王 飛 何金奇 馮榮彬 周克宇 韋培元

(中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗研究院有限公司)

W型火焰鍋爐超臨界機組雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化①

王 飛 何金奇 馮榮彬 周克宇 韋培元

(中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗研究院有限公司)

結(jié)合貴州習(xí)水二郎電廠新建機組的調(diào)試經(jīng)驗，對W型火焰鍋爐雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)的各種相互擾動進(jìn)行具體分析，優(yōu)化制粉系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略，為整個機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)確定出一套切實可行的控制方案，確保了機組AGC功能的長期、正常投運。

W型火焰雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制 容量風(fēng) 燃料量 主汽壓力

目前,超臨界機組中W型火焰鍋爐、雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)的應(yīng)用難點較多(鍋爐超溫、結(jié)焦；不能準(zhǔn)確計量入爐煤量等)[1]。如何提高該類型超臨界機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)是火電機組自動控制領(lǐng)域的一個重要研究課題。筆者總結(jié)出一套完善、成熟的超臨界火電機組的協(xié)調(diào)控制策略，為同類型的機組獲得優(yōu)秀的自動調(diào)節(jié)指標(biāo)提供強有力的保障。同時，能夠滿足電網(wǎng)和發(fā)電廠兩方面的需求。對電網(wǎng)而言，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度AGC指令進(jìn)而滿足電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的需要；對發(fā)電廠而言，在滿足電網(wǎng)負(fù)荷快速變化的同時能夠很好地控制機組的各項主要參數(shù)，包括主汽溫度、主汽壓力、過熱度控制(即金屬壁溫控制)、煤耗及廠用電率等[2]，對提高機組的運行壽命和經(jīng)濟(jì)運行指標(biāo)發(fā)揮了毋容置疑的重要作用。

1 系統(tǒng)介紹

貴州習(xí)水二郎電廠(4×660MW)新建工程三大主機廠家分別為北京巴威公司、東方汽輪機廠和東方電氣股份公司。鍋爐為超臨界參數(shù)、W型火焰燃燒、垂直管圈水冷壁變壓直流鍋爐。單爐膛露天島式布置，燃用貧煤，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架結(jié)構(gòu)。制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出正壓直吹冷一次風(fēng)機制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配6臺鋼球磨。對于校核煤種6臺磨煤機全部投運可滿足鍋爐BMCR工況運行的要求。每臺磨煤機引出4根煤粉管道分別連接到鍋爐前墻和后墻的燃燒器[3]。

2 燃燒特性分析及其控制策略制定

在實際運行過程中，針對制粉系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)對主汽壓力的影響進(jìn)行擾動試驗。根據(jù)實際擾動結(jié)果得出直接影響鍋爐燃燒工況的因素包括燃料量(風(fēng)、粉)、磨煤機料位、磨煤機出口風(fēng)速和粉溫，根據(jù)這些因素制定出適合本機組的控制策略。

燃料量變化(風(fēng)、粉)對鍋爐燃燒的影響。增大磨煤機容量風(fēng)門開度，直接加大進(jìn)入磨煤機筒體的一次風(fēng)量，進(jìn)而增加了進(jìn)入分離器的粉量即鍋爐燃料量，加大鍋爐燃燒出力，反之則減少了鍋爐燃燒出力，這是控制鍋爐燃料量的唯一手段也是控制鍋爐燃燒的主要手段。

磨煤機料位對鍋爐燃燒的影響。原煤進(jìn)入磨煤機后與鋼球的混合物形成了一定的料位，為了保證系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)荷的速度(即只變化一次風(fēng)量)，必須保證磨煤機內(nèi)保持一定的儲粉量，即要求磨煤機內(nèi)的料位穩(wěn)定。在容量風(fēng)擋板開度不變的情況下，如果磨煤機筒體內(nèi)的料位增大(減小)，就會在短時間內(nèi)引起煤粉細(xì)度的減小(增大)，那么不能經(jīng)過分離器的不合格煤粉就會減少(增加)，從而增大(減小)了磨煤機和鍋爐燃燒的出力，所以在運行中必須控制磨煤機料位的穩(wěn)定。

磨煤機出口風(fēng)速和粉溫對鍋爐燃燒的影響。磨煤機分離器出口的粉溫升高可以導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的煤粉提前燃燒，提高煤粉燃燒的穩(wěn)定性，加劇鍋爐在下爐膛中的燃燒。旁路風(fēng)門開度的增大同時改變分離器出口的風(fēng)速，進(jìn)而改變煤粉進(jìn)入爐膛后的火焰行程，增加煤粉的下沖深度，可以提高下爐膛中熱負(fù)荷的均勻性。

綜上所述，影響鍋爐燃燒即磨煤機有效出力的因素包括風(fēng)量、料位和煤粉溫度，三者之間耦合性很強，因此在制定控制策略時要采取有效的解耦方法。

3 制粉系統(tǒng)各環(huán)節(jié)控制策略

3.1 磨煤機一次風(fēng)控制

磨煤機一次風(fēng)控制系統(tǒng)是雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)控制的核心。影響磨煤機一次風(fēng)量的因素除了容量風(fēng)門開度，還包括磨入口冷、熱風(fēng)門的開度和一次風(fēng)壓。對于制粉系統(tǒng)而言，給煤量(磨煤機的出力)與磨煤機容量風(fēng)有一一對應(yīng)的關(guān)系，常規(guī)控制方式為：根據(jù)給煤量對應(yīng)的容量風(fēng)量來調(diào)整容量風(fēng)擋板開度，旁路風(fēng)門跟隨容量風(fēng)擋板開度進(jìn)行調(diào)整，磨煤機入口熱風(fēng)門控制磨煤機的總?cè)肟陲L(fēng)量，磨煤機入口冷風(fēng)門控制溫度[4]。但由于容量風(fēng)量、旁路風(fēng)量、磨入口一次風(fēng)量的測量精度非常差，導(dǎo)致常規(guī)的一次風(fēng)量控制方案不可用，因此只能采用模糊控制手段來控制一次風(fēng)量。

根據(jù)通風(fēng)試驗數(shù)據(jù)得出，容量風(fēng)門開度在5%～50%區(qū)間其開度與容量風(fēng)量有比較好的線性關(guān)系，因此，可以以容量風(fēng)門開度代替容量風(fēng)量，接收燃料主控指令，通過加減容量風(fēng)門開度，改變磨煤機的出力。

旁路風(fēng)門開度的增大會改變進(jìn)入磨煤機筒體的原煤和磨煤機出口的煤粉干燥度，引起磨煤機分離器出口的煤粉溫度大幅波動。磨煤機分離器出口的粉溫升高可以導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的煤粉提前燃燒，提高煤粉的燃燒效率，加劇鍋爐燃燒。旁路風(fēng)門開度的增大會改變分離器出口的風(fēng)速，進(jìn)而改變煤粉進(jìn)入爐膛后的火焰行程，增加煤粉的燃燒時間，同樣加劇鍋爐燃燒，但是在磨煤機大負(fù)荷出力的工況下，開大旁路風(fēng)會降低容量風(fēng)的帶粉能力。旁路風(fēng)實際運行數(shù)據(jù)很好地驗證了這一點?？紤]到旁路風(fēng)門(蝶閥)的非線性特性，列出旁路風(fēng)門與容量風(fēng)門的對應(yīng)數(shù)據(jù)(表1)，當(dāng)容量風(fēng)門大于40%以后，旁路風(fēng)門開度不再變化。

表1 旁路風(fēng)門與容量風(fēng)門的對應(yīng)數(shù)據(jù)

同樣由于風(fēng)量測量的不準(zhǔn)確，磨入口熱風(fēng)門無法準(zhǔn)確控制磨入口風(fēng)量，所以在正常運行過程中，磨煤機入口熱風(fēng)門全開，不參與調(diào)節(jié)，由磨煤機入口冷風(fēng)門控制磨煤機風(fēng)粉混合物溫度。

由于磨煤機入口熱風(fēng)門全開，要保證容量風(fēng)門的風(fēng)量線性特征，必須保證一次風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。由此要求在給煤量發(fā)生大的變化時(包括鍋爐出力大幅變化和煤質(zhì)發(fā)熱量大幅變化)一次風(fēng)機的出力要快速響應(yīng)，具體做法是將一次風(fēng)壓的設(shè)定值跟隨機組負(fù)荷指令自動調(diào)整，其跟隨數(shù)據(jù)見表2。

表2 一次風(fēng)壓與機組負(fù)荷指令的跟隨數(shù)據(jù)

磨煤機一次風(fēng)控制就是快速、穩(wěn)定地控制一次風(fēng)壓，通過控制容量風(fēng)門的開度來精確地控制進(jìn)入爐膛的給煤量，并且使旁路風(fēng)門相應(yīng)地跟隨容量風(fēng)門開度變化，從而達(dá)到控制鍋爐燃料量的目的。

3.2 磨煤機的料位控制

穩(wěn)定的料位是整個制粉控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提條件，從上面的分析可知，不管磨煤機出力如何變化，其料位應(yīng)保持不變。與其他制粉系統(tǒng)不同，雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)給煤機給煤量的變化并不能直接反映制粉系統(tǒng)的出力，但卻直接影響著磨煤機的料位，因此給煤機控制是調(diào)節(jié)磨煤機料位的主要手段[5]。本機組磨煤機料位由相應(yīng)的給煤機控制，磨煤機兩側(cè)料位信號的平均值作為給煤機控制回路的控制對象，在鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定時保持平穩(wěn)的料位和給煤量。

本機組料位控制系統(tǒng)的被調(diào)量采用的是差壓式料位計。差壓式料位計需要定期進(jìn)行吹掃，防止堵塞造成虛假料位；在吹掃之前，DCS接收到吹掃信號閉鎖當(dāng)前的料位值，防止給煤量波動。同樣，對單個煤粉管道進(jìn)行吹掃時也需要閉鎖磨煤機的料位信號，防止給煤量波動。在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)單側(cè)給煤機斷煤現(xiàn)象，這時應(yīng)該加快運行給煤機的調(diào)節(jié)速度，以響應(yīng)料位的變化，因此料位控制器的PI參數(shù)應(yīng)具備變參數(shù)功能。同時，為提高負(fù)荷變化的響應(yīng)能力，將磨煤機容量風(fēng)擋板開度作為前饋量進(jìn)行控制。

3.3 磨煤機煤粉溫度控制

磨煤機煤粉溫度控制就是要將磨煤機的出口溫度控制在一定的范圍內(nèi)，本機組采用磨煤機入口冷風(fēng)門控制。由于雙進(jìn)雙出鋼球磨的特性和本機組原煤較濕的原因，運行人員在開始暖磨后就將磨入口熱風(fēng)門全開。同時，磨煤機冷風(fēng)管道管徑比較小，調(diào)節(jié)冷風(fēng)門對磨煤機一次風(fēng)量的影響很小，但是對磨煤機出口的煤粉溫度影響很大，因此以冷風(fēng)門作為磨煤機出口溫度的主要調(diào)節(jié)手段。

4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 鍋爐主控

典型鍋爐主控回路為：鍋爐主控指令既作為總?cè)剂狭康脑O(shè)定值，又作為給水流量的設(shè)定值。鍋爐主控指令與實際煤量比較偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)后形成燃料主控指令(即給煤機給煤量平均指令)，燃料主控指令再加上操作員可以手動改變的偏置最終形成各給煤機給煤量指令，改變給煤機煤量；鍋爐主控指令經(jīng)過煤水比函數(shù)轉(zhuǎn)換為鍋爐給水流量指令，去調(diào)節(jié)汽動給水泵轉(zhuǎn)速[6]。

本機組采用雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)，如果也采取上述控制思路，由于無法準(zhǔn)確計量入爐煤量，給水流量設(shè)定值也就無法準(zhǔn)確給定，勢必造成機組動態(tài)過程水煤比偏差較大，將嚴(yán)重影響過熱蒸汽溫度和機組負(fù)荷的控制品質(zhì)。鑒于上述原因，筆者對協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了優(yōu)化：

a. 將鍋爐主控指令作為磨煤機容量風(fēng)門總指令，用容量風(fēng)門開度代替給煤機給煤量，鍋爐主控指令與實際容量風(fēng)門開度總和比較偏差經(jīng)PID計算后形成燃料主控指令(容量風(fēng)門平均指令)，燃料主控指令再加上操作員可以手動改變的偏置最終形成各容量風(fēng)擋板指令，調(diào)整磨煤機的出力。

b. 以功水比取代煤水比用于給水控制，機組功率與給水流量之間成正比關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系較為精確。因此，用機組功率指令經(jīng)函數(shù)計算，可換算出對應(yīng)的給水流量指令，從而取代常規(guī)的鍋爐給水流量指令計算方法。

4.2 “預(yù)給煤”邏輯

為解決變負(fù)荷初期鍋爐熱負(fù)荷滯后慣性的問題(即提高變負(fù)荷的響應(yīng)能力)，特制定一套完善的變負(fù)荷前饋邏輯(以下簡稱“預(yù)給煤”)，能夠精確靈敏地控制各個子系統(tǒng)快速響應(yīng)，動態(tài)地保持機爐兩側(cè)的能量平衡?！邦A(yù)給煤”邏輯(圖1)主要由4部分組成：機組變負(fù)荷指令微分邏輯、限幅邏輯、變量修正邏輯和限速邏輯。

圖1 “預(yù)給煤”邏輯

變負(fù)荷指令微分。在圖1中，機組實際指令經(jīng)過一個帶外置參數(shù)的微分環(huán)節(jié)后，形成“預(yù)給煤”的觸發(fā)信號。機組處于非協(xié)調(diào)控制模式時，微分環(huán)節(jié)輸出為0，這樣有效地避免了非協(xié)調(diào)方式下“預(yù)給煤”的自擾現(xiàn)象。機組正常變負(fù)荷時，其變動范圍的大小通過功能塊f(x)3轉(zhuǎn)換后變成微分環(huán)節(jié)的外置時間。如果變動范圍比較小，則微分時間相對較長，也就意味著單位電負(fù)荷變動量對應(yīng)的“預(yù)給煤”量持續(xù)的時間較長，能夠保證AGC指令小幅度變化時有足夠的前饋效果。邏輯中還引用了升負(fù)荷和降負(fù)荷功能，其目的是為了適應(yīng)變負(fù)荷指令方向隨機變化的特性。當(dāng)變負(fù)荷指令變向時微分環(huán)節(jié)輸出將及時改變“預(yù)給煤”量的方向，提高鍋爐側(cè)各子系統(tǒng)的靈敏度。

限幅功能。為了確保負(fù)荷指令變動時能夠靈敏地觸發(fā)“預(yù)給煤”邏輯，一般將前述微分環(huán)節(jié)的增益設(shè)置得足夠大。無論負(fù)荷指令變化幅度多大，也不論變負(fù)荷速率大小，其微分環(huán)節(jié)輸出量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常的前饋需求量，因此，必須根據(jù)電負(fù)荷變動幅度對微分環(huán)節(jié)輸出量進(jìn)行限幅。圖1中由輸入變量TL、LDC，功能塊LAG、T1、SUM1、f(x)1、f(x)2和大選塊、小選塊構(gòu)成限幅功能。

變量校正。考慮到鍋爐熱負(fù)荷與燃料量的非線性關(guān)系，邏輯中設(shè)置了f(x)4，根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷的變化自動校正“預(yù)給煤”量。為了避免變負(fù)荷過程結(jié)束后壓力超調(diào)現(xiàn)象，邏輯中設(shè)置了壓力校正環(huán)節(jié)，在變負(fù)荷過程中充分利用主汽壓力偏差量實時地校正“預(yù)給煤”量，在圖1中，由輸入變量MSPE和功能塊f(x)5、f(x)6、H、T共3部分組成。不同的變負(fù)荷速率對鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度要求也不同，因此邏輯中設(shè)置了f(x)7，其修正系數(shù)與變負(fù)荷速率是同步增長的。各路校正變量對限幅塊輸出值修正后計算出“預(yù)給煤”原始值。

速率限制。為了確保變負(fù)荷前饋量的效果，邏輯中通過速率限制功能塊實現(xiàn)變負(fù)荷過程中“快加(減)慢回”功能。在變負(fù)荷初始階段保證前饋量快速達(dá)到最大值；隨著機組實際指令與目標(biāo)指令偏差量的減小其變化速率也越來越慢。如此，既防止大范圍變動負(fù)荷時前饋量效果過強，又能保證小范圍變動負(fù)荷時前饋量的有效時間。速率限制功能由圖1中的f(x)8、f(x)9和速率限制塊組成。設(shè)置f(x)8的目的就是保證不同變負(fù)荷速率下的前饋量與變化速率之間的匹配關(guān)系，其參數(shù)設(shè)置必須與f(x)7保持一致。

“預(yù)給煤”前饋控制。預(yù)給煤量作為協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)的公用指令，同時作用到燃料、給水、總風(fēng)量、一次風(fēng)壓、磨煤機容量風(fēng)擋板和各級過熱器減溫水調(diào)門。各子系統(tǒng)將同時接收到“預(yù)給煤”公用信號，必須根據(jù)各自的系統(tǒng)特性設(shè)立獨立的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度。圖2以燃料前饋量控制為例，說明變負(fù)荷工況各子系統(tǒng)前饋量是如何形成的。

圖2 燃料前饋控制邏輯

5 機組實際運行效果

筆者選取了2015年12月18日11：18：00至14：20：00進(jìn)行AGC試驗，該試驗過程中負(fù)荷變動范圍為360～660MW，負(fù)荷變化率為7～10MW/min。

11∶22∶30從650MW開始降負(fù)荷，過程見表3，12:16:00從360MW開始升負(fù)荷，過程見表4，降/升負(fù)荷變化過程試驗記錄如圖3所示。

表3 650～360MW降負(fù)荷數(shù)據(jù)

表4 360～600MW升負(fù)荷數(shù)據(jù)

圖3 650～360MW降負(fù)荷和360～600MW升負(fù)荷趨勢

12：58：49從660MW開始降負(fù)荷，過程見表5，13：41：17從363MW開始升負(fù)荷，過程見表6，連續(xù)降、升負(fù)荷變化過程試驗記錄如圖4所示。

表5 660～363MW降負(fù)荷數(shù)據(jù)

表6 363～660MW升負(fù)荷數(shù)據(jù)

由圖3、4中的數(shù)據(jù)可以看出，協(xié)調(diào)控制方案經(jīng)受了負(fù)荷變動的考驗，過程中主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)均達(dá)到《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》(DL/T 657)的要求，能夠滿足機組變負(fù)荷的要求。

圖4 660～363MW降負(fù)荷和363～660MW升負(fù)荷趨勢

6 結(jié)束語

對于W型火焰鍋爐雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)的超臨界機組，以容量風(fēng)擋板開度代替給煤量，以功水比取代煤水比用于給水系統(tǒng)，再通過獨特的“預(yù)給煤”前饋邏輯，從變負(fù)荷指令微分、限幅、變量校正和速率限制4個方面對邏輯進(jìn)行優(yōu)化，有效地提高了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制精度和調(diào)節(jié)品質(zhì)。貴州習(xí)水二郎電廠(4×660MW)新建工程第1、2機組圓滿完成AGC試驗，并通過168h試運。在移交生產(chǎn)后，兩臺機組AGC功能長期投運，調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。

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OptimizationofCoordinatedControlSystemforDouble-inandDouble-outPulverizingSystemofW-typeFlame-firedBoilerSupercriticalUnit

WANG Fei, HE Jin-qi,FENG Rong-bin,ZHOU Ke-yu,WEI Pei-yuan
(EnergyChinaNorthwestElectricPowerTestResearchInstituteCo.,Ltd.)

In this paper, combined with the commissioning experience of the new unit of Xishui Erlang Power Plant in Guizhou Province, the various perturbations of the double-in and double-out ball milling system of W-type flame boiler were analyzed and the control strategy of the milling system and coordinated control system were optimized to provide the entire unit’s the coordinated control system with a set of practical control program so as to ensure long-term and normal operation of the unit AGC.

double-in and double-out ball milling system of W-type flame-fired boiler, coordination control, capacity air, fuel quantity, main steam pressure

王飛(1982-)，高級工程師，從事火力發(fā)電機組自動控制領(lǐng)域的調(diào)試研究工作，40439748@qq.com。

TH865

A

1000-3932(2017)12-1095-06

2017-07-15，

2017-08-15)

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