火電廠一次風自尋優控制系統應用研究

范勇

（國能重慶萬州電力有限責任公司 重慶 400000）

隨著對環境保護、經濟性要求的不斷提高，迫切需要對燃煤電廠燃燒進行優化，以提高燃燒效率，在安全、穩定、可靠的前提下，做到節能減排效率最大化。當前形勢下，機組中、低負荷運行時間增加，偏離額定工況，導致鍋爐效率下降；同時，機組經常深度調峰、調頻，原有的調節方式無法適應要求；煤種多變，偏離設計煤種，對燃燒也存在較大影響［1］。這就要求對機組進行精細化控制，以實現節能減排，提高鍋爐的效率。

1 系統簡介

國能重慶萬州電廠鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產的2×1050MW 超超臨界燃煤直流鍋爐，制粉系統為中速磨（ZGM123G）正壓直吹式制粉系統，每臺爐配置兩臺成都凱凱凱風機廠的雙級動葉可調一次風機，額定功率3300kW，額定電流226.5A，DCS 系統為ABB Symphony PLUS系統。

2 工作原理

一次風動態自尋優控制系統IEC（Intelligence Expert Control）與DCS 系統通過TCP/IP 協議進行數據傳遞，在DCS系統中，構建通信判斷及控制邏輯。DCS控制系統連續接收一次風動態自尋優控制系統（IEC）發送的模擬量心跳信號，進行判斷，在保證通信正常的情況下，將IEC修正值疊加到熱一次風壓設定值中，進行尋優控制。

IEC 控制系統能快速跟蹤AGC 負荷的變化，并在保證所有運行磨煤機出口風量及溫度的情況下，進行優化控制，逐步降低一次風壓，將磨煤機風門開大，最終達到降低一次風母管壓損的目的。智能控制系統IEC 通過監測實時的運行參數，對熱一次風壓優化值進行動態調整，從而適應負荷及煤種的變化，達到最大限度降低一次風機的耗電量、保證制粉系統正常運行的目的［2］。

3 IEC智能控制系統

3.1 與DCS的連接方式

IEC 智能控制系統為獨立于DCS 的外掛系統，采用CAB09 擴展柜、PLC 卡件通訊，網口布置為交叉方式，DCS為主站，如圖1所示。

圖1 IEC 智能控制系統與DCS 通信方式

3.2 硬件設備

IEC 智能控制系統硬件包括電源開關、智能控制器（IEC）、交換機、工控機等設備，如圖2所示。

圖2 IEC 智能控制系統硬件設備

3.3 邏輯組態

（1）DCS 側控制邏輯包含通信點、信號判斷、投切控制、優化量加法模塊、限制模塊等邏輯，如圖3所示。

圖3 IEC 運算值與DCS 運算值疊加為指令輸出

IEC尋優控制指令輸出值說明：①IEC尋優指令輸出值限制范圍為：-2.5kPa～+0.5kPa；②當系統投入后，IEC 尋優指令開始計算，輸出值從0 開始，與原熱一次風壓設定值進行求和，作為最終輸出值，控制2臺一次風機的調節擋板。

（2）IEC 智能控制系統PLC 控制邏輯包含心跳信號、投入判斷、退出判斷、優化量加法模塊、限制邏輯等，如圖4所示。PLC控制邏輯說明如下。

圖4 IEC 智能控制系統PLC 控制邏輯

①心跳信號：指設備通信過程中互聯的單、雙方每隔一段時間或持續向另一方發送一個信號，通過對方判斷或回復情況，確定互聯的雙方之間的通信鏈路是否已經連接或斷開的方法。一次風動態自適應控制系統的心跳信號主要是用來判斷IEC 控制器出現失電、交換機崩潰或通信線路故障時的分析方法，保證只有在通信正常的情況下DCS才會疊加熱一次風壓的優化量，作為最終指令輸出去控制一次風機調節擋板開度。

②投入判斷：IEC 系統可以投入的前提條件是心跳信號DCS 判斷正常、機組無RB 信號、2 臺一次風機均在自動、IEC允許投入及自檢正常信號。

③退出判斷：運行人員按鈕點擊退出，或邏輯組態條件判斷自動退出。

4 一次風機控制技術分析

傳統的一次風機控制采用一次風壓設定值加手動偏置控制方式，變負荷或變煤種時，運行人員需要頻繁地手動調整偏置，這種控制方式難以適應煤種變化及中低負荷經濟運行的要求。易磨的煤種由于磨煤機阻力小，需要關小磨煤機冷、熱風門來滿足一次風差壓和磨煤機風量，而風門關小會造成不必要的節流損失，增加一次風機電耗損失。難磨的煤種導致磨煤機熱風門全開時還不能夠達到磨煤機風量設定值，不僅影響制粉系統正常運行，有時還得降低磨煤機出力，從而影響機組帶負荷，同時，系統難以滿足機組的深度調峰調頻的需要。目前，國內火電廠一次風控制主要采用以下3種方式［3］。

（1）DCS中的函數控制，即由函數生成一次風壓設定值，再去控制一次風機，該函數自變量為給煤量或負荷。該方式為常規一次風控制方式，是大部分電廠現有的控制方式。但該方式無法適應系統阻力的變化，造成低負荷時磨煤機冷、熱風門存在較大的節流損失，經濟性較差。

（2）采用一個手動偏置控制，對函數生成的一次風壓設定值進行調整，得到一個新的一次風壓設定值。該控制方式為改進的一次風控制方式，可部分解決低負荷時磨煤機冷、熱風門的節流損失問題。但該方式需要運行人員的能動性配合，且存在一定的安全風險。據調查，使用這種方式控制，運行人員調整手動偏置的量都很小，難以真正起到充分發揮節能的作用［4］。

（3）采用一次風動態自尋控制，由控制系統根據磨煤機運行狀況動態自尋優生成一個一次風壓設定值疊加到DCS上。該方式為先進的一次風動態自尋優控制方式，可根據磨煤機的運行情況自動調整一次風壓設定值，從而最大限度地降低磨煤機冷、熱風門節流損失，經濟性較好。

5 一次風自尋優控制系統調試

通過優化運行方式及基準試驗，在不同的給煤率及不同機組負荷工況下，通過一次風量自尋優控制系統，自動尋找最優控制，并對一次風壓進行優化，在保證磨煤機一次風量及風速的條件下，最大限度地減少一次風機電耗，提高一次風系統自動調節品質［5］。在一次風自尋優控制系統投運方式下，可直接減少一次風系統阻力，降低風機電耗，從而降低廠用電，提高鍋爐效率。

5.1 一次風動態自尋優調試投入說明

（1）將運行中的各磨煤機風量、溫度均投入自動（即各磨煤機熱一次風、冷一次風調節擋板投入自動），啟/停磨階段除外。

（2）如果出現一次風動態自尋優系統觸發“自動退出”或在“手動退出”且IEC 修正值未到達0時，先不要進行操作，等待IEC修正值為0后才可再次投入一次風動態自尋優系統，防止一次風壓波動。

（3）投入一次風動態自尋優系統之后，觀察參數顯示區中IEC 修正值是否開始緩慢變化，修正值為負值的大小取決于負荷變化速率、磨煤機風量及出口溫度的需求。

（4）投入一次風動態自尋優系統之后，注意觀察密封風機出口母管壓力、熱一次風母管壓力、2臺一次風機調節擋板、各磨煤機風量、出口溫度及密封風與一次風差壓等參數的變化是否正常。

（5）負荷變化需要啟/停磨煤機時，按照平時的規程進行即可，不需要退出一次風動態自尋優系統。但是，在啟/停磨煤機過程中，應注意觀察熱一次風母管壓力及IEC修正值等參數的變化是否正常。

（6）原有手動偏置按鈕仍然可以操作，投入一次風動態自尋優的情況下，手動偏置不要大幅度地變化，正常設置為0。（7）IEC修正值的自動調節范圍是：-2.5kPa～

+0.5kPa。

5.2 一次風動態自尋優退出說明

（1）退出一次風動態自尋優系統之后，IEC修正值緩慢下降至0（DCS邏輯中IEC修正值變化速率限制為0.002kPa/s）。

（2）退出之后，注意觀察一次風機動葉設定值變化，減小一次風母管壓力變化。

5.3 一次風動態自尋優異常情況注意事項

（1）運行中，遇以下任一條件出現時，DCS 邏輯中RS觸發器復位，自動退出一次風動態自尋優系統。退出后，IEC修正值按照0.002kPa/s的速率變化至0，回到系統投入前一次風壓設定值狀態。

①所有磨熱風調門都在手動狀態。

②任意一臺一次風機動葉在手動狀態。

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③一次風動態自尋優設備心跳信號DCS 判斷不正常。

④IEC自檢信號不正常。

（2）遇以下異常情況時，需手動操作退出一次風動態自尋優系統。退出后，IEC修正值按照0.002kPa/s的速率變化至0，回到系統投入前熱一次風壓設定值狀態。

①一次風機控制系統調節波動，點擊切除按鈕。

②一次風機行參數異常（如磨煤機出口溫度偏離設定值較大、熱一次風母管壓力異常波動、密封風機進出口壓力異常波動、磨煤機一次風與密封風差壓偏低等情況）。

③機組協調控制系統調節波動。

④多臺磨煤機一次風量在手動，影響調節效果。

5.4 一次風動態自尋優控制故障排查

（1）DCS邏輯打到在線模式：檢查一次風動態自尋優控制系統通信模塊、信號判斷控制邏輯是否正常。

（2）控制系統硬件設備：檢查進線開關狀態、電源指示燈、智能控制器（IEC）指示燈、交換機指示燈是否常亮；檢查保險端子中的保險絲是否熔斷。

（3）系統工控機：在線檢查PLC 程序、IEC 輸入及輸出信號是否正常。

5.5 一次風動態自尋優系統試驗

國能重慶萬州電廠#2 爐在正常運行時投入一次風動態自尋優控制系統，監測一次風動態自尋優控制系統的自動調節品質，在IEC 智能控制系統中觀察一次風壓的調節量，并根據實際情況作出適當的調整，對一次風動態自尋優控制系統進行負荷、燃料量擾動試驗［6］。

5.5.1 風量擾動試驗

（1）在不同負荷狀態下，機組運行磨煤機冷、熱風門均在自動狀態下，減少熱一次風壓的手動偏置值，然后偏置值保持不變。

（2）觀察一次風自尋優投入條件，當滿足條件后，由運行人員投入自尋優系統。

（3）觀察磨煤機入口一次風壓及出口溫度，確保未達到報警值，選擇熱風門開度最大的磨煤機，將其入口一次風量偏置增加5t擾動風量。

（4）觀察一次風自尋優指令，先變化后調節趨于穩定，自尋優指令未出現突變，恢復擾動風量為0t，風量擾動試驗完成。

5.5.2 燃料擾動試驗

（1）在不同負荷狀態下，機組運行磨煤機冷、熱風門均在自動狀態下，保持所有運行磨煤機風量、熱一次風壓手動偏置值不變。

（2）觀察一次風自尋優投入條件，當滿足條件后，由運行人員投入自尋優系統。

（3）觀察磨煤機入口一次風壓及出口溫度確保未達到報警值，選擇熱風門開度最大且冷、熱風門均在自動狀態的一臺的磨煤機增加5t擾動燃料量。

（4）觀察一次風自尋優指令，先變化后調節趨于穩定，自尋優指令未出現突變，恢復擾動煤量為0t，煤量擾動試驗完成。

6 一次風動態自尋優系統效益分析

6.1 一次風機風壓及電流下降空間

投入一次風動態自尋優控制系統，根據負荷及給煤率，通過系統自尋優控制，在保證風量及風速的條件下，一次風壓下降約0.5～1.2kPa；通過自尋優控制方式，一次風機總電流下降16A 左右，按照全年70%～75%的負荷率，全年一次風機總電流平均下降12～16A［7］。

6.2 一次風機自尋優系統產生的經濟效益

按2021年生產情況，全年平均一次風機電流約為194A，一次風機節電率為：節約電流/投入前總電流×100%=16/194×100=8.2%。在此工況下，按照一次風機額定電壓10.2kV計算，節約一次風機電機功率為：

P=1.732×U×I×cosφ=1.732×10.2×16×0.86=243.1kW

應用IEC智能控制系統后，按照單機年運行5000h計算，一次風機直接經濟效益約為45萬元。

7 結語

通過改造及應用后，一次風壓可以更加精準控制，能更好地控制風煤比、快速響應AGC及減少運行人員勞動強度，一次風壓的降低可以降低一次風機的耗電量。同時，由于煙氣量的下降，也能夠有效控制CO、飛灰可燃物，一定程度地減少NOx，達到節能減排、提質增效的目的。