循環流化床鍋爐控制系統優化

孫安娜, 程應冠, 楊景祺

(上海發電設備成套設計研究院,上海 200240)

某廠動力中心由2臺310 t/h的循環流化床(CFB)鍋爐、1臺75 t/h的啟動鍋爐及2臺60 MW汽輪發電機組組成,機組采用兩爐兩機母管制運行方式.鍋爐由美國福斯特?惠勒公司設計,DCS采用西門子公司的PCS7系統.自投產以來,設備整體運行基本正常,但由于各生產線的用汽量變化比較大,導致機爐蒸汽母管壓力波動較大,自動控制系統不能穩定地控制機組各運行參數,致使CFB鍋爐母管壓力、燃料系統、一次風系統、二次風系統、氧量(煙氣中氧體積分數φ(O2))系統均處于手動控制方式.由于目前CFB鍋爐運行人員的配置比較少,工作強度較大,因此迫切要求鍋爐投入自動.針對以上問題,上海發電設備成套設計研究院根據該廠CFB鍋爐的運行及用汽特點,對鍋爐控制系統的控制策略進行優化設計.

1 鍋爐壓力控制系統優化

1.1 壓力控制系統靜態參數的整定

從鍋爐內部來說,壓力的穩定主要依賴于鍋爐的燃燒特性,而鍋爐的燃燒特性主要取決于鍋爐的風、煤配比.

CFB鍋爐的穩定運行取決于在一定負荷下,滿足壓力、氧量和床溫控制所需的燃料、一次風和二次風.在鍋爐不同負荷下,一次風、二次風和燃料的關系就是鍋爐運行的靜態關系,只有確定了鍋爐穩定運行時的靜態參數,才能確保鍋爐的穩定運行[1-3].

結合CFB鍋爐的運行日志,經過參數的對比和分析,確定出各負荷工況下的燃料、一次風和二次風的靜態關系,見表1.

表1 燃料、一次風和二次風的靜態關系Tab.1 Static relation among flow rates of fuel,p rimary air and secondary air

1.2 壓力控制系統的動態特性分析

該CFB鍋爐基本上處于不間斷的蒸汽流量擾動下運行.要使鍋爐在不間斷的外部擾動工況下投入自動控制,保證機組的穩定運行,就必須了解母管壓力對外擾(蒸汽流量)的響應特性以及燃料量的響應特性,為此對鍋爐進行了燃料和蒸汽流量的擾動試驗,以確定鍋爐的動態特性.

試驗力求機組在相對穩定、具有較小的外界擾動的工況下進行,試驗方式如下:

(1)進行手動增加1 t/h燃料,觀察主汽壓力的變化;

(2)進行手動減少1 t/h燃料,觀察主汽壓力的變化;

(3)在汽輪機側增加10 t/h蒸汽量,觀察主汽壓力的變化;

(4)在汽輪機側減少10 t/h蒸汽量,觀察主汽壓力的變化.

燃料量階躍擾動下主蒸汽母管壓力的響應曲線見圖1.蒸汽流量擾動下主蒸汽母管壓力的響應曲線見圖2.

在燃料變化1 t/h的試驗條件下,得到壓力對燃料的傳遞函數為:

圖1 燃料量階躍擾動下主蒸汽母管壓力的響應曲線Fig.1 Response cu rve of main steam p ressure under step disturbance of fuel flow

圖2 蒸汽流量擾動下主蒸汽母管壓力的響應曲線Fig.2 Response cu rve of main steam p ressure under step disturbance of steam flow

在蒸汽流量擾動10 t/h的試驗條件下,得到壓力對蒸汽流量的傳遞函數為:

1.3 曲線分析

從圖1和傳遞函數式(1)中可以看到,由于循環流化床鍋爐中燃料是在流化狀態中逐漸燃燒放出熱量,因此壓力對燃料的響應特性是一個純延遲對象,壓力對燃料的響應時間接近10m in.

蒸汽流量的擾動來自于汽輪機負荷變化所需蒸汽量變化和外負荷變化所需抽汽量變化,壓力對蒸汽流量的響應特性是快速的一階對象.

對于這樣的被控對象不能僅用穩態特性調試系統,必須考慮外負荷擾動對鍋爐壓力的影響,因此系統設計調試中考慮了抽汽流量擾動對鍋爐燃料量的前饋控制,盡可能快地保證鍋爐的壓力穩定.

應該注意,這里所使用的前饋信號是汽輪機側蒸汽流量(抽汽流量)的變化而不是鍋爐出口蒸汽流量的變化,它源于汽輪機負荷的變化和中低壓蒸汽母管壓力的變化.如果采用鍋爐出口蒸汽流量的變化,將會在鍋爐內擾(燃料擾動)時對母管壓力形成正反饋,導致控制系統不穩定.

2 燃料控制系統優化

2.1 燃料量控制回路

該CFB鍋爐燃料系統配置了3臺可稱重給料機,這樣的配置方式可以直接測量進入鍋爐的給料量,這對于穩定燃料控制是有利的.

對于CFB鍋爐而言,由皮帶式給料機輸送燃料,由播煤風將燃料送入爐膛.但在燃料系統的運行過程中,經常會出現給料倉下料口堵料、給料機在運行中跳閘,這些運行中的故障造成燃料的擾動,對于CFB主蒸汽母管壓力這種純延遲的控制對象來說,如不及時克服這些擾動,將會造成壓力很大的變化,嚴重影響鍋爐的穩定運行.

因此在控制系統設計中,利用燃料量可測量的特點,設計了燃料控制回路,見圖3.

圖3 燃料控制系統的原則性方案圖Fig.3 Principle diag ram of the fuel controlsy stem

燃料控制回路具有以下調節作用:

(1)快速調節燃料量,由于給料機轉速的變化很快就反映出燃料的變化,因此燃料控制可以定性為快速跟隨系統,確保燃料控制的響應性.

(2)在每臺料機的燃料測量回路中,考慮給料機跳閘的故障情況,當系統檢測出給料機跳閘時,將該給料機的燃料測量信號置為0,確保運行的給料機快速增加燃料,盡快地克服給料機跳閘引起的燃料擾動.

2.2 采用多輸出控制系統提高系統的穩定性

燃料系統具有3臺給料機,對燃料指令來說這是一個多輸出控制環節[4].多輸出環節具有以下的特點:

(1)任一個給料機轉速的變化都會影響到燃料的變化,而這種工況在機組運行中是經常發生的,例如1臺給料機出現堵料或者皮帶打滑,運行人員為處理這個故障必須要改變這臺給料機的轉速.

(2)如果3臺給料機均投入自動,3臺給料機就都接受燃料控制器的指令;而如果僅2臺給料機投自動,那么就只有2臺給料機接受燃料控制器的指令.在同一時間3臺給料機投自動輸送的燃料比2臺給料機投自動輸送的燃料多,從自動調節的角度說這兩種工況回路的增益變化了.

以上兩種運行工況均表現出燃料系統的不穩定性.為了提高燃料系統的穩定性,系統增加了多輸出控制環節.

2.2.1 提高燃料系統的響應性

由一個積分控制模塊和若干個操作器構成了多輸出控制系統,其等效框圖見圖4.

圖4 無差多輸出控制系統方框圖Fig.4 Block diag ram of themost out control scheme

對于連續系統,有

式中:T i為積分調節器的積分時間.

從公式推導中得出多輸出控制系統的等效模塊是一個一階慣性環節,當積分時間足夠小時,多輸出系統近似一個比例環節.因此以控制器的輸出作為多輸出環節的輸入,操作器的輸出作為多輸出環節輸出,可以看出多輸出系統僅是一個控制系統內部的控制環節,與控制系統的被控參數無關,其穩定的控制特性可以加快多輸出控制環節的響應性.

2.2.2 偏置控制的自動平衡

燃料由3臺給料機經由3條皮帶進入爐膛,在燃料系統的運行中,會出現給料跑偏或者堵料造成燃料系統運行不正常.此時在燃料自動投入工況下,運行人員可以改變故障給料機的偏置,使故障給料機給料量最小,同時多輸出控制系統會自動增加正常運行給料機的給料量,保證進入鍋爐的總燃料不變,克服了燃料的擾動.

2.3 多種燃料的控制

該CFB鍋爐在設計階段考慮以石油焦作為燃料,但在實際運行中又增加了瓦斯,使得該CFB鍋爐處于石油焦與瓦斯混燒運行狀態.

在系統優化燃燒的初期,定義瓦斯的燃燒量為1 000 m3/h并且基本不變,石油焦在瓦斯燃燒的基礎上調節.在這種燃燒工況下整定的系統參數是穩定的.

但是實際運行中,鍋爐燃燒的瓦斯量是變化的,它由化工生產工藝中產生的瓦斯量來決定.當瓦斯的燃燒量達到1 700 m3/h時,鍋爐的燃燒調節工況出現了不穩定.這主要是瓦斯總燃燒熱量的變化沒有在燃燒控制回路的燃料量中加以考慮,基本燃燒量的增加使燃燒回路的增益出現了變化.因此系統在調試中,按照等量熱值的方法將瓦斯量也計入到燃料測量中,實現了控制系統的穩定運行.

但是瓦斯和石油焦是兩種燃燒特性完全不一樣的燃料,瓦斯瞬間的切投或較大幅度的變化,都會引起蒸汽流量的較快變化,而此時要求用調節石油焦來穩定壓力是不可能的.

3 床溫控制系統優化

3.1 床溫的影響因素

床溫是CFB鍋爐監視的重要參數之一,合適的床溫可以有效地避免爐床的結焦,提高燃燒率和脫硫率.床溫一般控制在850～900℃內,它影響著鍋爐的安全連續運行、鍋爐脫硫效果和NO x的排放.從CFB鍋爐控制參數耦合特性看,影響床溫的因素較多,主要有一次風量、燃料量和石灰石量的變化.如采用改變燃料量調節床溫,在床溫調節的同時必然引起鍋爐主蒸汽壓力波動;而改變石灰石量則會引起床壓的波動以及污染物的排放效果.因此,一次風調節成為控制床溫的主要手段,這與福斯特?惠勒公司采用一次風控制床溫的控制理念一致.本優化方案采用調節一、二次風配比來調節床溫,目的是在采用一次風控制床溫的同時,相應地改變二次風量,保證鍋爐的總風量不變,維持煙氣含氧量的恒定[5].

3.2 床溫的動態特性分析

3.2.1 床溫對燃料的響應特性

燃料量階躍擾動下床溫的響應曲線見圖5.

圖5 燃料量階躍擾動下床溫的響應曲線Fig.5 Response curve of bed temperatu re under step distu rbance of fuel flow

在一次風量變化2 km3/h的試驗條件下,得到床溫對燃料的傳遞函數為:

燃料對床溫的動態特性和靜態特性方向一致,燃料減少,床溫降低;燃料增加,床溫增加.床溫對燃料的響應特性是一個純延遲對象,響應時間約12 min.

3.2.2 床溫對一次風的響應特性

一次風減小時床溫的響應曲線見圖6.

在一次風變化2 km3/h的試驗條件下得到床溫對一次風的傳遞函數為:

圖6 一次風階躍擾動時床溫的響應曲線Fig.6 Response cu rve of bed tem perature under step distu rban ce of primary air flow

從圖6看出,一次風對床溫的影響呈兩向性,具有動態特性和靜態特性.當一次風降低,由于減少一次風瞬間減弱了爐膛內的燃燒,放熱量減少,使得床溫降低,前半段曲線反映了一次風對床溫的動態特性;最終由于爐內物料流動速度減慢,即燃料逐漸增加,床溫隨即上升,后半段曲線則反映了一次風對床溫的靜態特性.在這兩種特性的疊加作用下,床溫對一次風的響應特性是一個具有滯后、慣性、自平衡能力和逆向性的對象.

3.2.3 逆向響應系統的特點

具有逆向特性的開環系統在閉環控制時通常表現出高度的不穩定性.圖7是由G(s)和固定增益的調節器K(s)=k組成的負反饋系統.

圖7 負反饋系統Fig.7 Schem atic diagram of the negative feedback system

可以看出:閉環系統的零點zcl(s)=z(s)與反饋增益無關;而閉環系統的極點位置則受到反饋增益的影響而變化.取極限情況,即

根據經典的控制理論,當反饋增益趨于無窮大時,閉環控制系統的極點將移向開環零點.右平面零點意味著反饋控制系統在大增益下存在著高度的不穩定性.而大的反饋增益往往是保證消除穩態控制偏差和提高動態響應速度的必要前提.因此對于具有逆向特性的對象,很難采用常規PID調節器進行調節.

3.3 床溫控制系統優化

綜合上述關于床溫對燃料、一次風的響應特性分析,確定采用鍋爐指令對風、煤的協調控制可以實現一次風和燃料對床溫的動態解耦.控制床溫主要為保證CFB鍋爐的脫硫效果,而CFB鍋爐運行時只要將床溫控制在850～900℃內均能達到較好的脫硫效果.因此對原來的床溫串級校正控制進行了修改,在整個鍋爐負荷變動范圍內,采用控制一、二次風靜態比以保證床溫和動態工況下進行手動修正一次風控制的基本思想,保證床溫控制系統的穩定.

4 風控制系統優化

風控制系統主要包括一次風量調節、二次風壓調節、二次風量調節.一次風的主要作用是流化爐內床料,給下部密相區送入一定氧量供給燃料燃燒.二次風主要采用上、下分段式送風,下二次風一般在密相區上部噴入爐膛,上二次風一般在稀相區下部噴入爐膛,補充燃燒所需要的氧量,降低NOx排放的質量濃度,同時還起到擾動作用,加強氣、固兩相混合,改變爐內溫度場以及物料的質量濃度分布.

4.1 風量控制方案

風量控制系統設計的主要思想是在不同的負荷工況下,完成風煤比的靜態平衡,床溫修正一次風量,氧量修正上、下二次風量,在靜態平衡的基礎上實現動態修正,保證鍋爐的穩定運行.圖8為風量控制系統的基本結構.

由于該CFB鍋爐是石油焦和瓦斯混合燃燒的,因此壓力控制器的輸出是總燃料指令.無論石油焦或者瓦斯在燃燒過程中都需要二次風的助燃,因此二次風的指令應該來自于鍋爐指令.而一次風主要是對物料的流化,它僅受石油焦變化的影響,因此一次風的指令主要來自于鍋爐的給焦量.

圖8 風量控制框圖Fig.8 Block diagram of air flow control

4.2 設定值遠方或本地模式的無擾切換

總風量指令經過一、二次風配比后由床溫進行修正,與最小風量比較大選后作為風控制器的遠方設定值.風量控制系統只有在遠方控制方式下才能實現鍋爐風、煤的協調控制,保證在各負荷工況下實現壓力、氧量和床溫的穩定.

一、二次風設定值的遠方或本地模式切換必須是平衡無擾的.為避免切換干擾,影響控制器輸出,系統設計了一個簡單的計算回路,使得一、二次風指令在遠方給定時,操作人員可以根據需要通過輸入偏置值對設定值進行干預;設定值在本地方式時,遠方設定值立即跟蹤風測量值,即SP=PV,保證切換過程中控制器輸出指令不變.

4.3 氧量校正作用

在優化方案設計中,增加氧量修正環節是為了在風煤比的靜態關系上對二次風量進行動態修正(見圖8),確保燃燒系統的穩定.

氧量指令是鍋爐蒸汽量的函數,氧量調節器的輸出分兩路分別修正上、下二次風指令.當風量出現擾動時,需經過較長的滯后時間才能反映在氧量變化上,氧量對風量的響應是純延遲的控制對象.在調試過程中,氧量調節器積分作用應整定得慢一些,使得積分時間 T i約為1 000 s,較強的比例作用保證氧量修正的穩定性.

5 優化效果

在壓力控制系統投運情況下,進行了抽汽負荷變化30 t/h的外擾試驗(見圖9).從試驗曲線中可以看出,壓力變化控制在0.25 MPa內時,床溫基本控制在878～882℃內,氧量變化控制在+0.4%的范圍內,整個控制系統運行非常穩定.

圖9 主要參數變化曲線Fig.9 Variation curves ofm ain param eters

6 結 論

根據蒸汽負荷頻繁波動的特點,選取了關鍵參數抽汽量(汽輪機及減溫減壓器耗汽量)作為壓力控制的前饋,極大地提高了控制系統的響應速度和穩定性.在對CFB鍋爐進行風煤特性試驗和擾動試驗后確定了用壓力控制燃料、氧量修正控制二次風和床溫修正一、二次風配比的控制方案,并設計了多輸出控制系統的自動平衡回路.采用新的控制策略后,無論是在外負荷擾動(汽輪機改變電負荷、熱網改變汽負荷)還是在鍋爐燃料擾動下,母管壓力控制系統均能根據需求自動且及時地控制燃料量和風量,保證了系統的穩定性和可靠性.

[1] 岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環流化床理論設計與運行[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2] 劉德昌.流化床燃燒技術的工業應用[M].北京:中國電力出版社,1999.

[3] 李政,倪維斗,王哲,等.循環流化床實時動態數學模型研究[J].動力工程,1999,19(2):33-36.LIZheng,NIWeidou,WANG Zhe,etal.A real time dynam ic mathematicalmodel of CFBC[J].Journa l of Power Engineering,1999,19(2):33-36.

[4] 楊景祺,趙偉杰,郭榮,等.循環流化床鍋爐控制系統的分析與設計[J].動力工程,2005,25(4):517-522.YANG Jingqi,ZHAO Weijie,GUO Rong,et al.Analysis and design of contro l system s of circu lating fluidized bed boilers[J].Journal of Power Engineering,2005,25(4):517-522.

[5] 趙偉杰,王勤輝,張文震,等.循環流化床鍋爐控制系統的設計和應用[M].北京:中國電力出版社,2009.