大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

冀樹春，冀樹芳， 閆普，解觀棟，朱宏（神華神東電力有限責(zé)任公司, 陜西 神木 719300）

1 機(jī)組概況介紹

電廠4×200MWCFB空冷機(jī)組，鍋爐是690t/h超高壓、中間再熱、單汽包自然循環(huán)鍋爐，燃用設(shè)計煤種時，能夠穩(wěn)定運(yùn)行；汽輪機(jī)是N200-12.75/535/535型超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)，DEH采用Ovation系統(tǒng)；DCS為國電智深EDPF-NT+系統(tǒng)，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）設(shè)計在MCS控制器中。隨著電網(wǎng)對電廠AGC高品質(zhì)要求，AGC穩(wěn)定投運(yùn)已成為當(dāng)前電廠自動控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其投運(yùn)關(guān)鍵因素是機(jī)組CCS高品質(zhì)穩(wěn)定投運(yùn)；但CFB鍋爐CCS仍然存在問題，已是其推廣應(yīng)用的一個主要障礙。

2 CFB機(jī)組協(xié)調(diào)控制存在的難點(diǎn)

CFB鍋爐在動態(tài)特性上不同于煤粉爐，是風(fēng)、煤、水等眾多變量相互影響和相互耦合的復(fù)雜多變動態(tài)系統(tǒng)，主蒸汽壓力對燃料量的響應(yīng)時間滯后太長，使它和常規(guī)煤粉爐在控制上存在很大差異，主要表現(xiàn)在CFB鍋爐燃燒室內(nèi)流化層大熱容量的熱平衡特性，這種特性及其隨運(yùn)行工況變化而變化的特性，造成了CFB鍋爐燃燒過程實(shí)現(xiàn)自動控制的困難，使CFB鍋爐熱工自動控制成為其推廣應(yīng)用的一個障礙。CFB鍋爐控制理論上具有以下特點(diǎn)：

（1）大遲延：即從輸入變量（給煤量和風(fēng)量）改變到負(fù)荷、汽壓響應(yīng)有較大的滯后慣性。

（2）多變量耦合：給煤量、返料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、床溫、床壓等對主汽壓力、主汽溫度、負(fù)荷、床溫的影響有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，這給被調(diào)量與調(diào)節(jié)量的變量關(guān)系配對帶來困難，各參數(shù)間的耦合和配對關(guān)系分別見表1和表2所示。

表1 CFB鍋爐參數(shù)的耦合關(guān)系[2]

表2 被調(diào)量與調(diào)節(jié)量的變量配對表

（3）非線性特性：給煤量與風(fēng)量對床溫的影響不定，往往先升后降或先降后升，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。

（4）快機(jī)慢爐：汽機(jī)調(diào)節(jié)快與鍋爐燃燒慢之間矛盾尤為突出，給機(jī)爐CCS帶來了困難。

CFB鍋爐CCS研究大致有兩種方向，一是脫離DCS系統(tǒng)。采用新型控制算法和設(shè)備，先建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，再運(yùn)用現(xiàn)代控制理論和算法搭建先進(jìn)控制邏輯，通過現(xiàn)場采樣、系統(tǒng)試驗(yàn)等達(dá)到優(yōu)化控制目的。如廈門大學(xué)的xd-apc控制系統(tǒng)和新華燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，在CFB鍋爐CCS研究方面有所突破，但需另外配置軟硬件系統(tǒng)，且出于技術(shù)保密，核心技術(shù)不透明，使運(yùn)行、維護(hù)不方便，故推廣應(yīng)用受到一定限制。另一種是在DCS系統(tǒng)里，借鑒煤粉爐CCS經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計一套改進(jìn)的CFB機(jī)組CCS，此系統(tǒng)往往穩(wěn)定狀態(tài)時調(diào)節(jié)效果較好，負(fù)荷變動時主汽壓力波動較大，但也為CFB機(jī)組CCS研究積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3 CFB機(jī)組協(xié)調(diào)控制的分析

通過對CFB鍋爐協(xié)調(diào)控制理論和策略研究，以及對長期手動調(diào)整數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、總結(jié)和試驗(yàn)，參考相關(guān)領(lǐng)域前人工作，研究發(fā)現(xiàn)：“爐跟機(jī)”CCS方式下，為保證主汽壓力品質(zhì)，給煤量變化幅度很大，導(dǎo)致床溫變化過快，影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行；“機(jī)跟爐”CCS方式下，給煤量變化較平緩，雖然負(fù)荷響應(yīng)較慢，但整體調(diào)節(jié)效果比“爐跟機(jī)”方式好；直接能量平衡控制策略會引起參數(shù)超調(diào)較大，間接能量平衡控制策略在這方面好一些，但對煤質(zhì)變化反應(yīng)遲緩；使用燃料前饋能有效克服燃料調(diào)節(jié)的滯后性，由于CFB鍋爐慣性較大，正常變負(fù)荷時，必須限制機(jī)組的變負(fù)荷速率。

通過理論論證、實(shí)踐驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析都證實(shí)：機(jī)組運(yùn)行較穩(wěn)定或負(fù)荷變化率設(shè)置合理時，通過優(yōu)化控制策略，在DCS系統(tǒng)上設(shè)計一套CCS是可行的，且主要被控參數(shù)均可調(diào)整在合理范圍內(nèi)；因此，電廠2009年對CFB機(jī)組CCS進(jìn)行立項(xiàng)研究試驗(yàn)。

4 CFB機(jī)組的CCS研究

CFB機(jī)組CCS品質(zhì)，突出表現(xiàn)在CCS負(fù)荷響應(yīng)特性不能滿足電網(wǎng)要求，CCS控制品質(zhì)不能滿足機(jī)組穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。研究結(jié)論如下：

（1) CCS基本策略，關(guān)鍵在于處理機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性的矛盾。汽機(jī)控制既要充分利用鍋爐蓄能，滿足機(jī)組負(fù)荷要求，又要動態(tài)調(diào)整鍋爐能量輸入，補(bǔ)償鍋爐能量，且要求既快又穩(wěn)。

（2)機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率，關(guān)鍵在于鍋爐負(fù)荷響應(yīng)速率的提高是通過調(diào)節(jié)汽門的動態(tài)過開，縮短負(fù)荷響應(yīng)的滯后時間，以合理利用鍋爐蓄熱。

（3)減小系統(tǒng)動、靜態(tài)偏差，關(guān)鍵在于形成合適的壓力定值，使動態(tài)過程中壓力定值曲線與實(shí)際壓力變化相吻合；并在動態(tài)過程中合理設(shè)計鍋爐負(fù)荷指令的超調(diào)量，使負(fù)荷指令接近目標(biāo)值時超調(diào)量逐漸減??；再根據(jù)鍋爐負(fù)荷響應(yīng)特性，在動態(tài)中限制調(diào)節(jié)汽門的動作，使機(jī)爐間相互協(xié)調(diào)。

（4)提高CCS對不確定擾動因素的適應(yīng)性，關(guān)鍵在于盡可能減少或消除鍋爐與汽機(jī)的相互影響，采用擾動補(bǔ)償、自治或解耦控制原理，使擾動在擾動控制回路中自行快速消除，而非擾動控制回路應(yīng)少動或不動，以利于過程穩(wěn)定。

CFB鍋爐燃燒優(yōu)化控制中，機(jī)組CCS投入后，以汽機(jī)調(diào)節(jié)負(fù)荷，鍋爐調(diào)節(jié)壓力，CCS接受負(fù)荷指令。當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷變化較大時，對CFB鍋爐耦合性強(qiáng)的負(fù)荷、主汽壓、床溫、床壓等參數(shù)進(jìn)行解耦，整個系統(tǒng)保持在總能量平衡下調(diào)整。電廠#2機(jī)組CCS統(tǒng)結(jié)合CFB鍋爐特點(diǎn)，選擇一種DCS系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)的控制策略，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建立輸入變量與被控量之間配對關(guān)系（見表2.2），采用前饋加校正和合理限制升降負(fù)荷率及解耦等設(shè)計理念，用鍋爐側(cè)調(diào)節(jié)主蒸汽壓力、汽輪機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)有功功率的"爐跟機(jī)"CCS方式；將強(qiáng)耦合關(guān)系變量之間進(jìn)行解耦設(shè)計，忽略弱耦合關(guān)系變量間的影響，并嚴(yán)格限制機(jī)組升降負(fù)荷率，緩解快機(jī)慢爐矛盾；為充分利用CFB鍋爐蓄熱大特點(diǎn)，采用快升慢降的變負(fù)荷率控制；大量采用前饋控制來克服CFB鍋爐的大慣性；通過完善一次調(diào)頻功能，汽機(jī)側(cè)采用“壓力偏差回拉功率”回路，來限制調(diào)節(jié)氣門動作速率；將直接能量平衡改為間接能量平衡等策略；有效地對CFB鍋爐多變量、強(qiáng)耦合、大滯后、大慣性的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行解耦，控制效果明顯。

從區(qū)域文化視角考察作家個性氣質(zhì)、文化人格的生成，地理環(huán)境應(yīng)是一個可以觀照的角度。地理環(huán)境(包括山川、氣候、物象)對于人格的養(yǎng)成，并不是決定性因素，卻也是一個重要因素。近代劉師培在《南北文學(xué)不同論》[2]中曾從山川、地形、風(fēng)情、民俗、語言等不同文化生態(tài)元素闡釋南北文學(xué)之異同，對體認(rèn)不同地域作家生就不同氣質(zhì)、稟賦乃至文化個性就頗有啟迪。魯迅亦有論述：“中國的人們，不但南北，每省也有些不同的”，“我還能看出浙西人和浙東人的不同”[3]。魯迅的這個判斷，主要是從地域民性、風(fēng)情、語言習(xí)慣等造就不同文化品性做出的，此說頗能區(qū)分“兩浙”人的不同文化性格。

4.1 前饋控制在CCS中的設(shè)計

根據(jù)能量平衡原理，在反饋控制基礎(chǔ)上，引入某參數(shù)的前饋控制，使機(jī)爐間的能量平衡在失去或剛要失去平衡時，及時按照機(jī)爐特性采取前饋控制運(yùn)算，限制能量失衡在較小范圍內(nèi)。前饋控制是機(jī)組負(fù)荷控制的重要組成部分，是CCS的核心。通常負(fù)荷控制是按負(fù)荷指令進(jìn)行的，前饋控制主要是補(bǔ)償對象(特別是鍋爐側(cè))動態(tài)特性的延遲和慣性，加快負(fù)荷響應(yīng)，在變負(fù)荷過程中起粗調(diào)作用。由于CFB鍋爐燃燒過程的遲延是影響其負(fù)荷響應(yīng)特性的主要因素，因此，負(fù)荷前饋控制的重點(diǎn)是鍋爐側(cè)。為有效補(bǔ)償鍋爐側(cè)動態(tài)遲延和慣性，前饋控制除采用（比例作用）外，還采用動態(tài)前饋（微分作用），來達(dá)到超前控制作用，加速CFB鍋爐負(fù)荷響應(yīng)，改善整個機(jī)組負(fù)荷控制質(zhì)量。而從汽機(jī)側(cè)的對象動態(tài)特性分析，不必采用動態(tài)前饋控制，只采取靜態(tài)前饋，即當(dāng)負(fù)荷需求變化時，調(diào)節(jié)汽門開度及時響應(yīng)，以提高負(fù)荷控制質(zhì)量。

4.2 汽機(jī)主控功率指令的“壓力偏差回拉功率” 修正設(shè)計

由于CFB鍋爐的大遲延特性，在以2MW/min速率進(jìn)行幅值為l0MW的變負(fù)荷試驗(yàn)過程中，主蒸汽壓力波動幅值超過±0.75MPa，因此， "爐跟機(jī)"CCS方式，通過設(shè)定好的主蒸汽壓力偏差與功率函數(shù)關(guān)系的"壓力偏差回拉功率"回路，限制修正汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門動作速率。該方法主要用在"爐跟機(jī)"或汽機(jī)基本自動方式下,新設(shè)計思路將爐側(cè)機(jī)前壓力偏差通過一死區(qū)非線性模塊負(fù)向加到汽機(jī)功率指令回路中，來使汽機(jī)在鍋爐壓力允許范圍內(nèi)利用鍋爐的蓄熱。

原設(shè)計方案未將機(jī)前壓力偏差作為前饋引入汽機(jī)功率調(diào)節(jié)器，實(shí)質(zhì)是種“爐跟機(jī)”方式；特點(diǎn)是負(fù)荷響應(yīng)速度快，但機(jī)前壓力波動較大。為克服此不足，增加死區(qū)非線性環(huán)節(jié)，汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度根據(jù)功率偏差大小而改變。增負(fù)荷時（ULD-MW）＞0，調(diào)節(jié)汽門開度μT增加，而μT變化引起機(jī)前壓力PT下降，從而使壓力偏差（P0-PT）增大。壓力偏差信號通過一死區(qū)非線性環(huán)節(jié)負(fù)向加到汽機(jī)功率指令回路中作為補(bǔ)償。如壓力偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，則不對輸出進(jìn)行校正，使MW盡快響應(yīng)ULD。如壓力偏差（P0-PT）增大到死區(qū)范圍外，輸出補(bǔ)償起作用，限制調(diào)節(jié)汽門進(jìn)一步增大，即限制過量利用鍋爐蓄熱，維持機(jī)前壓力穩(wěn)定?？梢娧a(bǔ)償信號補(bǔ)償了鍋爐側(cè)，防止調(diào)節(jié)汽門過開和穩(wěn)定機(jī)前壓力。但又一定程度上影響了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度；為此，在對汽機(jī)功率調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行系數(shù)修正后（該修正系數(shù)為機(jī)前壓力偏差和機(jī)組功率偏差的函數(shù)），又增加了負(fù)荷參考前饋，從而提高機(jī)組在變負(fù)荷條件下對負(fù)荷的響應(yīng)能力?？刂七壿嬕妶D1。

圖1 汽機(jī)主控功率指令的修正邏輯示意圖

4.3 鍋爐燃燒控制子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

CFB鍋爐特點(diǎn)是燃料及脫硫劑多次循環(huán)。由于燃料在爐膛中經(jīng)多次循環(huán)燃燒才能將能量全部釋放，即改變?nèi)剂虾螅栎^長時間才能改變爐膛內(nèi)熱量；因此CFB鍋爐負(fù)荷響應(yīng)特性較差、滯后較大、調(diào)節(jié)較困難。為克服其調(diào)節(jié)滯后性，采取燃料前饋設(shè)計，即負(fù)荷預(yù)加煤前饋、負(fù)荷動態(tài)前饋和“正踢”及“反踢”等功能。

（1）預(yù)加煤前饋

負(fù)荷預(yù)加煤控制主要是根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷的偏差以及燃料負(fù)荷的配比函數(shù)關(guān)系，計算出預(yù)加煤量，在目標(biāo)負(fù)荷剛開始變化時，就按照一定速率預(yù)先加入一定的煤，從而目標(biāo)負(fù)荷ULD在一定程度上克服鍋爐的調(diào)節(jié)滯后。實(shí)際負(fù)荷MW原理和燃料前饋見圖2。MW與ULD的偏差經(jīng)時間函數(shù)f1(t)和預(yù)加煤計算函數(shù)f(x)后，形成指令Bf1；Bf1與自身微分后的和形成預(yù)加煤前饋Bf，微分環(huán)節(jié)是增強(qiáng)前饋對負(fù)荷調(diào)節(jié)后期的燃料量作用，來克服大負(fù)荷變動時，后期加煤不足問題。微分時間Td值的確定與CFB鍋爐熱力慣性有關(guān)，具體參數(shù)通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得；f(x)和時間函數(shù)f(t)的參數(shù)值也要通過試驗(yàn)取得。

圖2 鍋爐燃燒控制子系統(tǒng)的優(yōu)化邏輯示意圖

圖2中， ULD微分后可將負(fù)荷定值作超前校正，兩路共同形成燃料前饋Bf，有效克服CFB鍋爐側(cè)的慣性和遲延，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率。

（3）“正踢”、“反踢”控制

CCS方式下，鍋爐主控回路中設(shè)有“加速”回路，由負(fù)荷指令設(shè)定值與實(shí)際負(fù)荷的差值信號經(jīng)一函數(shù)發(fā)生器形成，是一非線性比例調(diào)節(jié)器；當(dāng)負(fù)荷指令設(shè)定值與實(shí)際負(fù)荷的差值信號較大時，說明鍋爐跟不上汽機(jī)的變化，因此輸出一指令信號給鍋爐主控器，令其再額外地增加或減少一部分煤量，起到“加速器”作用，該信號作為基本的穩(wěn)態(tài)功率前饋信號。主汽壓力調(diào)節(jié)器作為細(xì)調(diào)部分。

為最大限度降低鍋爐遲滯和慣性對升降負(fù)荷的影響，在鍋爐主控回路中加入預(yù)給煤運(yùn)算的邏輯，當(dāng)升降負(fù)荷的邏輯信號置位時，給出一個額外的加減煤量的指令，經(jīng)若干時間該信號消失，該信號的作用為“正踢”（相當(dāng)于初始沖量）。當(dāng)升降負(fù)荷的邏輯信號復(fù)位時，此時要求升降負(fù)荷的過程已結(jié)束，但由于鍋爐遲滯的作用，此時進(jìn)入鍋爐的煤量將在隨后的過程中產(chǎn)生過量影響，因此在預(yù)給煤的運(yùn)算邏輯中還設(shè)計了一個“反踢”（類似于“剎車器”）作用，用以防止鍋爐汽壓的“過調(diào)”?？刂七壿嬕妶D3。

圖3 “正踢”和“反踢”功能

4.4 熱量校正設(shè)計

為進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，在鍋爐主控調(diào)節(jié)器后引入鍋爐狀態(tài)反饋信號，來預(yù)測汽壓變化趨勢，修正鍋爐主控器的輸出。鍋爐主控M/A用于設(shè)定機(jī)組的總?cè)剂狭慷ㄖ?，鍋爐指令同時作用到燃料主控、一次風(fēng)及二次風(fēng)控制回路。鍋爐主控未投自動時，其輸出指令跟蹤機(jī)組的當(dāng)前負(fù)荷（即總?cè)剂狭?熱量校正）；用調(diào)節(jié)級壓力與汽包壓力的和微分后作為熱量校正，以有效克服PID調(diào)節(jié)器輸出特性和鍋爐慣性所引起的汽壓過調(diào)或振蕩現(xiàn)象，穩(wěn)定鍋爐汽壓起關(guān)鍵性作用，控制邏輯見圖4。

圖4 鍋爐燃料反饋熱量修正邏輯圖

5 CFB機(jī)組的CCS投入效果分析

通過對CCS參數(shù)多次優(yōu)化調(diào)整和主汽壓力及負(fù)荷擾動試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)控制指標(biāo)：在20MW擾動下，升負(fù)荷率為3MW/min，降負(fù)荷率2MW/min，主汽壓力波動小于±0.75MPa；穩(wěn)定運(yùn)行時，壓力波動小于±0.5MPa；控制指標(biāo)接近于直吹式煤粉爐的CCS指標(biāo)，部分被調(diào)參數(shù)優(yōu)于同容量煤粉爐機(jī)組的控制指標(biāo)，試驗(yàn)曲線見圖5-7。

6 設(shè)計的技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)

結(jié)合不同廠家CFB鍋爐特點(diǎn)，保證各子系統(tǒng)自動調(diào)解品質(zhì)優(yōu)良下，合理選擇CCS方案，解決被控過程強(qiáng)烈的非線性、大滯后和強(qiáng)耦合難題，實(shí)現(xiàn)CFB機(jī)組CCS，滿足機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；關(guān)鍵解決好負(fù)荷控制與床溫控制的強(qiáng)耦合關(guān)系。原則上負(fù)荷是靠給煤量控制，但用給煤量控制負(fù)荷的同時再控制床溫，二者將會發(fā)生矛盾，因?yàn)橛靡粋€控制量來保證兩個參數(shù)狀態(tài)同時穩(wěn)定在各自的給定值上是不可能的。故為保證負(fù)荷滿足要求，允許床溫在一定范圍內(nèi)波動。實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新如下：

（1）一定程度上解決了CFB機(jī)組CCS中被控過程強(qiáng)烈的非線性、大延遲、大滯后和強(qiáng)耦合難題。

（2）基于DCS系統(tǒng)的CCS策略及算法，實(shí)用性強(qiáng)，價格低廉，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

（3）充分吸取運(yùn)用運(yùn)行人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)應(yīng)用人工智能進(jìn)行控制設(shè)計。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立輸入變量與被控變量間的配對關(guān)系，采用前饋加偏差校正設(shè)計理念，前饋信號作主調(diào)量，偏差的PID運(yùn)算作校正值進(jìn)行細(xì)調(diào)，強(qiáng)耦合關(guān)系變量進(jìn)行解耦和弱耦合關(guān)系變量因素忽略設(shè)計，以解決多變量耦合和變量配對難題。

（4）運(yùn)用前饋控制克服CFB鍋爐的大慣性。

（5）采用“正踢、反踢”提前控制，克服機(jī)組大滯后和大延遲特性。

（6）燃料控制回路，煤量反饋信號中引入適度比率的熱量信號（即引入汽包壓力），緩解煤質(zhì)變化對控制效果的影響。

（7）考慮CFB鍋爐蓄熱大，采用快升慢降的變負(fù)荷率控制，緩解快機(jī)慢爐的矛盾。

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