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， 郭嚴昊

（華電電力科學研究院 西安分院，陜西 西安 710054）

AGC深度調峰過程中，火電機組制粉系統(tǒng)產生的磨煤機啟動、停運或跳閘等擾動工況，直接導致主汽壓、主汽溫等主參數的劇烈變化，嚴重影響了AGC的調節(jié)品質。為解決此問題，提出了燃料量超馳控制和一次風壓自動修正的雙重抗干擾型的控制策略。并應用在某350MW超臨界機組的AGC深度調峰制粉系統(tǒng)控制中，運行結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壓的動態(tài)匹配關系，同時可有效地克服制粉系統(tǒng)的擾動，保障機組主參數的穩(wěn)定性能和AGC的調節(jié)品質。

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AGC深度調峰的需要，電負荷在50%Pe-100%Pe范圍內周期性地變動，制粉系統(tǒng)反復出現磨煤機啟動、停運或者跳閘等擾動工況。期間一次風系統(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）等主要參數大幅波動的現象普遍存在，進而影響機組安全和AGC的調節(jié)品質。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調節(jié)品質，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，包括兩臺一次風機（1、2）、多臺給煤機(14、16)和磨煤機（15、17）及相應的測量元件和控制設備。

圖1中的壓力變送器（8、9、10）實時監(jiān)測一次風母管壓力，三路測量值經過MCS“三取中”運算后，形成一次風壓自動控制系統(tǒng)（以下簡稱風壓控制系統(tǒng)）被調量；風壓控制系統(tǒng)執(zhí)行單元為一次風機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，求和后得到機組總燃料量，其平均值即為磨煤機平均出力；磨煤機的電流信號（22、25）、磨煤機電機合閘信號（21、24）及磨煤機入口熱風調節(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)，是根據機組能量需求自動調整總燃料量；其二是風壓控制系統(tǒng)，是保持與機組總燃料量匹配的一次風母管壓力。下面結合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

為了滿足電網二次調頻的需要，AGC指令必然頻繁出現大幅度的變化[1]，火電機組的制粉系統(tǒng)也將出現啟磨、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通道引起一次風壓迅速下降，風壓控制系統(tǒng)將自動增大風機的出力，進入爐膛的一次風總流量大幅增加。

（3）在爐膛有效燃料量和一次風總流量同

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）等主要參數快速上升。

1.2.2 停磨工況

停磨過程中，當粉通道切斷時將出現下述四種情況：

（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，磨煤機入口一次風量的需求量增大。

（3）一次風壓急劇上升，風壓控制系統(tǒng)自動減小一次風機的出力，進入爐膛的一次風總流量大幅降低，同時磨煤機入口一次風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總流量的穩(wěn)定；其二，一次風壓指令不合理，不能保持磨煤機平均出力與一次風壓的動態(tài)匹配關系，在高負荷形成能源浪費，而在低負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的穩(wěn)定，必須在兩個方面進行嚴格控制：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壓自動修正功能[3]。

當邏輯監(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)出燃料調整指令，實現快速預給煤且緩慢恢復的調整功能，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)出風壓調整指令，校正總燃料指令對應的一次風壓特性曲線，保持磨煤機平均出力與一次風母管壓力的動態(tài)匹配關系，維持進入爐膛的總一次風量的穩(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：兩臺一次風機、多臺給煤機、多臺磨煤機、燃料調整單元和風壓調整單元，包含燃料量超馳控制和一次風壓自動修正控制兩部分。

控制策略DCS邏輯內容如圖3所示，由開關量計算器、加法器、一階慣性環(huán)節(jié)、常數、模擬量切換器、函數發(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調節(jié)器及手/自動切換控制站等功能塊組成。下面結合圖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，用于調整擾動工況下進入爐膛（26）的燃料量。

2.1.1 計數模塊

計數模塊（70）用于儲存磨煤機運行數量，由磨煤機入口熱風調節(jié)閥開度、磨煤機電氣開關信號及磨煤機電流信號、開關量計數器和加法器組成。

以A磨煤機為例，當A磨煤機入口熱風調節(jié)閥開度、A磨煤機電流值、A磨煤機電氣開關三者狀態(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過開關量計數器（31、32）實現D/A轉換，并經加法器（33）求和，計算出磨煤機運行數量。計算結果連接到燃料調整單元和風壓調整單元。

2.1.2 判斷模塊

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

計數模塊（70）的輸出信號經過一階慣性環(huán)節(jié)（34）和減法器（35）運算，構成特殊的微分環(huán)節(jié)。當微分量（35）輸出負值，經過低值選擇器（37）邏輯運算得出“停磨”信號；當微分量（35）輸出正值，經過高值選擇器（38）邏輯運算得出“啟磨”信號。常數塊36設為0。

2.1.3 運算模塊

運算模塊（72）用于根據判斷模塊（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）設置不同的切換速率，能夠實現快速預給煤并緩慢恢復的功能?！皢⒛ァ惫r下總燃料調整量為-8t/h，速率為1t/h.s-1；“停磨”工況下總燃料調整量為10t/h，速率為1.5t/h.s-1。兩種工況下燃料調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的速率恢復至零。常數塊39/40/42分別設為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，運算結果連接到函數發(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。

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

經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。

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，疊加機組負荷對應的燃料指令，完成多臺給煤機指令分配任務。

2.2 一次風壓自動修正控制

一次風壓自動修正控制由風壓校正模塊（80）、總燃料指令（81）、指令模塊（82）、風壓測量模塊（83）、調整模塊（84）及風壓輸出模塊（85）組成，用于保持磨煤機平均出力與一次風母管壓力的動態(tài)匹配關系。

2.2.1 一次風壓校正模塊

風壓校正模塊（80）用于快速調整“啟磨”及“停磨”工況一次風壓，保持磨煤機平均出力與一次風壓的動態(tài)匹配關系。

偏置手操器（51）用于手動調整一次風壓設定值；一階慣性環(huán)節(jié)（54）用于風壓設定值平滑處理；函數發(fā)生器（55）為一次風壓校正模塊的核心，其函數關系見表1。

表1 一次風壓校正模塊函數

由表1可以確定，“啟磨”及“停磨”工況下一次風壓設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量不匹配的問題。

2.2.2 指令模塊

指令模塊（82）根據風壓校正模塊輸出和總燃料指令對應的一次風壓特性曲線，形成最終的風壓控制指令。

一階慣性環(huán)節(jié)（52）接收總燃料指令進行平滑處理，輸出值連接到函數發(fā)生器（53），形成總燃料指令對應的一次風壓特性曲線，構成一次風壓指令理論曲線，與風壓校正模塊輸出值疊加形成最終的一次風壓控制指令。表2為一次風壓指令理論曲線，表3和表4分別為“啟磨”和“停磨”工況一次風壓指令修正曲線。

2.2.3 風壓測量模塊

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

風壓測量通道接收三路一次風母管壓力信號，經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壓力轉換成平穩(wěn)可調節(jié)的信號，運算結果連接到PID調節(jié)器（57）的輸入端。

2.2.4 調整模塊

調整模塊（84），對應于SAMA圖中的PID調節(jié)器（57），用于根據指令模塊（82）和風壓測量模塊（83）的輸出值自動調節(jié)一次風母管壓力，具有比例和積分功能。

2.2.5 風壓輸出模塊

風壓輸出模塊（85），對應于SAMA圖中的手/自動控制站（58），用于平衡兩臺一次風機出力，根據兩臺一次風機電流的偏差自動調整A、B側一次風母管壓力調節(jié)閥的偏置，防止單側一次風機出力受阻，出現“搶風”現象。

3 制粉系統(tǒng)抗干擾性能的應用

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

3.1 一次風壓自動修正效果

一次風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”時快速降低一次風壓，而在“停磨”時快速提升提升一次風壓，如此既降低了熱負荷高位運行時的一次風管道阻力，又提高了熱負荷低位運行時的一次風攜粉能力，避免制粉系統(tǒng)堵塞。

表3 啟磨工況一次風壓指令修正曲線

表4 停磨工況一次風壓指令修正曲線

圖4 升負荷過程一次風壓指令效果圖

圖5 降負荷過程一次風壓指令效果圖

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變化曲線

圖7 停磨過程機組主要參數變化曲線

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”（升負荷階段）工況和“停磨”（降負荷）工況下機組主要參數的歷史曲線，時長30分鐘。兩種工況下各參數控制指標見表5和表6。

通過圖6、圖7曲線及表5、表6的數據可以確認，在“啟磨”和“停磨”工況下機組各主要參數控制指標均達到《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 啟磨工況主要參數統(tǒng)計

表6 停磨工況機組主要參數統(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、磨煤機入口熱風調節(jié)閥開度以及磨煤機電氣開關閉合接點綜合判斷的結果，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的快速性和中后期恢復過程的穩(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壓修正雙重功能，既保持磨煤機平均出力與磨入口一次風量的動態(tài)平衡關系，又維持了進入爐膛的燃料量、一次風總量、鍋爐燃燒率及機組主要參數的穩(wěn)定性能。

4 結語

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壓自動修正控制雙重功能，充分利用控制策略的準確性、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的穩(wěn)定及AGC調節(jié)品質[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排放指標與蒸汽溫度自動平衡控制技術的研究》，編號：CHECKJ16-03-75）

[1]李銘，韓海峰，楊紅彥，等.火電廠鍋爐一次風機的一次風壓自動尋優(yōu)系統(tǒng)及方法[P].中國：發(fā)明專利CN104456614 A.2015-03-25.

[2]王月蘭，唐義軍，馬增益，等.一種一次風壓力自適應控制方法[P].中國：發(fā)明專利CN104646167 A.2015-03-27.

[3]魏同生，黃香彬，張玉勝，等.一種一次風壓目標值智能控制系統(tǒng)及方法[P].中國：發(fā)明專利CN104848250A.2015-08-19.

[4]周策，杜艷生，丁滿堂，等.具有失速保護功能的發(fā)電機組一次風壓控制系統(tǒng)[P].中國：發(fā)明專利CN204717732 U.2015-10-21.

[5]李泉，朱北恒，尹峰，等.火電機組協調控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].熱力發(fā)電,2012,40（6）:52-56.

[6]張銳鋒，潘華，李小軍，等.制粉系統(tǒng)動態(tài)特性對協調控制系統(tǒng)的影響[J].熱力發(fā)電,2015,（07）:78-82.

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域的研究工作。

2017-06-01

修回日期：2017-06-27