电厂锅炉燃烧控制系统优化

    电厂锅炉燃烧控制系统主要包拮主蒸汽压力控制系统、风煤交叉限制回路、煤量控制系统及送、引风控制系统。主蒸汽压力控制系统大多采用基于直接能量平衡(DEB)的控制方案，对中间仓储式制粉系统锅炉，从改变给粉机转速到引起主蒸汽压力变化的速度较快若采用DEB方案，只要控制系统的参数整定合适压力控制系统可以获得满意的品质。

  然而，很多电厂尽管采用了DEB方案，但由于参数选择不当，在变负荷过程中仍要切1层或2层至手动通过手动协助维持主蒸汽压力有些机组的压力控制系统则难以有效消除给粉自流造成的压力波动，这些缺陷都可通过对压力控制系统的优化调整来消除。而对于直吹式制粉系统锅炉从调节给煤机转速到引起主蒸汽压力变化往往具有较大的滞后，导致机组在变负荷时压力波动较大，对这类压力控制系统的优化，一方面可加强锅炉负荷指令的前馈作用可采用比例微分PD，并加强微分作用)，去掉控制系统中不必要的迟后环节a.但由于前馈等环节的改变均是在闭合回路之外，不会改善控制系统的稳定性。进一步的优化应采用先进的控制方法如预测控制技术或内模控制技术等15来改善等效被控对象的特性，使控制系统不仅具有好的稳定性，而且能快速响应机组负荷指令的变化。对送、引风控制系统应针对投不好的原因改进控制系统设计。

  南京热电厂6号机组自1998年芫成DCS改造后，锅炉燃烧控制系统的品质不理想主要表现为主蒸汽压力在稳态负荷时波动太大，而当机组升、降负荷或给粉自流时给粉机转速改变太慢，造成主蒸汽压力的动态偏差太大影响机组的负荷升、降速率。

  2000年，江苏省电力公司将“南京热电厂6号炉燃烧控制系统优化”作为技术改造项目正式立项，并委托东南大学进行研究实施。2000年7月，优化后的锅炉燃烧控制系统在现场通过调试并投入运行。经基金项目：国家自然科学基金(0076008)江苏省青年科技基金BQ2000002)国家教委优秀青年教师基金傲技司2000-65)资肋项目过10多次升、降负荷和切、投火嘴试验，主蒸汽压力、氧量及炉膛负压均控制在规定范围内，确保了锅炉燃烧控制系统的长期、稳定投入。

  1压力控制系统的优化1.1控制策略优化原控制方案中是根据主蒸汽压力与压力定值的偏差来调节锅炉的负荷指令。优化后采用基于直接能量平衡来调节锅炉的负荷指令，即根据汽轮机的能量要求指令!。和锅炉的热量倍号之间的偏差进行调节，并增加了汽轮机能量倍号的前馈。优化后的方案如所示。

  DEB调节的目的是确保在机组稳定时，汽轮机能量要求倍号与锅炉的热量倍号相等，由于在稳态时汽包压力的微分为零，故有Psi/Pt =i，从而保证了主蒸汽压力等于设定值Ps.尽管大量的实际应用已证明了DEB系统比依靠差压调节锅炉负荷指令具有更好的控制品质，但理论上如何证明呢，另外，锅炉的热量倍号又应如何整定呢油于前馈不影响整个控制系统的稳定性，因此，在下面的说明过程中将暂不考虑前馈的作用。将热量倍号中的2项分别考虑，由于：其中是汽轮机的调节阀开度。的DEB控制方案可等效为所示的常规串级控制方案。

  从可得到如下结论：dPEB控制系统的实质就是一个采用汽包压力作为导前倍号的常规串级电力自动化系统，由于串级系统的控制品质优于常规单回路控制系统，因此DEB控制系统比直接采用压力偏差倍号的单回路控制系统的品质要好。这种品质的改善主要体现在2个方面，一方面是由于内回路的存在，使DEB控制系统能较好地克服燃烧率的自发性扰动(如给粉自流及不均匀下粉等);另一方面是由于内回路改善了导前对象的特性，从而也能改善控制系统的稳定性使主蒸汽压力波动较小。但同时应看到，当串级系统用于控制惯性时间较长的被控对象时，品质的改善程度总是有限的，这就是为什么DEB系统在控制某些300MW或600MW机组时也难获得满意品质的原因。这种情况下必须采用更先进的控制技术如预测控制技术或内模控制技术等151来较大程度地改善控制系统的品质。dPEB控制系统与常规串级控制系统是可以等价的。由于在DEB控制系统提出来之前，电厂中已采用过以汽包压力为导前倍号的串级控制系统或以汽包压力微分为导前倍号的双回路控制系统)，因此DEB系统并不是新的控制策略它只不过是串级控制系统的另一种表达方式所谓能量的直接平衡也只不过是一种对系统的理解方式。DEB控制系统是美国利诺4N)公司的专利其它公司是不能采用DEB方案的，但可采用串级控制系统最终的控制效果是一样的。

  于热量系数是主调节器的比例带，而汽包压力的微分时间d是主调节器的积分时间。因此，热量倍号的整定是否适当直接影响了DEB控制系统的稳定性。目前，整定热量倍号的方法是调整和D的数值，使当煤量倍号作阶跃变化斤粉机转速阶跃变化)时，热量倍号也近似作阶跃变化;而当汽轮机调门开度变化时，热量倍号应基本不变。这种整定热量倍号的方法是不合理的原因是!整定的出发点是片面的，因为这种整定方法只是从倍号本身的物理意义去整定热量倍号。事实上从可知，热量倍号直接决定了控制系统的主调节器，对热量倍号的整定也就是对主调节器的整定，因此对它的整定应从整个控制系统的稳定性和控制品质上去考虑;②目前整定热量倍号的方法需要燃料量和汽轮机调门反复作阶跃变化这在现场比较困难。而根据控制系统的稳定性来整定热量倍号则是十分方便的。d)在的串级控制方案中主调节器前的倍号通道中以调门开度作为放大倍数，这实质上改变了主调节器的等效比例带。这种改变可使控制系统具有一定的自适应能力因为当机组在高负荷时被控对象的惯性时间相对较小，允许调节器的比例带小一些;而在低负荷时，由于被控对象惯性时间的增加为保证控制系统的稳定性不变，比例带应适当放大一些。汽轮机调门开度的修正，可实现不同负荷下对主调节器等效比例带的修正。显然这种修正方法中国电力bookmark3不灵活适应性也不会太理想。

  1.2煤量反馈信号优化对中储式锅炉，大部分煤量控制系统的设计均采用给粉机的平均转速作为煤量倍号，但给粉机的给粉量与转速之间存在严重的非线性，为克服这一非线性，采用经过热量倍号校正的转速作为煤量反馈倍号。从而实现了：d)不管给粉机转速与给粉量之间的非线性或煤种如何变化，与锅炉负荷相对应的是煤燃烧后产生的热量。而修正后的燃料量倍号在稳态时与锅炉的热量倍号相一致，从而确保燃料量倍号与锅炉的负荷相适应;d在动态过程中，修正后的燃料量倍号又能及时反映给粉机的转速变化。1.3压力控制系统优化效果采用以上思路对南京热电厂6号炉的主蒸汽压力控制系统进行了重新设计和参数整定。2000年7月，对主蒸汽压力控制系统进行了详细测试。经测试稳态负荷时压力偏离定值的范围仅为0.01MP;机组变负荷过程中压力最大动态偏差仅为0.1MP负荷时共投入+个火嘴当切除2个火嘴时锅炉负荷扰动量达25-压力仅变化了0.24MP该控制指标远优于优化前的控制系统取得了十分明显的经济效益。

  2送、引风控制系统优化2.1控制系统现状国内200MW及以下容量机组送、引风控制系统的投运效果往往不是很理想，自动投不好的原因有以下几个方面：d)由人为因素造成。正常情况下运行人员对送、引风的操作很少，即使在机组升、降负荷过程中对送、引风的操作也较简单，因此，除非送、引风控制系统投得十分理想，否则运行人员不太愿意投入送、引风控制系统。d)炉膛负压过于灵敏。炉膛负压的灵敏体现在2方面一是对扰动量主要是对送风量的改变相当灵敏。当送风控制系统投入运行后，风量必须根据机组负荷和氧量情况加以调节，送风量的改变会对炉膛负压产生很大且很快的影响若引风控制系统不及时调节炉膛负压必定会超出允许范围。在目前的设计中送风控制系统一般对引风控制系统设有前馈环节其目的是为了在送风量变化后能及时调节引风量以使炉膛负压变化较小。但送风前馈的加入必须注意2个问题!不要破坏引风控制系统中的倍号平衡，否则，即使引风在起始时动作了也会回调，反而影响引风系统的正常调节;②送风动作后引风要尽快动作。由于目前大多数DCS用软件实现了伺放功能即称软伺放，软伺放的动作依据是输入能量的积累，这往往需要一定时间正是这12s的滞后，使炉膛负压超出了正常范围。第2个灵敏的问题是液力耦合器位置的变化d段定送、引风的调节机构是液力耦合器)对炉膛负压过于灵敏。由于很多DCS扫描时间较长导致各次液力耦合器位置的改变量太大。若送风机液力耦合器位置改变量太大即对炉膛负压的扰动太大若引风机液力耦合器的位置改变量太大，则会造成引风控制系统过调从而造成引风执行机构振荡严重时导致锅炉熄火。解决好上述问题是投入送、引风控制系统的关键笔者在现场实际调试过程中均遇到过这些问题应针对不同问题采用不同方法解决。

  2.2控制策略优化由于各台锅炉的送、引风控制系统存在的问题不同这里仅给出一般性送、引风控制系统的优化思想。

  d由于送、引风被控对象一般是一个一阶惯性环节，从动态特性来说，这是一个较好控制的对象。对这2个控制系统不必采用如模糊控制等复杂算法来芫全替代常规PID控制系统。较可行方法是在常规PID控制系统基础上适当增加运行人员的操作经验以解决锅炉炉膛负压的灵敏性问题;对送风控制系统的设计应力求简单氧量校正必须缓慢，必须严禁送风控制系统在变负荷过程中的回调，否则炉膛负压难以控制在正常范围内。

  G)对于引风控制系统，当炉膛负压偏离设定值较大时必须快速拉回炉膛负压采用的策略为①当炉膛负压大于高I值时闭锁关引风机、闭锁开送风机负压大于高值时，强开引风机。②当炉膛负压小于低I值时，闭锁开引风机、闭锁关送风机负压小于低值时，强关引风机。③必须考虑送风量及送风液耦位置对引风控制系统的前馈作用。④必须考虑启、停制粉系统时对炉膛负压的影响。

  d)必须重视风、煤交叉限制回路设计保证升负荷时送风控制系统先增加风量，实际风量升高后才增加煤量指令负荷时煤量控制系统先减煤量，实际煤量减少后风量指令才减少。但目前很多DCS中采用的风、煤交叉回路大多存在一定问题，只好直接解除风、煤交叉回路不利于锅炉优化燃烧。

  2.3送、引风控制系统优化效果经对南京热电厂6号机组送、引风控制系统严格测试，机组在稳定负荷时炉膛负压偏离定值为20P，氧量偏离定值为±0.2%;机组变负荷过程中炉膛负压最大动态偏差为40P，氧量动态偏差为1%;启、停制粉系统过程中炉膛负压最大动态偏差为35P氧量动态偏差为1%.由于送、引风控制系统具有优良的控制品质，确保了这2套自动控制系统的长期稳定投入，自动利用率为100%. 3结论尽管国内各大型火电机组基本芫成了DCS的改造，但控制指标没有达到最优埋想的控制品质是发电机组优化运行和经济运行的基础。对火电机组控制系统的优化研究是以不断提高其控制品质为目标这往往需要2方面的要求，一是必须熟悉火电机组的运行特征，要能分析出目前控制系统所要解决的问题二是必须具有扎实的控制理论基础，即必须具有分析、优化整定现有控制系统及应用先进控制理论解决实际问题的能力。

  基于直接能量平衡的汽压控制系统，其实质是一个常规的采用汽包压力为导前倍号的串级控制系统对它的整定不能局限于对倍号本身的理解，而应从整个控制系统稳定性的角度去考虑;对中储式锅炉，为克服给粉机的给粉量与转速之间存在的非线性，应采用经热量倍号校正的转速作为煤量反馈倍号对送、引风控制系统，自动投不好的原因较多应针对具体问题采用不同对策。一般送风控制系统应尽量避免在变负荷过程中的振荡;引风控制系统的最大问题是炉膛负压的灵敏性，应尽量根据引起炉膛负压变化的原因来设计引风控制系统。

  电力自动化国外电厂控制系统的优化软件已逐步进入中国市场，如西门子的新协调控制系统pROFIUCC)(等，但国外优化软件的价格十分昂责且应用到我国火电厂时还须考虑许多实际情况。另外从公开的优化控制指标看，利用国内的优化技术也芫全可达到这些控制指标。