孫安娜, 程應(yīng)冠, 楊景祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海 200240)

某廠動力中心由2臺310 t/h的循環(huán)流化床(CFB)鍋爐、1臺75 t/h的啟動鍋爐及2臺60 MW汽輪發(fā)電機(jī)組組成,機(jī)組采用兩爐兩機(jī)母管制運(yùn)行方式.鍋爐由美國福斯特?惠勒公司設(shè)計(jì),DCS采用西門子公司的PCS7系統(tǒng).自投產(chǎn)以來,設(shè)備整體運(yùn)行基本正常,但由于各生產(chǎn)線的用汽量變化比較大,導(dǎo)致機(jī)爐蒸汽母管壓力波動較大,自動控制系統(tǒng)不能穩(wěn)定地控制機(jī)組各運(yùn)行參數(shù),致使CFB鍋爐母管壓力、燃料系統(tǒng)、一次風(fēng)系統(tǒng)、二次風(fēng)系統(tǒng)、氧量(煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)φ(O2))系統(tǒng)均處于手動控制方式.由于目前CFB鍋爐運(yùn)行人員的配置比較少,工作強(qiáng)度較大,因此迫切要求鍋爐投入自動.針對以上問題,上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院根據(jù)該廠CFB鍋爐的運(yùn)行及用汽特點(diǎn),對鍋爐控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 鍋爐壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 壓力控制系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)的整定

從鍋爐內(nèi)部來說,壓力的穩(wěn)定主要依賴于鍋爐的燃燒特性,而鍋爐的燃燒特性主要取決于鍋爐的風(fēng)、煤配比.

CFB鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行取決于在一定負(fù)荷下,滿足壓力、氧量和床溫控制所需的燃料、一次風(fēng)和二次風(fēng).在鍋爐不同負(fù)荷下,一次風(fēng)、二次風(fēng)和燃料的關(guān)系就是鍋爐運(yùn)行的靜態(tài)關(guān)系,只有確定了鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時的靜態(tài)參數(shù),才能確保鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行[1-3].

結(jié)合CFB鍋爐的運(yùn)行日志,經(jīng)過參數(shù)的對比和分析,確定出各負(fù)荷工況下的燃料、一次風(fēng)和二次風(fēng)的靜態(tài)關(guān)系,見表1.

表1 燃料、一次風(fēng)和二次風(fēng)的靜態(tài)關(guān)系Tab.1 Static relation among flow rates of fuel,p rimary air and secondary air

1.2 壓力控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析

該CFB鍋爐基本上處于不間斷的蒸汽流量擾動下運(yùn)行.要使鍋爐在不間斷的外部擾動工況下投入自動控制,保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,就必須了解母管壓力對外擾(蒸汽流量)的響應(yīng)特性以及燃料量的響應(yīng)特性,為此對鍋爐進(jìn)行了燃料和蒸汽流量的擾動試驗(yàn),以確定鍋爐的動態(tài)特性.

試驗(yàn)力求機(jī)組在相對穩(wěn)定、具有較小的外界擾動的工況下進(jìn)行,試驗(yàn)方式如下:

(1)進(jìn)行手動增加1 t/h燃料,觀察主汽壓力的變化;

(2)進(jìn)行手動減少1 t/h燃料,觀察主汽壓力的變化;

(3)在汽輪機(jī)側(cè)增加10 t/h蒸汽量,觀察主汽壓力的變化;

(4)在汽輪機(jī)側(cè)減少10 t/h蒸汽量,觀察主汽壓力的變化.

燃料量階躍擾動下主蒸汽母管壓力的響應(yīng)曲線見圖1.蒸汽流量擾動下主蒸汽母管壓力的響應(yīng)曲線見圖2.

在燃料變化1 t/h的試驗(yàn)條件下,得到壓力對燃料的傳遞函數(shù)為:

圖1 燃料量階躍擾動下主蒸汽母管壓力的響應(yīng)曲線Fig.1 Response cu rve of main steam p ressure under step disturbance of fuel flow

圖2 蒸汽流量擾動下主蒸汽母管壓力的響應(yīng)曲線Fig.2 Response cu rve of main steam p ressure under step disturbance of steam flow

在蒸汽流量擾動10 t/h的試驗(yàn)條件下,得到壓力對蒸汽流量的傳遞函數(shù)為:

1.3 曲線分析

從圖1和傳遞函數(shù)式(1)中可以看到,由于循環(huán)流化床鍋爐中燃料是在流化狀態(tài)中逐漸燃燒放出熱量,因此壓力對燃料的響應(yīng)特性是一個純延遲對象,壓力對燃料的響應(yīng)時間接近10m in.

蒸汽流量的擾動來自于汽輪機(jī)負(fù)荷變化所需蒸汽量變化和外負(fù)荷變化所需抽汽量變化,壓力對蒸汽流量的響應(yīng)特性是快速的一階對象.

對于這樣的被控對象不能僅用穩(wěn)態(tài)特性調(diào)試系統(tǒng),必須考慮外負(fù)荷擾動對鍋爐壓力的影響,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試中考慮了抽汽流量擾動對鍋爐燃料量的前饋控制,盡可能快地保證鍋爐的壓力穩(wěn)定.

應(yīng)該注意,這里所使用的前饋信號是汽輪機(jī)側(cè)蒸汽流量(抽汽流量)的變化而不是鍋爐出口蒸汽流量的變化,它源于汽輪機(jī)負(fù)荷的變化和中低壓蒸汽母管壓力的變化.如果采用鍋爐出口蒸汽流量的變化,將會在鍋爐內(nèi)擾(燃料擾動)時對母管壓力形成正反饋,導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定.

2 燃料控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 燃料量控制回路

該CFB鍋爐燃料系統(tǒng)配置了3臺可稱重給料機(jī),這樣的配置方式可以直接測量進(jìn)入鍋爐的給料量,這對于穩(wěn)定燃料控制是有利的.

對于CFB鍋爐而言,由皮帶式給料機(jī)輸送燃料,由播煤風(fēng)將燃料送入爐膛.但在燃料系統(tǒng)的運(yùn)行過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)給料倉下料口堵料、給料機(jī)在運(yùn)行中跳閘,這些運(yùn)行中的故障造成燃料的擾動,對于CFB主蒸汽母管壓力這種純延遲的控制對象來說,如不及時克服這些擾動,將會造成壓力很大的變化,嚴(yán)重影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行.

因此在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,利用燃料量可測量的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了燃料控制回路,見圖3.

圖3 燃料控制系統(tǒng)的原則性方案圖Fig.3 Principle diag ram of the fuel controlsy stem

燃料控制回路具有以下調(diào)節(jié)作用:

(1)快速調(diào)節(jié)燃料量,由于給料機(jī)轉(zhuǎn)速的變化很快就反映出燃料的變化,因此燃料控制可以定性為快速跟隨系統(tǒng),確保燃料控制的響應(yīng)性.

(2)在每臺料機(jī)的燃料測量回路中,考慮給料機(jī)跳閘的故障情況,當(dāng)系統(tǒng)檢測出給料機(jī)跳閘時,將該給料機(jī)的燃料測量信號置為0,確保運(yùn)行的給料機(jī)快速增加燃料,盡快地克服給料機(jī)跳閘引起的燃料擾動.

2.2 采用多輸出控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性

燃料系統(tǒng)具有3臺給料機(jī),對燃料指令來說這是一個多輸出控制環(huán)節(jié)[4].多輸出環(huán)節(jié)具有以下的特點(diǎn):

(1)任一個給料機(jī)轉(zhuǎn)速的變化都會影響到燃料的變化,而這種工況在機(jī)組運(yùn)行中是經(jīng)常發(fā)生的,例如1臺給料機(jī)出現(xiàn)堵料或者皮帶打滑,運(yùn)行人員為處理這個故障必須要改變這臺給料機(jī)的轉(zhuǎn)速.

(2)如果3臺給料機(jī)均投入自動,3臺給料機(jī)就都接受燃料控制器的指令;而如果僅2臺給料機(jī)投自動,那么就只有2臺給料機(jī)接受燃料控制器的指令.在同一時間3臺給料機(jī)投自動輸送的燃料比2臺給料機(jī)投自動輸送的燃料多,從自動調(diào)節(jié)的角度說這兩種工況回路的增益變化了.

以上兩種運(yùn)行工況均表現(xiàn)出燃料系統(tǒng)的不穩(wěn)定性.為了提高燃料系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)增加了多輸出控制環(huán)節(jié).

2.2.1 提高燃料系統(tǒng)的響應(yīng)性

由一個積分控制模塊和若干個操作器構(gòu)成了多輸出控制系統(tǒng),其等效框圖見圖4.

圖4 無差多輸出控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block diag ram of themost out control scheme

對于連續(xù)系統(tǒng),有

式中:T i為積分調(diào)節(jié)器的積分時間.

從公式推導(dǎo)中得出多輸出控制系統(tǒng)的等效模塊是一個一階慣性環(huán)節(jié),當(dāng)積分時間足夠小時,多輸出系統(tǒng)近似一個比例環(huán)節(jié).因此以控制器的輸出作為多輸出環(huán)節(jié)的輸入,操作器的輸出作為多輸出環(huán)節(jié)輸出,可以看出多輸出系統(tǒng)僅是一個控制系統(tǒng)內(nèi)部的控制環(huán)節(jié),與控制系統(tǒng)的被控參數(shù)無關(guān),其穩(wěn)定的控制特性可以加快多輸出控制環(huán)節(jié)的響應(yīng)性.

2.2.2 偏置控制的自動平衡

燃料由3臺給料機(jī)經(jīng)由3條皮帶進(jìn)入爐膛,在燃料系統(tǒng)的運(yùn)行中,會出現(xiàn)給料跑偏或者堵料造成燃料系統(tǒng)運(yùn)行不正常.此時在燃料自動投入工況下,運(yùn)行人員可以改變故障給料機(jī)的偏置,使故障給料機(jī)給料量最小,同時多輸出控制系統(tǒng)會自動增加正常運(yùn)行給料機(jī)的給料量,保證進(jìn)入鍋爐的總?cè)剂喜蛔?克服了燃料的擾動.

2.3 多種燃料的控制

該CFB鍋爐在設(shè)計(jì)階段考慮以石油焦作為燃料,但在實(shí)際運(yùn)行中又增加了瓦斯,使得該CFB鍋爐處于石油焦與瓦斯混燒運(yùn)行狀態(tài).

在系統(tǒng)優(yōu)化燃燒的初期,定義瓦斯的燃燒量為1 000 m3/h并且基本不變,石油焦在瓦斯燃燒的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié).在這種燃燒工況下整定的系統(tǒng)參數(shù)是穩(wěn)定的.

但是實(shí)際運(yùn)行中,鍋爐燃燒的瓦斯量是變化的,它由化工生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的瓦斯量來決定.當(dāng)瓦斯的燃燒量達(dá)到1 700 m3/h時,鍋爐的燃燒調(diào)節(jié)工況出現(xiàn)了不穩(wěn)定.這主要是瓦斯總?cè)紵裏崃康淖兓瘺]有在燃燒控制回路的燃料量中加以考慮,基本燃燒量的增加使燃燒回路的增益出現(xiàn)了變化.因此系統(tǒng)在調(diào)試中,按照等量熱值的方法將瓦斯量也計(jì)入到燃料測量中,實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

但是瓦斯和石油焦是兩種燃燒特性完全不一樣的燃料,瓦斯瞬間的切投或較大幅度的變化,都會引起蒸汽流量的較快變化,而此時要求用調(diào)節(jié)石油焦來穩(wěn)定壓力是不可能的.

3 床溫控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 床溫的影響因素

床溫是CFB鍋爐監(jiān)視的重要參數(shù)之一,合適的床溫可以有效地避免爐床的結(jié)焦,提高燃燒率和脫硫率.床溫一般控制在850～900℃內(nèi),它影響著鍋爐的安全連續(xù)運(yùn)行、鍋爐脫硫效果和NO x的排放.從CFB鍋爐控制參數(shù)耦合特性看,影響床溫的因素較多,主要有一次風(fēng)量、燃料量和石灰石量的變化.如采用改變?nèi)剂狭空{(diào)節(jié)床溫,在床溫調(diào)節(jié)的同時必然引起鍋爐主蒸汽壓力波動;而改變石灰石量則會引起床壓的波動以及污染物的排放效果.因此,一次風(fēng)調(diào)節(jié)成為控制床溫的主要手段,這與福斯特?惠勒公司采用一次風(fēng)控制床溫的控制理念一致.本優(yōu)化方案采用調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)配比來調(diào)節(jié)床溫,目的是在采用一次風(fēng)控制床溫的同時,相應(yīng)地改變二次風(fēng)量,保證鍋爐的總風(fēng)量不變,維持煙氣含氧量的恒定[5].

3.2 床溫的動態(tài)特性分析

3.2.1 床溫對燃料的響應(yīng)特性

燃料量階躍擾動下床溫的響應(yīng)曲線見圖5.

圖5 燃料量階躍擾動下床溫的響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of bed temperatu re under step distu rbance of fuel flow

在一次風(fēng)量變化2 km3/h的試驗(yàn)條件下,得到床溫對燃料的傳遞函數(shù)為:

燃料對床溫的動態(tài)特性和靜態(tài)特性方向一致,燃料減少,床溫降低;燃料增加,床溫增加.床溫對燃料的響應(yīng)特性是一個純延遲對象,響應(yīng)時間約12 min.

3.2.2 床溫對一次風(fēng)的響應(yīng)特性

一次風(fēng)減小時床溫的響應(yīng)曲線見圖6.

在一次風(fēng)變化2 km3/h的試驗(yàn)條件下得到床溫對一次風(fēng)的傳遞函數(shù)為:

圖6 一次風(fēng)階躍擾動時床溫的響應(yīng)曲線Fig.6 Response cu rve of bed tem perature under step distu rban ce of primary air flow

從圖6看出,一次風(fēng)對床溫的影響呈兩向性,具有動態(tài)特性和靜態(tài)特性.當(dāng)一次風(fēng)降低,由于減少一次風(fēng)瞬間減弱了爐膛內(nèi)的燃燒,放熱量減少,使得床溫降低,前半段曲線反映了一次風(fēng)對床溫的動態(tài)特性;最終由于爐內(nèi)物料流動速度減慢,即燃料逐漸增加,床溫隨即上升,后半段曲線則反映了一次風(fēng)對床溫的靜態(tài)特性.在這兩種特性的疊加作用下,床溫對一次風(fēng)的響應(yīng)特性是一個具有滯后、慣性、自平衡能力和逆向性的對象.

3.2.3 逆向響應(yīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

具有逆向特性的開環(huán)系統(tǒng)在閉環(huán)控制時通常表現(xiàn)出高度的不穩(wěn)定性.圖7是由G(s)和固定增益的調(diào)節(jié)器K(s)=k組成的負(fù)反饋系統(tǒng).

圖7 負(fù)反饋系統(tǒng)Fig.7 Schem atic diagram of the negative feedback system

可以看出:閉環(huán)系統(tǒng)的零點(diǎn)zcl(s)=z(s)與反饋增益無關(guān);而閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)位置則受到反饋增益的影響而變化.取極限情況,即

根據(jù)經(jīng)典的控制理論,當(dāng)反饋增益趨于無窮大時,閉環(huán)控制系統(tǒng)的極點(diǎn)將移向開環(huán)零點(diǎn).右平面零點(diǎn)意味著反饋控制系統(tǒng)在大增益下存在著高度的不穩(wěn)定性.而大的反饋增益往往是保證消除穩(wěn)態(tài)控制偏差和提高動態(tài)響應(yīng)速度的必要前提.因此對于具有逆向特性的對象,很難采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié).

3.3 床溫控制系統(tǒng)優(yōu)化

綜合上述關(guān)于床溫對燃料、一次風(fēng)的響應(yīng)特性分析,確定采用鍋爐指令對風(fēng)、煤的協(xié)調(diào)控制可以實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)和燃料對床溫的動態(tài)解耦.控制床溫主要為保證CFB鍋爐的脫硫效果,而CFB鍋爐運(yùn)行時只要將床溫控制在850～900℃內(nèi)均能達(dá)到較好的脫硫效果.因此對原來的床溫串級校正控制進(jìn)行了修改,在整個鍋爐負(fù)荷變動范圍內(nèi),采用控制一、二次風(fēng)靜態(tài)比以保證床溫和動態(tài)工況下進(jìn)行手動修正一次風(fēng)控制的基本思想,保證床溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)定.

4 風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化

風(fēng)控制系統(tǒng)主要包括一次風(fēng)量調(diào)節(jié)、二次風(fēng)壓調(diào)節(jié)、二次風(fēng)量調(diào)節(jié).一次風(fēng)的主要作用是流化爐內(nèi)床料,給下部密相區(qū)送入一定氧量供給燃料燃燒.二次風(fēng)主要采用上、下分段式送風(fēng),下二次風(fēng)一般在密相區(qū)上部噴入爐膛,上二次風(fēng)一般在稀相區(qū)下部噴入爐膛,補(bǔ)充燃燒所需要的氧量,降低NOx排放的質(zhì)量濃度,同時還起到擾動作用,加強(qiáng)氣、固兩相混合,改變爐內(nèi)溫度場以及物料的質(zhì)量濃度分布.

4.1 風(fēng)量控制方案

風(fēng)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思想是在不同的負(fù)荷工況下,完成風(fēng)煤比的靜態(tài)平衡,床溫修正一次風(fēng)量,氧量修正上、下二次風(fēng)量,在靜態(tài)平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)動態(tài)修正,保證鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行.圖8為風(fēng)量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu).

由于該CFB鍋爐是石油焦和瓦斯混合燃燒的,因此壓力控制器的輸出是總?cè)剂现噶?無論石油焦或者瓦斯在燃燒過程中都需要二次風(fēng)的助燃,因此二次風(fēng)的指令應(yīng)該來自于鍋爐指令.而一次風(fēng)主要是對物料的流化,它僅受石油焦變化的影響,因此一次風(fēng)的指令主要來自于鍋爐的給焦量.

圖8 風(fēng)量控制框圖Fig.8 Block diagram of air flow control

4.2 設(shè)定值遠(yuǎn)方或本地模式的無擾切換

總風(fēng)量指令經(jīng)過一、二次風(fēng)配比后由床溫進(jìn)行修正,與最小風(fēng)量比較大選后作為風(fēng)控制器的遠(yuǎn)方設(shè)定值.風(fēng)量控制系統(tǒng)只有在遠(yuǎn)方控制方式下才能實(shí)現(xiàn)鍋爐風(fēng)、煤的協(xié)調(diào)控制,保證在各負(fù)荷工況下實(shí)現(xiàn)壓力、氧量和床溫的穩(wěn)定.

一、二次風(fēng)設(shè)定值的遠(yuǎn)方或本地模式切換必須是平衡無擾的.為避免切換干擾,影響控制器輸出,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個簡單的計(jì)算回路,使得一、二次風(fēng)指令在遠(yuǎn)方給定時,操作人員可以根據(jù)需要通過輸入偏置值對設(shè)定值進(jìn)行干預(yù);設(shè)定值在本地方式時,遠(yuǎn)方設(shè)定值立即跟蹤風(fēng)測量值,即SP=PV,保證切換過程中控制器輸出指令不變.

4.3 氧量校正作用

在優(yōu)化方案設(shè)計(jì)中,增加氧量修正環(huán)節(jié)是為了在風(fēng)煤比的靜態(tài)關(guān)系上對二次風(fēng)量進(jìn)行動態(tài)修正(見圖8),確保燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定.

氧量指令是鍋爐蒸汽量的函數(shù),氧量調(diào)節(jié)器的輸出分兩路分別修正上、下二次風(fēng)指令.當(dāng)風(fēng)量出現(xiàn)擾動時,需經(jīng)過較長的滯后時間才能反映在氧量變化上,氧量對風(fēng)量的響應(yīng)是純延遲的控制對象.在調(diào)試過程中,氧量調(diào)節(jié)器積分作用應(yīng)整定得慢一些,使得積分時間 T i約為1 000 s,較強(qiáng)的比例作用保證氧量修正的穩(wěn)定性.

5 優(yōu)化效果

在壓力控制系統(tǒng)投運(yùn)情況下,進(jìn)行了抽汽負(fù)荷變化30 t/h的外擾試驗(yàn)(見圖9).從試驗(yàn)曲線中可以看出,壓力變化控制在0.25 MPa內(nèi)時,床溫基本控制在878～882℃內(nèi),氧量變化控制在+0.4%的范圍內(nèi),整個控制系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定.

圖9 主要參數(shù)變化曲線Fig.9 Variation curves ofm ain param eters

6 結(jié) 論

根據(jù)蒸汽負(fù)荷頻繁波動的特點(diǎn),選取了關(guān)鍵參數(shù)抽汽量(汽輪機(jī)及減溫減壓器耗汽量)作為壓力控制的前饋,極大地提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性.在對CFB鍋爐進(jìn)行風(fēng)煤特性試驗(yàn)和擾動試驗(yàn)后確定了用壓力控制燃料、氧量修正控制二次風(fēng)和床溫修正一、二次風(fēng)配比的控制方案,并設(shè)計(jì)了多輸出控制系統(tǒng)的自動平衡回路.采用新的控制策略后,無論是在外負(fù)荷擾動(汽輪機(jī)改變電負(fù)荷、熱網(wǎng)改變汽負(fù)荷)還是在鍋爐燃料擾動下,母管壓力控制系統(tǒng)均能根據(jù)需求自動且及時地控制燃料量和風(fēng)量,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

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