張軍峰

【摘要】由于330MW循環(huán)流化床鍋爐燃燒慣性大、耦合強，直接空冷系統(tǒng)機組真空受環(huán)境影響很大，在AGC控制方式下的機組負荷調(diào)節(jié)品質(zhì)常常難以滿足電網(wǎng)的控制要求。通過采用鍋爐主控前饋分段主動調(diào)節(jié)、一次風量錯時超前調(diào)節(jié)、機爐動態(tài)解耦等優(yōu)化措施，有效提高了寧夏國華寧東發(fā)電有限公司#1、#2機組AGC協(xié)調(diào)控制能力，使機組負荷控制指標完全滿足西北電網(wǎng)并網(wǎng)機組AGC性能要求。

【關(guān)鍵詞】循環(huán)流化床；協(xié)調(diào)控制；AGC；超前控制；直接空冷

引言

CFB鍋爐（Circulating Fludized Bed Boiler，以下簡稱CFB鍋爐）作為一種煤的清潔、高效燃燒技術(shù)自八十年代初進入燃煤鍋爐的商業(yè)市場以來，在中小型鍋爐中已占有了相當?shù)姆蓊~。并在技術(shù)日趨成熟的同時逐漸向更大容量發(fā)展。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、負荷調(diào)節(jié)比大等突出優(yōu)點。CFB低成本實現(xiàn)了嚴格的污染排放指標，同時燃用劣質(zhì)燃料，在負荷適應(yīng)性和灰渣綜合利用等方面具有綜合優(yōu)勢，為煤粉爐的節(jié)能環(huán)保改造提供了一條有效的途徑，并得到大量應(yīng)用。

寧夏國華寧東發(fā)電有限公司#1、#2機組采用東方鍋爐（集團）股份有限公司自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)DG-1177/17.5-II3型亞臨界循環(huán)流化床鍋爐，該爐型采用內(nèi)置床、大寬深比的單體爐膛、單側(cè)不對稱布置三個分離器設(shè)計。配套上海電氣集團上海汽輪機有限公司生產(chǎn)的NZK330-16.67/538/538型雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。循環(huán)流化床鍋爐由于燃料熱值低、顆粒大、低溫燃燒、受床料影響熱容量大等特點，燃燒過程復(fù)雜，燃燒系統(tǒng)慣性大、耦合性強、非線性強，控制系統(tǒng)除考慮控制燃料、風量、水位、汽溫等煤粉爐被控對象，另外還須控制鍋爐床溫、床壓等被控對象，控制目標更加復(fù)雜多樣；加之汽輪機側(cè)直接空系統(tǒng)冷帶來的諸多影響因素，因此實現(xiàn)大型流化床鍋爐直接空冷機組AGC控制是控制領(lǐng)域公認的疑難問題。

本文通過對330MW循環(huán)流化床鍋爐動態(tài)特性的分析，利用鍋爐主控的動態(tài)加速前饋、一次風超前調(diào)節(jié)以克服流化床鍋爐的燃燒慣性，保證變負荷初期滑壓段主汽壓力快速跟隨和機組負荷響應(yīng)速度，通過給煤量與一次風量的錯時調(diào)節(jié)，保證合理的一、二次風量比，維持流化床鍋爐床溫長期穩(wěn)定，確保了330MW流化床機組AGC控制下機組負荷調(diào)節(jié)品質(zhì)和機組運行穩(wěn)定性。

1、330MW循環(huán)流化床鍋爐控制對象的響應(yīng)特性

1.1 風量對循環(huán)流化床鍋爐響應(yīng)特性。循環(huán)流化床機組風量控制，對機組經(jīng)濟運行，燃燒調(diào)整起著重要作用，一次風主要調(diào)整爐膛床溫床壓，并對主汽溫度調(diào)整影響較大；二次風主要調(diào)整鍋爐充分燃燒，然而爐膛左右側(cè)二次風量大小對鍋爐床溫、壁溫及主汽壓力，影響較大。所以研究循環(huán)流化床鍋爐AGC控制，必須對風量控制進行深入研究。

寧東電廠330MW循環(huán)流化床機組AGC控制系統(tǒng)調(diào)試中，對一次風、二次風擾動對主汽壓力和床溫的特性試驗，具體試驗情況如下：

1.1.1 一次風對床溫和主汽壓力的特性曲線

1.1.2 二次風對主汽壓力、床溫的響應(yīng)特性

從試驗曲線中基本可以看出，一次風變化對床溫和主汽壓力的影響均比較大，二次風對床溫的影響不大，但對主汽壓力的影響較大，并與二次風的變化高度一致。根據(jù)這個結(jié)論，系統(tǒng)調(diào)試中，為提高機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)性，對二次風控制系統(tǒng)的投運比較重視。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性

1.2.1 由于流化床鍋爐的燃料是通過給煤系統(tǒng)送入流化床上，需要經(jīng)過加熱、干燥、顆粒膨脹、熱解和揮發(fā)分燃燒，只有將床溫控制在適宜的范圍，才能實現(xiàn)上述一系列燃料熱解過程。床溫過低，燃料無法熱解，床溫過高，燃料可能先行燃燒。而流化床的面積較大，床溫測點一般為20-30個，分布在爐膛的不同部位，床溫是一個時變的分布參數(shù)，因此保證控制效果的均勻性是流化床床溫控制的難題。

1.2.2 流化床鍋爐的主要特征在于顆粒在離開爐膛出口后經(jīng)過旋風分離器和返料裝置不斷送回爐膛燃燒，煤粒完全燃盡需要約8-10min，比普通煤粉爐的煤粉燃燒過程長很多，造成鍋爐燃燒過程滯后時間非常長，再加上燃燒室內(nèi)的床料具有非常大的熱慣性和蓄熱能力，造成了給煤量變化后，床溫、主汽壓力需要很長的響應(yīng)時間。圖1為煤量擾動下主汽壓力、床溫響應(yīng)曲線。從圖上可以看出：當給煤量階躍增加時，主汽壓力需要經(jīng)過8分鐘左右純延時，穩(wěn)定時間至少30分鐘，而床溫剛開始稍微下降，后來逐漸上升，但穩(wěn)定時間也至少需要20分鐘。給煤量擾動下的主汽壓力、床溫響應(yīng)曲線圖。

1.2.3 流化床鍋爐是一個多變量緊密耦合的被控對象，其主要輸入-輸出變量之間的動態(tài)耦合關(guān)系如表1所示，其中燃料量、一次風量對主汽壓力、床溫間存在較強的耦合現(xiàn)象，但兩個耦合通道的動態(tài)特性差異很大，且一次風量對主汽壓力的影響有助于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這種耦合對改善燃燒控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)是有利的。在床溫和主汽壓力的耦合問題中，床溫是直觀反映整個燃燒供求關(guān)系的關(guān)鍵變量，而維持主汽壓力穩(wěn)定是鍋爐燃燒的主要目標，這些必須在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的解耦設(shè)計中應(yīng)充分予以考慮，這將在下一節(jié)中具體介紹。

2、協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)化

2.1 風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1 一次風控制系統(tǒng)的優(yōu)化。一次風量控制主要用于鍋爐爐膛內(nèi)物料的流化，通過一次風機入口調(diào)節(jié)擋板控制一次風量，使爐膛床側(cè)壓力運行在正常范圍，同時控制床層溫度，使床溫不超限。

循環(huán)流化床機組一次風風量設(shè)定值為機組實際負荷對應(yīng)的函數(shù)作為一次風量指令，一次風壓作為一次風量控制前饋，給煤量、石灰石量及床層溫度對應(yīng)函數(shù)快速修正一次風量指令。同時，一次風量控制設(shè)定最小風量限制，實際一次風風量設(shè)定值由兩者的高者產(chǎn)生，保證了機組低負荷時最低風量及機組運行安全。循環(huán)流化床鍋爐一次風量控制優(yōu)化后SAMA圖見圖1：

原控制系統(tǒng)中，床溫修正采用閉環(huán)系統(tǒng)修正流化風量，從以上一次風擾動對床溫的特性可以看出，當一次風增加時，由于短時間內(nèi)增強了床料的燃燒，所以床溫在一次風增加時床溫升高，穩(wěn)定后床溫才隨著一次風的增加而降低，因此床溫的變化與一次風的變化不是單調(diào)的關(guān)系，如果用床溫的閉環(huán)來修正一次風的，控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。因此本次調(diào)試將一次風控制按一二次風配比穩(wěn)定床溫，并由手動修正一次風適當調(diào)節(jié)床溫，負荷指令變化作為一次風量指令動態(tài)前饋，起到超前調(diào)節(jié)作用。優(yōu)化后，一次風量調(diào)整穩(wěn)定性增強，減少了循環(huán)流化床機組翻床現(xiàn)象，同時，通過手動調(diào)整風量，使床溫變化穩(wěn)定。

為了克服循環(huán)流化床鍋爐的燃燒慣性，加快機組負荷響應(yīng)速度，在一次風量指令回路中增加了鍋爐主控對一次風量的動態(tài)前饋，例如當機組負荷指令增加時，一次風量超前變化，原來位于床層中被灰包圍的碳顆粒被一次風吹出，這些碳顆粒在過渡區(qū)和稀相區(qū)迅速燃燒釋放出熱量，傳熱系數(shù)迅速增加，尾部煙道對流受熱面吸熱量增加，再加上一次風的增加使得密相區(qū)內(nèi)的氧氣濃度瞬間升高，燃燒速率快速增加，這些都會使鍋爐蓄熱快速釋放，避免升負荷初期的主汽壓力下降過多。在變負荷中后期隨著進入爐內(nèi)燃料量能量的釋放，維持著機爐間最終的能量平衡，確保了整個變負荷過程中主汽壓力和機組負荷的跟隨品質(zhì)。

2.1.2 二次風控制系統(tǒng)的優(yōu)化。二次風主要用于保證足夠的空氣進入爐膛參與燃燒，通過控

制二次風機入口擋板來控制二次風流量，保證鍋爐過?？諝庀禂?shù)。

二次風風量設(shè)定值為機組實際負荷對應(yīng)的函數(shù)作為二次風量指令，二次風壓作為二次風量控制前饋，一次風量、二次風量、高壓流化風量及播煤風量對應(yīng)函數(shù)快速修正二次風量指令，同時，二次風量也設(shè)定最小風量限制。實際二次風風量設(shè)定值由兩者的高者產(chǎn)生。系統(tǒng)設(shè)計了最小風量限制回路，保證了機組低負荷時最小二次風量，同時，保證了鍋爐燃燒總風量。循環(huán)流化床鍋爐二次風量控制SAMA圖見圖2：

在原控制系統(tǒng)中，送風機控制進入爐膛的總風量，其中包括一次風量和播煤風量。這樣的控制系統(tǒng)當一次風變化時二次風就要調(diào)節(jié)，增加了一二次風之間的耦合關(guān)系，同時，二次風壓作為二次風量動態(tài)前饋使二次風量頻繁調(diào)節(jié)，造成二次風量控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。在調(diào)試中將送風機系統(tǒng)修改為僅控制二次風量，減少一次風對二次風控制干擾；機組負荷指令變化作為二次風量控制動態(tài)前饋，起到超前調(diào)節(jié)作用；二次風量最低風量限制，保證爐膛總風量。通過對二次風量控制優(yōu)化，使爐膛能充分燃燒，并且使二次風量調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定。

綜上所述，一二次風量控制構(gòu)成示意圖見圖3：

圖3為一次風量、二次風量指令的結(jié)構(gòu)示意圖，鍋爐主控指令或總?cè)剂狭糠謩e通過煤量-總風量函數(shù)1、函數(shù)2后形成各自的總風量指令，與30%最小風量三者取大形成最終的總風量指令，函數(shù)3、函數(shù)4決定了一、二次風量配比關(guān)系。由于一次風量比燃煤量對床溫的影響要快，增加三階慣性動態(tài)校正環(huán)節(jié)作用是使時序上實現(xiàn)煤量與一次風量的合理調(diào)度，確保風煤動態(tài)匹配，有利于鍋爐床溫的長期穩(wěn)定。

2.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

2.2.1 機組指令對燃料動態(tài)前饋優(yōu)化。循環(huán)流化床鍋爐是一個很慢的燃燒對象，對這類被控對象，在整定好系統(tǒng)的穩(wěn)定參數(shù)后，重要的是考慮系統(tǒng)的動態(tài)前饋控制。

在原系統(tǒng)中機組指令對燃料的動態(tài)前饋信號取自于經(jīng)過機組指令速率變化率后的信號，這樣的控制方式在機組指令前饋動態(tài)的前饋增益一定的情況下，運行人員設(shè)定的變化率越慢，動態(tài)所增燃料的時間就越長，系統(tǒng)的穩(wěn)定性于機組指令變化率有關(guān)，往往造成動態(tài)過程中燃料變化太多，使得動態(tài)過程中不能滿足汽機對鍋爐燃燒的需求，造成壓力偏差過大，變負荷后由于動態(tài)所變?nèi)剂线^多造成穩(wěn)定時間過長，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)調(diào)試中將機組目標負荷與實際機組負荷的功差信號、機組負荷變化動態(tài)信號、機組主汽壓力變化動態(tài)信號及DEB微分動態(tài)信號轉(zhuǎn)換成燃料信號作為協(xié)調(diào)系統(tǒng)鍋爐主控的動態(tài)前饋，將機組實際負荷指令轉(zhuǎn)換為燃料指令作為鍋爐主控的靜態(tài)前饋。實現(xiàn)了機組變負荷過程中燃料的快速響應(yīng)，提高了機組變負荷率。修改后SAMA圖如圖4。

通過這樣的修改，完全掌控了變負荷時動態(tài)燃料的變化，大大提高了動態(tài)的響應(yīng)性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2.2 鍋爐主控指令的構(gòu)成。為了克服循環(huán)流化床鍋爐固有燃燒慣性，設(shè)計了基于間接能量平衡方式的協(xié)調(diào)控制策略，其基本控制原則是以負荷對應(yīng)煤量，輔以主汽壓力修正。靜態(tài)過程中，主汽壓力偏差靠PID調(diào)節(jié)器；動態(tài)過程中控制品質(zhì)主要依靠各種前饋控制。

（1）機組負荷指令對鍋爐燃料的靜態(tài)前饋。當機組變負荷時，首先通過靜態(tài)前饋是實現(xiàn)燃料的粗調(diào)，函數(shù)發(fā)生器1是對應(yīng)于機組負荷指令的燃料指令分段線性函數(shù)，這是維持機爐能量平衡的基準燃料，并由熱值校正回路增加其準確性。修正系數(shù)K一般設(shè)置在1.5-3之間，實現(xiàn)了變負荷初期、中期燃料調(diào)節(jié)的“加速”，以及變負荷結(jié)束前的及時“剎車”。

（2）機組負荷指令對鍋爐燃料的動態(tài)前饋。這一部分是為了補償鍋爐給煤遲延和燃燒慣性的動態(tài)預(yù)給煤分量，它主要靠超前環(huán)節(jié)1來實現(xiàn)。在變負荷初期及過程中，由機組指令動態(tài)前饋實現(xiàn)鍋爐燃料量的超前調(diào)節(jié)，使鍋爐燃燒快速響應(yīng)機組負荷需求，在變負荷結(jié)束后，使鍋爐燃料量略有回頭，避免了機組主汽壓力超調(diào)，使鍋爐燃燒快速地穩(wěn)定下來。

（3）壓力設(shè)定值對鍋爐燃料的動態(tài)前饋。目前國內(nèi)330循環(huán)流化床機組采用滑壓運行方式，機組主汽壓力根據(jù)負荷按照預(yù)定的滑壓曲線控制，為了進一步提高主汽壓調(diào)節(jié)品質(zhì)，設(shè)置了機前壓力設(shè)定值對鍋爐燃料的動態(tài)補償信號，通過超前環(huán)節(jié)2來實現(xiàn)，以保證機組在滑壓段能有更好的主汽壓力跟隨品質(zhì)。

（4）負荷偏差的“加速”回路。由負荷指令設(shè)定值與實際負荷的差值信號經(jīng)函數(shù)發(fā)生器5而形成，這是一非線性比例調(diào)節(jié)器，在負荷指令設(shè)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“加速器”的作用。

（5）變參數(shù)控制技術(shù)。330MW循環(huán)流化床機組是一種特性復(fù)雜多變的被控對象，隨著機組負荷的變化，機組的動態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化，具有很強的非線性，因此鍋爐主控采用變參數(shù)PID控制策略，以保證在各個負荷點上控制系統(tǒng)具有良好的效果。

2.2.3 機爐間動態(tài)解耦環(huán)節(jié)設(shè)計。330MW循環(huán)流化床機組的負荷和壓力響應(yīng)之間存在緊密的耦合性，燃料量的變化對壓力和負荷的作用是一個多階慣性環(huán)節(jié)，調(diào)門變化對負荷的特性是一個暫態(tài)過程，對壓力的特性是一個慣性過程，而負荷和壓力的變化是燃料量和調(diào)門共同作用的結(jié)果，以上的機爐特性表現(xiàn)為機組變負荷初期，通過汽機調(diào)門的快速動作能夠暫態(tài)響應(yīng)機組負荷，但由于給煤系統(tǒng)的純延時和鍋爐燃燒慣性，主汽壓力快速反向變化，形成較大的壓力偏差，增加系統(tǒng)擾動甚至引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩。

為了適應(yīng)循環(huán)流化床機組爐慢機快的工作特性，實現(xiàn)機爐間的主汽壓力與機組負荷的動態(tài)解耦，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)做如下兩方面處理：一是機組負荷指令經(jīng)過三個一階慣性環(huán)節(jié)后才進入汽機主控調(diào)節(jié)器，等進入爐內(nèi)的燃料開始反應(yīng)汽機調(diào)門才開始動作，避免變負荷初始階段，汽機調(diào)門的快速響應(yīng)造成的壓力偏差。二是當機組投入滑壓運行方式時，滑壓控制段則根據(jù)三階慣性環(huán)節(jié)的主汽壓力響應(yīng)特性和不同工況預(yù)設(shè)的變壓過程時間，擬合壓力設(shè)定值的滑升曲線，同時將壓力提升的動態(tài)熱量需求疊加在鍋爐前饋指令上，實現(xiàn)壓力提升動態(tài)分量和過程偏差消除回路的解耦控制，并在時序上實現(xiàn)負荷與汽壓響應(yīng)的合理調(diào)度，通過將機、爐主控的偏差調(diào)節(jié)從動態(tài)響應(yīng)中解耦出來，可保持PID調(diào)節(jié)特性在動態(tài)和靜態(tài)工況下的恒定。汽機主控控制 SAMA圖如圖5。

3、參數(shù)優(yōu)化后的試驗情況

將以上控制策略應(yīng)用于寧夏國華寧東發(fā)電有限公司#1、#2機組，在經(jīng)過調(diào)試和參數(shù)優(yōu)化在2013年10月19日至10月23日AGC試驗中取得了良好的控制效果。圖7、圖8、圖9、圖10分別是變負荷過程中機組主要參數(shù)變化曲線，設(shè)定變負荷速率為6MW/MIN，機組負荷實際變化速率達到5.54MW/MIN，負荷響應(yīng)時間小于30S，負荷動態(tài)偏差控制在3MW以內(nèi)，主汽壓力動態(tài)偏差控制在0.6MPa以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)負荷偏差控制在1.5MW以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)壓力偏差控制在0.3MPa以內(nèi)。

4、結(jié)語

基于直接能量平衡和一次風量超前調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略是一種主動調(diào)節(jié)方式，為汽輪機提供超前的熱量支持，再加上機爐間動態(tài)解耦技術(shù)進一步確保了機爐協(xié)調(diào)動作，將該協(xié)調(diào)控制策略在寧夏國華寧東發(fā)電有限公司兩臺330MW循環(huán)流化床鍋爐空冷機組上成功應(yīng)用，目前機組正常投入AGC運行方式，機組負荷調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時間和精度均滿足西北電網(wǎng)并網(wǎng)機組自動發(fā)電控制考核及并網(wǎng)機組一次調(diào)頻考核兩個細則指標要求。

參考文獻：

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