摘要:由于火電鍋爐是一種干擾眾多、耦合嚴重的復雜系統(tǒng)，具有控制區(qū)死區(qū)大、參數時變、非線性、大滯后等缺點;燃燒用煤還存在煤種復雜、品質不一、低位發(fā)熱值差異大的問題，正在研究的模糊控制方案等先進算法在鍋爐實際運行中存在很多不如人意的地方，和理論效果有很大的差距，本文在采用傳統(tǒng)的PID控制方案的基礎上進行了改進，并綜合了交叉限幅環(huán)節(jié)和前饋控制的優(yōu)點。

關鍵詞:爐膛壓力 直吹式 一次風壓 前饋控制

0 引言

送風控制系統(tǒng)的任務是達到最高的鍋爐熱效率。但熱效率不能直接測量，因此通常采用間接的方法達到目的。根據不同的測量方法可以構成不同的系統(tǒng)。

1 送引風過程自動控制的任務

送引風控制系統(tǒng)是接受來自主控系統(tǒng)發(fā)出的鍋爐負荷指令的，當送風系統(tǒng)接到指令后便使風量同燃燒調節(jié)系統(tǒng)控制的燃料量按預先設置好的靜態(tài)配合依照比例同時動作，以保證風與燃料的合適配比，同時風量控制與燃料控制的交叉作用可以滿足增負荷先增風，減負荷先減燃料的生產工藝要求，以保證鍋爐既安全又經濟地正常運行。

送風調節(jié)的任務在于保證燃燒的經濟性，具體地說，就是要保證燃燒過程中有合適的燃料與風量比例，送風調節(jié)對象近似比例調節(jié)。因此通常采用保持燃料量與送風量成比例關系的送引風控制系統(tǒng)，燃料量信號以前饋形式引入送風機控制系統(tǒng)，作為送風調節(jié)器的給定值;送風量信號作為反饋信號引入送風調節(jié)器，構成一個單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，可以實現送風量快速跟蹤燃料量的變化。于送風調節(jié)器采用PI作用調節(jié)器，所以靜態(tài)時，調節(jié)器入口信號平衡。

引風控制的任務是保持爐膛負壓在規(guī)定的范圍之內。由于送風量的變化是引起負壓波動的主要原因，為了能使引風量快速地跟蹤送風量，以保持二者的比例，可將送風量作為前饋引入引風調節(jié)器。這樣當送風控制系統(tǒng)動作時，引風控制系統(tǒng)立即跟著動作，而不是等爐膛負壓偏離給定值后再動作，從而能使爐膛負壓基本不變。所以引風控制系統(tǒng)引入送風前饋信號以后，將有利于提高引風控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和見效爐膛負壓的動態(tài)偏差。

2 典型制粉系統(tǒng)送引風控制系統(tǒng)基本方案

鍋爐燃燒過程自動控制方案與鍋爐設備的類型、運行方式及控制要求有關，對于不同的情況與要求，控制系統(tǒng)的方案是不同的。送引風過程自動控制系統(tǒng)作為燃燒控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)也會有不同的方案，下面介紹中間儲倉式制粉系統(tǒng)的燃燒過程自動控制系統(tǒng)基本方案。

對于燃燒鍋爐來說，燃料量(煤粉量)的直接測量還是一個尚待解決的問題，因此在設計燃燒控制系統(tǒng)時，一般采用間接測量的方法。用“熱量信號”代表煤粉量的方法采用的最為普遍。

熱量信號是基于下面的考慮提出來的。穩(wěn)態(tài)時，只需用蒸汽流量可準確地度量燃料發(fā)熱量中被利用的部分;動態(tài)中，尚有部分熱量儲存(或放出)在鍋爐內部，表現為汽包壓力的變化。把上述熱量的利用和儲存兩部分適當地組合起來就叫做熱量信號。所謂熱量信號，是指燃料進入爐膛燃燒后，單位時間內所產生的熱量。

當鍋爐負荷不變而送風量發(fā)生自發(fā)性擾動時，由于送風調節(jié)器的作用能快速自動消除，采用熱量信號的單元機組燃燒過程自動控制系統(tǒng)。燃燒自動控制系統(tǒng)由鍋爐主控、燃料調節(jié)器、送風調節(jié)器、引風調節(jié)器等組成。

由于采用中間儲倉式制粉系統(tǒng)在基建投資和運行費用上的耗費比采用直吹式制粉系統(tǒng)多，因此現代大型發(fā)電機組大多數都采用直吹式制粉系統(tǒng)。直吹式設備的鍋爐將制粉設備與鍋爐本體緊密聯(lián)系成一個整體。因此，在直吹式設備的鍋爐的運行中，制粉系統(tǒng)也成為燃燒過程自動控制不可分割的組成部分。在直吹式鍋爐中，改變燃料調節(jié)機構的給煤轉速后，需經過磨煤制粉的過程，才能使進入爐膛的煤粉量B發(fā)生變化。直吹式鍋爐在適應負荷變化或消除燃料內擾方面的反應均較慢，從而引起氣壓較大的變化。對于直吹式制粉系統(tǒng)來說，磨煤機裝煤量越大，在給煤量擾動下，出粉量變化的慣性和延遲也越大。同時，磨煤機通常有一定蓄粉量，裝煤量越大，蓄粉量也越大。對于裝煤量大的磨煤機，改變一次風量以吹出磨中的蓄粉，是解決制粉系統(tǒng)慣性延遲問題的有效方法。系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，一次風量與燃料量和送風量平衡，間接保證了燃料量與送風量的比例關系，基本上保證了燃燒過程的經濟性。爐膛壓力控制如前所述，必要時還可引入送風機指令前饋信號。

隨著機組容量越來越大，增加負荷通常是增加運行磨煤機的臺數，相對來說，磨煤機的裝煤量越來越少。對于裝煤量少的磨煤機，由于磨中蓄粉量相應減少，采用改變一次風量，暫時增加進入爐膛的煤粉量，調節(jié)能力是有限的。對于這類直吹式鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)，通常采用直接改變磨煤機的給煤量來適應負荷的變化，同時調節(jié)總風量(二次風量和一次風量)，使之與燃料量協(xié)調變化。這種采用直接改變給煤機轉速作為燃料控制手段的直吹式鍋爐燃燒控制系統(tǒng)稱為“燃料-風量”系統(tǒng)。

3 300MW單元機組送引風過程自動控制系統(tǒng)

300MW單元機組配置有5臺給煤機，5臺中速磨煤機和20只煤粉燃燒器。正常運行時4套制粉系統(tǒng)投運，1套備用。下面以1臺的燃燒控制系統(tǒng)為例進行分析，介紹其送引風過程控制系統(tǒng)。該機組采用直吹式制粉系統(tǒng)，在送引風控制方面介紹以下幾個子系統(tǒng):磨煤機一次風量、一次風壓力、二次風量、爐膛壓力控制系統(tǒng)。

煤粉管道中的煤粉和空氣混合物的速度應保持在一定范圍內(約在20~30m/s左右)，流速太低會使煤粉沉積在管道內，流速太高可能造成結渣，因此磨煤機的一次風量必須保持在給定值。

300MW單元機組風量控制系統(tǒng)有一次風和二次風兩個相互獨立的系統(tǒng)，一次風主要用于將煤粉從磨煤機輸送到燃燒器，二次風主要用來幫助燃料在爐膛中完全燃燒。送風控制系統(tǒng)的基本任務是為保證燃料在爐內的充分燃燒提供足夠的氧量。在大型單元機組中，通常配有一、二次風機各兩臺。一次風機負責將煤粉送入爐膛，而鍋爐的總風量主要由二次風來控制，用于滿足爐膛內燃料燃燒所需要的氧量，以保證燃燒的經濟性和安全性。

為了有效地對磨煤機的一次風流量控制(即通過調整各臺磨煤機一次風調節(jié)擋板的開度就能有效地改變一次風量的大小)，必須保證一次風母管內具有一定的一次風壓力，該一次風壓是通過兩臺一次風機入口導葉的位置來調整的。一次風壓設定值與一次風量成一定的函數關系，操作人員通過模擬量設定值可以微調其設定值的大小。一次風壓的測點取在一次風熱風母管上，設有兩個測點，采用二選一的方式選擇其中的一個信號，并經過低通濾波器后得到一次風壓測量值。一次風壓偏差經過PID調節(jié)器運算后得到一次風壓控制信號。為了保證一次風壓調節(jié)回路的控制性能不受一次風機自動運行臺數的影響，該控制信號通過乘法器進行了回路增益校正。當兩臺一次風機控制回路均處于自動時，為了使兩臺一次風機的出口風量相匹配，該系統(tǒng)中設計了一個出力平衡回路用來消除兩臺一次風機之間的出力不平衡現象。兩臺自動運行的一次風機出力平衡的任務是通過加法模塊、比例模塊和切換模塊共同來完成的。如果兩臺風機出力不平衡，則經過處理后的一次風機出力偏差以相反方向送至兩臺一次風機入口導葉控制回路，使出力大的相應減少，而出力小的適當增大。當只有一臺風機自動時，該出力不平衡校正信號取消。

風機動葉控制部分由軟手操控制器、閉鎖指令增減環(huán)節(jié)、防喘振環(huán)節(jié)及超馳控制環(huán)節(jié)組成。在正常情況下，調節(jié)器輸出的風量控制指令，加上運行人員的手動偏置作為送風機動葉控制指令，經M/A站、切換器、閉鎖指令增減環(huán)節(jié)和防喘振環(huán)節(jié)輸出，去控制鍋爐的送風量，以滿足爐內燃燒的要求。

并列運行的兩臺風機，通常由于風機的輸入-輸出特性曲線上存在的差異，往往在控制信號相同、調節(jié)機構(擋板或動葉)開度也一樣的情況下，風機出力不同。這時可以對控制指令加入偏置信號來進行校正，即在出力較小的某一路加上正偏置，而在出力較大的某一路減去同樣的偏置，從而使兩臺風機的實際出力相等。通過輸出的偏置信號就是起這個作用。

當系統(tǒng)出現異?；蚬收蠒r，控制系統(tǒng)將發(fā)出自動/手動切換、閉鎖指令增/減、超時開/關指令，對系統(tǒng)設備實施保護。

當送風機出口經空氣預熱器加熱的二次風被送入二次風箱，再由二次風箱經位于爐膛四角的噴燃器進入爐膛，幫助進入爐膛的燃料燃燒。一般來說，每一層二次風室都配有二次風擋板，并可通過執(zhí)行器控制擋板開度。

燃料風比輔助風能更早的參與燃料燃燒，其作用是供給一次煤粉以適當的空氣，來補充由于煤粉高度集中，在燃燒初期可能出現的氧量不足，以利于煤粉氣流著火和燃燒的擴展，同時它可以防止一次風偏斜和煤粉離析，避免氣流沖刷爐墻形成大量還原氣體而結焦。高速的周界風還可增強卷吸高溫煙氣的能力，有利于煤粉氣流著火。另外，它還對一次風噴口起到冷卻保護作用。輔助風是二次風控制的主體，它的作用是調整二次風箱和爐膛之間的差壓，從而保持進入爐膛的二次風有適當的流速，使煤粉和空氣更好的混合，以保證燃料在爐膛中的最佳燃燒。當某層燃油退出運行時，該層燃油風擋板和輔助風擋板一起參加二次風箱和爐膛之間差壓的調節(jié)。爐膛壓力控制系統(tǒng)是通過調整兩臺引風機入口導葉的位置，使引風量和送風量相適應，以保持爐膛壓力在一定的允許范圍之內，保證鍋爐的經濟與安全運行。該機組爐膛壓力調節(jié)系統(tǒng)為前饋—反饋調節(jié)系統(tǒng)，爐膛壓力控制系統(tǒng)。

為了在變負荷過程中，避免爐膛壓力的大幅度波動，本系統(tǒng)引入了送風量控制指令的比例微分前饋信號。這樣就可以在送風量信號變化時，及時調整引風量，使爐膛壓力不變或盡量少變。

4 總結

在傳統(tǒng)的PID控制的基礎上加入交叉限制環(huán)節(jié)和必要的限制完全可以實現對送引風控制系統(tǒng)的控制，這種基于傳統(tǒng)PID控制并對其進行適當的改進的辦法可以取得良好的控制效果。

參考文獻:

[1]東方鍋爐運行說明書.

[2]胡濤松.自動控制原理.，科學出版社，2001.

[3]楊獻勇.熱工過程自動控制，清華大學出版社，2000.

[4]毛正孝.泵與風機.中國電力出版社，1998.