直流爐的燃料和給水控制策略研究

郁 強(qiáng) 王兆舜 夏 靜 劉 瀟

（國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

電網(wǎng)發(fā)展，要求發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定的前提下負(fù)荷響應(yīng)更快、更靈活[1]，而火電機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高，使水和蒸汽的密度差減小，自然循環(huán)鍋爐受到限制，其在臨界壓力附近運(yùn)行時(shí)，有一個(gè)壓力不穩(wěn)定區(qū)域[2]，故此超（超超）臨界機(jī)組均配置直流爐，同時(shí)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)也面臨一些新問題[3]。

超（超超）臨界直流鍋爐是一個(gè)強(qiáng)耦合、多變量、大時(shí)滯的被控對(duì)象[4]，其中主蒸汽壓力與中間點(diǎn)溫度是直流爐控制的難點(diǎn)之一。對(duì)于這兩個(gè)控制對(duì)象，一般有兩種控制方式：一種是用給水控制主蒸汽壓力，燃料控制中間點(diǎn)溫度，但給水是比較快的被控對(duì)象，而燃料需要經(jīng)過輸送、碾磨后被吹進(jìn)爐膛，再經(jīng)過燃燒放熱才被吸收，是比較慢的被控對(duì)象，這種控制方式往往會(huì)造成中間點(diǎn)溫度、蒸汽溫度的大幅波動(dòng)，甚至可能超溫引起爆管，影響機(jī)組的安全運(yùn)行；另一種是用燃料控制主蒸汽壓力，給水控制中間點(diǎn)溫度，這種控制方式有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，本文燃料和給水的解耦控制正是基于這種控制方式。

1 燃料和給水的耦合關(guān)系

直流爐燃料和給水之間存在強(qiáng)耦合關(guān)系，即燃料量變化、給水量變化均會(huì)對(duì)主蒸汽壓力和中間點(diǎn)溫度有影響，而主蒸汽壓力、中間點(diǎn)溫度變化又會(huì)造成燃料量、給水量變化。直流爐燃料和給水之間的關(guān)系框圖如圖1所示。

圖1 直流爐給水和燃料的關(guān)系

通過試驗(yàn)的方式對(duì)直流爐燃料和給水的強(qiáng)耦合關(guān)系進(jìn)行了充分驗(yàn)證，試驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果如表1所示。

表1 直流爐燃料和給水耦合關(guān)系試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果分析如圖2所示（分析均建立在鍋爐效率不變的前提下）。

圖2 直流爐燃料和給水耦合試驗(yàn)結(jié)果分析

詳細(xì)分析：給水指令變化時(shí)，首先給水泵轉(zhuǎn)速指令或勺管開度指令變化，給水經(jīng)過水冷壁，轉(zhuǎn)態(tài)后即可到達(dá)過熱器進(jìn)行吸熱；燃料指令變化時(shí)，首先給煤機(jī)指令變化，燃料進(jìn)入磨煤機(jī)，經(jīng)磨煤機(jī)碾磨后，被一次風(fēng)吹進(jìn)爐膛，再燃燒放熱，最終通過熱傳導(dǎo)/熱輻射的方式被過熱器吸收。燃料量開始變化至燃料放熱被過熱器吸收的時(shí)間，顯著大于給水量開始變化至給水到達(dá)過熱器的時(shí)間，所以當(dāng)燃料量和給水量同時(shí)增大時(shí)，中間點(diǎn)溫度會(huì)先降低再升高，二者同時(shí)減小時(shí)，中間點(diǎn)溫度會(huì)先升高再降低。

試驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）給水對(duì)主蒸汽流量有影響，但這種影響是暫時(shí)的，給水和主蒸汽流量之間的關(guān)系近似為微分；

（2）對(duì)于中間點(diǎn)溫度的影響，給水要快于燃料，為保證中間點(diǎn)溫度的穩(wěn)定，給水指令要慢于燃料指令。

主蒸汽流量變化時(shí)，如果機(jī)組電功率不變，則主蒸汽壓力會(huì)與主蒸汽流量同步變化，上述結(jié)論中的主蒸汽流量可以等效變換為主蒸汽壓力。

2 燃料和給水解耦控制

機(jī)組負(fù)荷快速變化時(shí)，如果不考慮燃料和給水之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，會(huì)引起燃料和給水之間的互相干擾，造成主蒸汽壓力和中間點(diǎn)溫度的劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行安全。為此，需要充分考慮并利用這種強(qiáng)耦合關(guān)系，以提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

將解耦控制回路插入到壓力和溫度主控制器及其從屬控制之間。解耦控制回路將動(dòng)態(tài)補(bǔ)償燃料和給水的交叉耦合，可以有效控制燃料和給水的互相干擾，大大提高直流爐的控制響應(yīng)速度和運(yùn)行穩(wěn)定性。新的控制框圖如圖3所示。

圖3 直流爐給水和燃料的解耦控制

將燃料和給水的解耦控制應(yīng)用于實(shí)際機(jī)組中，得到的控制框圖如圖4所示，其中函數(shù)1（f1（x））為負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)的基本燃料指令，函數(shù)2（f2（x））為燃料指令對(duì)應(yīng)的基本給水指令。圖中粗框?yàn)榻o水與燃料的解耦控制，通過試驗(yàn)可以得到初始的慣性時(shí)間、微分時(shí)間，然后在調(diào)試中微調(diào)。通過這種解耦控制，可以使燃料和給水在鍋爐內(nèi)部同步產(chǎn)生作用，并能有效消除二者之間的互相擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力和中間點(diǎn)溫度的穩(wěn)定控制，大大提高燃料和給水的響應(yīng)速度，提高機(jī)組整體的響應(yīng)速度，提升機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

圖4 直流爐燃料和給水優(yōu)化控制框圖

3 給水控制優(yōu)化后的運(yùn)行效果

將直流爐燃料和給水解耦優(yōu)化控制應(yīng)用于國電某一電廠，并對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行對(duì)比。電廠最初的運(yùn)行曲線如圖5所示。

圖5 機(jī)組最初運(yùn)行曲線

燃料和給水解耦優(yōu)化控制前：中間點(diǎn)溫度不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，上下有40 ℃的偏差，給水流量和燃料量均有較大波動(dòng)，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制偏差較大（主蒸汽溫度最大有40 ℃偏差，再熱蒸汽溫度最大有35 ℃偏差），機(jī)組運(yùn)行不夠穩(wěn)定。

直流爐增加燃料和給水解耦優(yōu)化控制，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定調(diào)試后，機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況得到了極大改善，優(yōu)化后的運(yùn)行情況如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后機(jī)組運(yùn)行曲線

經(jīng)過燃料和給水解耦優(yōu)化控制后，主蒸汽壓力穩(wěn)定，偏差在0.2 MPa以內(nèi)，中間點(diǎn)溫度控制平穩(wěn)，偏差在8 ℃以內(nèi)，主蒸汽、再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定性大大提高，主蒸汽溫度偏差在4 ℃以內(nèi)，再熱蒸汽溫度偏差在6 ℃以內(nèi)，大大提高了整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過直流爐燃料和給水的解耦優(yōu)化控制，直流爐中間點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性提高，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制穩(wěn)定，有效減輕了燃料和給水的互相擾動(dòng)，在提高機(jī)組響應(yīng)速度的同時(shí)，大大提高了機(jī)組整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。