陳 敏

(四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司，四川 眉山 620041)

0 引言

過(guò)熱蒸汽溫度是保證火力發(fā)電廠安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)，在發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程中，整個(gè)汽水通道中溫度最高的是過(guò)熱蒸汽溫度。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，會(huì)使過(guò)熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)高壓缸承受過(guò)高的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低甚至損壞;而過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則設(shè)備的熱效率將會(huì)降低，同時(shí)使通過(guò)汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生水沖擊，造成葉片的損壞[1]。

鍋爐過(guò)熱蒸汽及減溫系統(tǒng)的控制任務(wù)[1]，就是使過(guò)熱器出口蒸汽溫度維持在允許的范圍內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。

本文通過(guò)對(duì)影響余熱鍋爐溫度變化的主要因素，以及余熱鍋爐使用的表面式減溫器工作特性的研究，結(jié)合并借鑒部分電廠鍋爐主蒸汽溫度控制方式，選取合理的控制參數(shù)及控制模型，在以回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱為主進(jìn)行發(fā)電的鍋爐上實(shí)現(xiàn)了主蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，并取得了較好的效果。

1 鍋爐蒸汽系統(tǒng)對(duì)比分析

1.1 發(fā)電廠蒸汽系統(tǒng)特性

火力發(fā)電廠鍋爐采用燃料燃燒進(jìn)行加熱，爐水通過(guò)省煤器、水冷壁、過(guò)熱器、減溫器等熱交換設(shè)備后形成過(guò)熱蒸汽輸送到汽輪機(jī)。一般采用多級(jí)過(guò)熱器以及兩級(jí)噴水式減溫器，并分成甲乙(或左右)側(cè)。影響減溫效果及主蒸汽溫度的參數(shù)主要有[2]:蒸汽流量、燃燒工況、火焰中心位置、減溫水流量等。常用的減溫控制系統(tǒng)一般將一級(jí)過(guò)熱器出口溫度或主蒸汽流量、燃料信號(hào)等作為前饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)減溫水自動(dòng)減溫，技術(shù)相對(duì)成熟。電廠鍋爐負(fù)荷及相關(guān)參數(shù)一般都相對(duì)穩(wěn)定，鍋爐主蒸汽溫度控制具有較大的自主性，但減溫系統(tǒng)較為復(fù)雜，甲、乙兩側(cè)及一、二級(jí)減溫器存在不平衡及溫度偏差，有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的效果。

1.2 余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)特性

煅燒余熱鍋爐由回轉(zhuǎn)窯煅燒石油焦產(chǎn)生的余熱煙氣進(jìn)行加熱[3]，其最大的特點(diǎn)是需要滿足回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)需求，“燃燒”(即鍋爐接受的熱量)不受鍋爐控制，鍋爐進(jìn)口煙氣溫度及煙氣量受石油焦料量、石油焦揮發(fā)含量、煅燒帶位置/溫度、風(fēng)機(jī)負(fù)壓、旁通閘板開(kāi)度等諸多因素影響，加上煙氣余熱利用系統(tǒng)增加了導(dǎo)熱油加熱后，導(dǎo)熱油風(fēng)機(jī)負(fù)壓的變化也會(huì)對(duì)鍋爐進(jìn)口煙氣溫度及流量產(chǎn)生影響。其次，汽機(jī)負(fù)荷為手動(dòng)調(diào)節(jié)，蒸汽流量及壓力等參數(shù)較電廠鍋爐參數(shù)波動(dòng)幅度更大且更頻繁。此外，余熱鍋爐采用一級(jí)表面式減溫器，分甲、乙兩側(cè)，由一個(gè)減溫水調(diào)節(jié)門(mén)控制減溫水流量，在減溫水控制及效果驗(yàn)證方面比電廠鍋爐容易，但由于減溫水占整個(gè)鍋爐給水的比例較大(特殊情況下甚至可以關(guān)閉給水調(diào)節(jié)門(mén))，減溫水作用完后回流到汽包，而不是像電廠鍋爐減溫后進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)。因此，減溫水和鍋爐給水存在嚴(yán)重的耦合現(xiàn)象。

由于與燃料鍋爐存在生產(chǎn)工藝上的不同，以及余熱鍋爐減溫設(shè)備本身原因，導(dǎo)致余熱鍋爐減溫控制存在大滯后、大慣性等不足，且余熱鍋爐減溫系統(tǒng)的減溫水與鍋爐給水存在耦合現(xiàn)象，影響鍋爐水位的調(diào)節(jié)。回轉(zhuǎn)窯燃燒工況(鍋爐進(jìn)口煙溫)的變化是主蒸汽溫度擾動(dòng)的主要因素[3]。和噴水減溫方式的電廠鍋爐相比，主蒸汽溫度的慣性和滯后更大，對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)能力要差很多，而且鍋爐完全處于被動(dòng)狀態(tài)，因此不能簡(jiǎn)單地將火力發(fā)電廠成熟的控制技術(shù)移植到余熱鍋爐，必須根據(jù)余熱鍋爐特性選擇合適的控制系統(tǒng)。

2 單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析

2.1 單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原主蒸汽減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用單級(jí)PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)對(duì)象及反饋信號(hào)采用主蒸汽溫度信號(hào)。由于原主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒(méi)有考慮余熱鍋爐減溫系統(tǒng)的大滯后、大慣性特性，以及煙氣溫度、負(fù)荷波動(dòng)、減溫水流量擾動(dòng)等因素對(duì)主蒸汽溫度的影響，導(dǎo)致自動(dòng)調(diào)節(jié)效果欠佳，只能靠人工調(diào)整減溫水流量來(lái)控制主汽溫度。主蒸汽溫度單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 主蒸汽溫度單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.1 The single-stage control system for main steam temperature

2.2 單級(jí)調(diào)節(jié)效果

通過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)了主汽溫度單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用的超溫情況。由于沒(méi)有充分研究余熱鍋爐蒸汽溫度特性，導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度值波動(dòng)幅度較大，甚至超出正常范圍。從計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，過(guò)熱器出口蒸汽溫度超限多次，最高達(dá)410℃，最低達(dá)351℃，而余熱鍋爐主汽溫度控制要求為(385±15)℃，明顯不能滿足工藝控制需求。

2.3 單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

在響應(yīng)迅速、慣性小、負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)、調(diào)節(jié)范圍大且精度要求不高的環(huán)節(jié)，單級(jí)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠達(dá)到不錯(cuò)的調(diào)節(jié)效果。但在余熱鍋爐主蒸汽溫度調(diào)節(jié)時(shí)，由于只選用了過(guò)熱器出口蒸汽溫度作為控制參數(shù)及調(diào)節(jié)對(duì)象，而沒(méi)有考慮煙氣溫度、蒸汽流量、減溫水流量等影響因素，以及表面式減溫器存在大慣性、大滯后性等不足，且沒(méi)有充分研究被控對(duì)象的特性，沒(méi)有嚴(yán)格按照PID調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定要求進(jìn)行參數(shù)整定。因此，單級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果不佳，主蒸汽溫度超過(guò)工藝控制要求。

3 蒸汽溫度串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3.1 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多數(shù)鍋爐給水自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的都是串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)，以此來(lái)穩(wěn)定地控制汽包水位，同時(shí)抑制負(fù)荷變化造成的虛假水位引發(fā)的水位波動(dòng)等情況。因此，借鑒部分燃料鍋爐主汽溫度控制系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)余熱鍋爐主汽溫度及減溫系統(tǒng)特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究?？紤]到DCS系統(tǒng)引入了余熱鍋爐進(jìn)口煙溫，煙溫較易掌控，因此，選取進(jìn)口煙溫和蒸汽流量作為前置信號(hào)引入主汽溫度控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器，余熱鍋爐主汽溫度串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 余熱鍋爐主汽溫度串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.2 The cascade control system for main steam temperature of heat recovery boiler

3.2 原理及調(diào)節(jié)作用分析

綜合考慮運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)主蒸汽溫度的規(guī)律及余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)、減溫系統(tǒng)特性，本文采用典型的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 串級(jí)蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the cascade steam temperature control system

系統(tǒng)以過(guò)熱蒸汽溫度為主要調(diào)節(jié)信號(hào)，以鍋爐進(jìn)口煙溫和主蒸汽流量作為前饋信號(hào)，提高了擾動(dòng)響應(yīng)能力。

增加的前置煙溫信號(hào)作為正信號(hào)引入副調(diào)節(jié)器。當(dāng)主蒸汽溫度未發(fā)生變化時(shí)，一旦進(jìn)口煙溫發(fā)生較大變化，提前動(dòng)作減溫水調(diào)節(jié)門(mén)，即鍋爐進(jìn)口煙溫變小時(shí)，關(guān)小調(diào)節(jié)門(mén);反之，鍋爐進(jìn)口煙溫變大時(shí)，開(kāi)大調(diào)節(jié)門(mén)。增加的前置蒸汽流量信號(hào)作為負(fù)信號(hào)引入副調(diào)節(jié)器。當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，主蒸汽壓力和溫度會(huì)滯后發(fā)生變化，一旦負(fù)荷(蒸汽流量)發(fā)生較大變化，提前動(dòng)作減溫水調(diào)節(jié)門(mén)，即蒸汽流量變大時(shí)，關(guān)小調(diào)節(jié)門(mén);蒸汽流量變小時(shí)，開(kāi)大調(diào)節(jié)門(mén)。主調(diào)節(jié)器用于維持主蒸汽溫度。主蒸汽溫度給定信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的偏差作為副調(diào)節(jié)器的給定值，即根據(jù)溫度偏離給定值的情況，改變減溫水調(diào)節(jié)閥的給定值，溫度高則開(kāi)大減溫水，溫度低則關(guān)小減溫水。主調(diào)節(jié)器還起到微調(diào)的作用，使溫度維持在給定值允許偏差范圍內(nèi)。同時(shí)，副調(diào)節(jié)器在切換為手動(dòng)時(shí)，負(fù)責(zé)接收調(diào)節(jié)閥給定值，將減溫水調(diào)節(jié)閥控制在需要的開(kāi)度。

由于將鍋爐進(jìn)口煙溫信號(hào)及蒸汽流量信號(hào)作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)前置信號(hào)，能對(duì)擾動(dòng)做出快速響應(yīng)[1]，在煙溫及負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)即提前動(dòng)作，一旦蒸汽流量或煙氣發(fā)生波動(dòng)，用副調(diào)節(jié)器的輸出去控制減溫水量，使主蒸汽溫度基本不變，減少了因減溫器、過(guò)熱器設(shè)備本身特性造成的調(diào)節(jié)遲緩度。當(dāng)主蒸汽溫度偏離給定值時(shí)，則由調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號(hào)，通過(guò)其執(zhí)行器來(lái)改變減溫水量，使主汽溫度最終恢復(fù)到給定值。

另外，為了避免各種信號(hào)模度不統(tǒng)一，本文通過(guò)試驗(yàn)確定了煙溫變化、蒸汽溫度變化以及減溫水流量變化的基本關(guān)系(在其他參數(shù)基本不變的情況下)，并將此變化關(guān)系植入前置信號(hào)控制模塊中。同時(shí)，在DCS模塊中，各參數(shù)均以百分比的形式表示，這樣就減小了參數(shù)幅度較大差異導(dǎo)致的調(diào)節(jié)偏差。

3.3 參數(shù)整定

系統(tǒng)所使用的DCS系統(tǒng)為羅克韋爾系統(tǒng)的AB ProcessLogix過(guò)程控制系統(tǒng)，硬件與Control Logix兼容，軟件使用Control Builder和Display Builder進(jìn)行控制模塊組態(tài)和顯示畫(huà)面組態(tài)，組態(tài)非常方便、實(shí)用。為方便調(diào)試，工程師可以在PID參數(shù)設(shè)置界面對(duì)主調(diào)、副調(diào)P、I值等參數(shù)進(jìn)行工程整定。

PID控制器的參數(shù)整定是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容[4?。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)。一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法[2]。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。

根據(jù)余熱鍋爐特性和運(yùn)行實(shí)際情況，我們選擇工程整定法進(jìn)行參數(shù)整定，整定過(guò)程中主要采取衰減法[2]。根據(jù)一階慣性加延遲對(duì)象的頻率衰減特性及經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合多次試驗(yàn)、調(diào)試，最終確定主調(diào)參數(shù)Kp=0.95、Ki=0.7，副調(diào)參數(shù) Kp=0.6、Ki=0.5。

根據(jù)前期試驗(yàn)和統(tǒng)一模度的需求，將主蒸汽溫度給定值設(shè)定為73%，同時(shí)將煙氣溫度、蒸汽流量引入控制模塊時(shí)也以百分比表示。

3.4 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)效果

將優(yōu)化后的主蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在四川啟明星鋁業(yè)煅燒車(chē)間3號(hào)余熱鍋爐投入運(yùn)行后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的主蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行正常、安全，減溫水響應(yīng)速度快且平穩(wěn)，使余熱鍋爐主蒸汽溫度控制在380～390℃范圍內(nèi)，大大縮小了溫度波動(dòng)范圍，溫度曲線非常平緩，使用至今未出現(xiàn)異常超限現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)深入研究余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)及減溫系統(tǒng)特性，借鑒發(fā)電廠成熟的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在余熱鍋爐上采用進(jìn)煙溫度、蒸汽流量信號(hào)前置的串級(jí)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化，達(dá)到很好的控制效果，保證了鍋爐、汽機(jī)設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)對(duì)鋁廠碳素系統(tǒng)及其他利用煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電的場(chǎng)合有很好的借鑒作用，能更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

[1] 劉春勝，王劭伯.串級(jí)PID控制在鍋爐主蒸汽溫度控制中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19(9):29 －31.

[2] 文群英，陸繼東.過(guò)熱蒸汽特性試驗(yàn)分析及控制系統(tǒng)改造方案[J].湖北電力，2003，27(4):6 －8.

[3] 梁學(xué)明，張松江.現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)技術(shù)與管理[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2011:487－489.

[4] 王廣雄，何朕.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008:169－187.