羅志浩，陳 波，陳小強(qiáng)，蘇 燁

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

爐膛壓力是鍋爐燃燒狀態(tài)的重要參數(shù)之一，直接反映了爐膛燃燒溫度和煙氣流量的變化。一旦燃燒工況發(fā)生變化，最先反映的就是爐膛壓力變化，然后才是蒸汽流量等指標(biāo)的變化，因此保持各種工況下爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定是保障爐內(nèi)燃燒正常的基本要求之一。

傳統(tǒng)的爐膛壓力控制依靠調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)出力完成，其調(diào)節(jié)指令基于壓力偏差和相應(yīng)的前饋信號(hào)。前饋信號(hào)通常是送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉平均指令或總風(fēng)量指令。該前饋信號(hào)可有效提前反映正常工況下爐內(nèi)煙氣量的變化趨勢(shì)，提前調(diào)整以提高負(fù)壓波動(dòng)時(shí)的響應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)主燃料跳閘（MFT）工況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取相應(yīng)的超馳控制：引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)指令根據(jù)MFT前機(jī)組負(fù)荷減少一定量，以防止由于爐膛送風(fēng)量的突然減少和燃料量的失去而導(dǎo)致爐膛內(nèi)爆。大多數(shù)運(yùn)行工況下，傳統(tǒng)的引風(fēng)機(jī)控制策略可以滿足爐膛負(fù)壓的控制要求。但在較為惡劣的工況下，特別是發(fā)生非主動(dòng)的大幅度內(nèi)擾時(shí)，如磨煤機(jī)、一次風(fēng)機(jī)跳閘后，由于爐膛內(nèi)大量的燃料量瞬間減少、溫度場(chǎng)瞬間降低，而引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)相對(duì)滯后，引起爐膛負(fù)壓劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行。

對(duì)于超（超超）臨界機(jī)組的鍋爐，由于鍋爐容量大、蒸汽參數(shù)高，使得爐膛負(fù)壓在爐內(nèi)燃燒狀態(tài)劇烈變化時(shí)更加難以控制。與其它類型的鍋爐相比，超（超超）臨界鍋爐在惡劣工況下爐膛負(fù)壓波動(dòng)的幅度更加嚴(yán)重。因此，需要針對(duì)超（超超）臨界鍋爐在惡劣燃燒工況下的引風(fēng)機(jī)前饋控制作進(jìn)一步的研究和完善。

1 對(duì)象特性及控制策略分析

1.1 對(duì)象特性分析

爐膛壓力是鍋爐燃燒狀態(tài)的反映，綜合體現(xiàn)了煙氣量、燃料量、送引風(fēng)機(jī)狀態(tài)、燃燒強(qiáng)度、爐內(nèi)溫度等參數(shù)。下面假定高溫低壓的煙氣為理想氣體，對(duì)爐膛負(fù)壓的特性進(jìn)行定性分析。

由理想氣體性質(zhì)可得：

對(duì)（1）式求導(dǎo)得：

式中：P為爐膛壓力；m為爐內(nèi)煙氣總質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；T為爐內(nèi)煙氣溫度；V為鍋爐容積。

因鍋爐容積V固定，因此由（2）式中可以看出爐膛壓力僅和爐內(nèi)煙氣質(zhì)量變化、爐內(nèi)溫度變化相關(guān)。引起爐內(nèi)煙氣質(zhì)量變化的因素主要包括送風(fēng)量、引風(fēng)量和燃料量；引起爐內(nèi)溫度變化的因素主要是爐內(nèi)燃燒工況的變化。以磨煤機(jī)跳閘工況為例，磨煤機(jī)跳閘后燃料量大幅度減少，一方面使得爐內(nèi)煙氣質(zhì)量大幅度變化，另一方面也使?fàn)t內(nèi)燃燒工況惡化，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度大幅下降，從而引起爐膛負(fù)壓的快速下降。在傳統(tǒng)控制方式下，由于磨煤機(jī)跳閘是非主動(dòng)的內(nèi)擾，送風(fēng)機(jī)指令將滯后于爐膛壓力，而引風(fēng)機(jī)失去了相關(guān)前饋信號(hào)，僅依靠反饋調(diào)節(jié)將使?fàn)t膛壓力大幅波動(dòng)。

以（2）式為基礎(chǔ)在仿真平臺(tái)進(jìn)行定性分析，以磨煤機(jī)跳閘工況為例，分別用傳統(tǒng)控制模式和加入前饋后的控制模式對(duì)爐膛壓力進(jìn)行控制，調(diào)整參數(shù)至最優(yōu)，得到圖1（b）中所示曲線，而傳統(tǒng)控制策略的仿真曲線如圖1（a）。由圖1可以看出加入相應(yīng)前饋后的控制模式優(yōu)于傳統(tǒng)控制模式。

1.2 控制策略改進(jìn)

由上述分析可知，爐膛壓力主要受到爐內(nèi)煙氣質(zhì)量和溫度變化的影響。傳統(tǒng)控制策略中送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉平均指令或總風(fēng)量指令的前饋量只能在一定程度上提前反映爐內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化。但是出現(xiàn)磨煤機(jī)跳閘、一次風(fēng)機(jī)跳閘等工況時(shí)則無(wú)法提前反映爐內(nèi)煙氣質(zhì)量和爐內(nèi)溫度的變化，因此在傳統(tǒng)邏輯中加入磨煤機(jī)跳閘臺(tái)數(shù)的前饋可以有效解決上述問(wèn)題。圖2為改進(jìn)后控制策略圖，虛線部分為新增的相關(guān)前饋。

圖1 控制策略仿真試驗(yàn)效果對(duì)比示意圖

圖2 改進(jìn)后爐膛壓力控制策略圖

需要注意的是，圖2中所示僅為相關(guān)控制示意圖，在實(shí)際組態(tài)實(shí)施過(guò)程中還需要考慮下面一些問(wèn)題：

（1）前饋的作用時(shí)間、作用幅度和復(fù)歸方式。

增加的前饋?zhàn)饔脮r(shí)間和幅度主要是指前饋的持續(xù)時(shí)間和前饋的作用大小，前饋的作用時(shí)間太長(zhǎng)、作用幅度太大將給該工況下的爐膛壓力控制帶來(lái)新的擾動(dòng)；反之則達(dá)不到預(yù)期的效果，因此前饋的作用時(shí)間和作用幅度需要結(jié)合機(jī)組的實(shí)際情況在試驗(yàn)后予以確定。

前饋的復(fù)歸方式主要需要考慮前饋復(fù)歸時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊。要求前饋在控制大致趨于穩(wěn)定后予以復(fù)歸，復(fù)歸的方式和速率要在爐膛壓力控制PID調(diào)節(jié)可以自動(dòng)修復(fù)的范圍內(nèi)。

（2）前饋?zhàn)饔玫姆秶?/p>

并不是所有的RB工況都需要前饋回路起作用。機(jī)組燃料RB、給水泵RB、一次風(fēng)機(jī)RB時(shí)，由于磨煤機(jī)跳閘，爐內(nèi)煙氣質(zhì)量和爐內(nèi)溫度都迅速降低，爐膛壓力快速減少。為了降低爐膛壓力下降幅度，引風(fēng)機(jī)需要提前速關(guān)。送引風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作時(shí)，會(huì)跳閘同側(cè)送引風(fēng)機(jī)。單臺(tái)運(yùn)行的引風(fēng)機(jī)由于平衡調(diào)節(jié)器的作用，其開度指令會(huì)立即開到最大出力，并且在調(diào)節(jié)量超過(guò)積分死區(qū)前，會(huì)一直維持最大出力，因此該類RB動(dòng)作時(shí)，無(wú)需前饋回路起作用。

需要注意的是一次風(fēng)機(jī)RB是爐膛壓力控制中最為惡劣的工況，由于一次風(fēng)母管壓力快速下降，造成鍋爐10 s左右事實(shí)上的斷粉燃燒，爐膛壓力下降的幅度大大超過(guò)其它類型的RB，因此一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作時(shí)，前饋的幅度可能需要更大。

2 控制策略的實(shí)際應(yīng)用

以樂(lè)清電廠和北侖電廠超（超超）臨界機(jī)組為例，分別介紹控制策略實(shí)施前后爐膛壓力的控制效果和控制策略實(shí)施過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

2.1 樂(lè)清電廠爐膛壓力超前控制策略優(yōu)化

在樂(lè)清電廠600 MW超臨界機(jī)組調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)控制可以滿足鍋爐負(fù)壓的控制要求，控制品質(zhì)很好。但在非風(fēng)機(jī)RB引起的跳磨過(guò)程中，負(fù)壓會(huì)出現(xiàn)振蕩、超調(diào)或調(diào)不回來(lái)的情況。按照以上分析對(duì)爐膛壓力控制策略進(jìn)行了優(yōu)化：當(dāng)RB發(fā)生時(shí)(送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)RB除外)，根據(jù)磨煤機(jī)跳閘的臺(tái)數(shù)來(lái)確定引風(fēng)機(jī)超前控制前饋，同時(shí)考慮切換、限速和限幅等保護(hù)環(huán)節(jié)，使前饋在正常情況下不起作用，超馳動(dòng)作后立即緩慢釋放，并修改引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)指令前饋和爐膛負(fù)壓偏差前饋。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定跳磨臺(tái)數(shù)和引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉前饋量函數(shù)關(guān)系如表1所示。

表1 600 MW機(jī)組跳磨臺(tái)數(shù)和引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉前饋量

由于引風(fēng)機(jī)靜葉控制從跳磨一出發(fā)就提前進(jìn)行速關(guān)的動(dòng)作，抑制了負(fù)壓的大幅度下降，表1中速關(guān)的量需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)整定，該策略的實(shí)施和應(yīng)用使得機(jī)組爐膛壓力的控制品質(zhì)較修改前提高很多，效果良好。

2.2 北侖電廠爐膛壓力超前控制策略優(yōu)化

在北侖電廠三期1 000 MW超超臨界機(jī)組調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)6號(hào)機(jī)組的爐膛壓力在正常工況下調(diào)節(jié)效果較好，但是在RB發(fā)生時(shí) (送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)RB除外)，也存在爐膛壓力下降較多的情況。因此按照樂(lè)清電廠的優(yōu)化方式對(duì)7號(hào)機(jī)組的爐膛壓力控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定跳磨臺(tái)數(shù)和引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉前饋量函數(shù)關(guān)系如表2所示。

表2 1 000 MW機(jī)組跳磨臺(tái)數(shù)和引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉前饋量

圖3是在不同控制策略下爐膛壓力控制品質(zhì)的比較示意圖。從圖中可以看出：在原控制策略下，6號(hào)機(jī)組燃料RB（2臺(tái)磨煤機(jī)）時(shí)，爐膛壓力由原來(lái)的-117 Pa下降至-973 Pa，再上升至-81 Pa最大波動(dòng)值為892 Pa，控制效果不理想。通過(guò)完善引風(fēng)機(jī)前饋控制邏輯后，7號(hào)機(jī)組燃料RB（2臺(tái)磨煤機(jī)）時(shí)，爐膛壓力由原來(lái)的-164 Pa，最高至48 Pa，最低至-192 Pa，最大波動(dòng)值只有240 Pa，調(diào)節(jié)品質(zhì)較6號(hào)機(jī)組有明顯改善。

3 結(jié)語(yǔ)

圖3 北侖電廠6，7號(hào)機(jī)組爐膛負(fù)壓控制效果對(duì)比示意圖

針對(duì)超（超超）臨界直流鍋爐爐膛壓力在惡劣工況下超調(diào)較多、振蕩幅度較大的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)爐膛壓力對(duì)象特性的分析，在仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)引風(fēng)機(jī)超前調(diào)節(jié)的優(yōu)化控制策略。在樂(lè)清電廠、北侖電廠三期的基建調(diào)試中實(shí)施了這一策略。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)優(yōu)化的引風(fēng)機(jī)超前控制策略，能明顯改善惡劣工況下爐膛壓力的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高機(jī)組的安全性，對(duì)今后其他機(jī)組的爐膛壓力控制具有推廣意義。

[1]金以慧．過(guò)程控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1993．

[2]朱北恒，孫長(zhǎng)生，龔 皓.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005．