周松國， 屈章龍， 韓 磊， 郭嚴(yán)昊

火電機組制粉系統(tǒng)抗干擾性能的研究

周松國， 屈章龍， 韓 磊， 郭嚴(yán)昊

（華電電力科學(xué)研究院 西安分院，陜西 西安 710054）

AGC深度調(diào)峰過程中，火電機組制粉系統(tǒng)產(chǎn)生的磨煤機啟動、停運或跳閘等擾動工況，直接導(dǎo)致主汽壓、主汽溫等主參數(shù)的劇烈變化，嚴(yán)重影響了AGC的調(diào)節(jié)品質(zhì)。為解決此問題，提出了燃料量超馳控制和一次風(fēng)壓自動修正的雙重抗干擾型的控制策略。并應(yīng)用在某350MW超臨界機組的AGC深度調(diào)峰制粉系統(tǒng)控制中，運行結(jié)果表明此控制策略既能穩(wěn)定擾動工況下燃料量，又能保持磨煤機平均出力與一次風(fēng)壓的動態(tài)匹配關(guān)系，同時可有效地克服制粉系統(tǒng)的擾動，保障機組主參數(shù)的穩(wěn)定性能和AGC的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

AGC； 擾動； 超馳； 修正； 抗干擾； 匹配； 性能

0 引言

目前，大型火電機組為了滿足電網(wǎng)AGC深度調(diào)峰的需要，電負(fù)荷在50%Pe-100%Pe范圍內(nèi)周期性地變動，制粉系統(tǒng)反復(fù)出現(xiàn)磨煤機啟動、停運或者跳閘等擾動工況。期間一次風(fēng)系統(tǒng)阻力和爐膛有效燃料量發(fā)生劇烈變化，主汽壓力、主汽溫度（過熱度）等主要參數(shù)大幅波動的現(xiàn)象普遍存在，進而影響機組安全和AGC的調(diào)節(jié)品質(zhì)。因常規(guī)的控制策略難以滿足擾動工況的控制性能，為保證機組AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)，須制定制粉系統(tǒng)的更有效的控制策略（包括燃料控制系統(tǒng)和一次風(fēng)壓控制系統(tǒng)）。

1 制粉系統(tǒng)常規(guī)控制策略

1.1 制粉系統(tǒng)控制策略簡介

直吹式火電機組制粉系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，包括兩臺一次風(fēng)機（1、2）、多臺給煤機(14、16)和磨煤機（15、17）及相應(yīng)的測量元件和控制設(shè)備。

圖1中的壓力變送器（8、9、10）實時監(jiān)測一次風(fēng)母管壓力，三路測量值經(jīng)過MCS“三取中”運算后，形成一次風(fēng)壓自動控制系統(tǒng)（以下簡稱風(fēng)壓控制系統(tǒng)）被調(diào)量；風(fēng)壓控制系統(tǒng)執(zhí)行單元為一次風(fēng)機A/B入口擋板（4、5）。

每臺給煤機就控制柜輸出給煤量信號（18、19）至MCS，求和后得到機組總?cè)剂狭浚淦骄导礊槟ッ簷C平均出力；磨煤機的電流信號（22、25）、磨煤機電機合閘信號（21、24）及磨煤機入口熱風(fēng)調(diào)節(jié)閥（6、7）的開度信號分別送至DAS及SCS，作為綜合判斷磨煤機運行狀況的條件。

常規(guī)的制粉系統(tǒng)控制策略由兩部分組成[1]，其一是燃料控制系統(tǒng)，是根據(jù)機組能量需求自動調(diào)整總?cè)剂狭?；其二是風(fēng)壓控制系統(tǒng)，是保持與機組總?cè)剂狭科ヅ涞囊淮物L(fēng)母管壓力。下面結(jié)合AGC工況制粉系統(tǒng)的特點分析常規(guī)的控制策略存在的問題。

1.2 AGC下制粉系統(tǒng)的特征

為了滿足電網(wǎng)二次調(diào)頻的需要，AGC指令必然頻繁出現(xiàn)大幅度的變化[1]，火電機組的制粉系統(tǒng)也將出現(xiàn)啟磨、停磨或者磨跳閘工況，制粉系統(tǒng)常規(guī)的控制策略將表現(xiàn)出以下自然特征。

1.2.1 啟磨工況

啟磨過程中，制粉系統(tǒng)通道打開時將出現(xiàn)下述三種情況[2]：

（1）新啟動的磨煤機磨碗中儲存的煤粉被

迅速吹入爐膛，燃料測量系統(tǒng)無法監(jiān)測和控制該部分燃料，爐膛的有效燃料量大幅增加。

（2）新啟動的磨煤機建立新的一次風(fēng)通道引起一次風(fēng)壓迅速下降，風(fēng)壓控制系統(tǒng)將自動增大風(fēng)機的出力，進入爐膛的一次風(fēng)總流量大幅增加。

（3）在爐膛有效燃料量和一次風(fēng)總流量同

步增加雙重作用下，鍋爐燃燒率加劇，主汽壓力及主汽溫度（過熱度）等主要參數(shù)快速上升。

1.2.2 停磨工況

停磨過程中，當(dāng)粉通道切斷時將出現(xiàn)下述四種情況：

（1）停運的磨煤機燃料量由最小值突降到0，燃料控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能具有延時特性不能及時填補燃料缺口，爐膛有效燃料量快速下降。

圖1 制粉系統(tǒng)工藝流程圖

（2）運行磨煤機的平均出力增大，磨煤機入口一次風(fēng)量的需求量增大。

（3）一次風(fēng)壓急劇上升，風(fēng)壓控制系統(tǒng)自動減小一次風(fēng)機的出力，進入爐膛的一次風(fēng)總流量大幅降低，同時磨煤機入口一次風(fēng)量供給不足容易造成系統(tǒng)堵塞。

（4）在爐膛有效燃料量和一次風(fēng)總流量同步減小雙重作用下，鍋爐燃燒率驟降，主汽壓力及主汽溫度（過熱度）等主要參數(shù)快速下跌。

綜上所述，擾動工況下常規(guī)的控制策略暴露出兩方面的缺陷：其一，不能自動維持爐膛燃料量和一次風(fēng)總流量的穩(wěn)定；其二，一次風(fēng)壓指令不合理，不能保持磨煤機平均出力與一次風(fēng)壓的動態(tài)匹配關(guān)系，在高負(fù)荷形成能源浪費，而在低負(fù)荷容易造成制粉系統(tǒng)堵塞。

1.3 AGC下制粉系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

在制粉系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動情況下（下面簡稱擾動工況），為了保持機組主要參數(shù)的穩(wěn)定，必須在兩個方面進行嚴(yán)格控制：其一是保持機組總的燃料量穩(wěn)定，其二是要保證進入爐膛燃燒率的穩(wěn)定。針對上述問題，提出了一種抗干擾型的制粉系統(tǒng)控制策略，其核心是燃料超馳控制和一次風(fēng)壓自動修正功能[3]。

當(dāng)邏輯監(jiān)測到制粉系統(tǒng)發(fā)生擾動信號時，通過功能模塊自動判斷“啟磨”或“停磨”工況，立即觸發(fā)運算模塊發(fā)出燃料調(diào)整指令，實現(xiàn)快速預(yù)給煤且緩慢恢復(fù)的調(diào)整功能，并引入燃料總量和主汽壓力變化率兩個校正因子，精確地控制燃料調(diào)整量，維持爐膛燃料總量的穩(wěn)定[4]。

同時，在“啟磨”和“停磨”工況下邏輯自動發(fā)出風(fēng)壓調(diào)整指令，校正總?cè)剂现噶顚?yīng)的一次風(fēng)壓特性曲線，保持磨煤機平均出力與一次風(fēng)母管壓力的動態(tài)匹配關(guān)系，維持進入爐膛的總一次風(fēng)量的穩(wěn)定，進而穩(wěn)定爐膛的燃燒率，并且能夠避免制粉控制系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞和高阻力運行工況。

2 制粉系統(tǒng)抗干擾型控制策略

控制策略框圖如圖2所示，包括：兩臺一次風(fēng)機、多臺給煤機、多臺磨煤機、燃料調(diào)整單元和風(fēng)壓調(diào)整單元，包含燃料量超馳控制和一次風(fēng)壓自動修正控制兩部分。

控制策略DCS邏輯內(nèi)容如圖3所示，由開關(guān)量計算器、加法器、一階慣性環(huán)節(jié)、常數(shù)、模擬量切換器、函數(shù)發(fā)生器、乘法器、高值選擇器、低值選擇器、模擬量選擇器、速率計算器、偏置手操器、PID調(diào)節(jié)器及手/自動切換控制站等功能塊組成。下面結(jié)合圖2、圖3對控制策略的具體功能進行分析。

2.1 燃料量超馳控制

燃料量超馳控制由計數(shù)模塊（70）、判斷模塊（71）、運算模塊（72）、燃料測量模塊（74）、主汽壓力變化率（73）、燃料校正模塊（75）及燃料輸出模塊（76）組成，用于調(diào)整擾動工況下進入爐膛（26）的燃料量。

2.1.1 計數(shù)模塊

計數(shù)模塊（70）用于儲存磨煤機運行數(shù)量，由磨煤機入口熱風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度、磨煤機電氣開關(guān)信號及磨煤機電流信號、開關(guān)量計數(shù)器和加法器組成。

以A磨煤機為例，當(dāng)A磨煤機入口熱風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度、A磨煤機電流值、A磨煤機電氣開關(guān)三者狀態(tài)與A磨煤機實際運行情況完全吻合時，即判定“A磨煤機運行信號”有效。所有磨煤機運行信號經(jīng)過開關(guān)量計數(shù)器（31、32）實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，并經(jīng)加法器（33）求和，計算出磨煤機運行數(shù)量。計算結(jié)果連接到燃料調(diào)整單元和風(fēng)壓調(diào)整單元。

2.1.2 判斷模塊

判斷模塊（71）用于根據(jù)計數(shù)模塊（70）的輸出結(jié)果，監(jiān)測磨煤機運行狀態(tài)，并判斷“啟磨”或“停磨”工況。

計數(shù)模塊（70）的輸出信號經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)（34）和減法器（35）運算，構(gòu)成特殊的微分環(huán)節(jié)。當(dāng)微分量（35）輸出負(fù)值，經(jīng)過低值選擇器（37）邏輯運算得出“停磨”信號；當(dāng)微分量（35）輸出正值，經(jīng)過高值選擇器（38）邏輯運算得出“啟磨”信號。常數(shù)塊36設(shè)為0。

2.1.3 運算模塊

運算模塊（72）用于根據(jù)判斷模塊（71）的輸出，分別計算出“啟磨”和“停磨”工況的燃料超馳量。

對模擬量切換器（41）和模擬量切換器（43）設(shè)置不同的切換速率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速預(yù)給煤并緩慢恢復(fù)的功能?！皢⒛ァ惫r下總?cè)剂险{(diào)整量為-8t/h，速率為1t/h.s-1；“停磨”工況下總?cè)剂险{(diào)整量為10t/h，速率為1.5t/h.s-1。兩種工況下燃料調(diào)整量均維持一定時間直到“啟磨”或者“停磨”信號消失，之后按照0.01t/h.s-1的速率恢復(fù)至零。常數(shù)塊39/40/42分別設(shè)為0/-8/10。

2.1.4 燃料測量模塊

燃料測量模塊（74）用于多臺給煤機煤量測量并計算燃料總量，運算結(jié)果連接到函數(shù)發(fā)生器（44）的輸入端,作為燃料校正模塊（75）的校正因子之一。

2.1.5 燃料校正模塊

燃料校正模塊（75）用于精確控制進入爐膛的燃料量。

由函數(shù)發(fā)生器（44）輸出燃料修正曲線，實現(xiàn)鍋爐熱負(fù)荷自動校正燃料調(diào)整量的功能，保證擾動工況下燃料超馳量的合理性；主汽壓力變化率經(jīng)過計算塊（45）和函數(shù)發(fā)生器（46）運算后輸出主汽壓力校正系數(shù)，用于校準(zhǔn)“啟磨”和“停磨”工況下燃料調(diào)整量與實際需求量的偏差，精確控制機組能量平衡。

經(jīng)過燃料量和主汽壓力二次校正后，乘法器（48）輸出最終的燃料校正系數(shù)。

2.1.6 燃料輸出模塊

燃料輸出模塊（76），用于接收燃料校正模塊（75）的信號，疊加機組負(fù)荷對應(yīng)的燃料指令，完成多臺給煤機指令分配任務(wù)。

2.2 一次風(fēng)壓自動修正控制

一次風(fēng)壓自動修正控制由風(fēng)壓校正模塊（80）、總?cè)剂现噶睿?1）、指令模塊（82）、風(fēng)壓測量模塊（83）、調(diào)整模塊（84）及風(fēng)壓輸出模塊（85）組成，用于保持磨煤機平均出力與一次風(fēng)母管壓力的動態(tài)匹配關(guān)系。

2.2.1 一次風(fēng)壓校正模塊

風(fēng)壓校正模塊（80）用于快速調(diào)整“啟磨”及“停磨”工況一次風(fēng)壓，保持磨煤機平均出力與一次風(fēng)壓的動態(tài)匹配關(guān)系。

偏置手操器（51）用于手動調(diào)整一次風(fēng)壓設(shè)定值；一階慣性環(huán)節(jié)（54）用于風(fēng)壓設(shè)定值平滑處理；函數(shù)發(fā)生器（55）為一次風(fēng)壓校正模塊的核心，其函數(shù)關(guān)系見表1。

表1 一次風(fēng)壓校正模塊函數(shù)

由表1可以確定，“啟磨”及“停磨”工況下一次風(fēng)壓設(shè)定值將自動降低或升高，解決了常規(guī)控制策略中磨煤機平均出力與磨煤機入口一次風(fēng)量不匹配的問題。

2.2.2 指令模塊

指令模塊（82）根據(jù)風(fēng)壓校正模塊輸出和總?cè)剂现噶顚?yīng)的一次風(fēng)壓特性曲線，形成最終的風(fēng)壓控制指令。

一階慣性環(huán)節(jié)（52）接收總?cè)剂现噶钸M行平滑處理，輸出值連接到函數(shù)發(fā)生器（53），形成總?cè)剂现噶顚?yīng)的一次風(fēng)壓特性曲線，構(gòu)成一次風(fēng)壓指令理論曲線，與風(fēng)壓校正模塊輸出值疊加形成最終的一次風(fēng)壓控制指令。表2為一次風(fēng)壓指令理論曲線，表3和表4分別為“啟磨”和“停磨”工況一次風(fēng)壓指令修正曲線。

2.2.3 風(fēng)壓測量模塊

風(fēng)壓測量模塊（83）用于一次風(fēng)母管壓力信號測量及處理，由一次風(fēng)母管壓力變送器、風(fēng)壓測量通道、模擬量選擇器和一階慣性環(huán)節(jié)組成。

風(fēng)壓測量通道接收三路一次風(fēng)母管壓力信號，經(jīng)過邏輯運算后連接到模擬量選擇器（49），進行“三取中”邏輯運算。

表2 一次風(fēng)壓指令理論曲線

一階慣性環(huán)節(jié)（50）將小幅波動的一次風(fēng)壓力轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)可調(diào)節(jié)的信號，運算結(jié)果連接到PID調(diào)節(jié)器（57）的輸入端。

2.2.4 調(diào)整模塊

調(diào)整模塊（84），對應(yīng)于SAMA圖中的PID調(diào)節(jié)器（57），用于根據(jù)指令模塊（82）和風(fēng)壓測量模塊（83）的輸出值自動調(diào)節(jié)一次風(fēng)母管壓力，具有比例和積分功能。

2.2.5 風(fēng)壓輸出模塊

風(fēng)壓輸出模塊（85），對應(yīng)于SAMA圖中的手/自動控制站（58），用于平衡兩臺一次風(fēng)機出力，根據(jù)兩臺一次風(fēng)機電流的偏差自動調(diào)整A、B側(cè)一次風(fēng)母管壓力調(diào)節(jié)閥的偏置，防止單側(cè)一次風(fēng)機出力受阻，出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象。

3 制粉系統(tǒng)抗干擾性能的應(yīng)用

上述控制策略應(yīng)用于某火力發(fā)電企業(yè)2×350 MW超臨界機組，經(jīng)過多次變負(fù)荷及磨煤機“啟動”和“停運”工況的反復(fù)試驗，最終獲得了良好的應(yīng)用效果。

3.1 一次風(fēng)壓自動修正效果

一次風(fēng)壓自動校正功能如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，該控制策略能夠保證在“啟磨”時快速降低一次風(fēng)壓，而在“停磨”時快速提升提升一次風(fēng)壓，如此既降低了熱負(fù)荷高位運行時的一次風(fēng)管道阻力，又提高了熱負(fù)荷低位運行時的一次風(fēng)攜粉能力，避免制粉系統(tǒng)堵塞。

表3 啟磨工況一次風(fēng)壓指令修正曲線

表4 停磨工況一次風(fēng)壓指令修正曲線

圖4 升負(fù)荷過程一次風(fēng)壓指令效果圖

圖5 降負(fù)荷過程一次風(fēng)壓指令效果圖

3.2 制粉系統(tǒng)抗干擾的效果

圖6 啟磨過程機組主要參數(shù)變化曲線

圖7 停磨過程機組主要參數(shù)變化曲線

制粉系統(tǒng)抗干擾性能如圖6和圖7所示，圖中分別截取了機組“啟磨”（升負(fù)荷階段）工況和“停磨”（降負(fù)荷）工況下機組主要參數(shù)的歷史曲線，時長30分鐘。兩種工況下各參數(shù)控制指標(biāo)見表5和表6。

通過圖6、圖7曲線及表5、表6的數(shù)據(jù)可以確認(rèn)，在“啟磨”和“停磨”工況下機組各主要參數(shù)控制指標(biāo)均達(dá)到《火力發(fā)電廠自動發(fā)電控制性能測試驗收規(guī)程》（DL/T 1210-2013）優(yōu)秀水平。

表5 啟磨工況主要參數(shù)統(tǒng)計

表6 停磨工況機組主要參數(shù)統(tǒng)計

3.3 控制策略的特點分析

綜上所述，該控制策略具有下述幾個特點：

3.3.1 準(zhǔn)確性

策略中的“磨煤機運行”信號是由磨煤機電流值、磨煤機入口熱風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度以及磨煤機電氣開關(guān)閉合接點綜合判斷的結(jié)果，可有效地排除磨煤機檢修狀態(tài)下的虛假信號，并利用特殊的微分回路準(zhǔn)確判斷“啟磨”或者“停磨”工況。

3.3.2 合理性

策略中對燃料超馳量調(diào)節(jié)速率進行了雙向變速處理，同時保證了擾動工況初期響應(yīng)的快速性和中后期恢復(fù)過程的穩(wěn)定性。

3.3.3 精確性

策略中引入機組燃料總量和主汽壓力變化率兩個校正因子，能夠準(zhǔn)確地控制擾動工況下機組的燃料量，保障機組的能量平衡。

3.3.4 快速性

擾動工況下運用燃料超馳和一次風(fēng)壓修正雙重功能，既保持磨煤機平均出力與磨入口一次風(fēng)量的動態(tài)平衡關(guān)系，又維持了進入爐膛的燃料量、一次風(fēng)總量、鍋爐燃燒率及機組主要參數(shù)的穩(wěn)定性能。

4 結(jié)語

文中提出的控制策略充分地考慮到制粉系統(tǒng)擾動工況下的自然特性[5]，運用燃料超馳控制和一次風(fēng)壓自動修正控制雙重功能，充分利用控制策略的準(zhǔn)確性、合理性、精確性及快速性的特點，有效地消除了制粉系統(tǒng)的擾動，保障了機組主要參數(shù)的穩(wěn)定及AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)[6]，通過工程實例充分驗證了本控制策略的抗干擾性能，具有一定的推廣意義。

（華電集團2016年科研項目《火電機組低氮燃燒器NOx排放指標(biāo)與蒸汽溫度自動平衡控制技術(shù)的研究》，編號：CHECKJ16-03-75）

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Study on Anti-interference Performance of Pulverizing System in Thermal Power Plant

ZHOU Song-guo， QU Zhang-long， HAN Lei， GUO Yan-hao

（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710054，China）

Depth of AGC load process，the coal mill pulverizing system for thermal power unit startup and shutdown or tripping disturbance conditions，such as led directly to the main steam pressure and main steam temperature of the main parameters,such as severe changes,seriously affected the quality of AGC regulation.To solve this problem,this paper puts forward the fuel quantity to override control and a wind pressure automatic correction of double anti-interference control strategy.And apply in depth of AGC load of a 350 mw supercritical unit of the coal pulverizing system control，operation results show that the control strategy can not only steady disturbance conditions of fuel quantity，and can keep the average output of wind pressure with a mill dynamic matching relation，at the same time,which can effectively overcome the disturbance of the coal pulverizing system,ensure the steady performance of main parameter and the AGC control quality.

AGC； Disturbed； override； correction； anti-interference； matching； performance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.002

TM621

B

2095-3429（2017）04-0006-07

周松國（1973-），男，湖南衡陽人，本科，高級工程師，長期從事火電機組自動控制領(lǐng)域的研究工作。

2017-06-01

修回日期：2017-06-27