保定热电厂锅炉床温控制系统改造案例

　　大唐保定热电厂8、9号锅炉是由四川东方锅炉（集团）股份有限公司引进美国福斯特·惠勒公司技术制造的国产DG450/9.81-1型单汽包、自然循环、半露天布置CFB锅炉，其控制系统采用上海新华控制工程公司的XDPS—400分散控制系统，自2002年11月、2003年4月相继投产以来，设备整体运行基本正常。但由于各种原因，原床温控制系统难以投入运行，现主要依靠运行人员手动调节。针对存在的问题，在分析原床温控制系统的基础上，提出负荷分段控制的思想，对原床温控制系统进行了新的现场组态与调试。运行效果表明，系统改造后不但自动投运率提高，在调节精度和快速性方面都有所提高，而且运行更稳定，多项经济性指标也有所改善。
　　
　　一、床温运行特性
　　
　　CFB锅炉与煤粉炉在结构和运行特性上差别zui大的就是燃烧系统。但现阶段CFB锅炉的燃烧特性尚未*了解，因此床温控制水平及自动投运率都很低。锅炉燃烧控制的难点除了CFB锅炉的燃烧过程是一个极其复杂的化学物理过程外，还有以下3点:（1）多变量、强藕合，当负荷（外扰）或燃料量、返料量、给水量、一次风量、二次风量、引风量等（内扰）发生变化时，蒸汽温度、蒸汽压力、炉床温度、床层差压、炉顶温度、汽包水位、炉膛负压、烟气含氧量等均会发生变化，只是变化程度不同，因此一般按单回路控制方案设计的控制系统难以实现有效控制;（2）CFB锅炉是一个大热惯性系统，炉内的热床料很多，热容量很大，因此调节过程存在很大的延迟和惯性;（3）循环流态化是正常工作状态，若偏离这一状态，燃烧机理就会发生变化，控制规律就不再适用，则会表现出严重的非线性同。
　　
　　床温是CFB锅炉需要重点监视的主要参数之一，它直接影响锅炉能否安全连续运行，并影响着锅炉运行中的脱硫效率及NOx的产生量，床温的高低直接决定了整个锅炉的热负荷和燃烧效果。根据燃用煤种的不同，床温一般在850~950℃范围内变化。对于挥发分较高的煤种，床温可以适当降低;对于挥发分较低的煤种，床温可以适当升高。一般床温控制在850℃左右，此温度是实现炉内脱硫的*温度，同时NOx的产生量也比较小，这样，就能在保证较高燃烧效率的同时，降低烟气污染物的排放量。床温过低或过高对于CFB锅炉的安全连续运行都是不利的。床温过低时，锅炉效率下降，锅炉运行不稳定容易灭火，脱硫效果下降，降低传热系数，严重时会使大量末燃烧的煤颗粒聚集在尾部烟道发生二次燃烧，密相区燃烧分额不够会使床温偏高而主汽温度降低;床温过高时，炉内脱硫效率下降，NOx产生量大大增加，CFB锅炉无法循环流化燃烧，损坏风帽，易造成炉膛料床结焦而导致停炉。可见控制床温相对稳定是十分必要的。
　　
　　然而运行中存在的各种扰动，如负荷升降、煤质变化、给煤量和风量变化、排渣不畅等都会造成床温变化，故需运行人员根据床温调节规律进行正确判断并调整。影响床温的可调因素包括给煤量、一次风量、二次风量、炉底排渣量等，但zui重要的是给煤量和一次风量。在实际运行中，运行人员主要通过调节给煤量调节负荷，而通过调节经过布风板流化风量的大小调节床温。
　　
　　二、床温控制系统
　　
　　2.1原床温控制系统
　　
　　原床温控制系统采用单回路系统，床温偏差为主控信号，被控量是进入炉膛底部的一次风量。由于各种原因，该系统投入运行后效果不明显，床温波动较大，难以达到稳定，经常要切手动，原设计思想未能得到很好体现。分析原因如下:（1）仅通过调节进入炉膛底部的一次风量调节床温，调节手法单一，当炉膛底部的一次风门满开度时，原床温控制系统无法再调节，只能手动进行微量调煤;（2）只有床温偏差为控制信号，在燃烧工况发生变化时，不能及时有效地反映床温的变化;（3）由于系统存在较大的延迟和惯性，原单回路控制的设计存在调节速度慢、动态偏差大的缺点。
　　
　　2.2改造后床温控制系统
　　
　　2.2.1改造的总体方案
　　
　　改造后的床温控制系统总体采用负荷分段控制:低负荷时采用一次风控制;中、高负荷时需考虑执行机构的调节裕量，故当一次风门开度达到zui大后，若床温仍未稳定，则考虑用给煤量脉动快速调节，若还未达到预期效果就报警，zui后切到手动调节。根据运行人员的经验，整个CFB锅炉的燃烧过程按不同负荷可分为3个阶段:低负荷阶段（7OMW以下）、中负荷阶段（70~9OMW）、高负荷阶段（9OMW以上）。对应不同负荷分段，床温设定值的变化范围为790~850℃、850~900℃、900~922℃。实际设计时，应把各段范围折中计算出床温的设定值，把浮动范围定为死区值。以低负荷阶段为例:820℃为床温设定值，死区值为-30~30℃记。由于上二次风自动调节烟气含氧量，因此在不同负荷下考虑固定下二次风门开度（低负荷:50%;中负荷:80%;高负荷:）。
　　
　　为便于实现，不同负荷分段下可采用统一的控制器，只是引入偏差时，根据不同的分段，偏差乘以不同的比例系数。不同负荷下床温设定值应不同，因此需要对床温的设定值进行修正（利用原系统中现有的模块进行折线的拟合，使得不同负荷分段下有相应的床温设定值。床温设定值的大小是根据运行人员多年实际调节经验总结得到的），以满足控制的要求。本方案采用的是主汽流量信号对床温进行修正，低负荷时床温设置得较低，以保证稳燃;中、高负荷时床温设置得较高，以提高循环倍率，提高机组效率。
　　
　　总体上，若床温偏差小于一定的范围，控制系统不工作;若床温偏差超出设定范围，控制系统开始工作，调节幅度可依据床温偏差和床温变化率的大小来确定。
　　
　　2.2.2改造的具体方案
　　
　　（1）先通过调节进人炉膛底部的一次风量调节床温，当一次风门满开度没有调节裕量时，引入给煤量的脉动调节。若一次风门尚有调节裕量，则给煤量由原锅炉负荷调节子系统控制，即给煤量用于调节负荷。
　　
　　（2）一次风和给煤量调节子系统都引入床温变化率，作为速度反馈量。其原因在于当燃烧工况发生改变时，床温变化率比床温偏差更能及时有效地反映床温的变化，并能加快调节速度，减小动态偏差。通过对迟延时间的调整，可加大或减小速度反馈的强弱。现场床温变化率较小，所以微分作用的介入不会造成执行机构的频繁动作，对附着在床温检测信号上的高频干扰信号增加了滤波功能，进一步提高执行机构在调节过程中的稳定性。
　　
　　（3）在一次风调节的基础上，给煤量脉动调节子系统采用串级加前馈控制，系统稳定性提高。改造后的系统如图1所示。　　
　　三、系统仿真试验
　　
　　3.1一次风门有调节裕量的情况
　　
　　用一次风调节时，数学模型为
　　
　　因为现场的风量测量存在较大误差，所以不采用风量反馈。床温偏差为主控信号，床温变化率是引入的速度反馈量，被近代对象是一次风机，被控量是一次风机的风门开度。　　
　　（1）阶跃响应。改造前、后的系统对幅值为10的阶跃响应信真曲线如图2所示。由图2可见，系统改造后超调量减小1.17%，上升时间缩短305s，峰值时间缩短615s，调节时间缩短350s，控制速度加快。　　
　　（2）抗扰性试验。在300s时，对系统加幅值为10的阶跃扰动，其信真结果如图3所示。由图3可见，系统改选后超调量减小0.5%,上升时间缩短455s，峰值时间缩短570s，调节时间缩短420s。而改造前的系统调节时间较长，超调量较大，影响了控制的精度和速度。　　
　　（3）鲁棒性试验。数学模型变为用于检验控制系统的鲁棒性，其仿真结果如图4所示。由图4可见，系统改造后超调量减小1.54%，上升时间缩短370s，峰值时间缩短450s，调节时间缩短380s。在精度和快速性方面均能满足要求。
　　
　　3.2一次风门没有调节裕量的情况
　　
　　一次风门没有调节裕量时，可引入给煤量脉动快速调节。床温偏差仍为主控信号，床温变化率仍为引入的速度反馈量，给煤量、汽包压力、主汽流量三者组成的热量信号为前馈信号，用以消除煤质变化带来的内扰。被近代对象是给煤机，被控量是进入炉膛的总给煤量（低负荷时4台给煤机；中、高负荷时6台给煤机同时工作，则控制信号引至6台给煤机），总之要使进入炉膛的总给煤量达到要求。　　
　　对系统加幅值为10的阶跃定值扰动，其阶跃响应住址曲线如图5所示。由图5可见，引入给煤量脉动调节后超调量减小0.26%，上升时间缩短180s，峰值时间缩短130s，调节时间缩短188s，不但控制精度提高，而且控制的速度加快。　　
　　四、现场支行结果分析
　　
　　根据改造前、后系统仿真试验的结果，在原床温控制系统的基础上进行新的现场组态，并在稳定工况和变工况下进行现场调试（如图6所示）。改造后的系统连续运行近4个月，对比改造前、后的各项数据，发现不但系统运行更稳定，而且在调节的精度和快速性方面都有所提高，多项经济性指标也有所改善：即使煤质变化较大，床温仍控制得较好，炉内燃烧状况良好，燃烧充分，排渣量减少，因此原来冷渣器常堵的情况有很大改善；给水压力有所提高，其波动范围小于0.01Mpa，相当于给水温度提高2℃，折合煤耗下降0.3g/（kw.h）；对床温的设定值修正后，使系统的静态工作点随负荷变化而变化，当出现扰动时调节机构不频繁动作，在较小的变化范围内就能满足调节需求，因此调节机构的磨损减小，延长了调节机构的使用寿命，耗电量减少，节约了发电成本，提高了经济效益；改造前由于频繁的手动操作，容易造成运行人员的疲劳和麻痹，一旦调整不当，就会造成床温的大幅度变化，不利于系统的安全运行，改造后系统的自动投运率提高，运行人员的劳动强度减小，系统的稳定性提高，而且节约了人力资源。
　　
　　五、结语
　　
　　一次风和给煤量调节子系统中床温变化率的引入，给煤量调节子系统中串级控制的设计、前馈信号的引入，床温庙宇值的修正等方案在改善系统的动态品质、提高抗*力及对模型改变时的鲁棒性等方面均比系统改选前要*，在实际应用中有一定的参考价值。在长期运行中，锅炉本体特性会发生变化，因此，设计的控制器参数需进一步优化，以满足控制要求，提高经济性。