)行磨煤機(jī)出口風(fēng)量及溫度的情況下，進(jìn)行優(yōu)化控制，逐步降低一次風(fēng)壓，將磨煤機(jī)風(fēng)門開大，最終達(dá)到降低一次風(fēng)母管壓損的目的。智能控制系統(tǒng)IEC 通過監(jiān)測實(shí)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，對熱一次風(fēng)壓優(yōu)化值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而適應(yīng)負(fù)荷及煤種的變化，達(dá)到最大限度降低一次風(fēng)機(jī)的耗電量、保證制粉系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的［2］。

3 IEC智能控制系統(tǒng)

3.1 與DCS的連接方式

IEC 智能控制系統(tǒng)為獨(dú)立于DCS 的外掛系統(tǒng)，采用CAB09 擴(kuò)展柜、PLC 卡件通訊，網(wǎng)口布置為交叉方式，DCS為主站，如圖1所示。

圖1 IEC 智能控制系統(tǒng)與DCS 通信方式

3.2 硬件設(shè)備

IEC 智能控制系統(tǒng)硬件包括電源開關(guān)、智能控制器（IEC）、交換機(jī)、工控機(jī)等設(shè)備，如圖2所示。

圖2 IEC 智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

3.3 邏輯組態(tài)

（1）DCS 側(cè)控制邏輯包含通信點(diǎn)、信號判斷、投切控制、優(yōu)化量加法模塊、限制模塊等邏輯，如圖3所示。

圖3 IEC 運(yùn)算值與DCS 運(yùn)算值疊加為指令輸出

IEC尋優(yōu)控制指令輸出值說明：①IEC尋優(yōu)指令輸出值限制范圍為：-2.5kPa～+0.5kPa；②當(dāng)系統(tǒng)投入后，IEC 尋優(yōu)指令開始計(jì)算，輸出值從0 開始，與原熱一次風(fēng)壓設(shè)定值進(jìn)行求和，作為最終輸出值，控制2臺一次風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)擋板。

（2）IEC 智能控制系統(tǒng)PLC 控制邏輯包含心跳信號、投入判斷、退出判斷、優(yōu)化量加法模塊、限制邏輯等，如圖4所示。PLC控制邏輯說明如下。

圖4 IEC 智能控制系統(tǒng)PLC 控制邏輯

①心跳信號：指設(shè)備通信過程中互聯(lián)的單、雙方每隔一段時(shí)間或持續(xù)向另一方發(fā)送一個(gè)信號，通過對方判斷或回復(fù)情況，確定互聯(lián)的雙方之間的通信鏈路是否已經(jīng)連接或斷開的方法。一次風(fēng)動態(tài)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的心跳信號主要是用來判斷IEC 控制器出現(xiàn)失電、交換機(jī)崩潰或通信線路故障時(shí)的分析方法，保證只有在通信正常的情況下DCS才會疊加熱一次風(fēng)壓的優(yōu)化量，作為最終指令輸出去控制一次風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)擋板開度。

②投入判斷：IEC 系統(tǒng)可以投入的前提條件是心跳信號DCS 判斷正常、機(jī)組無RB 信號、2 臺一次風(fēng)機(jī)均在自動、IEC允許投入及自檢正常信號。

③退出判斷：運(yùn)行人員按鈕點(diǎn)擊退出，或邏輯組態(tài)條件判斷自動退出。

4 一次風(fēng)機(jī)控制技術(shù)分析

傳統(tǒng)的一次風(fēng)機(jī)控制采用一次風(fēng)壓設(shè)定值加手動偏置控制方式，變負(fù)荷或變煤種時(shí)，運(yùn)行人員需要頻繁地手動調(diào)整偏置，這種控制方式難以適應(yīng)煤種變化及中低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。易磨的煤種由于磨煤機(jī)阻力小，需要關(guān)小磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門來滿足一次風(fēng)差壓和磨煤機(jī)風(fēng)量，而風(fēng)門關(guān)小會造成不必要的節(jié)流損失，增加一次風(fēng)機(jī)電耗損失。難磨的煤種導(dǎo)致磨煤機(jī)熱風(fēng)門全開時(shí)還不能夠達(dá)到磨煤機(jī)風(fēng)量設(shè)定值，不僅影響制粉系統(tǒng)正常運(yùn)行，有時(shí)還得降低磨煤機(jī)出力，從而影響機(jī)組帶負(fù)荷，同時(shí)，系統(tǒng)難以滿足機(jī)組的深度調(diào)峰調(diào)頻的需要。目前，國內(nèi)火電廠一次風(fēng)控制主要采用以下3種方式［3］。

（1）DCS中的函數(shù)控制，即由函數(shù)生成一次風(fēng)壓設(shè)定值，再去控制一次風(fēng)機(jī)，該函數(shù)自變量為給煤量或負(fù)荷。該方式為常規(guī)一次風(fēng)控制方式，是大部分電廠現(xiàn)有的控制方式。但該方式無法適應(yīng)系統(tǒng)阻力的變化，造成低負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門存在較大的節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)性較差。

（2）采用一個(gè)手動偏置控制，對函數(shù)生成的一次風(fēng)壓設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，得到一個(gè)新的一次風(fēng)壓設(shè)定值。該控制方式為改進(jìn)的一次風(fēng)控制方式，可部分解決低負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門的節(jié)流損失問題。但該方式需要運(yùn)行人員的能動性配合，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)調(diào)查，使用這種方式控制，運(yùn)行人員調(diào)整手動偏置的量都很小，難以真正起到充分發(fā)揮節(jié)能的作用［4］。

（3）采用一次風(fēng)動態(tài)自尋控制，由控制系統(tǒng)根據(jù)磨煤機(jī)運(yùn)行狀況動態(tài)自尋優(yōu)生成一個(gè)一次風(fēng)壓設(shè)定值疊加到DCS上。該方式為先進(jìn)的一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制方式，可根據(jù)磨煤機(jī)的運(yùn)行情況自動調(diào)整一次風(fēng)壓設(shè)定值，從而最大限度地降低磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)性較好。

5 一次風(fēng)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)調(diào)試

通過優(yōu)化運(yùn)行方式及基準(zhǔn)試驗(yàn)，在不同的給煤率及不同機(jī)組負(fù)荷工況下，通過一次風(fēng)量自尋優(yōu)控制系統(tǒng)，自動尋找最優(yōu)控制，并對一次風(fēng)壓進(jìn)行優(yōu)化，在保證磨煤機(jī)一次風(fēng)量及風(fēng)速的條件下，最大限度地減少一次風(fēng)機(jī)電耗，提高一次風(fēng)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)品質(zhì)［5］。在一次風(fēng)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)投運(yùn)方式下，可直接減少一次風(fēng)系統(tǒng)阻力，降低風(fēng)機(jī)電耗，從而降低廠用電，提高鍋爐效率。

5.1 一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)調(diào)試投入說明

（1）將運(yùn)行中的各磨煤機(jī)風(fēng)量、溫度均投入自動（即各磨煤機(jī)熱一次風(fēng)、冷一次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板投入自動），啟/停磨階段除外。

（2）如果出現(xiàn)一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)觸發(fā)“自動退出”或在“手動退出”且IEC 修正值未到達(dá)0時(shí)，先不要進(jìn)行操作，等待IEC修正值為0后才可再次投入一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)，防止一次風(fēng)壓波動。

（3）投入一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)之后，觀察參數(shù)顯示區(qū)中IEC 修正值是否開始緩慢變化，修正值為負(fù)值的大小取決于負(fù)荷變化速率、磨煤機(jī)風(fēng)量及出口溫度的需求。

（4）投入一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)之后，注意觀察密封風(fēng)機(jī)出口母管壓力、熱一次風(fēng)母管壓力、2臺一次風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)擋板、各磨煤機(jī)風(fēng)量、出口溫度及密封風(fēng)與一次風(fēng)差壓等參數(shù)的變化是否正常。

（5）負(fù)荷變化需要啟/停磨煤機(jī)時(shí)，按照平時(shí)的規(guī)程進(jìn)行即可，不需要退出一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)。但是，在啟/停磨煤機(jī)過程中，應(yīng)注意觀察熱一次風(fēng)母管壓力及IEC修正值等參數(shù)的變化是否正常。

（6）原有手動偏置按鈕仍然可以操作，投入一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)的情況下，手動偏置不要大幅度地變化，正常設(shè)置為0。（7）IEC修正值的自動調(diào)節(jié)范圍是：-2.5kPa～

+0.5kPa。

5.2 一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)退出說明

（1）退出一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)之后，IEC修正值緩慢下降至0（DCS邏輯中IEC修正值變化速率限制為0.002kPa/s）。

（2）退出之后，注意觀察一次風(fēng)機(jī)動葉設(shè)定值變化，減小一次風(fēng)母管壓力變化。

5.3 一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)異常情況注意事項(xiàng)

（1）運(yùn)行中，遇以下任一條件出現(xiàn)時(shí)，DCS 邏輯中RS觸發(fā)器復(fù)位，自動退出一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)。退出后，IEC修正值按照0.002kPa/s的速率變化至0，回到系統(tǒng)投入前一次風(fēng)壓設(shè)定值狀態(tài)。

①所有磨熱風(fēng)調(diào)門都在手動狀態(tài)。

②任意一臺一次風(fēng)機(jī)動葉在手動狀態(tài)。

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③一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)設(shè)備心跳信號DCS 判斷不正常。

④IEC自檢信號不正常。

（2）遇以下異常情況時(shí)，需手動操作退出一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)。退出后，IEC修正值按照0.002kPa/s的速率變化至0，回到系統(tǒng)投入前熱一次風(fēng)壓設(shè)定值狀態(tài)。

①一次風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動，點(diǎn)擊切除按鈕。

②一次風(fēng)機(jī)行參數(shù)異常（如磨煤機(jī)出口溫度偏離設(shè)定值較大、熱一次風(fēng)母管壓力異常波動、密封風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力異常波動、磨煤機(jī)一次風(fēng)與密封風(fēng)差壓偏低等情況）。

③機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動。

④多臺磨煤機(jī)一次風(fēng)量在手動，影響調(diào)節(jié)效果。

5.4 一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制故障排查

（1）DCS邏輯打到在線模式：檢查一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)通信模塊、信號判斷控制邏輯是否正常。

（2）控制系統(tǒng)硬件設(shè)備：檢查進(jìn)線開關(guān)狀態(tài)、電源指示燈、智能控制器（IEC）指示燈、交換機(jī)指示燈是否常亮；檢查保險(xiǎn)端子中的保險(xiǎn)絲是否熔斷。

（3）系統(tǒng)工控機(jī)：在線檢查PLC 程序、IEC 輸入及輸出信號是否正常。

5.5 一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)試驗(yàn)

國能重慶萬州電廠#2 爐在正常運(yùn)行時(shí)投入一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)，監(jiān)測一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)品質(zhì)，在IEC 智能控制系統(tǒng)中觀察一次風(fēng)壓的調(diào)節(jié)量，并根據(jù)實(shí)際情況作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷、燃料量擾動試驗(yàn)［6］。

5.5.1 風(fēng)量擾動試驗(yàn)

（1）在不同負(fù)荷狀態(tài)下，機(jī)組運(yùn)行磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門均在自動狀態(tài)下，減少熱一次風(fēng)壓的手動偏置值，然后偏置值保持不變。

（2）觀察一次風(fēng)自尋優(yōu)投入條件，當(dāng)滿足條件后，由運(yùn)行人員投入自尋優(yōu)系統(tǒng)。

（3）觀察磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓及出口溫度，確保未達(dá)到報(bào)警值，選擇熱風(fēng)門開度最大的磨煤機(jī)，將其入口一次風(fēng)量偏置增加5t擾動風(fēng)量。

（4）觀察一次風(fēng)自尋優(yōu)指令，先變化后調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定，自尋優(yōu)指令未出現(xiàn)突變，恢復(fù)擾動風(fēng)量為0t，風(fēng)量擾動試驗(yàn)完成。

5.5.2 燃料擾動試驗(yàn)

（1）在不同負(fù)荷狀態(tài)下，機(jī)組運(yùn)行磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門均在自動狀態(tài)下，保持所有運(yùn)行磨煤機(jī)風(fēng)量、熱一次風(fēng)壓手動偏置值不變。

（2）觀察一次風(fēng)自尋優(yōu)投入條件，當(dāng)滿足條件后，由運(yùn)行人員投入自尋優(yōu)系統(tǒng)。

（3）觀察磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓及出口溫度確保未達(dá)到報(bào)警值，選擇熱風(fēng)門開度最大且冷、熱風(fēng)門均在自動狀態(tài)的一臺的磨煤機(jī)增加5t擾動燃料量。

（4）觀察一次風(fēng)自尋優(yōu)指令，先變化后調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定，自尋優(yōu)指令未出現(xiàn)突變，恢復(fù)擾動煤量為0t，煤量擾動試驗(yàn)完成。

6 一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)系統(tǒng)效益分析

6.1 一次風(fēng)機(jī)風(fēng)壓及電流下降空間

投入一次風(fēng)動態(tài)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷及給煤率，通過系統(tǒng)自尋優(yōu)控制，在保證風(fēng)量及風(fēng)速的條件下，一次風(fēng)壓下降約0.5～1.2kPa；通過自尋優(yōu)控制方式，一次風(fēng)機(jī)總電流下降16A 左右，按照全年70%～75%的負(fù)荷率，全年一次風(fēng)機(jī)總電流平均下降12～16A［7］。

6.2 一次風(fēng)機(jī)自尋優(yōu)系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

按2021年生產(chǎn)情況，全年平均一次風(fēng)機(jī)電流約為194A，一次風(fēng)機(jī)節(jié)電率為：節(jié)約電流/投入前總電流×100%=16/194×100=8.2%。在此工況下，按照一次風(fēng)機(jī)額定電壓10.2kV計(jì)算，節(jié)約一次風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為：

P=1.732×U×I×cosφ=1.732×10.2×16×0.86=243.1kW

應(yīng)用IEC智能控制系統(tǒng)后，按照單機(jī)年運(yùn)行5000h計(jì)算，一次風(fēng)機(jī)直接經(jīng)濟(jì)效益約為45萬元。

7 結(jié)語

通過改造及應(yīng)用后，一次風(fēng)壓可以更加精準(zhǔn)控制，能更好地控制風(fēng)煤比、快速響應(yīng)AGC及減少運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度，一次風(fēng)壓的降低可以降低一次風(fēng)機(jī)的耗電量。同時(shí)，由于煙氣量的下降，也能夠有效控制CO、飛灰可燃物，一定程度地減少NOx，達(dá)到節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目的。