不帶外置床300 MW循環(huán)流化床機(jī)組的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化

趙志丹，王邦行，段景衛(wèi)，郭三虎，程建華，郎意安，王曉勇

（1.西安熱工研究院有限公司，西安市，710032；2.GE新華控制工程有限公司，上海市，200245）

0 引言

在能源需求日趨緊張的今天，能源結(jié)構(gòu)的合理分配顯得至關(guān)重要，循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)發(fā)展對(duì)解決這一問題提供了新的思路和方向。雖然循環(huán)流化床鍋爐，尤其是中小型循環(huán)流化床鍋爐已經(jīng)大量投入商業(yè)化運(yùn)行，但其控制問題一直是其發(fā)展的主要問題之一。多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐的燃燒、協(xié)調(diào)等自動(dòng)控制投不上，或投入率很低，主要原因在于循環(huán)流化床鍋爐比普通鍋爐耦合關(guān)系更加復(fù)雜，被控對(duì)象非線性更加嚴(yán)重，這些更增加了投入?yún)f(xié)調(diào)控制的難度。通過對(duì)多臺(tái)大型循環(huán)流化床機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略的研究及優(yōu)化，在江蘇徐礦綜合利用發(fā)電廠一期2×300 MW循環(huán)流化床機(jī)組工程上所采取的協(xié)調(diào)控制策略取得了令人滿意的效果。

1 機(jī)組概述

江蘇徐礦綜合利用發(fā)電廠一期2×300 MW循環(huán)流化床機(jī)組工程，鍋爐為東方鍋爐廠自主研發(fā)型DG-1025/17.5-541/541亞臨界參數(shù)自然循環(huán)汽包爐，一次中間再熱、單爐膛、汽冷式旋風(fēng)分離器、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、前墻給料的布置方式（8臺(tái)給煤機(jī)）、不帶外置床循環(huán)流化床鍋爐。一次風(fēng)經(jīng)空預(yù)器加熱后分左右兩側(cè)水平進(jìn)入水冷風(fēng)室，通過布置在布風(fēng)板上的風(fēng)帽使床料流化，并形成向上通過爐膛的氣固兩相流，二次風(fēng)進(jìn)入布置在前后墻上的二次風(fēng)箱后，分上下2層進(jìn)入爐膛，實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒。鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為N330-16.7/538/538亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的水-氫-氫冷卻、靜態(tài)勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。分散控制系統(tǒng)（distribution control system，DCS）采用GE上海新華控制工程有限公司的XDPS-400E系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)為一體化方式。

2 機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略

2.1 機(jī)組協(xié)調(diào)控制的構(gòu)成方式

在協(xié)調(diào)控制的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，共包含5種方式：MAN方式（鍋爐主控、汽機(jī)主控都在手動(dòng)），鍋爐跟隨（boiler follow，BF）方式（鍋爐控制主汽壓力，汽機(jī)主控在手動(dòng)），汽機(jī)跟隨（turbine follow，TF）方式（汽機(jī)控制主汽壓力，鍋爐主控在手動(dòng)），鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制（coordinated-control boiler follow，CCBF）方式（汽機(jī)控制功率，鍋爐控制壓力）。機(jī)組負(fù)荷指令按比例直接作用到汽機(jī)和鍋爐主控，功率偏差、直接能量平衡（direct energy balance，DEB）與熱量信號(hào)偏差作為細(xì)調(diào)。為限制機(jī)爐在運(yùn)行過程的能量失衡，在汽機(jī)主控上包含功率修正回路；汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制（coordinated-control turbine follow，CCTF）方式（鍋爐和汽機(jī)同時(shí)控制功率偏差及壓力偏差），這是一種控制壓力為主的綜合控制方式。在其中一種運(yùn)行方式下，其他方式下的調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)方式上的無擾切換。

目前，機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度及負(fù)荷偏差已成為電網(wǎng)考核的主要指標(biāo)，也是機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制水平的標(biāo)志。因此，在協(xié)調(diào)方式的運(yùn)用上，CCBF方式成為機(jī)組協(xié)調(diào)投入的主要運(yùn)行方式，其他幾種方式僅用于CCBF方式投入過程的過渡，或在快速減負(fù)荷（run back，RB）發(fā)生時(shí)的狀態(tài)切換。

2.2 直接能量平衡（DEB）控制策略

直接能量平衡協(xié)調(diào)控制策略是以汽機(jī)的能量需求直接代表鍋爐輸入能量的控制方式，其基本出發(fā)點(diǎn)是在任何工況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機(jī)能量的需求相平衡。DEB信號(hào)構(gòu)成形式為

式中：P1為調(diào)節(jié)級(jí)壓力；PT為主汽壓力；PS為主汽壓力設(shè)定；u為汽機(jī)控制指令；B為鍋爐主控指令；K1為機(jī)組動(dòng)態(tài)微分增益。本機(jī)組的協(xié)調(diào)控制采用直接能量平衡控制策略。以（P1/PT）×PS代表汽機(jī)的能量需求，控制鍋爐的輸入能量，保證機(jī)組內(nèi)部能量的供需平衡。與間接能量平衡（indirect energy balance，IEB）不同的是機(jī)前壓力PT并不代表真正的能量，只是表征能量平衡的參數(shù)。采用與汽機(jī)調(diào)閥開度成正比的信號(hào)（P1/PT）×PS及其微分量之和作為鍋爐負(fù)荷指令，式中微分項(xiàng)在動(dòng)態(tài)過程中加強(qiáng)燃燒指令，以補(bǔ)償機(jī)、爐之間對(duì)負(fù)荷要求響應(yīng)速度的差異。由于要求補(bǔ)償?shù)哪芰坎粌H與負(fù)荷變化量成正比，而且還與負(fù)荷水平成比例，所以微分項(xiàng)要乘以（P1/PT）×PS。在變工況運(yùn)行的情況下，機(jī)前壓力設(shè)定值PS通常是一個(gè)變量。DEB方式的控制框圖見圖2。圖2中Pd為汽包壓力，NO為實(shí)際負(fù)荷，Ne為設(shè)定負(fù)荷。

協(xié)調(diào)控制策略中，汽機(jī)主控通常用于控制功率，但當(dāng)機(jī)前壓力偏差超出±0.8 MPa時(shí)，引入1個(gè)主汽壓力偏差的函數(shù)對(duì)功率設(shè)定值進(jìn)行修正來維持機(jī)爐間的能量平衡，減少負(fù)荷變化中主汽壓力偏差大導(dǎo)致閉鎖的發(fā)生。在RB過程中采用TF方式控制機(jī)前壓力。當(dāng)汽機(jī)控制在就地狀態(tài)下，汽機(jī)主控跟蹤負(fù)荷參考值。鍋爐主控以汽機(jī)能量需求信號(hào)作為其指令，其反饋信號(hào)為P1+c×dPd/dt。其中P1代表了進(jìn)入汽機(jī)的能量，汽包壓力的微分量代表了鍋爐蓄熱的變化。在穩(wěn)態(tài)工況下，dPd/dt=0，鍋爐主控制器的調(diào)節(jié)作用使PT=PS，從而使設(shè)定值與反饋相平衡（都為調(diào)節(jié)級(jí)壓力P1），并且在穩(wěn)定工況下滿足機(jī)組負(fù)荷的要求。DEB控制方式結(jié)構(gòu)簡單，充分利用汽包壓力的微分使控制過程更加平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)工況下機(jī)爐能量的平衡。

3 機(jī)組控制的特點(diǎn)

3.1 床料厚度對(duì)控制的影響

在循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行過程中，維持相對(duì)穩(wěn)定的床料厚度十分必要，通常為800～1000 mm。若料層太厚使布風(fēng)板阻力加大，床料分層嚴(yán)重，不但可能引起床下風(fēng)室風(fēng)道振動(dòng)，增大風(fēng)機(jī)電耗，而且容易造成局部流化狀態(tài)惡化，導(dǎo)致結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生（2號(hào)爐床料分層結(jié)焦，見圖3）；若料層太薄則一次風(fēng)會(huì)直接穿過，燃燒熱量減小，運(yùn)行不穩(wěn)定，帶負(fù)荷能力受到影響。因此，必須注意給煤量、排渣量的均衡以及負(fù)荷所對(duì)應(yīng)一次風(fēng)量的控制。

3.2 床溫控制的均衡性

床溫控制的均衡性受燃料量分布的平衡性、J閥回料量、冷渣器的排渣平衡、一次風(fēng)量大小等因素的影響。由于內(nèi)置床的面積較大，共分布8臺(tái)給煤機(jī)，每臺(tái)給煤機(jī)對(duì)應(yīng)一定面積的床面，在運(yùn)行當(dāng)中盡量運(yùn)行所有的給煤機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)布煤才能保證床面上的煤量分布均勻。從實(shí)際運(yùn)行看，所有運(yùn)行的給煤機(jī)煤量成“V”型，即兩側(cè)最邊上的給煤機(jī)煤量最多，中間的2臺(tái)給煤機(jī)的煤量最少，才能保證整個(gè)床上溫度的均衡；冷渣器的排渣在維持好料層的厚度保證流化良好的情況下有利于一次風(fēng)量對(duì)床溫控制的靈敏性。

3.3 風(fēng)機(jī)出力的平衡控制

流化床鍋爐的總風(fēng)量包括：二次風(fēng)量、一次風(fēng)量和流化風(fēng)量，在總風(fēng)量當(dāng)中3者的比例關(guān)系為5∶4∶1。這與常規(guī)的煤粉爐差別很大，因此，在引風(fēng)機(jī)的前饋中包含二次風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)開度指令的綜合作用，而在引風(fēng)機(jī)RB狀態(tài)下聯(lián)跳二次風(fēng)機(jī)的同時(shí)要相應(yīng)減少一次風(fēng)機(jī)的出力。

4 機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)化

4.1 采用左、右2個(gè)鍋爐主控

CFB鍋爐控制重點(diǎn)是確保床面的左右側(cè)床料均衡。這不僅影響到整個(gè)機(jī)組床溫、床壓、一次風(fēng)量等的控制，而且某側(cè)床溫高對(duì)同側(cè)過熱、再熱蒸汽溫度的控制也有一定的影響。在控制上以燃料量的均勻分配來實(shí)現(xiàn)整個(gè)床面溫度控制的均衡，因此，將機(jī)組的鍋爐主控分左、右2個(gè)（采用相同的被調(diào)量、相同的調(diào)節(jié)參數(shù)且同時(shí)投入/退出自動(dòng)），左側(cè)鍋爐主控的輸出形成左側(cè)燃料量的設(shè)定，經(jīng)左側(cè)燃料主控后控制A、B、C、D四臺(tái)給煤機(jī)，右側(cè)與左側(cè)相同。這樣當(dāng)一側(cè)某一給煤機(jī)故障時(shí)，由該側(cè)其他處于自動(dòng)工況給煤機(jī)分擔(dān)，從而達(dá)到床上兩側(cè)燃料量的均衡。

4.2 煤量偏置用于修正床溫的偏差

實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常發(fā)生斷煤的情況以及由于給煤機(jī)標(biāo)定存在的差異，導(dǎo)致實(shí)際的兩側(cè)燃料不相等，床溫出現(xiàn)偏差。因此，增加自動(dòng)狀態(tài)下的兩側(cè)煤量偏置接口，用于運(yùn)行人員微調(diào)。

4.3 床壓控制

床壓的大小及兩側(cè)床壓的平衡依靠排渣來進(jìn)行控制。當(dāng)兩側(cè)床壓偏差增大時(shí)，兩側(cè)差壓的函數(shù)作為前饋?zhàn)詣?dòng)增加床壓較大側(cè)的冷渣器轉(zhuǎn)速，減小床壓較小側(cè)的冷渣器轉(zhuǎn)速。此外，床溫較高處的排渣量可通過改變此處冷渣器的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行微調(diào)。

4.4 鍋爐主控前饋邏輯的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)中，鍋爐主控的前饋量為設(shè)定負(fù)荷的函數(shù)（采用滿負(fù)荷對(duì)應(yīng)50%燃料量），燃料主控的設(shè)定和反饋采用百分量，以實(shí)際煤量除以帶滿負(fù)荷所需投運(yùn)給煤機(jī)的臺(tái)數(shù)（4臺(tái)），這樣，運(yùn)行給煤機(jī)臺(tái)數(shù)的不同將導(dǎo)致鍋爐主控的前饋輸出所對(duì)應(yīng)的煤量不準(zhǔn)確。為此將鍋爐主控的輸出改為對(duì)應(yīng)實(shí)際的燃料量。同時(shí)，為提高機(jī)組變負(fù)荷過程的燃燒率，必須保證鍋爐有足夠的熱量變化。通過仿真比較變負(fù)荷過程smith預(yù)估器、使用4階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)造的微分以及設(shè)定負(fù)荷的微分，選擇設(shè)定負(fù)荷的微分作為鍋爐主控前饋的一部分，如圖4。此外，一次風(fēng)量的變化對(duì)提高主汽壓力的響應(yīng)速度非常關(guān)鍵，有必要在動(dòng)態(tài)過程犧牲掉一定的床溫來提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力。

4.5 鍋爐主控的變參數(shù)控制

為滿足動(dòng)態(tài)過程主汽壓力偏差盡可能小，鍋爐響應(yīng)速度快；穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程相對(duì)較穩(wěn)，波動(dòng)小。根據(jù)機(jī)組穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)、不同變負(fù)荷速率、主汽壓差的大小對(duì)鍋爐主控采用變參數(shù)控制，見圖5。

5 機(jī)組變負(fù)荷過程曲線

機(jī)組在投入CCBF方式下進(jìn)行負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)，變動(dòng)范圍為200～250 MW，滑壓方式投入，負(fù)荷變動(dòng)率為6 MW/min，見圖6、圖7。

6 結(jié)語

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及子系統(tǒng)控制策略的使用，提高了循環(huán)流化床機(jī)組的燃燒率，保證了機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)負(fù)荷的要求，對(duì)相關(guān)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的投入及優(yōu)化，提高流化床機(jī)組的負(fù)荷變化率具有一定的參考價(jià)值。

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