不帶外置床300 MW循環流化床機組的協調控制及優化

2010-06-07 05:25:52趙志丹王邦行段景衛郭三虎程建華郎意安王曉勇

電力建設 2010年9期

趙志丹，王邦行，段景衛，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，能源結構的合理分配顯得至關重要，循環流化床鍋爐的技術發展對解決這一問題提供了新的思路和方向。雖然循環流化床鍋爐，尤其是中小型循環流化床鍋爐已經大量投入商業化運行，但其控制問題一直是其發展的主要問題之一。多數循環流化床鍋爐的燃燒、協調等自動控制投不上，或投入率很低，主要原因在于循環流化床鍋爐比普通鍋爐耦合關系更加復雜，被控對象非線性更加嚴重，這些更增加了投入協調控制的難度。通過對多臺大型循環流化床機組的協調控制策略的研究及優化，在江蘇徐礦綜合利用發電廠一期2×300 MW循環流化床機組工程上所采取的協調控制策略取得了令人滿意的效果。

1 機組概述

江蘇徐礦綜合利用發電廠一期2×300 MW循環流化床機組工程，鍋爐為東方鍋爐廠自主研發型DG-1025/17.5-541/541亞臨界參數自然循環汽包爐，一次中間再熱、單爐膛、汽冷式旋風分離器、平衡通風、固態排渣、前墻給料的布置方式（8臺給煤機）、不帶外置床循環流化床鍋爐。一次風經空預器加熱后分左右兩側水平進入水冷風室，通過布置在布風板上的風帽使床料流化，并形成向上通過爐膛的氣固兩相流，二次風進入布置在前后墻上的二次風箱后，分上下2層進入爐膛，實現分級燃燒。鍋爐結構簡圖見圖1。汽輪機為上海汽輪機廠有限公司生產的型號為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。發電機為上海汽輪發電機有限公司生產的水-氫-氫冷卻、靜態勵磁汽輪發電機。分散控制系統（distribution control system，DCS）采用GE上海新華控制工程有限公司的XDPS-400E系統，整個控制系統為一體化方式。

2 機組的協調控制策略

2.1 機組協調控制的構成方式

在協調控制的結構當中，共包含5種方式：MAN方式（鍋爐主控、汽機主控都在手動），鍋爐跟隨（boiler follow，BF）方式（鍋爐控制主汽壓力，汽機主控在手動），汽機跟隨（turbine follow，TF）方式（汽機控制主汽壓力，鍋爐主控在手動），鍋爐跟隨為基礎的協調控制（coordinated-control boiler follow，CCBF）方式（汽機控制功率，鍋爐控制壓力）。機組負荷指令按比例直接作用到汽機和鍋爐主控，功率偏差、直接能量平衡（direct energy balance，DEB）與熱量信號偏差作為細調。為限制機爐在運行過程的能量失衡，在汽機主控上包含功率修正回路；汽機跟隨為基礎的協調控制（coordinated-control turbine follow，CCTF）方式（鍋爐和汽機同時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。在其中一種運行方式下，其他方式下的調節器處于跟蹤狀態，實現方式上的無擾切換。

目前，機組的負荷響應速度及負荷偏差已成為電網考核的主要指標，也是機組協調控制系統控制水平的標志。因此，在協調方式的運用上，CCBF方式成為機組協調投入的主要運行方式，其他幾種方式僅用于CCBF方式投入過程的過渡，或在快速減負荷（run back，RB）發生時的狀態切換。

2.2 直接能量平衡（DEB）控制策略

直接能量平衡協調控制策略是以汽機的能量需求直接代表鍋爐輸入能量的控制方式，其基本出發點是在任何工況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求相平衡。DEB信號構成形式為

式中：P1為調節級壓力；PT為主汽壓力；PS為主汽壓力設定；u為汽機控制指令；B為鍋爐主控指令；K1為機組動態微分增益。本機組的協調控制采用直接能量平衡控制策略。以（P1/PT）×PS代表汽機的能量需求，控制鍋爐的輸入能量，保證機組內部能量的供需平衡。與間接能量平衡（indirect energy balance，IEB）不同的是機前壓力PT并不代表真正的能量，只是表征能量平衡的參數。采用與汽機調閥開度成正比的信號（P1/PT）×PS及其微分量之和作為鍋爐負荷指令，式中微分項在動態過程中加強燃燒指令，以補償機、爐之間對負荷要求響應速度的差異。由于要求補償的能量不僅與負荷變化量成正比，而且還與負荷水平成比例，所以微分項要乘以（P1/PT）×PS。在變工況運行的情況下，機前壓力設定值PS通常是一個變量。DEB方式的控制框圖見圖2。圖2中Pd為汽包壓力，NO為實際負荷，Ne為設定負荷。

協調控制策略中，汽機主控通常用于控制功率，但當機前壓力偏差超出±0.8 MPa時，引入1個主汽壓力偏差的函數對功率設定值進行修正來維持機爐間的能量平衡，減少負荷變化中主汽壓力偏差大導致閉鎖的發生。在RB過程中采用TF方式控制機前壓力。當汽機控制在就地狀態下，汽機主控跟蹤負荷參考值。鍋爐主控以汽機能量需求信號作為其指令，其反饋信號為P1+c×dPd/dt。其中P1代表了進入汽機的能量，汽包壓力的微分量代表了鍋爐蓄熱的變化。在穩態工況下，dPd/dt=0，鍋爐主控制器的調節作用使PT=PS，從而使設定值與反饋相平衡（都為調節級壓力P1），并且在穩定工況下滿足機組負荷的要求。DEB控制方式結構簡單，充分利用汽包壓力的微分使控制過程更加平穩，實現動態、靜態工況下機爐能量的平衡。

3 機組控制的特點

3.1 床料厚度對控制的影響

在循環流化床鍋爐運行過程中，維持相對穩定的床料厚度十分必要，通常為800～1000 mm。若料層太厚使布風板阻力加大，床料分層嚴重，不但可能引起床下風室風道振動，增大風機電耗，而且容易造成局部流化狀態惡化，導致結焦現象的發生（2號爐床料分層結焦，見圖3）；若料層太薄則一次風會直接穿過，燃燒熱量減小，運行不穩定，帶負荷能力受到影響。因此，必須注意給煤量、排渣量的均衡以及負荷所對應一次風量的控制。

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、一次風量大小等因素的影響。由于內置床的面積較大，共分布8臺給煤機，每臺給煤機對應一定面積的床面，在運行當中盡量運行所有的給煤機進行多點布煤才能保證床面上的煤量分布均勻。從實際運行看，所有運行的給煤機煤量成“V”型，即兩側最邊上的給煤機煤量最多，中間的2臺給煤機的煤量最少，才能保證整個床上溫度的均衡；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量對床溫控制的靈敏性。

3.3 風機出力的平衡控制

流化床鍋爐的總風量包括：二次風量、一次風量和流化風量，在總風量當中3者的比例關系為5∶4∶1。這與常規的煤粉爐差別很大，因此，在引風機的前饋中包含二次風機和一次風機開度指令的綜合作用，而在引風機RB狀態下聯跳二次風機的同時要相應減少一次風機的出力。

4 機組協調控制策略的優化

4.1 采用左、右2個鍋爐主控

CFB鍋爐控制重點是確保床面的左右側床料均衡。這不僅影響到整個機組床溫、床壓、一次風量等的控制，而且某側床溫高對同側過熱、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現整個床面溫度控制的均衡，因此，將機組的鍋爐主控分左、右2個（采用相同的被調量、相同的調節參數且同時投入/退出自動），左側鍋爐主控的輸出形成左側燃料量的設定，經左側燃料主控后控制A、B、C、D四臺給煤機，右側與左側相同。這樣當一側某一給煤機故障時，由該側其他處于自動工況給煤機分擔，從而達到床上兩側燃料量的均衡。

4.2 煤量偏置用于修正床溫的偏差

實際運行中，經常發生斷煤的情況以及由于給煤機標定存在的差異，導致實際的兩側燃料不相等，床溫出現偏差。因此，增加自動狀態下的兩側煤量偏置接口，用于運行人員微調。

4.3 床壓控制

床壓的大小及兩側床壓的平衡依靠排渣來進行控制。當兩側床壓偏差增大時，兩側差壓的函數作為前饋自動增加床壓較大側的冷渣器轉速，減小床壓較小側的冷渣器轉速。此外，床溫較高處的排渣量可通過改變此處冷渣器的轉速來進行微調。

4.4 鍋爐主控前饋邏輯的優化

原設計中，鍋爐主控的前饋量為設定負荷的函數（采用滿負荷對應50%燃料量），燃料主控的設定和反饋采用百分量，以實際煤量除以帶滿負荷所需投運給煤機的臺數（4臺），這樣，運行給煤機臺數的不同將導致鍋爐主控的前饋輸出所對應的煤量不準確。為此將鍋爐主控的輸出改為對應實際的燃料量。同時，為提高機組變負荷過程的燃燒率，必須保證鍋爐有足夠的熱量變化。通過仿真比較變負荷過程smith預估器、使用4階慣性環節構造的微分以及設定負荷的微分，選擇設定負荷的微分作為鍋爐主控前饋的一部分，如圖4。此外，一次風量的變化對提高主汽壓力的響應速度非常關鍵，有必要在動態過程犧牲掉一定的床溫來提高機組的負荷響應能力。