辐射能信号在循环流化床锅炉主汽温控制中的试验

姜志伟,王淅芬

(武汉科技大学材料与冶金学院,湖北 武汉 430081)

锅炉主蒸汽温度是反映机组运行经济性和安全性的一项重要参数,要求维持在额定值附近,温度过高会使过热器管道和汽轮机高压缸等设备产生形变而发生事故,温度过低会导致机组热效率降低,并使进入汽轮机低压缸末级叶片的蒸汽湿度增大,腐蚀或打断汽轮机叶片[1]。目前调节主蒸汽温度的主要手段是启动喷水减温器对过热蒸汽进行喷水冷却。汽温特性的动态试验表明[2],过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小,而在减温水量扰动下延迟较大,这种特性使得过热蒸汽温度的控制滞后,传统的以热量信号为反馈的PID串级控制系统很难改变这种滞后的特性,不能对主蒸汽温度进行及时有效的调节。国内外学者采用智能控制技术来抑制主蒸汽超温,取得了一定的效果,但需引入机组参数或对模型的准确性要求较高,实际应用仍有困难[3-5]。从辐射能信号的定义及提取原理来看[6],它反映的是炉侧的燃烧强度,对炉内放热量变化的响应速度要比热量信号快,将其引入到机组主汽温控制系统中,通过其变化趋势来提前调节减温水量,可以较快地控制过热蒸汽温度。不少学者在这方面已展开了研究,并取得了一些有应用价值的成果[7-10],然而这些研究都是在煤粉炉上进行的。与之相比,循环流化床锅炉的时变性更强,滞后性更大,运行工况也更为复杂,本文将在循环流化床锅炉上对辐射能信号参与主汽温控制进行试验。

1 方案设计

本试验在某电厂一台DG480/13.7-II2型循环流化床锅炉上进行,炉膛截面宽15240mm,长7492 mm,通过安装在炉膛墙壁上的火焰图像探测器来获得辐射能信号,并用硬接线的方式将其送入机组DCS中,结构如图1所示,辐射能信号具体获取方法见参考文献[6]。

图1 炉膛及成像系统结构示意图

图2是某时段辐射能信号与机组相关参数的变化曲线。其中图2(a)为燃料量增加后辐射能的动态响应趋势,可以看到辐射能信号可以很好地反映出燃料量的变化;图2(b)为机组负荷与辐射能信号随时间变化的关系,可以发现两者之间变化趋势非常一致,而且辐射能信号明显超前于机组负荷的响应,这是因为工质从不饱和水经受热面吸热变为具有做功能力的过热蒸汽,是一个纯延迟、大滞后的过程;图2(c)和(d)分别是辐射能信号与主蒸汽压力、温度的动态变化曲线,同样可以发现辐射能信号超前于主蒸汽温度和压力。

辐射能信号引入主汽温控制的方案设计如图3所示。在原有主汽温控制回路的基础上加入辐射能微分信号,并将其作为减温水调节的前馈。修正后的主蒸汽流量和热值信号组成的热量信号作为原导前汽温控制信号,与辐射能信号由乘法器合成为主控回路新的导前控制信号。其中,辐射能信号和热量信号采用给定比例系数的方式来调节各自对控制系统作用的强弱。例如当热量信号的比例系数为1时,辐射能信号的比例系数为0,即辐射能信号不引入主汽温控制回路,全部以原热量信号作为导前控制信号;当热量信号的比例系数为0时,辐射能信号的比例系数为1,即热量信号不参与主汽温控制,全部以辐射能信号参与主汽温控制。

2 运行试验及结果分析

图4为机组负荷150 MW时原主汽温控制的过热器减温水动态调节过程曲线。可以看出,在该稳定工况过程中主汽温的变化范围为515～545℃,主汽温波动的幅度范围-20～10℃(主汽温设定值为535℃),此时过热器一级减温喷水量维持在大约20 t/h。

图2 某时段辐射能信号与机组相关参数的变化曲线

图5是引入辐射能信号参与机组主汽温控制系统后不同机组负荷下的主蒸汽温度的动态变化过程,此时辐射能信号参与的比例系数为0.1。从图中可以明显看出,引入辐射能信号参与主汽温控制后主汽温的波动幅度显著缩小,在±5℃之间。

图3 主汽温控制引入辐射能的信号原理

图4 原控制方式下主蒸汽温度的变化

图5 引入辐射能信号后主蒸汽温度的变化

图6为引入辐射能信号后在燃料量扰动时主蒸汽温度的动态响应。可以看出,当炉内给煤量发生扰动时主蒸汽温度还是在可接受的幅度范围内波动,说明辐射能信号的引入的确可以改善主汽温的动态响应特性。

图6 引入辐射能信号后燃料量扰动对主蒸汽温度的影响

3 结论

辐射能作为表征锅炉炉膛燃烧工况的测量信号,具有对燃料响应的超前性。在循环流化床锅炉上的试验表明,将辐射能信号引入主汽温控制系统可有效改善主蒸汽温度的动态特性,使主汽温的控制品质提高,获得良好的效果,具有较强的应用价值。

[1] 赵祥生,林文孚.热力过程自动化[M].北京:中国电力出版社,1996.

[2] 阮 刚,罗自学,周怀春.锅炉过热蒸汽温度控制新策略动态仿真研究[J].华中电力,2004(5):1-4.

[3] 于湘涛,刘红军,王晓慧,等.基于内模PID控制的火电厂主汽温控制系统[J].自动化技术与应用,2003(7):50-52.

[4] 马 平,朱燕飞,牛 征.基于神经网络的主汽温控制系统[J].华北电力大学学报,2001(2):52-55.

[5] 孙建平,梅 华,杨振勇.应用模糊预测控制实现主汽温控制[J].华北电力大学学报,2003(2):49-52.

[6] 罗自学,杨超,周怀春.炉膛辐射能信号的提取机理及其应用研究[J].动力工程,2005,25(3):374-377.

[7] 张师帅,周怀春.采用辐射能反馈信号的火电单元机组负荷控制系统仿真研究[J].中国电机工程学报,2001,21(2): 85-88.

[8] 李春阳,卫成业,罗志浩,等.以炉膛辐射能信号为中间被调量的串级模糊调节策略研究[J].中国电机工程学报,2001, 21(6):80-83.

[9] 于达仁,范 轶,徐志强.炉膛辐射能信号和热量信号的信息融合方法[J].中国电机工程学报,2003(4):162-165.

[10]吴吕斌,罗自学,周怀春,等.主汽温控制现状及其新方法应用研究[J].电站系统工程,2009,25(1):5-7.