超超臨界機組增壓風機入口壓力控制系統優化

楊利勤

（江西遠達環保有限公司，江西南昌 330117）

0 引言

隨著環境壓力的不斷增加，國家環保力度的不斷加大，目前國內大容量機組均已引進了煙氣脫硫技術，而濕法脫硫（WFGD）作為其中最成熟的一種，得到了廣泛應用。在濕法煙氣脫硫工藝系統中，增壓風機（BUF）是最重要的設備之一。其作用是將來自鍋爐的煙氣進行增壓，補償煙氣在整個脫硫系統中的壓力損失。增壓風機的控制品質不僅影響到整個FGD工藝系統，而且由于增壓風機開度的變化對爐膛負壓有著顯著的影響，因此還關系到整個機組的穩定運行[1]。

1 增壓風機控制系統概述

中電投江西電力有限公司新昌發電分公司（以下簡稱：新昌電廠）1、2號機組為2×700 MW超超臨界燃煤發電機組，均采用目前較為主流的石灰石-石膏濕法脫硫技術，兩臺機組采用一爐一塔制。鍋爐煙氣在脫硫系統投運時由增壓風機送入吸收塔進行脫硫，然后由煙囪排出；當增壓風機出現故障或控制異常時，直接影響到機組的安全穩定運行。

新昌電廠每臺機組脫硫系統配備兩臺靜葉可調式軸流增壓風機，用以克服煙氣的延程阻力，通過調節增壓風機靜葉的開度，將增壓風機入口壓力控制在一定值（-150 Pa）左右[2]。原增壓風機靜葉自動控制策略是采用控制偏差PI調節的單回路控制模式，且是2套獨立的單回路調節控制邏輯，同時控制一個被控對象——增壓風機入口壓力，運行時存在A、B增壓風機靜葉調節搶風現象。致使增壓風機自動控制投入效果差，經常采用手動調節增壓風機入口壓力，操作量大，且無法保證參數時刻控制在合理的范圍內，影響機組運行的安全性和經濟性。其控制系統采用的是Hollysys MACSVDCS系統。

2 存在問題分析

通過對新昌電廠脫硫控制系統被控對象運行數據的分析，以及查找、學習相關資料，總結出目前脫硫增壓風機控制系統存在的問題，主要包括以下幾點：

1）鍋爐煙氣量出現大幅度擾動時，易與引風機調節耦合而導致調節振蕩。

通過理論學習可知，增壓風機入口壓力與引風機至增壓風機間的煙氣溫度和質量的變化有關。而引起煙道內煙氣溫度變化的主要因素是爐膛排煙溫度，即爐內燃燒工況的變化；引起煙道內煙氣質量變化的主要因素是引風機排煙量和增壓風機出力的變化。原控制方案令增壓風機控制其入口壓力，引風機控制爐膛負壓，二者各司其職。但當爐內燃燒工況發生劇烈變化時，可能由于爐膛負壓變化到增壓風機入口壓力變化的時間差，使得兩套系統互相耦合，從而導致壓力反復波動幅度過大、時間過長，危及機組安全運行。

2）機組變負荷過程中，由于燃料量、總風量的變化對增壓風機入口壓力產生擾動，導致調節動態偏差較大[3]。

按照電力系統的有關規定，新昌電廠機組在正常情況下須投入“自動發電控制”（AGC）系統，以響應電網負荷信號的變化。也正是由于這種負荷的快速變化，使得在負荷變化初期和末期燃料量、總風量的變化幅度和速度較大，導致爐膛負壓和增壓風機入口壓力波動較大，不利于機組的穩定運行。

3）兩臺并聯運行的增壓風機同時控制入口壓力，容易產生“搶風”現象。

兩臺增壓風機并聯運行，被控變量是同一個，且隨著機組運行工況的變化，其各自的工作點也會隨之變化，但其受到的阻力不可能始終相同，導致兩臺風機出力不同，因此而產生“搶風”現象。發生“搶風”現象后，風機振動增大，運行電流大幅度振動，風機處理明顯下降，使得增壓風機入口壓力調節特性變差，導致系統不穩定。

3 增壓風機入口壓力控制方案

針對以上存在的問題，對脫硫增壓風機入口壓力自動控制方案進行了改進，圖1、圖2所示為DCS系統組態圖。

圖2 增壓風機入口壓力控制邏輯2

由于增壓風機入口壓力控制對象單一且具有較快的響應速度，因此其閉環控制部分只采用單回路PID控制。但由于增壓風機入口壓力存在特殊的控制難點，因此，該控制方案采用的并不僅僅是常規的單回路控制，而是加入了一些有針對性的設計。

1）由于在沒有投入FGD系統的情況下，引風機出口壓力也有一個自然的波動幅值，這時如果增壓風機入口壓力過度追求較高的調節品質，會導致增壓風機的靜葉頻繁動作，影響執行機構的壽命，甚至可能燒毀電機。通過分析歷史趨勢發現，雖然被調量增壓風機入口壓力采用了三測點取中的計算方式，但即使是機組運行工況穩定，且靜葉開度保持恒定的情況下，仍存在約±40Pa的波動。因此，在控制邏輯中加入了被調量變速濾波環節，即增壓風機入口壓力三取中值先通過慣性環節后再與設定值相減求誤差。所謂變速濾波，類似于變速積分，即當誤差小于閾值時采用較長的慣性時間，而當誤差大于閾值時采用較短的慣性時間。可用如下表達式表示：

其中，T1

另外，通過在PID控制器中設置了一定的輸入死區，使得輸入偏差在一定范圍內時PID控制器認為無差，大大減少了執行機構的動作次數，這對于延長其壽命頗有好處。

2）為了防止兩臺增壓風機之間“搶風”現象的發生，在控制邏輯中引入了了增壓風機A、B指令偏置設置環節。當兩臺增壓風機出力不均時，運行人員可以手動調節增壓風機A、B指令偏置，從而使得出力達到近似平衡，避免“搶風”現象的發生。

以上述邏輯圖為例，當增壓風機A、B均處于自動控制狀態時，增壓風機A的控制指令是在PID控制器輸出的基礎上加上所設偏置得到的，而增壓風機B控制指令是在PID控制器輸出的基礎上減去所設偏置得到的。而當增壓風機A、B均處于手動控制狀態時，偏置設定站的輸出便跟蹤增壓風機A、B控制指令差值的一半，PID控制器輸出跟蹤二者控制指令的均值，以保證切換時的無擾。

3）機組變負荷過程中燃料量和風量的大幅度變化常會造成增壓風機入口壓力的大幅度波動。為了在變負荷過程中減小這種波動，采用了“前饋+反饋”的控制策略。引入兩臺送風機的平均指令作為前饋，對增壓風機靜葉開度進行動態補償。但由于從送風機開度的變化到增壓風機入口壓力的變化需要一定時間，因此通過一個可調的慣性環節予以彌補。但由于爐內燃燒工況復雜，故前饋增益設得較小，前饋調節僅在變負荷時起到一個動態補償的作用，主要調節手段仍是反饋調節[4]。

4 自動調節試驗

為驗證上述控制邏輯的有效性及完善控制邏輯中的參數，使增壓風機入口壓力控制品質達優良，隨后對該控制系統進行試驗及調試，主要包括：手/自動無擾切換試驗、強制跟蹤試驗、動態方向性試驗、高低負荷的定值擾動試驗和變負荷擾動試驗。

低負荷階段和高負荷階段的定值擾動試驗曲線如圖3和圖4所示。

圖3 低負荷定值擾動試驗曲線

圖4 高負荷定值擾動試驗曲線

從試驗曲線中可以看出，在定值變化+200 Pa和-200 Pa之后，增壓風機A和增壓風機B的靜葉調節指令均能很快作出調整，使得增壓風機入口壓力迅速跟蹤設定值，并沒有出現振蕩的情況，最終穩定在設定值附近。

升負荷擾動試驗曲線如圖5所示：

圖5 升負荷擾動試驗曲線

從圖中可以看出，在機組負荷從500 MW升到610 MW的過程中，將設定值設為-150 Pa，增壓風機入口壓力的波動較小，最低壓力為-230 Pa，最高壓力為-59 Pa，在容許范圍內，并且沒有出現振蕩的情況。送風機指令前饋的引入，使得系統具有較好的抗擾動能力。

降負荷擾動試驗曲線如圖6所示：

圖6 降負荷擾動試驗曲線

從圖中可以看出，在機組負荷從409 MW降至353 MW的過程中，將設定值設為20 Pa，增壓風機入口壓力的波動較小，最低壓力為-13 Pa，最高壓力為70 Pa，在容許范圍內，并且沒有出現振蕩的情況，具有較好的抗擾動能力。

通過對參數的不斷調整和優化，最終調試完成后的PID參數如表1所示。

表1 PID控制器參數

為了防止在惡劣工況下增壓風機入口壓力超出允許范圍等事故，在與運行人員交流協商后，設置了如下的增壓風機入口壓力控制強制切手動的條件：

1）增壓風機入口壓力超過±350 Pa；

2）增壓風機入口壓力與增壓風機入口壓力設定值偏差超過±200 Pa；

3）執行器的指令值與反饋值相差超過10%；

4）增壓風機A或增壓風機B的振動超過2 mm/s；

5）增壓風機A或增壓風機B停止。

5 結語

在此次該控制系統調試過程中，并未出現引風機與增壓風機調節耦合的現象，所以未將爐膛負壓信號引入脫硫控制系統邏輯。但今后機組運行時若出現引風機與增壓風機調節耦合的現象，可以考慮加入爐膛負壓信號或引風機開度前饋。如此，當爐內燃燒工況發生發生變化時，增壓風機與引風機可以同向調節，解決了二者之間的耦合問題，同時可以提高爐膛負壓和增壓風機入口壓力的調節品質。

通過多次調試優化以后，增壓風機入口壓力較手動控制時平穩得多，為FGD系統和整個發電機組的安全穩定運行奠定了基礎。同時，不但減輕了運行人員的操作負擔，并且將風機出力維持在一個經濟合理的范圍內，還帶來了一定的經濟效益。

[1]劉向東.濕法脫硫增壓風機的運行控制分析[J].電力環境保護，2009，25（5）：28-29．

[2]鄭渭建，虞華生.600MW機組脫硫增壓風機入口壓力控制品質差分析與改進[J].華東電力，2010，38（1）：140-142.

[3]趙軍.脫硫增壓風機控制對爐膛負壓的影響分析與控制優化[J].中國電力，2008，41（2）：37-40．

[4]劉春輝，王東風.濕法脫硫增壓風機動葉調節分析[J].科技向導，2012（12）：95．