330 MW循環流化床機組協調控制系統的特點分析與應用實例

郭濤，葛智平，張世才，張順，楊熹，石耀武，鄭宗輝

(甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州 730050)

330 MW循環流化床機組協調控制系統的特點分析與應用實例

郭濤，葛智平，張世才，張順，楊熹，石耀武，鄭宗輝

(甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州 730050)

循環流化床機組在動態特征上不同于煤粉爐，其燃料煤粒較粗，燃燒過程復雜，并且因為其燃燒室內的床料具有相當大的熱慣性和蓄熱能力，是以當給煤量改變后，主蒸汽壓力的變化相應比煤粉鍋爐的遲延和慣性要大得多，造成了循環流化床機組燃燒過程實現自動協調控制的困難。以京海煤矸石發電有限責任公司鳳凰嶺電廠新建工程2×330 MW循環流化床機組控制系統為例，從變參數的應用、前饋的應用、主壓力與給水的解耦控制、煤質修正控制等多方面闡述了循環流化床機組的控制特點，分析探討了應用中存在的問題并提出了解決方法。

循環流化床;330MW;協調;修正

0 引言

循環流化床鍋爐是20世紀70年代中期發展起來的新型燃燒技術，因具有燃燒效率高、燃料適應性廣、負荷調節范圍大等優點而得到越來越廣泛的應用［1］。循環流化床鍋爐與其他種類鍋爐的根本區別在于燃燒系統。循環流化床鍋爐的燃燒系統是由燃燒室、物料收集器和返料器組成。高溫物料在氣流的夾帶下進入物料收集器，被收集下來的物料進入返料器，再經返料器送回燃燒室，進行多次循環燃燒，因此燃燒效率很高［2－5］。在循環流化床鍋爐中，燃料僅占床料的3%左右，其余是不可燃的固體顆粒。循環流化床鍋爐特殊的流體動力特性使得氣固和固固混合非常好，因此燃料進入爐膛后很快與大量床料混合，燃料被迅速加熱至著火溫度，而同時床層溫度沒有明顯降低。因此所有煤種均可在其中穩定、高效地燃燒。運行中變換煤種時，燃燒設備和鍋爐本體不做任何修改也可取得較高的燃燒效率。鍋爐運行中經常會出現負荷的變化，當負荷降到70%以下時，其他類型鍋爐燃燒率和熱效率會明顯降低且燃燒很不穩定，有時甚至不能維持正常的燃燒;而循環流化床只需調節給煤量、空氣量和返料循環量，故而其負荷可在30%～110%之間調節。

但相應的，因為循環流化床機組在動態特征上不同于煤粉爐，其燃料煤粒較粗，燃燒過程復雜，并且因為其燃燒室內的床料具有相當大的熱慣性和蓄熱能力，是以當給煤量改變后，主蒸汽壓力的相應比煤粉鍋爐的遲延和慣性要大得多，其燃燒系統是一個大滯后、強耦合的非線性系統，各個變量之間相互影響。有的被調參數同時受到幾個調節參數的共同影響，如床層溫度要受到給煤量、一次風量、返料量及排渣量等多個參數控制。同時，有的調節參數又影響多個被調參數，如給煤量不僅影響主汽壓力，還影響床溫、爐膛溫度等參數，造成了循環流化床機組燃燒過程實現自動控制的困難［6－11］。

1 330 MW循環流化床機組概況

京海煤矸石發電有限責任公司鳳凰嶺電廠新建工程2×330MW循環流化床機組，鍋爐為東鍋集團生產的DG 1177/17.4－Ⅱ1型循環流化床汽包爐。單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風分離器、自然循環、循環流化床燃燒方式，固態排渣，采用平衡通風方式，壓力平衡點位于爐膛出口處。鍋爐以最大連續負荷(BMCR)工況為設計參數，最大連續蒸發量1177t/h，過熱器蒸汽出口溫度為540℃，再熱器蒸汽出口溫度為540℃，給水溫度282.8℃。

DCS系統可以實現對機組的各項控制功能，主要包括數據采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)、電氣量控制系統(ECS)、爐膛安全監控系統(FSSS)、汽輪機數字電液調節系統(DEH)、旁路控制系統(BYPASS)、空冷系統(ACC)等系統功能。

2 協調控制系統的控制方式及系統組成

該機組協調控制方式分為基本控制、汽機跟隨控制、鍋爐跟隨控制及機爐協調控制四種方式。

2.1 基本控制(BASE)方式

鍋爐主控和汽機主控均處于手動狀態，機組運行進入BASE方式。在這種方式下，運行人員手動操作燃料量、給水流量、風量等參數。DEH處于本地控制方式，DEH投入功率閉環以控制機組負荷，或投入壓力閉環控制機前主蒸汽壓力。

2.2 汽機跟隨控制(TF)方式

當DEH處于遠方(CCS)狀態，鍋爐主控處于手動方式，而汽機主控處于自動方式時，機組運行方式就會進入TF方式。在這種運行方式下，汽機主控通過控制汽機調門來控制機前蒸汽壓力，燃料量通過操作人員手動改變，機組負荷指令信號跟蹤實際的負荷信號。該方式下汽輪機運行比較穩定，但不能滿足電網要求。

2.3 鍋爐跟隨控制(BF)方式

當鍋爐主控處于自動方式，汽機主控處于手動方式，且DEH未投入功率回路時，機組運行方式就會進入BF方式。這種運行方式，只作為投入協調方式過程中的過渡方式。

2.4 機爐協調控制(CCS)方式

這是機組正常運行方式。機組負荷指令同時送給鍋爐和汽機，汽機調速汽門控制響應機組負荷指令，鍋爐燃料量、風量等指令根據機組負荷指令形成，使輸入給鍋爐的能量與汽機的輸出能量相匹配。在這種方式下，機組運行穩定，可以滿足電網的需求(包括AGC負荷調整以及一次調頻的快速動作)。機爐協調控制運行方式的投入，不僅要把鍋爐主控和汽機主控投入自動，而且還要把所有的主要控制回路投入自動控制方式，例如給水控制、燃料量控制、風量控制和爐膛壓力控制等。

3 協調控制系統的特點

3.1 協調方式下主控指令的形成

在協調方式下，鍋爐主控指令的形成方式如下:

式中:Ps為壓力設定值;Pt為機前壓力;ULD為目標負荷。

在協調方式下，汽機主控指令的形成方式如下:

3.2 PID控制器變參數的應用

PID控制由于其算法簡單、魯棒性好及可靠性高，被廣泛應用于過程控制和運動控制中。但當控制對象存在較大的慣性、非線性、強干擾特性時，PID的控制效果不理想。由于循環流化床鍋爐在動態特征上不同于煤粉爐，其燃燒室內流化層大熱容量的熱平衡特征隨運行工況變化而變化，常規的控制策略控制困難。因此采用變參數PID、變結構控制，以保證在各個負荷點上控制效果。

3.3 前饋控制的應用

前饋控制是根據工況變化情況，提前進行預判斷并做出相關動作的一種前向控制。前饋在時間上提前于反饋，因此在有效調整各負荷點PID參數的基礎上，加入相應量的前饋控制，可以有效加快機組的動態響應過程，快速穩定機組的運行參數。只有在以前饋為主、PID為輔的協調控制的綜合作用下，才能真正實現物料、功率的平衡，實現機組動態響應過程中相對的穩定理想工作點，使燃料、風、水、汽等物料和能量關系處于平衡點，從而使鍋爐子系統的反饋調節器進入了小偏差調節狀態。

前饋具體在指令中表現為鍋爐主控中f(ULD) +df(ULD)/dt+df(Ps)/dt以及汽機主控中的f(Pt)。其中，鍋爐主控中的f(ULD)為靜態前饋。它來源于鍋爐廠設計資料以及實際運行參數，形成穩定的前饋信號，作為前饋的基礎指令，實際作用于燃料、風量、水量等各個子系統。同樣，汽機主控中的f(Pt)可以在機前壓力偏差過大時，通過汽機負荷控制，予以一定程度的負荷補償。鍋爐主控中df(ULD)/dt+df(Ps)/dt為動態前饋。當機組負荷或壓力變化時，提前使燃料、風量做出相關動作，用于克服鍋爐側的燃燒滯后，而在穩態時不發生作用。

3.4 給水控制

循環流化床機組的給水控制中，其蒸汽過熱器位于鍋爐頂部的爐膛煙氣出口處，減溫水量的水流動阻力大。在給水調節時，不考慮給水壓力，就可能造成減溫水流量不足，主汽溫度超溫。由此，在循環流化床機組中增加了水量分配調節閥。減溫水中間抽頭位置在水量分配調節閥前，應用中將給水壓力與汽包壓力的偏差作為被調量，保證差值為2.0～3.0MPa。同時，水量分配調節閥為全關時，仍需保證300t/h左右的漏流量，確保鍋爐不會斷水。為了盡量減少對給水流量調節控制的影響，水量分配調節作用不能過強，只保證參數相對穩定即可。

4 存在的問題及解決辦法

4.1 變參數曲線的確定

循環流化床機組對于燃料量的要求，在165MW至250MW負荷段時，基本維持線性關系，而在250MW負荷以上，呈現逐漸遞減趨勢，并且同樣燃料量轉化為熱量所需的時間也大不相同。這就要求大量的實際測試與記錄，力求在煤質不變的條件下，提出能夠準確反映配煤比變化的實際運行曲線。

4.2 鍋爐主控中動態前饋的應用

循環流化床機組的燃燒系統是一個大滯后非線性系統，動態前饋就顯得尤為重要。它不但能夠克服循環流化床機組大滯后的固有缺陷，而且能在一定程度上克服煤質變化帶來的外界干擾。

4.3 負荷調整下限的整定

由于內蒙古省電力調度中心要求，AGC功能中負荷變化范圍為50%～100%，并且，當負荷低于50%后，牽扯到給水泵停運過程，因此負荷變化低值只達到165MW。

5 結語

京海煤矸石發電有限責任公司鳳凰嶺電廠2× 330MW循環流化床機組協調控制系統通過對變參數的應用、前饋的應用與給水的解耦控制、煤質修正控制的成功應用，以及在運行實踐中對相關邏輯的多次修改、完善和控制策略的優化，使得各項功能均得以成功實施和實現。據內蒙電網規定，循環流化床機組AGC投入時，變負荷速率不得低于機組額定負荷1%。經測試負荷變動速率3.5MW/min，負荷單次最大變動范圍140MW，全過程主蒸汽壓力波動幅值小于0.8MPa，瞬間最大溫升率4.2，穩定變動期間溫升率1.4，成功完成AGC試驗。目前，168h試運移交生產已經半年，整套調節系統運行穩定，協調系統能夠長期正常投運。

［1］昌樹文，李明亮，曹興偉，等.300MW循環流化床鍋爐的應用［J］.云南電力技術，2006，34(2):43－46.

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Characteristic analysis of collaborative control system of 330 MW CFB units and its application

The CFB units are different in the dynamic characteristic with the powdered coal stove，its bunker coal grain is larger，the combustion process is complex.The material in its combustion chamber bed has the quite big thermal lag and regeneration ability.So when the coal amount changed，the pressure of main stream changed correspondingly and the change is much bigger than the powdered coal boiler＇s delay and the inertia，which caused the Circulation Fluid Bed unit combustion process to realize the automatic coordination control difficulty.Taking the new construction 2×330MW CFB units control system of Jinghai gangue electricity generation limited liability company Fenghuanglin power plant as example，the characteristics of Circulation Fluid Bed unit＇s control system are elaborated from the following aaspects，the variable element application，the forward feed application，the main pressure and for the water decoupling control，the anthrax revision control and so on.The problems existed in the application are analyzed and its countermeasures are put forward.

CFB;330MW;coordinated;revision

TM621

B

1674－8069(2012)04－056－03

2012-04-20;

2012-06-19

郭濤(1974-)，男，江蘇人，高級工程師，從事保護及自動控制系統的設計、研究及應用。E－mail:2002gtao@163.com