林洪瑩,葛樹俊

（山東魯能控制工程有限公司，濟南 250002）

0 引言

我國國民經(jīng)濟的發(fā)展對電力能源的需求與日俱增，在電力能源中處于主力地位的火電機組需要更多地投運和更深地優(yōu)化。因此，發(fā)電企業(yè)迫切需要在現(xiàn)有機組上挖掘潛力，提高機組運行經(jīng)濟性，降低供電煤耗，從而提高競爭力。電網(wǎng)用電結構變化，電網(wǎng)負荷谷峰差越來越大，機組要迅速滿足負荷變化，其中的火電機組燃燒控制系統(tǒng)便是重要的一環(huán)。單元機組燃燒控制系統(tǒng)關系到負荷、主汽壓力、汽溫、水位控制等一系列控制，對燃燒控制系統(tǒng)進行優(yōu)化不僅能夠保證主汽壓力等主要運行參數(shù)的穩(wěn)定，而且能夠降低機組供電煤耗，所以得到了發(fā)電公司地廣泛關注。

火電機組燃燒控制系統(tǒng)是一個較復雜的綜合性控制系統(tǒng)，由3個子系統(tǒng)組成，包括燃料量控制系統(tǒng)，送風控制系統(tǒng)，以及引風控制系統(tǒng)。燃料量控制系統(tǒng)主要是通過控制燃料量來維持機組主蒸汽壓力的穩(wěn)定；送風控制系統(tǒng)是通過控制送風量來調節(jié)煙氣含氧量，使燃燒更充分；引風控制系統(tǒng)是通過調節(jié)引風量來維持機組爐膛壓力[1]?？梢?，機組燃燒控制系統(tǒng)涉及機組運行參數(shù)的穩(wěn)定，可以有效的降低企業(yè)的成本，提高生產(chǎn)效率。

1 火電機組燃燒控制系統(tǒng)概述

燃燒的過程是一個將化學能轉化為熱能的過程，燃料通過一次風機二次風機經(jīng)燃燒器送入爐膛，燃料與熱空氣充分混合，燃燒產(chǎn)生的熱量使水受熱變成蒸汽，蒸汽便成為汽輪機轉動的動力，引風機配合送風機調節(jié)爐膛壓力，最后燃燒后產(chǎn)生的煙氣充分利用后通過煙囪排出[2]。

燃燒控制系統(tǒng)要能夠及時響應鍋爐指令，調節(jié)燃料量、送風量，調節(jié)這兩個量的同時調節(jié)引風量，使系統(tǒng)各參數(shù)達到一個平衡，滿足機組運行需求，適應外接負荷。燃燒控制系統(tǒng)是一個協(xié)調控制系統(tǒng)，給煤機的轉速以及送風機擋板開度均由鍋爐指令來控制，各調節(jié)量按事先約定好的值進行動作，并且隨外界環(huán)境的變化信號值發(fā)生變化，各信號相應變化，整個系統(tǒng)達到一個聯(lián)動，實現(xiàn)協(xié)調控制[2]。

總而言之，鍋爐燃燒系統(tǒng)要保證機組運行安全，還得保證節(jié)省成本，既要適應不斷變化使之符合要求，還得讓燃料燃燒充分。系統(tǒng)控制得好，需要讓各個參數(shù)值處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。參數(shù)之間的聯(lián)動關系處理好了，不僅保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還能帶來可觀的經(jīng)濟效益，節(jié)約成本的同時降低對大氣的污染。

2 火電機組燃燒控制系統(tǒng)功能與調節(jié)量

2.1 燃料控制系統(tǒng)

燃料控制系統(tǒng)在DCS中通過不同負荷下的給煤量指令以及實際給煤量的多少，通過PID控制策略來調節(jié)給煤機的轉速，控制實際給煤量的多少，以達到控制燃燒產(chǎn)生蒸汽量的目的，使蒸汽量維持在一定的范圍內。在外部，根據(jù)實際蒸汽壓力PT與給定指令蒸汽壓力P0之間的偏差，經(jīng)PID實現(xiàn)外環(huán)調節(jié)，維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。其中煤量控制的內部擾動，是指如因煤種、煤質、給煤機轉速異常等引起的擾動；外部擾動是指蒸汽量給蒸汽壓力帶來的擾動[3]。燃料控制系統(tǒng)主要采用串級控制。

燃料控制系統(tǒng)主要作用是維持汽輪機所需主蒸汽壓力的穩(wěn)定。燃料控制系統(tǒng)根據(jù)負荷變化多少及時調節(jié)進入爐膛燃料的多少，從而使產(chǎn)生的主蒸汽量滿足汽輪機的需求，使化學能與動能之間達到平衡。

2.2 送風控制系統(tǒng)

送風控制系統(tǒng)是一個串級比值控制系統(tǒng)，為燃料燃燒提供所需空氣量。在燃燒系統(tǒng)中一般配有兩臺軸輪式送風機，通過送風機的動葉來調節(jié)送風量。總送風量分為一次風和二次風，一次風主要輸送燃燒所需燃料，二次風主要保證燃燒的充分性[4]。根據(jù)送風控制系統(tǒng)的任務可知，送風控制就是要保證燃燒過程中有合適的燃料與風量的比例，使爐膛里的燃燒為富氧燃燒，從而達到經(jīng)濟燃燒的目的；通過煤量確定送風量的給定值，再與實際風量求偏差，用PID進行調節(jié)。送風控制系統(tǒng)主要采用比值控制。

送風控制系統(tǒng)為燃燒經(jīng)濟型提供保障。煙氣含氧量是鍋爐燃燒過程中的一個重要參數(shù)，如果風量升高，進入爐膛的空氣相應增加，在擋板開度不變的情況下，煙氣含氧量就會增大[5]。二次風量根據(jù)此參數(shù)調節(jié)風量大小，與一次風配合使燃料燃燒所需空氣量達到最佳值，既不多，導致浪費，也不少，導致燃燒不充分。同時，煙氣含氧量也達到最佳狀態(tài)，提高了機組的運行效率，減少了電廠的運營成本。

送風控制系統(tǒng)要保證一次風量的穩(wěn)定。一次風速度太慢，會導致燃料堆積，一次風速度太快，會導致空氣和燃料混合不充分，從而燃燒不充分。因此送風控制系統(tǒng)要保證一次風量維持在給定值。

送風控制系統(tǒng)要保證磨煤機出口溫度滿足需求。磨煤機出口溫度不能太高也不能太低，太高了容易引起制粉系統(tǒng)火災，太低了又不能使煤粉足夠干燥。改變冷熱風擋板的開度，讓磨煤機出口溫度保持在所需范圍以內。

2.3 引風控制系統(tǒng)

引風控制系統(tǒng)是爐膛壓力控制系統(tǒng)，為單一回路控制系統(tǒng)，反應送風量與吸風量的平衡關系，當給風量發(fā)生變化時，引風量也隨之變化?；跔t膛給定負壓值PV0與實際爐膛負壓值PV的偏差進行的反饋調節(jié)。通過送風機的前饋指令信號及時調節(jié)引風量的大小，使爐膛壓力保持穩(wěn)定，達到安全運行目的。

引風控制系統(tǒng)主要是維持爐膛壓力的穩(wěn)定，使引風量和送風量達到平衡。如果爐膛壓力過高，導致火焰外漏，帶來安全隱患。如果爐膛壓力過低，導致燃燒不穩(wěn)定甚至滅火。因此引風控制系統(tǒng)一定要保證爐膛壓力的穩(wěn)定，使之在要求的安全范圍以內[6]。

2.4 燃燒過程調節(jié)量

燃燒過程關鍵調節(jié)量主要包括燃料、送風和引風，通過幾個參數(shù)的協(xié)調投入實現(xiàn)最佳燃燒過程。

2.4.1 燃料量

燃料量即送入爐膛煤粉的多少，是根據(jù)汽輪機轉動所需蒸汽壓力的多少來調節(jié)的。

2.4.2 送風量

送風量即送風機送風的總量，隨燃料量的多少而改變，保證燃燒經(jīng)濟性，主要通過煙氣含氧量來判斷燃燒充分不充分。

2.4.3 引風量

調節(jié)引風量的目的是使引風量與送風量相適應，來維持爐膛壓力的穩(wěn)定，一般通過調節(jié)引風量使爐膛維持在微負壓狀態(tài)，以保證燃燒過程穩(wěn)定性。

3 送風控制系統(tǒng)仿真實驗

3.1 送風控制系統(tǒng)組態(tài)

送風控制系統(tǒng)主要控制進入爐膛的總風量，使燃料充分燃燒，包括一次風和二次風[7]。一次風輸送加熱煤粉，分為冷一次風和熱一次風，熱一次風是通過空氣預熱器加熱產(chǎn)生的，二次風是通過單獨通道送入爐膛熱空氣，為煤粉提供所需氧氣，可以起到助燃的作用，進入爐膛和一次風進行混合。風量控制要得當，風量過大過小都可能導致燃燒不充分，燃料利用率低。其簡易SAMA圖如圖1所示。由圖1送風控制系統(tǒng)的功能可知，送風控制就是要保證燃燒過程中有合適的燃料與風量的比例，使爐膛里的燃燒為富氧燃燒，從而達到經(jīng)濟燃燒的目的[8]；通過煤量確定送風量的給定值，再與實際風量求偏差，用PID進行調節(jié)。

在燃料控制系統(tǒng)中，主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設定值經(jīng)過一個PID控制器，其輸出為鍋爐主控指令，然后經(jīng)過一個函數(shù)轉換器作為送風控制PID控制器的設定值。在送風系統(tǒng)中氧量作為風量實際值的修正，送風系統(tǒng)PID的輸出經(jīng)過兩個手操器去控制送風機A與送風機B的動葉開度，從而維持爐膛內合適的過?？諝庀禂?shù)。

3.2 送風系統(tǒng)實驗仿真結果

3.2.1 送風系統(tǒng)動態(tài)特性實驗

煙氣含氧量是指燃料燃燒之后排出的煙氣中氧氣的含量，是影響燃燒過程經(jīng)濟性的重要指標，影響因素主要包括燃料量，空氣量等，主要通過改變送風機動葉開度進而改變進入爐膛的送風量，從而對煙氣含氧量進行調節(jié)。在做動態(tài)特性實驗時A，B送風機動葉調節(jié)閥門均切手動，A送風機調節(jié)閥開度由初始的45.3增大到50.0，觀測送風量實際值（紅色曲線）與設定值（黃色曲線）的變化趨勢如圖2所示。

圖1 送風控制系統(tǒng)SAMA圖Fig.1 SAMA map of the air control system

圖2 送風系統(tǒng)飛升曲線Fig.2 The curve of air supply system

由圖2中送風量以階躍曲線形式響應可知，其動態(tài)特性具有滯后、慣性和自平衡能力。

3.2.2 送風系統(tǒng)給定值擾動實驗

A、B送風機動葉調節(jié)閥門均投自動，鍋爐主控切手動，然后將它的輸出由開始的240.42增大到260，觀測送風量實際值（紅色曲線）與設定值（黃色曲線）的變化趨勢如圖3所示。

送風控制系統(tǒng)的PID調節(jié)器模塊參數(shù)設置為：比例帶170，積分時間為130，微分時間為0。由此參數(shù)計算調節(jié)指標：

圖3 送風系統(tǒng)給定值擾動實驗曲線Fig.3 The curve of setpoint perturbation experiments of air supply system

由以上指標可見，此給定值擾動實驗中穩(wěn)態(tài)誤差為零但最大偏差過大，衰減幅度適中。

3.2.3 送風系統(tǒng)調節(jié)量擾動實驗

A送風機動葉調節(jié)閥門切手動，閥門開度由初始的43.16增大到50.0，B送風機調節(jié)閥處于自動，觀測送風量實際值（紅色曲線）與設定值（黃色曲線）的變化趨勢如圖4所示。

圖4 送風系統(tǒng)調節(jié)量擾動實驗曲線Fig.4 The curve of regulate quantity perturbation experiments of air supply system

從圖4可以看出，當A送風機動葉調節(jié)閥門開度增大時，為了保持送風量恒定，B送風機動葉調節(jié)閥門開度在A送風機動葉調節(jié)閥門動作之后隨之相應地減小，從而控制送風量，最終使送風量維持恒定。

4 總結

本文對火電機組燃燒控制系統(tǒng)進行了詳細地分析與介紹，包括燃燒控制系統(tǒng)的組成及功能，重點對送風控制系統(tǒng)進行了更深入地介紹，對送風控制系統(tǒng)進行了動態(tài)特性仿真實驗、給定值擾動仿真實驗、調節(jié)量擾動仿真實驗，并對實驗結果進行了分析。為以后火電機組燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定的參考意見。

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