基于前馈策略的燃气锅炉负压控制优化

2011-04-12张卫庆

电力工程技术 2011年3期

张卫庆

（江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102）

某钢铁公司将于2012年上半年形成760万t钢规模，届时新增焦炉、高炉将陆续投产，煤气发生量、蒸汽用量将进一步增加；4 070 m3高炉需新增中压蒸汽170 t/h。原则上配套建设1台220 t/h全烧煤气锅炉。项目建成后年供热量393万GJ，按内部结算价预计年净利1 429万元，内部收益率为14.2%。该钢铁公司已建设投产1台220 t/h全烧煤气锅炉，与之前的3台煤粉、煤气混合燃烧锅炉母管制并列运行发电供热。从已投产的全烧煤气锅炉的自动投入来看，经典的三冲量汽包水位控制、过热器一级二级减温水串级控制[1]等自动能正常投用，炉膛负压控制效果不佳，长期处于手动状态。新建220 t/h全烧煤气锅炉有必要解决这一问题。

1 煤气锅炉负压控制的现状

该燃气锅炉主设备为上海锅炉厂有限公司生产的高压、全烧煤气、单炉膛∏型锅炉,采用前后墙对冲燃烧方，平衡通风，露天布置，全钢、悬吊结构。锅炉燃料采用混合煤气，不需建专门的煤气燃料调节和处理设备。因燃料含尘量少，烟气符合直接排放要求，故不设除尘器。每台锅炉配2台送风机和2台引风机。炉膛负压自动控制是通过调节引风机变频器转速，保持炉膛负压在-100～0 Pa的微负压状态，保证锅炉安全燃烧。当2台引风机同时运行时，应并列或者固定其中的1台对另1台进行调节。

已投产的煤气锅炉为经典的负压控制，送风量通过氧量校正调整。炉膛负压自动调节效果并不理想，经常出现-200～200 Pa大范围的波动，不利于锅炉设备的安全稳定运行。

2 高炉煤气总管压力变化特性

通常情况下，要求锅炉全部烧完钢厂送来的高炉煤气，炉膛负压的波动可能与此有关，高炉煤气总管压力与炉膛负压变化的对比曲线如图1所示。由图1可看出，炉膛负压的波峰值、波谷值与高炉煤气总管压力的波峰值、波谷值一一对应，且变化的波形完全一致。

图1 炉膛负压随高炉煤气总管压力变化的波形

3 基本方案控制优化

图2 炉膛负压控制系统结构

不考虑送风量前馈，炉膛负压的基本控制方案是含有比例积分微分控制器（PID）的简单闭环，如图2所示，预先置入1个基本的比例积分作用系数，调节效果如图3所示。由图3可以看出，当甲引风机变频调节的比例、积分作用较强(比例系数Kp=0.05，积分时间ti=20 s）时，炉膛负压呈现振荡的趋势，最高值170 Pa，最低值-173 Pa，且不收敛。乙引风机输出为0，甲引风机参与负压调节，由于比例、积分作用较强，负压出现过调现象，炉膛负压控制与乙引风机的输出呈现相同的振荡趋势。

针对这种现象，适当调弱比例、积分作用，增大偏差调节死区。调节效果如图4所示。乙引风机输出为0，仍然由甲引风机参与负压调节。适当调弱比例、积分作用（Kp=0.01，ti=100 s），增大偏差调节死区(deadband=20 Pa)，执行器动作变得迟缓，炉膛负压波动幅度变小，但遇到大的炉膛负压（负压波峰值为362 Pa，波谷值为-291 Pa）波动时，不能有效控制负压超调量，且过渡时间为3 min，较长。

图3 强比例积分作用下的炉膛负压变化

图4 弱比例积分作用下的炉膛负压变化

可见，经参数调整后，负压振幅虽然变小，但动态性能（超调量、过渡时间）仍不能满足要求，抑制由于高炉煤气压力波动引起的扰动能力差。

4 基于高炉煤气压力前馈的控制方案优化

鉴于此，特增加高炉煤气总管压力前馈信号至负压调节PID输出，如图5所示。优化后的炉膛负压控制效果如图6所示，高炉煤气总管压力发生剧烈波动，由峰值10.57 kPa迅速降到4.85 kPa,执行器输出迅速动作，甲引风机变频输出迅速由56 Hz降到36 Hz，炉膛负压保持平稳状态，控制在-80～5.9 Pa的安全区间，过渡时间为1 min。相关参数为：比例系数Kp=0.01，积分时间ti=20 s，前馈增益Kf=3.5，偏差调节死区deadband=5 Pa。