鍋爐燃燒器擺角控制問題分析

吳彥龍，劉曉峰，李仲明，鄧 堅(jiān)

(廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519000)

鍋爐燃燒器擺角控制問題分析

吳彥龍，劉曉峰，李仲明，鄧 堅(jiān)

(廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519000)

針對(duì)某電廠鍋爐燃燒器改造后擺角在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中控制不合理易造成汽溫、汽壓異常的情況，從燃燒器擺角的基本控制、擺角的偏差信號(hào)、機(jī)組負(fù)荷的擺角補(bǔ)償3方面分析了燃燒器擺角控制設(shè)置上存在的問題，并提出了鍋爐燃燒器擺角控制策略優(yōu)化改進(jìn)建議。

燃燒器；擺角控制；信號(hào)控制

0 引言

在目前的燃煤火電廠機(jī)組中，鍋爐燃燒器都設(shè)有擺角，其主要目的是調(diào)整鍋爐再熱器出口汽溫，使其維持在規(guī)定溫度下運(yùn)行。但在實(shí)際運(yùn)行中，由于燃燒器擺角控制不合理易造成汽溫、汽壓異常，因此已將燃燒器擺角調(diào)節(jié)作為鍋爐燃燒運(yùn)行的主要調(diào)節(jié)手段，通過調(diào)整燃燒器擺角改變鍋爐爐膛火焰中心，直接影響鍋爐主汽的汽溫和汽壓，同時(shí)也影響進(jìn)入鍋爐的煤量和送風(fēng)量，改變鍋爐的燃燒工況，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定和效率起到關(guān)鍵性的作用。

2013年，某電廠對(duì)鍋爐燃燒器進(jìn)行了改造，同時(shí)也調(diào)整了燃燒器擺角的控制策略。從改造后投運(yùn)至今，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行觀察發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)鍋爐燃燒器擺角控制策略的修改并不完善，運(yùn)行中常發(fā)生主汽參數(shù)波動(dòng)較大、主汽超溫超壓的情況。

1 燃燒器改造前后的結(jié)構(gòu)組成

該電廠使用的鍋爐為日本三菱重工設(shè)計(jì)的輻射再熱式、強(qiáng)制循環(huán)、平衡通風(fēng)、四角切圓燃煤亞臨界汽包鍋爐。設(shè)計(jì)蒸汽流量(BMCR)為2 290 t/h，主/再熱出口汽溫為541/568 ℃；再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)以燃燒器擺角調(diào)節(jié)為主要手段，此外在再熱器入口還設(shè)有事故噴水減溫裝置。鍋爐燃燒器改造前，燃燒系統(tǒng)由6層(24只)煤粉燃燒器、3層輔助風(fēng)(二次風(fēng))、3層輕油槍及4層OFA(燃燼風(fēng))組成。煤粉燃燒器為日本三菱重工設(shè)計(jì)的水平擺動(dòng)式濃淡分離PM燃燒器，燃燒器擺角最大為±25°。

為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求，降低煙氣的NOX排放，2013年該電廠分期對(duì)2臺(tái)鍋爐燃燒器進(jìn)行了改造。主要改造方案是將水平擺動(dòng)式濃淡分離PM燃燒器改換成日本三菱重工設(shè)計(jì)的新型內(nèi)置式濃淡分離低氮APM燃燒器，取消1層OFA，在OFA上部加裝2層AA(還原風(fēng))，以實(shí)現(xiàn)鍋爐分級(jí)燃燒。燃燒器改造安裝后，調(diào)整燃燒器各擋板風(fēng)量，并修改燃燒器擺角的控制邏輯。鍋爐經(jīng)過各負(fù)荷段的各項(xiàng)性能調(diào)試，達(dá)到了降低NOX排放指標(biāo)的預(yù)期效果，燃燒效果也得到了明顯改善，縮小了以往再熱出口汽溫偏差嚴(yán)重的問題。

2 燃燒器改造后鍋爐運(yùn)行的問題

(1) 在制粉系統(tǒng)啟停過程中，主汽參數(shù)波動(dòng)較大。機(jī)組參與AGC(自動(dòng)發(fā)電負(fù)荷控制)后，負(fù)荷經(jīng)常波動(dòng)，需要啟停制粉系統(tǒng)以配合鍋爐負(fù)荷燃燒調(diào)整。在制粉系統(tǒng)啟停過程中，蒸汽參數(shù)波幅較大，特別是啟停第5臺(tái)制粉系統(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)超溫和超壓比較嚴(yán)重的情況。當(dāng)制粉系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，主汽壓力一直偏低，由于燃燒器擺角的自動(dòng)調(diào)節(jié)速度過于緩慢，下降幅度過小，主/再熱出口汽溫容易超溫；而當(dāng)制粉系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，由于燃燒器擺角上調(diào)幅度偏小，主汽壓力容易過高，甚至超壓，造成汽溫偏低。

(2) 鍋爐再熱出口汽溫波動(dòng)時(shí)，擺角調(diào)節(jié)的作用不明顯。再熱出口汽溫經(jīng)常隨鍋爐負(fù)荷的變化而波動(dòng)，容易偏離設(shè)定值，且波動(dòng)幅度較大，波動(dòng)周期長(zhǎng)。但此時(shí)燃燒器擺角的調(diào)節(jié)速度比較緩慢，不能快速消除偏差。在調(diào)整鍋爐狀態(tài)平衡穩(wěn)定的過程中，主汽壓力也受到影響，給鍋爐燃燒造成很大的擾動(dòng)，影響了鍋爐燃燒參數(shù)的平衡調(diào)節(jié)。

(3) 在鍋爐加減負(fù)荷過程中，汽溫和汽壓變化過大。在鍋爐加負(fù)荷的過程中，主汽壓力下降較大，機(jī)組加負(fù)荷常受到壓力低的限制。過熱器和再熱器受熱面金屬溫度，特別是新加裝的過熱器和再熱彎管的金屬測(cè)點(diǎn)溫度也因此經(jīng)常超限(2號(hào)鍋爐問題相對(duì)較嚴(yán)重)。當(dāng)鍋爐在高負(fù)荷區(qū)域減負(fù)荷時(shí)，主汽壓力又容易上升過快、過高，在沒有人為干預(yù)的情況下，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致高旁動(dòng)作，主汽溫也大幅下降，嚴(yán)重威脅鍋爐安全運(yùn)行。

3 燃燒器擺角的邏輯控制策略

燃燒器擺角的運(yùn)行調(diào)整是各影響因素的綜合結(jié)果，根據(jù)擺角控制邏輯圖可知，影響燃燒器擺角調(diào)整的因素主要有：角指令反饋、擺角偏差、初始擺角值(設(shè)置為0°)、鍋爐負(fù)荷(BM)、機(jī)組負(fù)荷擺角補(bǔ)償、FCB/RB信號(hào)、擺角自動(dòng)/手動(dòng)控制指令、再熱器金屬溫度測(cè)點(diǎn)等。

當(dāng)燃燒器擺角切換為手動(dòng)方式時(shí)，擺角指令由運(yùn)行人員直接控制，不受邏輯設(shè)置的影響。當(dāng)擺角切換為自動(dòng)方式后，將進(jìn)入邏輯控制。

3.1 擺角的基本控制

運(yùn)行中，BM值不同，再熱出口汽溫的設(shè)定值也有所不同，設(shè)置值如圖1所示。當(dāng)BM大于350 MW后，再熱出口汽溫可達(dá)到額定溫度。邏輯上，控制人員在不同鍋爐負(fù)荷下通過函數(shù)FX026設(shè)置擺角對(duì)應(yīng)一定角度，BM控制函數(shù)FX026曲線如圖2所示。

圖1 各負(fù)荷段的再熱出口汽溫設(shè)置

圖2 BM控制函數(shù)FX026曲線

從圖2可以看出：燃燒器擺角的調(diào)節(jié)主要受BM值的影響，當(dāng)BM值大于175 MW時(shí)，擺角參與再熱出口汽溫調(diào)節(jié)開始變得明顯，干預(yù)度相當(dāng)大，形成擺角控制的基礎(chǔ)。曲線上幾個(gè)主要節(jié)點(diǎn)為：BM值從175 MW升至300 MW，擺角上升；BM值從300 MW升至350 MW，擺角下降；BM值從350 MW升至525 MW，擺角上升；BM值從525 MW升至700 MW，擺角下降。這些節(jié)點(diǎn)的確定和制粉系統(tǒng)的啟停密切相關(guān)，因此可以認(rèn)為：擺角的控制定值應(yīng)該是根據(jù)鍋爐的運(yùn)行特性、相關(guān)操作手冊(cè)以及對(duì)再熱出口汽溫變化趨勢(shì)所定下來的經(jīng)驗(yàn)曲線(包括以下其他函數(shù)控制曲線的制定)。機(jī)組正常時(shí)在AGC方式下運(yùn)行，當(dāng)啟動(dòng)第5臺(tái)制粉系統(tǒng)時(shí)，BM值通常在450 MW；隨著磨煤機(jī)的啟動(dòng)，大量的一、二次風(fēng)投入，直接引起爐膛火焰中心的提高，且鍋爐負(fù)荷加大，燃燒器擺角呈上升趨勢(shì)，使鍋爐火焰中心更高，導(dǎo)致爐膛吸熱小。這就是制粉系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，主汽壓力降低、主/再熱出口汽溫容易超限的主要原因。而當(dāng)制粉系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，情況則恰好相反。

3.2 擺角的偏差信號(hào)控制

鍋爐的負(fù)荷變化對(duì)再熱出口汽溫變化影響很大，導(dǎo)致汽溫實(shí)際值與規(guī)定值經(jīng)常發(fā)生偏差。該偏差被作為擺角調(diào)節(jié)的控制信號(hào)，稱為擺角偏差信號(hào)(TILT DEV SIGNAL)，控制方式表現(xiàn)為以下2種。3.2.1 引入溫度偏差的PID控制

PID調(diào)節(jié)由比例、積分、微分3部分組成。其中，比例調(diào)節(jié)作用是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，能立即同偏差量成比例地產(chǎn)生調(diào)節(jié)以減少偏差，但調(diào)節(jié)終了會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)偏差。積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除指令與反饋偏差，直至無差；積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti：Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。查閱2號(hào)鍋爐PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)(K=0，Ti=2 300 ms)可知，比例調(diào)節(jié)沒有參與溫度控制，積分系數(shù)較大，只有擺角偏差信號(hào)有瞬間性波動(dòng)時(shí)，積分才有輸出參與擺角調(diào)節(jié)。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，邏輯上設(shè)置時(shí)間值Td=1 s，即當(dāng)輸入的溫控偏差值變化率為1 ℃/s，微分調(diào)節(jié)輸出就改變擺角0.2°(溫控偏差×0.2)，當(dāng)變化率變小時(shí)，輸出就小。由此可知，當(dāng)有擺角偏差信號(hào)值時(shí)，PID調(diào)節(jié)主要是通過微分支路控制擺角指令，但在設(shè)置上控制力度明顯較弱，使擺角擺動(dòng)較緩。擺角調(diào)整緩慢雖然擾動(dòng)小，有利穩(wěn)定，但使調(diào)整時(shí)間顯得過長(zhǎng)，在鍋爐工況有變動(dòng)時(shí)，反而造成鍋爐參數(shù)波動(dòng)大，不利于運(yùn)行的穩(wěn)定。

3.2.2 設(shè)置BM的擺角補(bǔ)償

為了快速減少再熱溫控偏差，提高擺角反應(yīng)速度，對(duì)擺角偏差信號(hào)設(shè)置BM的擺角補(bǔ)償，采用BM不變和BM變動(dòng)2種控制方式，控制曲線如圖3，4所示。BM不變的擺角調(diào)節(jié)值為補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)FX024與擺角偏差信號(hào)的積函數(shù)X022。其控制邏輯是：擺角偏差信號(hào)越大，函數(shù)X022輸出也越大，擺角補(bǔ)償就越大；擺角偏差信號(hào)輸出為正值，擺角上擺；擺角偏差信號(hào)輸出為負(fù)值，擺角下擺。BM變動(dòng)的補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)FX027與BM不變的補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)FX024的切換是靠LOAD CHANGE IN PROG置“1”來自動(dòng)完成的，控制方法同機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)一樣，只是輸出值有負(fù)荷段的區(qū)別：BM值從175 MW升至350 MW，補(bǔ)償系數(shù)逐漸增強(qiáng)；大于350 MW后補(bǔ)償系數(shù)保持不變；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷停止變動(dòng)時(shí)，LOAD CHANGE IN PROG置“0”，延時(shí)120 s后，自動(dòng)切換到BM不變的補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)FX024控制輸出。

圖3 BM不變的FX024函數(shù)曲線

圖4 BM變動(dòng)的FX027函數(shù)曲線

從BM值的擺角控制曲線分析，補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)輸出最大值為0.15。如果擺角偏差信號(hào)為10 ℃，可算出函數(shù)X022的積值為1.5(即擺角上擺1.5°)。擺角上擺的幅度與產(chǎn)生的溫控差值相比偏小，制約了主/再熱出口汽溫參數(shù)的變化速度，以致影響到鍋爐燃燒的響應(yīng)速度。

3.3 機(jī)組負(fù)荷的擺角補(bǔ)償

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，再熱出口汽溫受鍋爐燃燒影響，波動(dòng)也較大。為了穩(wěn)定再熱出口汽溫，策略上設(shè)置機(jī)組負(fù)荷擺角補(bǔ)償BIR TIL。

機(jī)組負(fù)荷擺角補(bǔ)償BIR TIL值受到機(jī)組負(fù)荷變化率LD、各負(fù)荷段的補(bǔ)償值和負(fù)荷補(bǔ)償限制值的影響。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，LD(H)輸出正值，LD(L)輸出為0；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，LD(L)輸出負(fù)值，LD(H)輸出為0。機(jī)組加減負(fù)荷的各負(fù)荷段擺角補(bǔ)償值設(shè)置不同，函數(shù)曲線如圖5，6所示。因?yàn)楹瘮?shù)FX141和FX143的輸出均沒有正值，使機(jī)組負(fù)荷對(duì)擺角的補(bǔ)償表現(xiàn)為：機(jī)組加負(fù)荷時(shí)擺角下擺，機(jī)組減負(fù)荷時(shí)擺角上擺。

圖5 加負(fù)荷補(bǔ)償函數(shù)FX141曲線

圖6 減負(fù)荷補(bǔ)償函數(shù)FX143曲線

通過各函數(shù)曲線輸出值的計(jì)算比較，可以看出，函數(shù)模塊FX145(FX147)(見圖7)作為擺角補(bǔ)償BIR TIL控制系統(tǒng)的主控回路，對(duì)BIR TIL的輸出值起到很大的控制作用。

從圖5可以看出，在擺角參與負(fù)荷調(diào)節(jié)后，負(fù)荷變動(dòng)擺角補(bǔ)償值隨負(fù)荷的增加呈現(xiàn)干預(yù)加劇趨勢(shì)，在負(fù)荷值為546 MW時(shí)，擺角補(bǔ)償值最大，往后影響逐漸減弱。通過比較，機(jī)組負(fù)荷為546 MW時(shí)，函數(shù)FX145的限制輸出約為1.5°/min，可知在函數(shù)FX145的作用下，嚴(yán)重影響了燃燒器擺角下擺的幅度。因此，當(dāng)機(jī)組大幅度加負(fù)荷時(shí)，就出現(xiàn)燃燒器擺角下擺角度不夠大，導(dǎo)致主汽壓力下降嚴(yán)重，主/再熱出口汽溫容易超限的情況。同時(shí)，因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行方式為協(xié)調(diào)控制運(yùn)行模式，機(jī)組負(fù)荷也因?yàn)橹髌麎毫κ芟蓿仙俣仁艿搅讼拗啤＿@情況與負(fù)荷補(bǔ)償限制函數(shù)FX145曲線設(shè)置不合理有很大的關(guān)系。

圖7 負(fù)荷補(bǔ)償限制函數(shù)FX145(FX147)曲線

同時(shí)，由圖6控制曲線可看出：當(dāng)機(jī)組減負(fù)荷時(shí)，機(jī)組負(fù)荷小于525 MW時(shí)，函數(shù)FX143才開始輸出負(fù)值，擺角補(bǔ)償BIR TIL輸出正值，開始干預(yù)擺角上擺。但機(jī)組負(fù)荷在700～525 MW時(shí)，負(fù)荷擺角補(bǔ)償BIR TIL輸出值為0，這時(shí)燃燒器擺角的控制僅受到鍋爐負(fù)荷BM值和擺角偏差信號(hào)的影響，上擺幅度小而且滯后。由于受汽包爐蓄熱的影響，汽機(jī)調(diào)門關(guān)小后，主汽壓力容易飆高，甚至造成高旁動(dòng)作。這種現(xiàn)象和機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)補(bǔ)償函數(shù)FX143曲線設(shè)置不合理，導(dǎo)致燃燒器擺角無法及時(shí)上擺有很大的關(guān)系。

4 優(yōu)化燃燒器擺角控制策略的建議

綜上所述，燃燒器擺角的控制策略是以鍋爐負(fù)荷變化作為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，以再熱出口汽溫控制偏差作為調(diào)節(jié)對(duì)象，利用機(jī)組負(fù)荷變化加以輔助補(bǔ)償而構(gòu)成的。擺角最終的指令輸出值為以上控制因素之和。各控制函數(shù)的制定遵循鍋爐加、減負(fù)荷時(shí)主汽壓力的變化趨勢(shì)，以及制粉系統(tǒng)啟停時(shí)對(duì)鍋爐燃燒運(yùn)行的影響。但在鍋爐燃燒器擺角調(diào)節(jié)過程中，存在著控制參數(shù)和節(jié)點(diǎn)設(shè)置與實(shí)際運(yùn)行狀況不吻合的問題，導(dǎo)致鍋爐各參數(shù)波動(dòng)較大，經(jīng)常偏離正常運(yùn)行工況。因此，優(yōu)化擺角控制函數(shù)設(shè)定十分必要。為使控制策略更合理有效，提出以下建議。

4.1 論證并修改函數(shù)曲線

(1) 將鍋爐負(fù)荷控制函數(shù)FX026曲線中的節(jié)點(diǎn)由525 MW修改為455 MW，使曲線和第5臺(tái)制粉系統(tǒng)啟動(dòng)控制相符。

(2) 將BM不變的補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)FX024的輸出值調(diào)整到0.3以上，以加大負(fù)荷平穩(wěn)時(shí)對(duì)再熱出口汽溫偏差的靈敏度。

(3) 將BM變動(dòng)的補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)FX027輸出值增大到0.3～0.5，提高擺角調(diào)節(jié)幅度，參與主汽參數(shù)變化的深度調(diào)整。

(4) 修改機(jī)組負(fù)荷補(bǔ)償限制函數(shù)FX145(FX147)曲線，將該曲線上375 MW節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制值提高到1°/min。

(5) 修改機(jī)組減負(fù)荷補(bǔ)償函數(shù)FX143曲線，將該曲線上525 MW節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制值下調(diào)到-0.5°/min，并保證在700～525 MW減負(fù)荷時(shí)，擺角補(bǔ)償BIR TIL輸出正值，使擺角先于再熱出口汽溫下降前上擺，從而避免了主汽壓上升超限的問題。

4.2 加入主汽壓力偏差信號(hào)控制

主汽壓力偏差信號(hào)反映了鍋爐和汽機(jī)的平衡情況，間接地影響了擺角的調(diào)節(jié)，考慮將壓力偏差作為一個(gè)反饋信號(hào)加入擺角的控制，則可預(yù)先反映再熱出口汽溫的變化趨勢(shì)，有利于改善并加強(qiáng)鍋爐燃燒的調(diào)節(jié)力度和響應(yīng)速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

1，2號(hào)鍋爐燃燒器改造后，由于在調(diào)試中沒有充分考慮機(jī)組列入調(diào)峰對(duì)鍋爐負(fù)荷變動(dòng)運(yùn)行的影響，使燃燒器擺角對(duì)再熱出口汽溫的波動(dòng)和機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的干預(yù)度較弱，調(diào)整性差，造成鍋爐各運(yùn)行參數(shù)不理想，機(jī)組運(yùn)行受到較大的影響。燃燒器擺角運(yùn)行調(diào)試，也是對(duì)鍋爐各改造項(xiàng)目的綜合性能的校驗(yàn)，需要細(xì)致、深入地分析各運(yùn)行數(shù)據(jù)，做好長(zhǎng)期跟蹤和改進(jìn)，以取得更好的效果。

2014-11-18；修改日期：2015-01-12。

吳彥龍(1974-)，男，工程師，主要從事機(jī)組的啟停與設(shè)備運(yùn)行控制管理工作，email：wuyanlong0233@sina.com。

劉曉峰(1975-)，男，工程師，主要從事發(fā)電機(jī)組熱動(dòng)控制與設(shè)備改造研究工作。

李仲明(1974-)，男，工程師，主要從事機(jī)組調(diào)控運(yùn)行與人事管理工作。

鄧 堅(jiān)(1973-)，男，工程師，主要從事機(jī)組鍋爐運(yùn)行方式控制運(yùn)行措施制定與設(shè)備管理工作。