直流爐的燃料和給水控制策略研究

郁 強 王兆舜 夏 靜 劉 瀟

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

電網發展，要求發電機組在穩定的前提下負荷響應更快、更靈活[1]，而火電機組蒸汽參數的提高，使水和蒸汽的密度差減小，自然循環鍋爐受到限制，其在臨界壓力附近運行時，有一個壓力不穩定區域[2]，故此超（超超）臨界機組均配置直流爐，同時控制系統的研究與設計也面臨一些新問題[3]。

超（超超）臨界直流鍋爐是一個強耦合、多變量、大時滯的被控對象[4]，其中主蒸汽壓力與中間點溫度是直流爐控制的難點之一。對于這兩個控制對象，一般有兩種控制方式：一種是用給水控制主蒸汽壓力，燃料控制中間點溫度，但給水是比較快的被控對象，而燃料需要經過輸送、碾磨后被吹進爐膛，再經過燃燒放熱才被吸收，是比較慢的被控對象，這種控制方式往往會造成中間點溫度、蒸汽溫度的大幅波動，甚至可能超溫引起爆管，影響機組的安全運行；另一種是用燃料控制主蒸汽壓力，給水控制中間點溫度，這種控制方式有利于機組的穩定運行，本文燃料和給水的解耦控制正是基于這種控制方式。

1 燃料和給水的耦合關系

直流爐燃料和給水之間存在強耦合關系，即燃料量變化、給水量變化均會對主蒸汽壓力和中間點溫度有影響，而主蒸汽壓力、中間點溫度變化又會造成燃料量、給水量變化。直流爐燃料和給水之間的關系框圖如圖1所示。

圖1 直流爐給水和燃料的關系

通過試驗的方式對直流爐燃料和給水的強耦合關系進行了充分驗證，試驗內容和結果如表1所示。

表1 直流爐燃料和給水耦合關系試驗

試驗結果分析如圖2所示（分析均建立在鍋爐效率不變的前提下）。

圖2 直流爐燃料和給水耦合試驗結果分析

詳細分析：給水指令變化時，首先給水泵轉速指令或勺管開度指令變化，給水經過水冷壁，轉態后即可到達過熱器進行吸熱；燃料指令變化時，首先給煤機指令變化，燃料進入磨煤機，經磨煤機碾磨后，被一次風吹進爐膛，再燃燒放熱，最終通過熱傳導/熱輻射的方式被過熱器吸收。燃料量開始變化至燃料放熱被過熱器吸收的時間，顯著大于給水量開始變化至給水到達過熱器的時間，所以當燃料量和給水量同時增大時，中間點溫度會先降低再升高，二者同時減小時，中間點溫度會先升高再降低。

試驗結論如下：

（1）給水對主蒸汽流量有影響，但這種影響是暫時的，給水和主蒸汽流量之間的關系近似為微分；

（2）對于中間點溫度的影響，給水要快于燃料，為保證中間點溫度的穩定，給水指令要慢于燃料指令。

主蒸汽流量變化時，如果機組電功率不變，則主蒸汽壓力會與主蒸汽流量同步變化，上述結論中的主蒸汽流量可以等效變換為主蒸汽壓力。

2 燃料和給水解耦控制

機組負荷快速變化時，如果不考慮燃料和給水之間的強耦合關系，會引起燃料和給水之間的互相干擾，造成主蒸汽壓力和中間點溫度的劇烈波動，嚴重影響機組的運行安全。為此，需要充分考慮并利用這種強耦合關系，以提高機組運行的穩定性。

將解耦控制回路插入到壓力和溫度主控制器及其從屬控制之間。解耦控制回路將動態補償燃料和給水的交叉耦合，可以有效控制燃料和給水的互相干擾，大大提高直流爐的控制響應速度和運行穩定性。新的控制框圖如圖3所示。

圖3 直流爐給水和燃料的解耦控制

將燃料和給水的解耦控制應用于實際機組中，得到的控制框圖如圖4所示，其中函數1（f1（x））為負荷指令對應的基本燃料指令，函數2（f2（x））為燃料指令對應的基本給水指令。圖中粗框為給水與燃料的解耦控制，通過試驗可以得到初始的慣性時間、微分時間，然后在調試中微調。通過這種解耦控制，可以使燃料和給水在鍋爐內部同步產生作用，并能有效消除二者之間的互相擾動，實現主蒸汽壓力和中間點溫度的穩定控制，大大提高燃料和給水的響應速度，提高機組整體的響應速度，提升機組運行的穩定性和運行效率。

圖4 直流爐燃料和給水優化控制框圖

3 給水控制優化后的運行效果

將直流爐燃料和給水解耦優化控制應用于國電某一電廠，并對優化前后進行對比。電廠最初的運行曲線如圖5所示。

圖5 機組最初運行曲線

燃料和給水解耦優化控制前：中間點溫度不穩定，波動較大，上下有40 ℃的偏差，給水流量和燃料量均有較大波動，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制偏差較大（主蒸汽溫度最大有40 ℃偏差，再熱蒸汽溫度最大有35 ℃偏差），機組運行不夠穩定。

直流爐增加燃料和給水解耦優化控制，并經過現場參數整定調試后，機組的實際運行情況得到了極大改善，優化后的運行情況如圖6所示。

圖6 優化后機組運行曲線

經過燃料和給水解耦優化控制后，主蒸汽壓力穩定，偏差在0.2 MPa以內，中間點溫度控制平穩，偏差在8 ℃以內，主蒸汽、再熱蒸汽溫度的穩定性大大提高，主蒸汽溫度偏差在4 ℃以內，再熱蒸汽溫度偏差在6 ℃以內，大大提高了整個機組運行的穩定性。

4 結論

通過直流爐燃料和給水的解耦優化控制，直流爐中間點溫度的穩定性提高，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制穩定，有效減輕了燃料和給水的互相擾動，在提高機組響應速度的同時，大大提高了機組整體運行的穩定性。