冀樹春，冀樹芳， 閆普，解觀棟，朱宏（神華神東電力有限責任公司, 陜西 神木 719300）

1 機組概況介紹

電廠4×200MWCFB空冷機組，鍋爐是690t/h超高壓、中間再熱、單汽包自然循環(huán)鍋爐，燃用設計煤種時，能夠穩(wěn)定運行；汽輪機是N200-12.75/535/535型超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機，DEH采用Ovation系統(tǒng)；DCS為國電智深EDPF-NT+系統(tǒng)，機組協調控制系統(tǒng)（CCS）設計在MCS控制器中。隨著電網對電廠AGC高品質要求，AGC穩(wěn)定投運已成為當前電廠自動控制的一項重要指標，其投運關鍵因素是機組CCS高品質穩(wěn)定投運；但CFB鍋爐CCS仍然存在問題，已是其推廣應用的一個主要障礙。

2 CFB機組協調控制存在的難點

CFB鍋爐在動態(tài)特性上不同于煤粉爐，是風、煤、水等眾多變量相互影響和相互耦合的復雜多變動態(tài)系統(tǒng)，主蒸汽壓力對燃料量的響應時間滯后太長，使它和常規(guī)煤粉爐在控制上存在很大差異，主要表現在CFB鍋爐燃燒室內流化層大熱容量的熱平衡特性，這種特性及其隨運行工況變化而變化的特性，造成了CFB鍋爐燃燒過程實現自動控制的困難，使CFB鍋爐熱工自動控制成為其推廣應用的一個障礙。CFB鍋爐控制理論上具有以下特點：

（1）大遲延：即從輸入變量（給煤量和風量）改變到負荷、汽壓響應有較大的滯后慣性。

（2）多變量耦合：給煤量、返料量、一次風量、二次風量、床溫、床壓等對主汽壓力、主汽溫度、負荷、床溫的影響有很強的耦合關系，這給被調量與調節(jié)量的變量關系配對帶來困難，各參數間的耦合和配對關系分別見表1和表2所示。

表1 CFB鍋爐參數的耦合關系[2]

表2 被調量與調節(jié)量的變量配對表

（3）非線性特性：給煤量與風量對床溫的影響不定，往往先升后降或先降后升，呈現出強烈的非線性。

（4）快機慢爐：汽機調節(jié)快與鍋爐燃燒慢之間矛盾尤為突出，給機爐CCS帶來了困難。

CFB鍋爐CCS研究大致有兩種方向，一是脫離DCS系統(tǒng)。采用新型控制算法和設備，先建立動態(tài)數學模型，再運用現代控制理論和算法搭建先進控制邏輯，通過現場采樣、系統(tǒng)試驗等達到優(yōu)化控制目的。如廈門大學的xd-apc控制系統(tǒng)和新華燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，在CFB鍋爐CCS研究方面有所突破，但需另外配置軟硬件系統(tǒng)，且出于技術保密，核心技術不透明，使運行、維護不方便，故推廣應用受到一定限制。另一種是在DCS系統(tǒng)里，借鑒煤粉爐CCS經驗，設計一套改進的CFB機組CCS，此系統(tǒng)往往穩(wěn)定狀態(tài)時調節(jié)效果較好，負荷變動時主汽壓力波動較大，但也為CFB機組CCS研究積累了寶貴經驗。

3 CFB機組協調控制的分析

通過對CFB鍋爐協調控制理論和策略研究，以及對長期手動調整數據的統(tǒng)計、分析、總結和試驗，參考相關領域前人工作，研究發(fā)現：“爐跟機”CCS方式下，為保證主汽壓力品質，給煤量變化幅度很大，導致床溫變化過快，影響鍋爐穩(wěn)定運行；“機跟爐”CCS方式下，給煤量變化較平緩，雖然負荷響應較慢，但整體調節(jié)效果比“爐跟機”方式好；直接能量平衡控制策略會引起參數超調較大，間接能量平衡控制策略在這方面好一些，但對煤質變化反應遲緩；使用燃料前饋能有效克服燃料調節(jié)的滯后性，由于CFB鍋爐慣性較大，正常變負荷時，必須限制機組的變負荷速率。

通過理論論證、實踐驗證和數據分析都證實：機組運行較穩(wěn)定或負荷變化率設置合理時，通過優(yōu)化控制策略，在DCS系統(tǒng)上設計一套CCS是可行的，且主要被控參數均可調整在合理范圍內；因此，電廠2009年對CFB機組CCS進行立項研究試驗。

4 CFB機組的CCS研究

CFB機組CCS品質，突出表現在CCS負荷響應特性不能滿足電網要求，CCS控制品質不能滿足機組穩(wěn)定經濟運行。研究結論如下：

（1) CCS基本策略，關鍵在于處理機組負荷適應性與運行穩(wěn)定性的矛盾。汽機控制既要充分利用鍋爐蓄能，滿足機組負荷要求，又要動態(tài)調整鍋爐能量輸入，補償鍋爐能量，且要求既快又穩(wěn)。

（2)機組負荷響應速率，關鍵在于鍋爐負荷響應速率的提高是通過調節(jié)汽門的動態(tài)過開，縮短負荷響應的滯后時間，以合理利用鍋爐蓄熱。

（3)減小系統(tǒng)動、靜態(tài)偏差，關鍵在于形成合適的壓力定值，使動態(tài)過程中壓力定值曲線與實際壓力變化相吻合；并在動態(tài)過程中合理設計鍋爐負荷指令的超調量，使負荷指令接近目標值時超調量逐漸減??；再根據鍋爐負荷響應特性，在動態(tài)中限制調節(jié)汽門的動作，使機爐間相互協調。

（4)提高CCS對不確定擾動因素的適應性，關鍵在于盡可能減少或消除鍋爐與汽機的相互影響，采用擾動補償、自治或解耦控制原理，使擾動在擾動控制回路中自行快速消除，而非擾動控制回路應少動或不動，以利于過程穩(wěn)定。

CFB鍋爐燃燒優(yōu)化控制中，機組CCS投入后，以汽機調節(jié)負荷，鍋爐調節(jié)壓力，CCS接受負荷指令。當汽機負荷變化較大時，對CFB鍋爐耦合性強的負荷、主汽壓、床溫、床壓等參數進行解耦，整個系統(tǒng)保持在總能量平衡下調整。電廠#2機組CCS統(tǒng)結合CFB鍋爐特點，選擇一種DCS系統(tǒng)容易實現的控制策略，根據現場試驗數據和運行經驗，建立輸入變量與被控量之間配對關系（見表2.2），采用前饋加校正和合理限制升降負荷率及解耦等設計理念，用鍋爐側調節(jié)主蒸汽壓力、汽輪機側調節(jié)有功功率的"爐跟機"CCS方式；將強耦合關系變量之間進行解耦設計，忽略弱耦合關系變量間的影響，并嚴格限制機組升降負荷率，緩解快機慢爐矛盾；為充分利用CFB鍋爐蓄熱大特點，采用快升慢降的變負荷率控制；大量采用前饋控制來克服CFB鍋爐的大慣性；通過完善一次調頻功能，汽機側采用“壓力偏差回拉功率”回路，來限制調節(jié)氣門動作速率；將直接能量平衡改為間接能量平衡等策略；有效地對CFB鍋爐多變量、強耦合、大滯后、大慣性的復雜系統(tǒng)進行解耦，控制效果明顯。

從區(qū)域文化視角考察作家個性氣質、文化人格的生成，地理環(huán)境應是一個可以觀照的角度。地理環(huán)境(包括山川、氣候、物象)對于人格的養(yǎng)成，并不是決定性因素，卻也是一個重要因素。近代劉師培在《南北文學不同論》[2]中曾從山川、地形、風情、民俗、語言等不同文化生態(tài)元素闡釋南北文學之異同，對體認不同地域作家生就不同氣質、稟賦乃至文化個性就頗有啟迪。魯迅亦有論述：“中國的人們，不但南北，每省也有些不同的”，“我還能看出浙西人和浙東人的不同”[3]。魯迅的這個判斷，主要是從地域民性、風情、語言習慣等造就不同文化品性做出的，此說頗能區(qū)分“兩浙”人的不同文化性格。

4.1 前饋控制在CCS中的設計

根據能量平衡原理，在反饋控制基礎上，引入某參數的前饋控制，使機爐間的能量平衡在失去或剛要失去平衡時，及時按照機爐特性采取前饋控制運算，限制能量失衡在較小范圍內。前饋控制是機組負荷控制的重要組成部分，是CCS的核心。通常負荷控制是按負荷指令進行的，前饋控制主要是補償對象(特別是鍋爐側)動態(tài)特性的延遲和慣性，加快負荷響應，在變負荷過程中起粗調作用。由于CFB鍋爐燃燒過程的遲延是影響其負荷響應特性的主要因素，因此，負荷前饋控制的重點是鍋爐側。為有效補償鍋爐側動態(tài)遲延和慣性，前饋控制除采用（比例作用）外，還采用動態(tài)前饋（微分作用），來達到超前控制作用，加速CFB鍋爐負荷響應，改善整個機組負荷控制質量。而從汽機側的對象動態(tài)特性分析，不必采用動態(tài)前饋控制，只采取靜態(tài)前饋，即當負荷需求變化時，調節(jié)汽門開度及時響應，以提高負荷控制質量。

4.2 汽機主控功率指令的“壓力偏差回拉功率” 修正設計

由于CFB鍋爐的大遲延特性，在以2MW/min速率進行幅值為l0MW的變負荷試驗過程中，主蒸汽壓力波動幅值超過±0.75MPa，因此， "爐跟機"CCS方式，通過設定好的主蒸汽壓力偏差與功率函數關系的"壓力偏差回拉功率"回路，限制修正汽機調節(jié)汽門動作速率。該方法主要用在"爐跟機"或汽機基本自動方式下,新設計思路將爐側機前壓力偏差通過一死區(qū)非線性模塊負向加到汽機功率指令回路中，來使汽機在鍋爐壓力允許范圍內利用鍋爐的蓄熱。

原設計方案未將機前壓力偏差作為前饋引入汽機功率調節(jié)器，實質是種“爐跟機”方式；特點是負荷響應速度快，但機前壓力波動較大。為克服此不足，增加死區(qū)非線性環(huán)節(jié)，汽機調節(jié)汽門開度根據功率偏差大小而改變。增負荷時（ULD-MW）＞0，調節(jié)汽門開度μT增加，而μT變化引起機前壓力PT下降，從而使壓力偏差（P0-PT）增大。壓力偏差信號通過一死區(qū)非線性環(huán)節(jié)負向加到汽機功率指令回路中作為補償。如壓力偏差在死區(qū)范圍內，則不對輸出進行校正，使MW盡快響應ULD。如壓力偏差（P0-PT）增大到死區(qū)范圍外，輸出補償起作用，限制調節(jié)汽門進一步增大，即限制過量利用鍋爐蓄熱，維持機前壓力穩(wěn)定。可見補償信號補償了鍋爐側，防止調節(jié)汽門過開和穩(wěn)定機前壓力。但又一定程度上影響了機組負荷響應速度；為此，在對汽機功率調節(jié)器的輸出進行系數修正后（該修正系數為機前壓力偏差和機組功率偏差的函數），又增加了負荷參考前饋，從而提高機組在變負荷條件下對負荷的響應能力。控制邏輯見圖1。

圖1 汽機主控功率指令的修正邏輯示意圖

4.3 鍋爐燃燒控制子系統(tǒng)優(yōu)化設計

CFB鍋爐特點是燃料及脫硫劑多次循環(huán)。由于燃料在爐膛中經多次循環(huán)燃燒才能將能量全部釋放，即改變燃料后，需較長時間才能改變爐膛內熱量；因此CFB鍋爐負荷響應特性較差、滯后較大、調節(jié)較困難。為克服其調節(jié)滯后性，采取燃料前饋設計，即負荷預加煤前饋、負荷動態(tài)前饋和“正踢”及“反踢”等功能。

（1）預加煤前饋

負荷預加煤控制主要是根據目標負荷和實際負荷的偏差以及燃料負荷的配比函數關系，計算出預加煤量，在目標負荷剛開始變化時，就按照一定速率預先加入一定的煤，從而目標負荷ULD在一定程度上克服鍋爐的調節(jié)滯后。實際負荷MW原理和燃料前饋見圖2。MW與ULD的偏差經時間函數f1(t)和預加煤計算函數f(x)后，形成指令Bf1；Bf1與自身微分后的和形成預加煤前饋Bf，微分環(huán)節(jié)是增強前饋對負荷調節(jié)后期的燃料量作用，來克服大負荷變動時，后期加煤不足問題。微分時間Td值的確定與CFB鍋爐熱力慣性有關，具體參數通過現場試驗獲得；f(x)和時間函數f(t)的參數值也要通過試驗取得。

圖2 鍋爐燃燒控制子系統(tǒng)的優(yōu)化邏輯示意圖

圖2中， ULD微分后可將負荷定值作超前校正，兩路共同形成燃料前饋Bf，有效克服CFB鍋爐側的慣性和遲延，提高機組負荷響應速率。

（3）“正踢”、“反踢”控制

CCS方式下，鍋爐主控回路中設有“加速”回路，由負荷指令設定值與實際負荷的差值信號經一函數發(fā)生器形成，是一非線性比例調節(jié)器；當負荷指令設定值與實際負荷的差值信號較大時，說明鍋爐跟不上汽機的變化，因此輸出一指令信號給鍋爐主控器，令其再額外地增加或減少一部分煤量，起到“加速器”作用，該信號作為基本的穩(wěn)態(tài)功率前饋信號。主汽壓力調節(jié)器作為細調部分。

為最大限度降低鍋爐遲滯和慣性對升降負荷的影響，在鍋爐主控回路中加入預給煤運算的邏輯，當升降負荷的邏輯信號置位時，給出一個額外的加減煤量的指令，經若干時間該信號消失，該信號的作用為“正踢”（相當于初始沖量）。當升降負荷的邏輯信號復位時，此時要求升降負荷的過程已結束，但由于鍋爐遲滯的作用，此時進入鍋爐的煤量將在隨后的過程中產生過量影響，因此在預給煤的運算邏輯中還設計了一個“反踢”（類似于“剎車器”）作用，用以防止鍋爐汽壓的“過調”?？刂七壿嬕妶D3。

圖3 “正踢”和“反踢”功能

4.4 熱量校正設計

為進一步提高調節(jié)品質，在鍋爐主控調節(jié)器后引入鍋爐狀態(tài)反饋信號，來預測汽壓變化趨勢，修正鍋爐主控器的輸出。鍋爐主控M/A用于設定機組的總燃料量定值，鍋爐指令同時作用到燃料主控、一次風及二次風控制回路。鍋爐主控未投自動時，其輸出指令跟蹤機組的當前負荷（即總燃料量+熱量校正）；用調節(jié)級壓力與汽包壓力的和微分后作為熱量校正，以有效克服PID調節(jié)器輸出特性和鍋爐慣性所引起的汽壓過調或振蕩現象，穩(wěn)定鍋爐汽壓起關鍵性作用，控制邏輯見圖4。

圖4 鍋爐燃料反饋熱量修正邏輯圖

5 CFB機組的CCS投入效果分析

通過對CCS參數多次優(yōu)化調整和主汽壓力及負荷擾動試驗，實現控制指標：在20MW擾動下，升負荷率為3MW/min，降負荷率2MW/min，主汽壓力波動小于±0.75MPa；穩(wěn)定運行時，壓力波動小于±0.5MPa；控制指標接近于直吹式煤粉爐的CCS指標，部分被調參數優(yōu)于同容量煤粉爐機組的控制指標，試驗曲線見圖5-7。

6 設計的技術應用創(chuàng)新點

結合不同廠家CFB鍋爐特點，保證各子系統(tǒng)自動調解品質優(yōu)良下，合理選擇CCS方案，解決被控過程強烈的非線性、大滯后和強耦合難題，實現CFB機組CCS，滿足機組經濟運行；關鍵解決好負荷控制與床溫控制的強耦合關系。原則上負荷是靠給煤量控制，但用給煤量控制負荷的同時再控制床溫，二者將會發(fā)生矛盾，因為用一個控制量來保證兩個參數狀態(tài)同時穩(wěn)定在各自的給定值上是不可能的。故為保證負荷滿足要求，允許床溫在一定范圍內波動。實現技術創(chuàng)新如下：

（1）一定程度上解決了CFB機組CCS中被控過程強烈的非線性、大延遲、大滯后和強耦合難題。

（2）基于DCS系統(tǒng)的CCS策略及算法，實用性強，價格低廉，具有很好的推廣應用前景。

（3）充分吸取運用運行人員的實際操作經驗，科學應用人工智能進行控制設計。根據試驗數據，建立輸入變量與被控變量間的配對關系，采用前饋加偏差校正設計理念，前饋信號作主調量，偏差的PID運算作校正值進行細調，強耦合關系變量進行解耦和弱耦合關系變量因素忽略設計，以解決多變量耦合和變量配對難題。

（4）運用前饋控制克服CFB鍋爐的大慣性。

（5）采用“正踢、反踢”提前控制，克服機組大滯后和大延遲特性。

（6）燃料控制回路，煤量反饋信號中引入適度比率的熱量信號（即引入汽包壓力），緩解煤質變化對控制效果的影響。

（7）考慮CFB鍋爐蓄熱大，采用快升慢降的變負荷率控制，緩解快機慢爐的矛盾。

[1]張秋生,張文興,高志存.大型CFB機組協調控制系統(tǒng)的研究[J].中國電力，2005,38(7):53-56.

[2]馬素霞,楊獻勇.CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的動態(tài)特性研究[J].中國電機工程學報，2006,26(9):1-6.

[3]趙偉杰,張文震,馮曉露.循環(huán)流化床鍋爐床溫的控制特性[J].動力工程，2007,27(4):545-550,610.