基于DEB的循环流化床机组协调控制系统优化

贺建军，任素龙，王晓娇，齐　鸣

(1.河北建投任丘热电有限责任公司，河北 　沧州　062550；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄　050021；3.河北兴泰发电有限责任公司，河北　邢台　054102)



基于DEB的循环流化床机组协调控制系统优化

贺建军1，任素龙2，王晓娇3，齐鸣3

(1.河北建投任丘热电有限责任公司，河北 沧州062550；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021；3.河北兴泰发电有限责任公司，河北邢台054102)

摘要：针对大型循环流化床(CFB)机组的锅炉各参数之间具有强耦合、非线性、大迟延特点,导致各主要的自动控制系统很难投入自动的问题，提出了基于直接能量平衡(DEB)的协调控制系统，介绍现场对协调控制系统的调试和参数优化设计，结果证明该系统提高了协调控制调节品质,取得了良好的应用效果,对CFB机组的协调控制具有一定的借鉴作用。

关键词：循环流化床；协调控制系统；直接能量平衡；参数优化

随着循环流化床(CFB)技术的成熟，循环硫化床机组在国内实现了广泛的应用，但是循环流化床机组自动控制能力较差，大部分CFB机组协调控制很难正常投入，基本都是靠运行人员手动调节。为了解决CFB机组具有强耦合性、非线性、大迟延等问题，提高CFB机组协调控制的能力,对开滦古冶煤矸石坑口电厂(简称“古冶电厂”)CFB机组的协调控制进行了深入研究，并提出基于直接能量平衡的协调控制方案。通过对CFB锅炉和汽包动态特性的分析，利用锅炉主控的动态加速前馈、一次风超前调节以克服流化床锅炉的燃烧惯性，保证变负荷初期滑压段主蒸汽压力快速跟随和机组负荷响应速度，通过给煤量与一次风量的错时调节，保证合理的一、二次风量配比，维持流化床锅炉床温长期稳定。

1机组概述

古冶电厂2台300 MW机组为亚临界空冷循环流化床机组，锅炉为DG1100/17.5-Ⅱ2型循环流化床锅炉，汽轮机为C250/N300-16.7/538/538型汽轮机：亚临界、单轴、双缸双排汽、一次中间再热、直接空冷、供热凝汽式汽轮机。DCS系统采用艾默生分散控制系统，机组运行方式有：汽轮机跟随、锅炉跟随、协调控制和基本方式。目前，最常用的是协调控制方式，它是对机组运行中各主要参数进行协调控制，保持机组内部参数在额定范围内，实现在维持机组内部物质与能量平衡的前提下，快速响应机组对电网负荷的要求，是机组协调控制水平的主要标志。

2循环流化床机组特性试验

CFB机组具有多参数、非线性、大迟延、时变性和多变量强耦合的特点，其机理还未被充分掌握，常规的自动控制策略很难达到理想的控制效果。为了提高古冶电厂3号机组的协调控制系统的调节品质，必须了解机组的特性。在不同的负荷段进行了给煤量、一次风量和汽机调门的特性试验，对大量试验数据进行了分析，掌握了CFB机组的特性，为控制策略的制定奠定基础。

2.1给煤量对机组的特性试验

CFB锅炉的燃烧过程是一个很复杂的过程：燃料通过给煤系统送入流化床上，经过加热、干燥、颗粒膨胀、热解和挥发分燃烧，再经过旋风分离器和返料装置不断送回炉膛燃烧，煤粒完全燃尽需要10多min，比普通煤粉炉的煤粉燃烧过程长很多，造成锅炉燃烧过程滞后时间非常长，再加上燃烧室内的床料具有非常大的热惯性和蓄热能力，造成了给煤量变化后，需要很长的一段时间才能对主蒸汽压力产生影响。从给煤量阶跃扰动试验中得知，当给煤量增加20 t时，主蒸汽压力需要经过大约10 min的纯延时才开始上升，达到稳态需要至少20 min的时间。试验曲线见图1所示。

图1　给煤量阶跃扰动试验曲线

2.2一次风量对机组的特性试验

CFB锅炉是一个多变量紧密耦合的被控对象，给煤量和一次风量对主蒸汽压力存在较强的耦合关系，两者的动态特性有很大的差别，一次风量对主蒸汽压力的影响更快更直接，利用这一特性可以提高机组的响应速度。并且一次风对床温的影响也非常的强，充分利用对一次风的调节，可以有助于对床温的控制。在给煤量保持不变的情况下，进行一次风量阶跃试验。从试验曲线可以得知：一次风量阶跃增大30 t时，主蒸汽压力在1 min后就开始上升，6 min后达到最大值，维持3 min后开始下降，这一过程说明完全可以利用一次风的特性来克服给煤纯滞后的问题。流化床下部密相区的床温随着一次风量的增大而降低，而流化床上部稀相区的温度则随着一次风量的增大而增高。

2.3汽轮机调门开度特性试验

机组锅炉主控和汽轮机主控切手动，维持一次风量和给煤量不变，机组稳定后，阶跃开大调门5%的开度，调门开度增大，调速级压力增大，机组实际功率上升，由于给煤量没有变，机组功率上升后最终会下降到原来的功率。同样的方法反复做调门开度试验，通过试验不断优化调整热量信号中的蓄热系数和相关的时间常数，使其在动态过程中保持热量信号不变。试验曲线见图2所示。

图2　调门开度阶跃扰动试验曲线

3DEB协调控制策略分析及优化

3.1DEB协调控制策略分析

DEB协调控制系统是一种以锅炉系统为基础的炉跟机(CCBF)式控制系统，该控制方式可对负荷要求做出快速响应，能够最大程度的提高AGC考核指标，它与一般CCBF方式不同的是通过满足热量信号和能量信号的平衡，来实现机组负荷和主蒸汽压力的解耦控制，即把一个双输入双输出的多变量系统化解为一个以能量控制为内环，以负荷控制为外环的双回路串级控制系统。

DEB协调控制采用汽轮机调速级压力(P1)与汽轮机主汽门前压力(Pt)之比乘以机前压力设定值(Ps)作为汽轮机对锅炉的能量需求信号，即(P1/Pt)×Ps，用该信号来控制锅炉的燃料量；采用锅炉汽包的热量信号(P1+C*(dPd/dt))作为燃料的反馈信号。对锅炉热量信号进行适当的调整，可以使锅炉热量信号在调门开度的扰动下，P1的正微分面积与dPd/dt负微分面积基本相等，使(P1+dPd/dt)在调门开度的扰动下基本不变，而仅反映燃料的变化。直接能量平衡系统就是利用P1*Ps/Pt仅反映汽轮机对锅炉能量需求的特点和(P1+dPd/dt)仅反映燃料变化的特点，实现机组负荷对燃料的需求，保证汽机和锅炉总能保持能量供需平衡，以提高协调控制系统的稳定性和调节品质。

3.2DEB协调控制优化

DEB协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入热量信号进行控制的协调控制系统，该系统在任何工况下均能保证汽轮机能量需求与锅炉热量的输入相平衡。为了克服CFB锅炉大迟延、强耦合的问题，提出基于直接能量平衡的协调控制策略。

3.2.1锅炉主控控制回路优化

锅炉主控根据汽轮机能量需求信号与锅炉输入热量信号的偏差生成锅炉主控指令(LDC_B)，锅炉主控指令通过改变燃料量来实现汽轮机能量需求与锅炉热量输入的平衡，保证了主蒸汽压力的稳定。静态过程中，主蒸汽压力靠PID调节实现主蒸汽压力的稳定；动态过程中控制品质主要依靠各种前馈控制：机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈(LSff)、机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈(LDff)、压力设定值对锅炉燃料的动态前馈(PDff)、PID变参数控制等。

各个主要参数都需要在调试过程中，经过大量的试验来确定。在DEB协调控制系统中，汽包蓄热系数对系统的控制品质影响较大。蓄热系数设置过小会低估锅炉汽包的蓄热能力，容易产生燃料量的过调。如果蓄热系数设置较大，超出了锅炉的实际蓄热能力，则主蒸汽压力会收敛的较慢，影响主蒸汽压力的调节品质。因此，在直接能量平衡协调控制系统的调试和整定过程中，必须精确的确定蓄热系数。

3.2.2燃料主控控制回路优化

燃料量控制系统的任务将锅炉主控指令转换为给煤量指令。根据风煤比限制来确定燃料量，锅炉主控计算出的燃料量与总风量折算出的燃料量进行比较来确定燃料主控的设定值，既保证了总风量不低于燃料量，又加快了燃料控制系统的响应速度。为了克服循环流化床锅炉的大迟延特性，燃料主控调节器根据给煤机自动投入台数(N_feeders)自动进行PID参数调整，加快燃料量对负荷变化的响应；为补偿煤质发热量的变化，用热值校正系数(CVC_c)对燃料主控调节器的PID参数(BC_p、BC_i)进行自动调整：煤质较好时，自动降低燃料主控PID调节器的调节作用，给煤机指令信号的变化就会相应的减小；煤质较差时，自动将燃料主控PID调节器的调节作用增强，给煤机指令信号的变化就会相应的增强，加快燃烧控制系统的响应。

3.2.3一次风量控制优化

一次风风量控制的任务是保证锅炉的燃烧和流化用风。一次风量和二次风量通过煤量-一次风量函数、煤量-总风量函数形成各自的风量指令，总风量指令与30%最小风量取大后形成最终的总风量指令，一次风量和二次风量按照锅炉说明4∶5的比例进行配比，运行人员可以根据机组情况自行调节。锅炉燃料指令经过折线函数得到一次风量的理论值再乘以氧量修正得到一次风量的设定值。一次风量比燃煤量对床温的影响要快，利用这一特性可以克服循环流化床锅炉的燃烧惯性。在一次风量指令回路中增加了锅炉主控对一次风量的动态前馈，当机组负荷指令增加时，一次风量超前变化，原来位于床层中被灰包围的碳颗粒被一次风吹出，这些碳颗粒在过渡区和稀相区迅速燃烧释放出热量，传热系数迅速增加，尾部烟道对流受热面吸热量增加，再加上一次风的增加使得密相区内的氧气浓度瞬间升高，燃烧速率快速增加，这些都会使锅炉蓄热快速释放，避免升负荷初期的主蒸汽压力下降过多。在变负荷中后期随着进入炉内燃料量能量的释放，维持着机炉间最终的能量平衡，确保了整个变负荷过程中主蒸汽压力和机组负荷的跟随品质。

4应用情况及效果

3号机组协调控制系统引入直接能量平衡控制策略后，经过多次扰动试验，对直接能量平衡协调控制系统进行了全面的优化工作，确定了直接能量协调控制系统最终的PID调节参数和相关的折线函数。在对直接能量平衡协调控制系统参数整定过程中，发现锅炉热量信号中本文责任编辑：齐胜涛

蓄热系数C对协调控制的调节品质影响很大，通过试验方法求得的蓄热系数还需要进行进一步的整定，经过在不同负荷段的调整，确定了蓄热系数C=6.56。3号机组直接能量平衡协调控制系统进行了变负荷试验：将负荷变化率设定为6 MW/min，压力变化率设定为0.15 MPa/min，负荷由200 MW升到250 MW，再由250 MW升到300 MW，负荷最大动态偏差±1 MW，最大静态偏差±0.5 MW，主蒸汽压力最大动态偏差±0.45 MPa，静态最大偏差±0.2 MPa。3号机组变负荷试验过程见图3。

图3　直接能量平衡协调控制变负荷试验曲线

5结束语

直接能量平衡法以及各种控制策略在循环流化床机组协调控制系统中的应用，克服了循环流化床机组大迟延，大惯性的问题，提高了循环流化床机组在各种工况下主蒸汽压力的调节品质，优化了协调控制系统的调节品质。机组的负荷响应时间和升降速率超过了中调对AGC的考核指标，为其他同类型机组的协调控制提供了借鉴。

参考文献：

[1]朱北恒．火电厂热工自动化系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2003.

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[4]支保峰．直接能量平衡协调控制系统特性分析[J]．电力科学与工程，2007，23(4):16-18.

本文责任编辑：丁力

CCS Optimization of 300 MW Circulating Fluidized Bed Unit Basde on DEB

He Jianjun1,Ren Sulong2,Wang Xiaojiao3,Qi Ming3

(1.HVIG Renqiu Power Generation Company Limited,Cangzhou 062550,China;2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China;3.Hebei Xingtai Electric Power Co., Ltd.,Xingtai 054102,China)

Abstract：Because of the difficulties in the large CFB power units, such as large amount of heat storage, multi-variable coupling, non-linear and time-lagged, the main automatic control system is difficult to input automatically, thus affecting the normal input of the coordinated control of the unit. Based upon a series of tests for the power unit, the control system is debugged and the parameters are optimized, the solution of directly applying energy balance strategy in coordinated control of the unit is proposed, and the quality of coordinated control system was enhanced. The result of practical application indicates that the scheme provides excellent effects, taking great reference for the coordinated control systems in future.

Key words:CFB; CCS; DEB; optimization of parameters

中图分类号：TM311

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2016)01-0034-03

作者简介：贺建军(1973-),男， 工程师， 主要从事电厂技术管理的工作。

收稿日期：2015-06-26