330 MW循环流化床机组协调控制系统的特点分析与应用实例

郭涛，葛智平，张世才，张顺，杨熹，石耀武，郑宗辉

(甘肃电力科学研究院，甘肃兰州 730050)

330 MW循环流化床机组协调控制系统的特点分析与应用实例

郭涛，葛智平，张世才，张顺，杨熹，石耀武，郑宗辉

(甘肃电力科学研究院，甘肃兰州 730050)

循环流化床机组在动态特征上不同于煤粉炉，其燃料煤粒较粗，燃烧过程复杂，并且因为其燃烧室内的床料具有相当大的热惯性和蓄热能力，是以当给煤量改变后，主蒸汽压力的变化相应比煤粉锅炉的迟延和惯性要大得多，造成了循环流化床机组燃烧过程实现自动协调控制的困难。以京海煤矸石发电有限责任公司凤凰岭电厂新建工程2×330 MW循环流化床机组控制系统为例，从变参数的应用、前馈的应用、主压力与给水的解耦控制、煤质修正控制等多方面阐述了循环流化床机组的控制特点，分析探讨了应用中存在的问题并提出了解决方法。

循环流化床;330MW;协调;修正

0 引言

循环流化床锅炉是20世纪70年代中期发展起来的新型燃烧技术，因具有燃烧效率高、燃料适应性广、负荷调节范围大等优点而得到越来越广泛的应用［1］。循环流化床锅炉与其他种类锅炉的根本区别在于燃烧系统。循环流化床锅炉的燃烧系统是由燃烧室、物料收集器和返料器组成。高温物料在气流的夹带下进入物料收集器，被收集下来的物料进入返料器，再经返料器送回燃烧室，进行多次循环燃烧，因此燃烧效率很高［2－5］。在循环流化床锅炉中，燃料仅占床料的3%左右，其余是不可燃的固体颗粒。循环流化床锅炉特殊的流体动力特性使得气固和固固混合非常好，因此燃料进入炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至着火温度，而同时床层温度没有明显降低。因此所有煤种均可在其中稳定、高效地燃烧。运行中变换煤种时，燃烧设备和锅炉本体不做任何修改也可取得较高的燃烧效率。锅炉运行中经常会出现负荷的变化，当负荷降到70%以下时，其他类型锅炉燃烧率和热效率会明显降低且燃烧很不稳定，有时甚至不能维持正常的燃烧;而循环流化床只需调节给煤量、空气量和返料循环量，故而其负荷可在30%～110%之间调节。

但相应的，因为循环流化床机组在动态特征上不同于煤粉炉，其燃料煤粒较粗，燃烧过程复杂，并且因为其燃烧室内的床料具有相当大的热惯性和蓄热能力，是以当给煤量改变后，主蒸汽压力的相应比煤粉锅炉的迟延和惯性要大得多，其燃烧系统是一个大滞后、强耦合的非线性系统，各个变量之间相互影响。有的被调参数同时受到几个调节参数的共同影响，如床层温度要受到给煤量、一次风量、返料量及排渣量等多个参数控制。同时，有的调节参数又影响多个被调参数，如给煤量不仅影响主汽压力，还影响床温、炉膛温度等参数，造成了循环流化床机组燃烧过程实现自动控制的困难［6－11］。

1 330 MW循环流化床机组概况

京海煤矸石发电有限责任公司凤凰岭电厂新建工程2×330MW循环流化床机组，锅炉为东锅集团生产的DG 1177/17.4－Ⅱ1型循环流化床汽包炉。单炉膛、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、自然循环、循环流化床燃烧方式，固态排渣，采用平衡通风方式，压力平衡点位于炉膛出口处。锅炉以最大连续负荷(BMCR)工况为设计参数，最大连续蒸发量1177t/h，过热器蒸汽出口温度为540℃，再热器蒸汽出口温度为540℃，给水温度282.8℃。

DCS系统可以实现对机组的各项控制功能，主要包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、电气量控制系统(ECS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、汽轮机数字电液调节系统(DEH)、旁路控制系统(BYPASS)、空冷系统(ACC)等系统功能。

2 协调控制系统的控制方式及系统组成

该机组协调控制方式分为基本控制、汽机跟随控制、锅炉跟随控制及机炉协调控制四种方式。

2.1 基本控制(BASE)方式

锅炉主控和汽机主控均处于手动状态，机组运行进入BASE方式。在这种方式下，运行人员手动操作燃料量、给水流量、风量等参数。DEH处于本地控制方式，DEH投入功率闭环以控制机组负荷，或投入压力闭环控制机前主蒸汽压力。

2.2 汽机跟随控制(TF)方式

当DEH处于远方(CCS)状态，锅炉主控处于手动方式，而汽机主控处于自动方式时，机组运行方式就会进入TF方式。在这种运行方式下，汽机主控通过控制汽机调门来控制机前蒸汽压力，燃料量通过操作人员手动改变，机组负荷指令信号跟踪实际的负荷信号。该方式下汽轮机运行比较稳定，但不能满足电网要求。

2.3 锅炉跟随控制(BF)方式

当锅炉主控处于自动方式，汽机主控处于手动方式，且DEH未投入功率回路时，机组运行方式就会进入BF方式。这种运行方式，只作为投入协调方式过程中的过渡方式。

2.4 机炉协调控制(CCS)方式

这是机组正常运行方式。机组负荷指令同时送给锅炉和汽机，汽机调速汽门控制响应机组负荷指令，锅炉燃料量、风量等指令根据机组负荷指令形成，使输入给锅炉的能量与汽机的输出能量相匹配。在这种方式下，机组运行稳定，可以满足电网的需求(包括AGC负荷调整以及一次调频的快速动作)。机炉协调控制运行方式的投入，不仅要把锅炉主控和汽机主控投入自动，而且还要把所有的主要控制回路投入自动控制方式，例如给水控制、燃料量控制、风量控制和炉膛压力控制等。

3 协调控制系统的特点

3.1 协调方式下主控指令的形成

在协调方式下，锅炉主控指令的形成方式如下:

式中:Ps为压力设定值;Pt为机前压力;ULD为目标负荷。

在协调方式下，汽机主控指令的形成方式如下:

3.2 PID控制器变参数的应用

PID控制由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。但当控制对象存在较大的惯性、非线性、强干扰特性时，PID的控制效果不理想。由于循环流化床锅炉在动态特征上不同于煤粉炉，其燃烧室内流化层大热容量的热平衡特征随运行工况变化而变化，常规的控制策略控制困难。因此采用变参数PID、变结构控制，以保证在各个负荷点上控制效果。

3.3 前馈控制的应用

前馈控制是根据工况变化情况，提前进行预判断并做出相关动作的一种前向控制。前馈在时间上提前于反馈，因此在有效调整各负荷点PID参数的基础上，加入相应量的前馈控制，可以有效加快机组的动态响应过程，快速稳定机组的运行参数。只有在以前馈为主、PID为辅的协调控制的综合作用下，才能真正实现物料、功率的平衡，实现机组动态响应过程中相对的稳定理想工作点，使燃料、风、水、汽等物料和能量关系处于平衡点，从而使锅炉子系统的反馈调节器进入了小偏差调节状态。

前馈具体在指令中表现为锅炉主控中f(ULD) +df(ULD)/dt+df(Ps)/dt以及汽机主控中的f(Pt)。其中，锅炉主控中的f(ULD)为静态前馈。它来源于锅炉厂设计资料以及实际运行参数，形成稳定的前馈信号，作为前馈的基础指令，实际作用于燃料、风量、水量等各个子系统。同样，汽机主控中的f(Pt)可以在机前压力偏差过大时，通过汽机负荷控制，予以一定程度的负荷补偿。锅炉主控中df(ULD)/dt+df(Ps)/dt为动态前馈。当机组负荷或压力变化时，提前使燃料、风量做出相关动作，用于克服锅炉侧的燃烧滞后，而在稳态时不发生作用。

3.4 给水控制

循环流化床机组的给水控制中，其蒸汽过热器位于锅炉顶部的炉膛烟气出口处，减温水量的水流动阻力大。在给水调节时，不考虑给水压力，就可能造成减温水流量不足，主汽温度超温。由此，在循环流化床机组中增加了水量分配调节阀。减温水中间抽头位置在水量分配调节阀前，应用中将给水压力与汽包压力的偏差作为被调量，保证差值为2.0～3.0MPa。同时，水量分配调节阀为全关时，仍需保证300t/h左右的漏流量，确保锅炉不会断水。为了尽量减少对给水流量调节控制的影响，水量分配调节作用不能过强，只保证参数相对稳定即可。

4 存在的问题及解决办法

4.1 变参数曲线的确定

循环流化床机组对于燃料量的要求，在165MW至250MW负荷段时，基本维持线性关系，而在250MW负荷以上，呈现逐渐递减趋势，并且同样燃料量转化为热量所需的时间也大不相同。这就要求大量的实际测试与记录，力求在煤质不变的条件下，提出能够准确反映配煤比变化的实际运行曲线。

4.2 锅炉主控中动态前馈的应用

循环流化床机组的燃烧系统是一个大滞后非线性系统，动态前馈就显得尤为重要。它不但能够克服循环流化床机组大滞后的固有缺陷，而且能在一定程度上克服煤质变化带来的外界干扰。

4.3 负荷调整下限的整定

由于内蒙古省电力调度中心要求，AGC功能中负荷变化范围为50%～100%，并且，当负荷低于50%后，牵扯到给水泵停运过程，因此负荷变化低值只达到165MW。

5 结语

京海煤矸石发电有限责任公司凤凰岭电厂2× 330MW循环流化床机组协调控制系统通过对变参数的应用、前馈的应用与给水的解耦控制、煤质修正控制的成功应用，以及在运行实践中对相关逻辑的多次修改、完善和控制策略的优化，使得各项功能均得以成功实施和实现。据内蒙电网规定，循环流化床机组AGC投入时，变负荷速率不得低于机组额定负荷1%。经测试负荷变动速率3.5MW/min，负荷单次最大变动范围140MW，全过程主蒸汽压力波动幅值小于0.8MPa，瞬间最大温升率4.2，稳定变动期间温升率1.4，成功完成AGC试验。目前，168h试运移交生产已经半年，整套调节系统运行稳定，协调系统能够长期正常投运。

［1］昌树文，李明亮，曹兴伟，等.300MW循环流化床锅炉的应用［J］.云南电力技术，2006，34(2):43－46.

［2］何华庆.国产首台300MW循环流化床锅炉的调试和运行［J］.锅炉制造，2007，(2):5－7.

［3］聂立，王鹏，霍锁善，等.东方型300 MW循环流化床锅炉开发设计［J］.东方电气评论，2007，21(2):33－42.

［4］赵发家，董志乾，王家万，等.300MW循环流化床锅炉运行优化［J］.中国电力，2008，41(2):30－33.

［5］武建忠，党黎军，杨建华，等.300MW循环流化床空冷机组启动与调整［J］.锅炉技术，2008，39(6):42－45.

［6］李卫华，王玉山，宋兆星.大型循环流化床机组控制策略及其优化［J］.中国电力，2008，41(7):65－68.

［7］赵果然，姜孝国.中国大型循环流化床技术的发展［J］.锅炉制造，2009，(3):16－18.

［8］于英利，戴莹莹，赵勇纲，等.SG690/13.7M451型循环流化床锅炉的结构特点与启动调试［J］.锅炉技术，2009，40(4):44－48.

［9］赵志丹，郝德锋，黄晓华，等.300MW循环流化床空冷机组协调控制及其优化［J］.热力发电，2009，(7):83－87.

［10］黄湘，徐敏.白马电厂300MW循环流化床锅炉热控系统评述［J］.电力建设，2009，30(8):102－105.

［11］王万召，王红阁，谭文，等.智能解藕控制器在循环流化床锅炉燃烧系统中的应用［J］.动力工程，2009，29(8):757－760.

Characteristic analysis of collaborative control system of 330 MW CFB units and its application

The CFB units are different in the dynamic characteristic with the powdered coal stove，its bunker coal grain is larger，the combustion process is complex.The material in its combustion chamber bed has the quite big thermal lag and regeneration ability.So when the coal amount changed，the pressure of main stream changed correspondingly and the change is much bigger than the powdered coal boiler＇s delay and the inertia，which caused the Circulation Fluid Bed unit combustion process to realize the automatic coordination control difficulty.Taking the new construction 2×330MW CFB units control system of Jinghai gangue electricity generation limited liability company Fenghuanglin power plant as example，the characteristics of Circulation Fluid Bed unit＇s control system are elaborated from the following aaspects，the variable element application，the forward feed application，the main pressure and for the water decoupling control，the anthrax revision control and so on.The problems existed in the application are analyzed and its countermeasures are put forward.

CFB;330MW;coordinated;revision

TM621

B

1674－8069(2012)04－056－03

2012-04-20;

2012-06-19

郭涛(1974-)，男，江苏人，高级工程师，从事保护及自动控制系统的设计、研究及应用。E－mail:2002gtao@163.com