330MW单元机组燃烧控制系统优化设计

　　单元机组燃烧控制系统是火电厂控制系统中极为重要的一环，它既关系到负荷、主汽压控制又关系到汽温、水位控制等，准格尔电厂2×330MW机组燃烧系统采用中速磨直吹正压，冷一次风机送粉系统。每台炉配5台中速磨煤机，4台运行，1台备用。锅炉为前后墙对冲式燃烧方式，分隔风室的二次风分别从风箱两端左右二次总风道上引入。
　　
　　根据其特点，设计了基于配风的串级燃烧控制系统。在机组调试期间及投运之后，又根据实际运行情况对原控制系统进行了一系列的优化设计，取得了较好的效果。
　　
　　一、燃烧控制系统整体设计
　　
　　a.锅炉主控根据主汽压力和负荷的变化改变燃料主控的输出，燃料量主控将锅炉主控的指令分配给各给煤机控制回路以维持主汽压力的稳定并使燃料量与负荷的变化相适应。
　　
　　b.煤量信号经过风煤配比后作为二次风箱挡板控制系统的给定值调整相应的二次风量，进行燃烧经济性的粗调。
　　
　　c.炉膛空气燃烧系数校正（包含氧量校正）根据配风的原则校正二次风箱挡板的开度，即进行燃烧经济性的细调。
　　
　　燃烧控制系统原理示意图如图1所示。

　　
　　二、各子系统的设计及优化
　　
　　2.1燃料量主控系统设计及其优化
　　
　　燃料量主控的给定值是锅炉主控的输出（负荷指令），被调量是总燃料量，其输出作为给煤机转速控制的给定值调整各台给煤机的给煤量。
　　
　　2.1.1原方案的不足
　　
　　对于准格尔电厂的中速磨直吹式系统，当某台磨煤机启动时，将有十几吨煤（zui低煤量）在很短时间内被吹入炉膛，燃料量主控回路将会根据煤量反馈是有纯迟延的，这个纯迟延造成了一系列控制的滞后。
　　
　　反映在实际煤量的变化上就是首先大幅上升，经过一段时间的迟延又大幅下降，这种剧烈变化不仅影响负荷、压力，而且会影响汽温和水位，严重时运行人员不得不解除一些回路的自动，实际操作中运行人员不得不解除一般都要将燃料量主控系统和各给煤机控制系统切手动，预先减煤，然后再启磨，待系统稳定后再投入自动。
　　
　　优化前启磨时温度的动态过程如图2所示（图中1，2和3，4分别为炉膛甲、乙侧过热和再热汽温θ曲线；1，2基本相似；3，4也基本相似）。
　　
　　2.1.2优化设计（见图1虚线部分）
　　
　　在燃料量主控回路中加入一个超驰信号，该信号在启磨的同时将使其他运行的磨煤机自动减煤，减的煤量与由于启磨而多加入的煤量相当，而无需等待由于启磨而多加的十几吨煤的反馈到了才减煤，如此，在启磨时该煤量扰动基本被消除，控制系统也无需切手动，优化后启磨时的动态过程见图3（图中曲线1为主汽压力p；2，3分别为再热、过热汽温θ；4为实际负荷PL）。
　　
　　2.2给煤机转速控制系统设计及其优化
　　
　　以单台给煤机为例（见图1），介绍给煤机转速控制系统设计及其优化。

　　
　　2.2.1功能及特点
　　
　　接受燃料量主控的指令RM，并与实际给煤量相比较调整转速；完成风、煤的动态配比，根据风、煤比产生相应二次风挡板控制回路的风量指令。
　　
　　2.2.2解耦算法的应用
　　
　　煤量控制和二次风风量控制是多变量耦合的，当煤量或风量发生变化时，给煤机转速或二次风挡板开度应作相应变化，以维持风、煤比，保证*氧量。而氧量校正是一个慢速回路，对于由负荷指令变化引起的煤量或风量变化，可以快速通过比值控制初步保证风、煤比，然后再通过氧量调节细调；而对于煤量或风量的自发性内扰，要想仅仅通过氧量校正调整风量则显太慢，为了解决这个问题，分别把风量偏差和煤量偏差引入对方的控制回路，通过解耦控制提高系统快速抑制内扰的能力。
　　
　　把风量偏差ε引入给煤机转速控制回路中，可以实现当风量不够时，在一定范围内产生一个解耦信号适当减煤的功能。
　　
　　0<ε<2%，表示风量略微不够，解耦回路的输出Outl=0，不影响煤量控制；
　　
　　ε>2%，表示风量不够，Outl<0，输出解耦信号适当减煤。
　　
　　同样，把给煤量偏差e引入二次风控制回路中，可以实现当煤量过多时，在一定范围内产生一个解耦信号适当加风的功能。
　　
　　-2%<e<0，表示煤量略多，解耦回路输出Out2=0，不影响风量控制；
　　
　　e<-2%，表示煤量较多，Out2>0，输出解耦信号适当加风。
　　
　　2.2.3积分分离PID控制算法的应用
　　
　　在调试时发现给煤机转速控制效果不好，反复修改PID参数但收效甚微。经过分析发现原因是给煤机除了在DCS侧有一个转速控制回路外，在就地还有一个转速控制器，该就地控制器的PID参数只有两种模式，分别适用于滑差电机和变频调速，且两种模式下其PID参数是固定的。在就地控制器上作转速指令阶跃振动试验，发现其动态特性迟延较大且过渡过程较长，这样一来，如果在DCS侧的转速控制器仍然采用比例加积分的算法就会出现在不该积分的时候却积分，当积分过头时又减不下来的情况。为了避免造成动态偏差过大和积分饱和，乃至系统振荡，引入积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善，其具体实现如下：
　　
　　a.根据实际情况，设定一煤量偏差阈值E>0；
　　
　　b.当实际煤量偏差│e│>E，取消DCS侧给煤机转速控制器的积分作用，即采用P控制，既可避免过大的超调，又可使系统有较快的响应；
　　
　　c.当实际偏差│e│<E，采用PI控制，可使系统有较高的稳态控制精度。
　　
　　2.3基于配风原理的二次风控制系统
　　
　　2.3.1设计思想
　　
　　准格尔电厂的二次风箱为小风箱结构，即风箱与磨煤机一一对应，目前常见的控制方案是氧量调节器的输出（氧量校正系数）乘在二次风挡板控制回路中构成具有氧量校正的比值控制系统，即氧量校正系数乘在图1中KRS的位置，氧量调节器的设定值是负荷-O2%曲线，考虑到炉膛漏风，又在二次风控制回路中乘以漏风系数。这种方案应用较普遍，但它存在着不足，比如漏风系数是一个常量，这就不能根据实际漏风情况加以变化。同样当负荷不变而炉膛燃烧工况变化时，负荷-O2%曲线不能相应变化以维持燃烧的经济性。
　　
　　针对上述情况，在准格尔电厂设计了基于配风原理的二次风控制系统，即以送风机控制空预器二次风道出口风压，以与磨煤机对应的二次风挡板开度控制二次风量，首先计算出每台磨的煤量对应的*过剩风量，然后根据整个炉膛的过剩风量（包括理论过剩风、漏风和吹扫风量等）计算出燃烧空气系数校正二次风挡板开度，以保证燃烧的经济性。它具有如下特点：
　　
　　a.与给煤机转速控制系统相结合，较好地解决了负荷变化时风煤的动态配比问题（详见前述）。
　　
　　b.是一个串接在燃料量主控系统下的具有燃烧空气系数校正功能的比值控制系统，其中燃烧空气系数校正回路又是一个包含了氧量校正、漏风校正等功能的系统。

　　
　　2.3.2理论基础
　　
　　按照煤的元素分析，使燃料*燃烧所需的空气量称为理论空气量Vth，实际上按理论空气量无法达到*燃烧的目的，一般总要使送风量比理论空气量多一些，这可用过剩空气系数α衡量，α=V/Vth,实际空气量V过高，会增加风机的耗电和排烟损失；过低又会加大不*燃烧，降低锅炉热效率。保证锅炉热效率zui高的α值称为*过剩空气系数。实际应用中，过剩空气系数α可用炉膛出口烟气含氧量的百分数O2%衡量，即
　　
　　α=21/（21-O2%）（1）
　　
　　由上式可知，两者成反比关系，控制O2%就间接控制了α。
　　
　　2.3.3燃烧空气系数校正回路的原理
　　
　　燃烧空气系数校正回路的目的就是尽可能地计算出燃烧空气系数KRS以校正二次风挡板的开度，基本原理就是根据式（1），通过计算全炉膛的过剩空气量求出氧量校正系数，再由氧量校正系数校正全炉膛的总风量，经过计算得出燃烧空气系数KRS。
　　
　　a.氧量调节器的给定值——总过剩空气需求的计算。每台磨煤机对应的过剩空气为
　　
　　Vsu=Viαbest-Vi+Vi'αoil-Vi'（t/h）
　　
　　全炉膛对应的总过剩空气需求为
　　
　　V'su=5Vsu（t/h）
　　
　　式中Vi为根据锅炉厂资料将某台磨煤机的煤量转化而得的理论风量（t/h）;V'i为根据锅炉厂资料将某台磨煤机对应的油量转化而得的理论风量（t/h）;αbest为锅炉厂资料给出的不同负荷下煤的*过剩空气系数；αoil为锅炉厂资料给出的不同负荷下燃油的*过剩空气系数。
　　
　　全炉膛对应的总过剩空气需求V'su（t/h）就是根据*过剩空气系数计算的*过剩空气量，它将用于校正实际的过剩空气量。
　　
　　b.氧量调节器的被调量——实际过剩空气量的计算：氧量调节器的被调量应是根据实际氧量反推而得的实际过剩空气量，根据式（1）有
　　

　　式中，α'为实际氧量对应的实际过剩空气系数；V're为实际冲刷我量；Vre,th为α'对应的实际理论风量；Vsu,re为实际过剩空气量。
　　
　　c.根据式（1）（2）经氧量调节器可以计算出氧量校正系数K02。
　　
　　d.燃烧空气系数计算回路。
　　
　　以上计算的K02仅是根据运行磨煤机的过剩风而得到的校正系数，考虑到以下情况：当某台磨煤机停运时，虽然该台磨煤机所对应的一次风没有了，但仍要保证该台磨煤机所对应的二次风箱挡板有一定的开度，以便冷却燃烧器，这部分二次风也进入炉膛助燃，它对于全炉膛而言是过剩风；磨紧急跳闸时，用于吹扫的一次风也进入炉膛助燃，它对于全炉膛而言也是过剩风；变化的炉膛漏风量。
　　
　　因此，K02不能直接校正二次风挡板的开度，燃烧空气系数校正正是为了解决这个不足的，它的着眼点是全炉膛的燃烧经济性。
　　
　　燃烧空气系数调节器的被调量是实际总风量Vre，这样就包括了所有进入炉膛的风量。
　　
　　给定值=（总燃料量转化的理论理论风量+总过剩空气需求Vsu）K02,这样其给定值就是基于*氧量的总风量，经过调节器运算得出燃烧空气系数KRS送往二次风控制回路，校正风量给定，改变二次风箱挡板的开度，使烟气的含氧量O2%保持*，从而使锅炉达到较高的燃烧效率。
　　
　　三、结论
　　
　　a.启磨时煤量陡降导致负荷、压力和温度等发生较大变化从而影响控制品质，针对这种情况，本文介绍的超驰控制方案具有较好的控制品质。
　　
　　b.对于给煤机转速控制，DCS侧和就地各有一个控制器显然是不合适的，由于DCS组态灵活，可以完成较复杂的控制策略，故宜将就地控制器旁路掉，但由于给煤量的测量是集成在给煤机的就地控制器中，改造工作宜在停机期间进行，本文采取的积分分离PID算法较好地解决了由于就地控制器的存在而导致给煤量控制动态偏差大且过渡过程长的问题。
　　
　　c.燃料量和风量是一对相互耦合的控制变量，必须采用解耦算法设计燃烧控制系统，本文提出的解耦方案不仅在外扰（升、降负荷）发生时起作用，在燃料量和风量发生自发性内扰时也同样起作用。
　　
　　d.由于校正回路中已经考虑了炉膛漏风、吹扫风、冷却风和氧量等因素而不仅仅是氧量，因此，基于配风原理的二次风控制系统，具有更、更快速的特点。