超臨界循環硫化床機組協調控制系統設計

摘 要：針對超臨界循環流化床機組的特性，設計出了協調控制系統，整個協調控制采用PID反饋+前饋的設計思路。整個協調控制包括汽機主控、鍋爐主控、給水控制以及燃燒控制等邏輯。為了克服循環流化床機組燃用煤質較差的特性，在鍋爐主控回路采用功率微分和壓力微分。給水指令采用分離器出口焓進行動態校準，給水指令中還考慮了給水焓、減溫水對其影響。在燃燒控制回路考慮床溫、床壓對給煤量、一二次風量的影響。

關鍵詞：超臨界循環流化床鍋爐；協調控制；前饋控制；補償函數

前言

循環流化床鍋爐由于具有燃燒效率高、低污染、燃料適應性廣的優點而得到越來越廣泛的應用。但是循環流化床鍋爐是一個非線性、時變、多變量耦合的控制對象，循環流化床鍋爐自動控制系統需要完成比煤粉鍋爐更復雜的控制任務[1]。超臨界循環流化床鍋爐空冷熱電機

組，在設計協調控制系統邏輯的時候要充分考慮超臨界和循環流化床鍋爐的特點。

目前針對超臨界機組的協調控制系統設計主要有兩種方式[2、3]，即ALSTOM技術所生產的超（超）臨界直流爐和三菱技術所生產的超（超）臨界直流爐。這兩種超臨界機組協調控制策略中都采用了動態前饋補償技術，只不過所采用具體的計算方式略有不同。文章在吸收這兩種控制思路的基礎上，設計出超臨界循環流化床機組的協調控制系統。

1 超臨界循環流化床機組特點

超臨界循環流化床鍋爐是一個分布參數、非線性、時變、多變量耦合緊密的控制對象[4]，如圖1所示。采用超臨界直流鍋爐，由于汽包的存在解除了蒸汽管路與水管路及給水泵間的耦合，直流爐機組從給水泵到汽機，汽水直接關聯，使得鍋爐各參數間和汽機與鍋爐間具有強烈的耦合特性，整個受控對象是一多輸入多輸出的多變量系統[5、6]，當燃料量增大時，機組的負荷、壓力、溫度、床溫等均增大；當汽輪機調門開度增大。負荷增大，主汽壓力、溫度降低；給水流量增大，機組負荷、主汽壓力增大，溫度降低。在擾動存在的情況下，要保持床溫在一定范圍變化，需要調節給煤量以及送風量。給煤量的大小與負荷密切相關。如果采用送風量控制床溫，會改變傳熱系數從而影響負荷（傳熱系統與爐內氣體流速、床溫、懸浮物料密度等密切相關）。而由此造成蒸汽流量的變化。給煤量和送風量又影響煙氣含氧量、爐膛負壓和料床高度等。

對比圖1和圖2可以發現，相對于普通的超臨界機組，循環流化床機組協調控制控制變量更多，相互之間的耦合關系更加復雜，這是受到循環流化床鍋爐的結構特點所致。文章將針對華電朔州電廠為350MW超臨界循環流化床機組的特點，設計出符合循環流化床的協調控制系統。

2 協調控制系統設計

在實際實踐中，超臨界機組多采用間接能量平衡和直接能量平衡協調控制系統兩種設計方案。這兩種協調控制方案中都是采用PID+前饋的控制方式[7]。文章在結合超臨界循環流化床機組特性的基礎上設計協調控制方案，邏輯框圖如圖2所示。該套協調控制邏輯包含了常規超臨界機組中的汽機閥門控制回路、鍋爐主控制回路、給水控制回路以及燃燒控制回路，還考慮有流化床床溫、床壓等重要參數對協調控制回路的補償功能。

2.1 汽輪機控制回路

在協調模式下汽機主控為功率控制回路。即通過控制汽機高、中壓缸調門以保證進入汽機的蒸汽量與機組的負荷指令相適應，從而協調機爐間的能量平衡。控制回路被調量為實際功率，功率控制回路設定值由3部分構成：

（1）機組負荷指令及其動態補償。由于鍋爐對機組負荷指令的響應慢于汽機側，故用一個慣性環節來匹配，慣性時間代表機組負荷指令變化到新蒸汽產生的動態過程；（2）頻差信號，汽輪機轉速對應的頻差值，設置有±2rmp/min的死區；（3）壓力拉回函數，如圖2中的函數f2（x），即經過死區特性和限幅特性的壓力偏差信號。這樣做的目的是當機前壓力偏差較小時，由鍋爐主控系統控制壓力，維持機前壓力為穩定。當機前壓力偏差較大時，有可能超過鍋爐主控的調節范圍，此時汽機主控也參與調壓。二者共同作用可迅速使機前壓力拉回到設定值。

2.2 鍋爐主控回路

鍋爐主控的目的一方面當機組變負荷時，能提供相應的燃料量指令，另一方面也要維持主蒸汽壓力的穩定。因此在協調控制模式下，鍋爐主控指令為壓力PID控制器與鍋爐主控前饋的和，如圖3所示。由于鍋爐響應負荷速率慢，因此單純的反饋控制回路不能滿足變負荷時鍋爐的能量需求，而前饋控制可以很好地彌補反饋控制回路的缺陷，本項目對于鍋爐主控的前饋控制回路設計了靜態前饋+動態前饋。

鍋爐主控靜態前饋函數f3（x）代表機組穩態時負荷和燃料量的對應關系；鍋爐主控的動態前饋主要是為了消除燃燒環節的滯后。直接與負荷指令、壓力指令及壓力偏差相關。在控制中微分具有超前作用，適合于克服燃燒環節的大遲延，因此將鍋爐的動態前饋設計為三者的微分函數之和。為了適應機組在AGC模式下機組的負荷響應能力，在負荷指令的微分式上乘以負荷變化率對應的修正函數f1（x）來

提高機組鍋爐主控指令對的變負荷率的響應能力。由于鍋爐主控的另外一個目的是為了保證主氣壓力的穩定，因此在負荷指令的微分式上乘以主氣壓力偏差對應的修正函數f2（x），保證機組在變負荷時鍋爐主控對主汽壓力波動的適應能力。

鍋爐主控動態前饋還包含了主汽壓力定值的微分式以及主汽壓力設定和實際壓力的偏差的微分式，如圖3所示，圖中Kd、Td代表微分式的增益和微分時間。這是因為當燃料量增加后，機組的負荷和壓力均慣性上升，燃料量決定了負荷的最終變化量，同時對于壓力也是影響其變化的因素之一，在作用的強度上，可以認為燃料量對于負荷是超強作用，而對于壓力是強作用。單元機組滑壓變負荷時，代表汽機和鍋爐平衡的主汽壓力同時也要隨著滑壓曲線發生對應的變化，也就意味著鍋爐動態反饋所補充的蓄熱除了一部分要滿足初期負荷設定值的變化對蓄熱的快速利用外，還需一部分滿足主汽壓力設定值變化對蓄熱的影響，保持主汽壓力的參數適應負荷的變化。

3 給水控制策略設計

對于直流鍋爐，給水控制的主要目的是保證燃水比、實現過熱汽溫的粗調、滿足負荷的響應。在啟動或較低負荷時，分離器處于濕態運行，同汽包一樣起著汽水分離的作用，此時適當控制分離器水位，通過循環回收合格工質；當鍋爐進入直流運行階段，分離器處于干態運行，成為（過熱）蒸汽通道。純直流后的給水控制是整個超臨界直流機組控制的核心部分[5]，用中間點溫度（焓）來修正給水指令。對比于用燃料控制煤/水比的控制策略，用給水控制煤水比有著明顯的優勢，給水的響應更快速，沒有燃料制粉和燃燒過程的大時滯。

給水指令的前饋包括：靜態前饋和動態前饋二部分組成。如圖4所示。其中靜態前饋及修正是給水指令的主導部分。由鍋爐的負荷指令折算出鍋爐需要的給水總量（由圖4中的負荷-給水f（x）函數），扣除減溫水量后，作為直流爐的給水指令，通過這部分的靜態前饋，基本保證了穩態的煤水比。由于煤量指令和給水指令同時跟蹤鍋爐的負荷指令，而制粉系統存在較大的滯后，給水的響應則相對較快，為了使燃料和給水在動態過程中仍有較好的匹配性，使鍋爐的主汽溫變化相對較小，對給水指令前加了2階慣性環節，適當減慢了給水指令的動作速度。其中慣性時間T是主汽流量的函數。靜態前饋部分實際上確定了鍋爐負荷指令與給水流量之間的關系，在實際運行中，這一關系還應根據實際情況作必要的修正。如加熱器未投用時，高溫省煤器入口的給水焓值顯然會偏低，為確保主汽溫度，應適當減小穩態的給水流量。因此，設計中考慮了根據高溫省煤器出口焓對靜態給水前饋指令的修正。變負荷時的給水動態超調用于變負荷初期加快給水的響應，主要是為了提高機組的負荷響應速度。

給水控制的最終目標是確保分離器出口的焓值等于希望的定值，盡管通過前饋調整后，可基本保證煤水比，但為使過熱器進口的焓維持在定值附近，還必須通過反饋調整。反饋調整的思想為：當過熱器進口的焓大于設定值時，適當逐步加大給水指令；反之，則減少給水指令。

反饋調整最主要的問題是如何確保過熱器進口焓的設定值，正常情況下焓定值由二部分組成：一是基準的焓設定值；二是由實際運行情況確定的定值修改量。基準的焓設定值是分離器壓力的函數，見圖4中的f3（X），滑壓運行方式下的分離器壓力可以代表負荷值，所以f2（X） 代表了不同負荷對過熱器進口蒸汽保證一定的過熱度的控制要求。

焓控設定值修正是指根據高溫省煤器出口溫度或減溫水流量在一定范圍內修正焓控設定值。當某種原因使過熱噴水量減小，焓值修正就會也減小焓控設定值，從而增加給水指令。

4 燃燒控制策略

燃燒控制包括給煤量控制、一二次風量控制。超臨界循環流化床燃燒控制的目的一方面保證機組變負荷時的煤量、風量的需求，另一方面是保證鍋爐密相區上下部床溫穩定在850℃～950℃之間。其中燃料主控回路為控制給煤機給煤量的指令，在設計燃料主控過程中特別考慮到了煤種變化對燃料量的影響，因此設計了熱值校準回路，通過熱值校準PID產生校準系數乘以鍋爐主控指令作為燃料主控指令，燃料主控回路被調量為在運行的給煤機瞬時給煤量之和。此外為了增加鍋爐側負荷響應速率，在給煤量指令側增加了燃水比的微分式，如圖5所示。其中Kd、Td為其微分增益和微分時間。由于循環流化床床溫主要受到給煤量的影響，因此把床溫控制器的輸出疊加到原來給煤量指令中。以達到床溫的穩定。

循環流化床鍋爐一次風量不僅要滿足流化床上的流化風量，而且要維持兩側床物料的平衡，以避免CFB床層物料翻床。而在CFB翻床發生時，為了使一次風具有足夠壓力，在CFB兩側一次風室壓力大值選擇后疊加一個偏置得到一次風壓力設定值。這樣運行人員可以實時根據流化床物料情況進行手動修改。將一次風機指令作為床上燃燒器一次風量指令，保證有足夠的一次風量。

在二次風量控制策略中，通過調節2臺二次風機液力耦合器控制二次風流量，總風量設定值在負荷指令對應風量的基礎上經氧量修正后的得到，如圖5所示。其中基本指令為鍋爐主控指令對于的二次風量函數。所得到的二次風量經過二次風量PID控制器，得出二次風機指令。

5 結束語

循環流化床機組由于燃用煤種較差，因此其協調控制系統的設計難度要高于普通的燃煤機組。文章在分析超臨界循環流化床機組特性的基礎上，在設計超臨界機組循環流化床協調控制系統的時候，兼顧兩者的特性，設計了負荷超臨界循環流化床機組的協調控制、給水控制以及燃燒控制策略。此外為了提高循環流化床機組適應變負荷的能力，在協調控制、給水控制以及燃燒控制回路中增加了大量的前饋控制和補償函數。為以后同類型的機組協調控制系統設計提供參考。

參考文獻

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[2]張秋生，梁華，胡曉花，等.超臨界機組的兩種典型協調控制方案[J].中國電力，2011.

[3]沙友平，徐志強，等.超臨界機組典型系統的控制策略[J].中國電力，2006.

[4]周罡，呂劍虹，韋紅旗，等.自動發電控制優化控制策略研究與應用[J].中國電力，2004.

[5]高明明，岳光溪，等.600MW超臨界循環流化床鍋爐控制系統研究[J].中國電機工程學報，2014.

[6]李衛華，王玉山，等.大型循環流化床機組控制策略及其優化[J].中國電力，2008.

[7]張震偉，桑永福，等.330MW循環流化床機組控制系統優化[J].熱力發電，2011.

作者簡介：王鳳蛟（1968，1-），男，籍貫：黑龍江省木蘭縣，1990年7月畢業于哈爾濱船舶學院，現學歷：西安交大EMBA研究生，現就職于華電山西能源有限公司，職務：總經理。