火电机组制粉系统抗干扰性能的研究

周松国， 屈章龙， 韩 磊， 郭严昊

火电机组制粉系统抗干扰性能的研究

周松国， 屈章龙， 韩 磊， 郭严昊

（华电电力科学研究院 西安分院，陕西 西安 710054）

AGC深度调峰过程中，火电机组制粉系统产生的磨煤机启动、停运或跳闸等扰动工况，直接导致主汽压、主汽温等主参数的剧烈变化，严重影响了AGC的调节品质。为解决此问题，提出了燃料量超驰控制和一次风压自动修正的双重抗干扰型的控制策略。并应用在某350MW超临界机组的AGC深度调峰制粉系统控制中，运行结果表明此控制策略既能稳定扰动工况下燃料量，又能保持磨煤机平均出力与一次风压的动态匹配关系，同时可有效地克服制粉系统的扰动，保障机组主参数的稳定性能和AGC的调节品质。

AGC； 扰动； 超驰； 修正； 抗干扰； 匹配； 性能

0 引言

目前，大型火电机组为了满足电网AGC深度调峰的需要，电负荷在50%Pe-100%Pe范围内周期性地变动，制粉系统反复出现磨煤机启动、停运或者跳闸等扰动工况。期间一次风系统阻力和炉膛有效燃料量发生剧烈变化，主汽压力、主汽温度（过热度）等主要参数大幅波动的现象普遍存在，进而影响机组安全和AGC的调节品质。因常规的控制策略难以满足扰动工况的控制性能，为保证机组AGC调节品质，须制定制粉系统的更有效的控制策略（包括燃料控制系统和一次风压控制系统）。

1 制粉系统常规控制策略

1.1 制粉系统控制策略简介

直吹式火电机组制粉系统工艺流程如图1所示，包括两台一次风机（1、2）、多台给煤机(14、16)和磨煤机（15、17）及相应的测量元件和控制设备。

图1中的压力变送器（8、9、10）实时监测一次风母管压力，三路测量值经过MCS“三取中”运算后，形成一次风压自动控制系统（以下简称风压控制系统）被调量；风压控制系统执行单元为一次风机A/B入口挡板（4、5）。

每台给煤机就控制柜输出给煤量信号（18、19）至MCS，求和后得到机组总燃料量，其平均值即为磨煤机平均出力；磨煤机的电流信号（22、25）、磨煤机电机合闸信号（21、24）及磨煤机入口热风调节阀（6、7）的开度信号分别送至DAS及SCS，作为综合判断磨煤机运行状况的条件。

常规的制粉系统控制策略由两部分组成[1]，其一是燃料控制系统，是根据机组能量需求自动调整总燃料量；其二是风压控制系统，是保持与机组总燃料量匹配的一次风母管压力。下面结合AGC工况制粉系统的特点分析常规的控制策略存在的问题。

1.2 AGC下制粉系统的特征

为了满足电网二次调频的需要，AGC指令必然频繁出现大幅度的变化[1]，火电机组的制粉系统也将出现启磨、停磨或者磨跳闸工况，制粉系统常规的控制策略将表现出以下自然特征。

1.2.1 启磨工况

启磨过程中，制粉系统通道打开时将出现下述三种情况[2]：

（1）新启动的磨煤机磨碗中储存的煤粉被

迅速吹入炉膛，燃料测量系统无法监测和控制该部分燃料，炉膛的有效燃料量大幅增加。

（2）新启动的磨煤机建立新的一次风通道引起一次风压迅速下降，风压控制系统将自动增大风机的出力，进入炉膛的一次风总流量大幅增加。

（3）在炉膛有效燃料量和一次风总流量同

步增加双重作用下，锅炉燃烧率加剧，主汽压力及主汽温度（过热度）等主要参数快速上升。

1.2.2 停磨工况

停磨过程中，当粉通道切断时将出现下述四种情况：

（1）停运的磨煤机燃料量由最小值突降到0，燃料控制系统调节功能具有延时特性不能及时填补燃料缺口，炉膛有效燃料量快速下降。

图1 制粉系统工艺流程图

（2）运行磨煤机的平均出力增大，磨煤机入口一次风量的需求量增大。

（3）一次风压急剧上升，风压控制系统自动减小一次风机的出力，进入炉膛的一次风总流量大幅降低，同时磨煤机入口一次风量供给不足容易造成系统堵塞。

（4）在炉膛有效燃料量和一次风总流量同步减小双重作用下，锅炉燃烧率骤降，主汽压力及主汽温度（过热度）等主要参数快速下跌。

综上所述，扰动工况下常规的控制策略暴露出两方面的缺陷：其一，不能自动维持炉膛燃料量和一次风总流量的稳定；其二，一次风压指令不合理，不能保持磨煤机平均出力与一次风压的动态匹配关系，在高负荷形成能源浪费，而在低负荷容易造成制粉系统堵塞。

1.3 AGC下制粉系统控制策略优化

在制粉系统出现大的扰动情况下（下面简称扰动工况），为了保持机组主要参数的稳定，必须在两个方面进行严格控制：其一是保持机组总的燃料量稳定，其二是要保证进入炉膛燃烧率的稳定。针对上述问题，提出了一种抗干扰型的制粉系统控制策略，其核心是燃料超驰控制和一次风压自动修正功能[3]。

当逻辑监测到制粉系统发生扰动信号时，通过功能模块自动判断“启磨”或“停磨”工况，立即触发运算模块发出燃料调整指令，实现快速预给煤且缓慢恢复的调整功能，并引入燃料总量和主汽压力变化率两个校正因子，精确地控制燃料调整量，维持炉膛燃料总量的稳定[4]。

同时，在“启磨”和“停磨”工况下逻辑自动发出风压调整指令，校正总燃料指令对应的一次风压特性曲线，保持磨煤机平均出力与一次风母管压力的动态匹配关系，维持进入炉膛的总一次风量的稳定，进而稳定炉膛的燃烧率，并且能够避免制粉控制系统出现堵塞和高阻力运行工况。

2 制粉系统抗干扰型控制策略

控制策略框图如图2所示，包括：两台一次风机、多台给煤机、多台磨煤机、燃料调整单元和风压调整单元，包含燃料量超驰控制和一次风压自动修正控制两部分。

控制策略DCS逻辑内容如图3所示，由开关量计算器、加法器、一阶惯性环节、常数、模拟量切换器、函数发生器、乘法器、高值选择器、低值选择器、模拟量选择器、速率计算器、偏置手操器、PID调节器及手/自动切换控制站等功能块组成。下面结合图2、图3对控制策略的具体功能进行分析。

2.1 燃料量超驰控制

燃料量超驰控制由计数模块（70）、判断模块（71）、运算模块（72）、燃料测量模块（74）、主汽压力变化率（73）、燃料校正模块（75）及燃料输出模块（76）组成，用于调整扰动工况下进入炉膛（26）的燃料量。

2.1.1 计数模块

计数模块（70）用于储存磨煤机运行数量，由磨煤机入口热风调节阀开度、磨煤机电气开关信号及磨煤机电流信号、开关量计数器和加法器组成。

以A磨煤机为例，当A磨煤机入口热风调节阀开度、A磨煤机电流值、A磨煤机电气开关三者状态与A磨煤机实际运行情况完全吻合时，即判定“A磨煤机运行信号”有效。所有磨煤机运行信号经过开关量计数器（31、32）实现D/A转换，并经加法器（33）求和，计算出磨煤机运行数量。计算结果连接到燃料调整单元和风压调整单元。

2.1.2 判断模块

判断模块（71）用于根据计数模块（70）的输出结果，监测磨煤机运行状态，并判断“启磨”或“停磨”工况。

计数模块（70）的输出信号经过一阶惯性环节（34）和减法器（35）运算，构成特殊的微分环节。当微分量（35）输出负值，经过低值选择器（37）逻辑运算得出“停磨”信号；当微分量（35）输出正值，经过高值选择器（38）逻辑运算得出“启磨”信号。常数块36设为0。

2.1.3 运算模块

运算模块（72）用于根据判断模块（71）的输出，分别计算出“启磨”和“停磨”工况的燃料超驰量。

对模拟量切换器（41）和模拟量切换器（43）设置不同的切换速率，能够实现快速预给煤并缓慢恢复的功能。“启磨”工况下总燃料调整量为-8t/h，速率为1t/h.s-1；“停磨”工况下总燃料调整量为10t/h，速率为1.5t/h.s-1。两种工况下燃料调整量均维持一定时间直到“启磨”或者“停磨”信号消失，之后按照0.01t/h.s-1的速率恢复至零。常数块39/40/42分别设为0/-8/10。

2.1.4 燃料测量模块

燃料测量模块（74）用于多台给煤机煤量测量并计算燃料总量，运算结果连接到函数发生器（44）的输入端,作为燃料校正模块（75）的校正因子之一。

2.1.5 燃料校正模块

燃料校正模块（75）用于精确控制进入炉膛的燃料量。

由函数发生器（44）输出燃料修正曲线，实现锅炉热负荷自动校正燃料调整量的功能，保证扰动工况下燃料超驰量的合理性；主汽压力变化率经过计算块（45）和函数发生器（46）运算后输出主汽压力校正系数，用于校准“启磨”和“停磨”工况下燃料调整量与实际需求量的偏差，精确控制机组能量平衡。

经过燃料量和主汽压力二次校正后，乘法器（48）输出最终的燃料校正系数。

2.1.6 燃料输出模块

燃料输出模块（76），用于接收燃料校正模块（75）的信号，叠加机组负荷对应的燃料指令，完成多台给煤机指令分配任务。

2.2 一次风压自动修正控制

一次风压自动修正控制由风压校正模块（80）、总燃料指令（81）、指令模块（82）、风压测量模块（83）、调整模块（84）及风压输出模块（85）组成，用于保持磨煤机平均出力与一次风母管压力的动态匹配关系。

2.2.1 一次风压校正模块

风压校正模块（80）用于快速调整“启磨”及“停磨”工况一次风压，保持磨煤机平均出力与一次风压的动态匹配关系。

偏置手操器（51）用于手动调整一次风压设定值；一阶惯性环节（54）用于风压设定值平滑处理；函数发生器（55）为一次风压校正模块的核心，其函数关系见表1。

表1 一次风压校正模块函数

由表1可以确定，“启磨”及“停磨”工况下一次风压设定值将自动降低或升高，解决了常规控制策略中磨煤机平均出力与磨煤机入口一次风量不匹配的问题。

2.2.2 指令模块

指令模块（82）根据风压校正模块输出和总燃料指令对应的一次风压特性曲线，形成最终的风压控制指令。

一阶惯性环节（52）接收总燃料指令进行平滑处理，输出值连接到函数发生器（53），形成总燃料指令对应的一次风压特性曲线，构成一次风压指令理论曲线，与风压校正模块输出值叠加形成最终的一次风压控制指令。表2为一次风压指令理论曲线，表3和表4分别为“启磨”和“停磨”工况一次风压指令修正曲线。

2.2.3 风压测量模块

风压测量模块（83）用于一次风母管压力信号测量及处理，由一次风母管压力变送器、风压测量通道、模拟量选择器和一阶惯性环节组成。

风压测量通道接收三路一次风母管压力信号，经过逻辑运算后连接到模拟量选择器（49），进行“三取中”逻辑运算。

表2 一次风压指令理论曲线

一阶惯性环节（50）将小幅波动的一次风压力转换成平稳可调节的信号，运算结果连接到PID调节器（57）的输入端。

2.2.4 调整模块

调整模块（84），对应于SAMA图中的PID调节器（57），用于根据指令模块（82）和风压测量模块（83）的输出值自动调节一次风母管压力，具有比例和积分功能。

2.2.5 风压输出模块

风压输出模块（85），对应于SAMA图中的手/自动控制站（58），用于平衡两台一次风机出力，根据两台一次风机电流的偏差自动调整A、B侧一次风母管压力调节阀的偏置，防止单侧一次风机出力受阻，出现“抢风”现象。

3 制粉系统抗干扰性能的应用

上述控制策略应用于某火力发电企业2×350 MW超临界机组，经过多次变负荷及磨煤机“启动”和“停运”工况的反复试验，最终获得了良好的应用效果。

3.1 一次风压自动修正效果

一次风压自动校正功能如图4和图5所示。

由图4和图5可以看出，该控制策略能够保证在“启磨”时快速降低一次风压，而在“停磨”时快速提升提升一次风压，如此既降低了热负荷高位运行时的一次风管道阻力，又提高了热负荷低位运行时的一次风携粉能力，避免制粉系统堵塞。

表3 启磨工况一次风压指令修正曲线

表4 停磨工况一次风压指令修正曲线

图4 升负荷过程一次风压指令效果图

图5 降负荷过程一次风压指令效果图

3.2 制粉系统抗干扰的效果

图6 启磨过程机组主要参数变化曲线

图7 停磨过程机组主要参数变化曲线

制粉系统抗干扰性能如图6和图7所示，图中分别截取了机组“启磨”（升负荷阶段）工况和“停磨”（降负荷）工况下机组主要参数的历史曲线，时长30分钟。两种工况下各参数控制指标见表5和表6。

通过图6、图7曲线及表5、表6的数据可以确认，在“启磨”和“停磨”工况下机组各主要参数控制指标均达到《火力发电厂自动发电控制性能测试验收规程》（DL/T 1210-2013）优秀水平。

表5 启磨工况主要参数统计

表6 停磨工况机组主要参数统计

3.3 控制策略的特点分析

综上所述，该控制策略具有下述几个特点：

3.3.1 准确性

策略中的“磨煤机运行”信号是由磨煤机电流值、磨煤机入口热风调节阀开度以及磨煤机电气开关闭合接点综合判断的结果，可有效地排除磨煤机检修状态下的虚假信号，并利用特殊的微分回路准确判断“启磨”或者“停磨”工况。

3.3.2 合理性

策略中对燃料超驰量调节速率进行了双向变速处理，同时保证了扰动工况初期响应的快速性和中后期恢复过程的稳定性。

3.3.3 精确性

策略中引入机组燃料总量和主汽压力变化率两个校正因子，能够准确地控制扰动工况下机组的燃料量，保障机组的能量平衡。

3.3.4 快速性

扰动工况下运用燃料超驰和一次风压修正双重功能，既保持磨煤机平均出力与磨入口一次风量的动态平衡关系，又维持了进入炉膛的燃料量、一次风总量、锅炉燃烧率及机组主要参数的稳定性能。

4 结语

文中提出的控制策略充分地考虑到制粉系统扰动工况下的自然特性[5]，运用燃料超驰控制和一次风压自动修正控制双重功能，充分利用控制策略的准确性、合理性、精确性及快速性的特点，有效地消除了制粉系统的扰动，保障了机组主要参数的稳定及AGC调节品质[6]，通过工程实例充分验证了本控制策略的抗干扰性能，具有一定的推广意义。

（华电集团2016年科研项目《火电机组低氮燃烧器NOx排放指标与蒸汽温度自动平衡控制技术的研究》，编号：CHECKJ16-03-75）

[1]李铭，韩海峰，杨红彦，等.火电厂锅炉一次风机的一次风压自动寻优系统及方法[P].中国：发明专利CN104456614 A.2015-03-25.

[2]王月兰，唐义军，马增益，等.一种一次风压力自适应控制方法[P].中国：发明专利CN104646167 A.2015-03-27.

[3]魏同生，黄香彬，张玉胜，等.一种一次风压目标值智能控制系统及方法[P].中国：发明专利CN104848250A.2015-08-19.

[4]周策，杜艳生，丁满堂，等.具有失速保护功能的发电机组一次风压控制系统[P].中国：发明专利CN204717732 U.2015-10-21.

[5]李泉，朱北恒，尹峰，等.火电机组协调控制系统优化研究[J].热力发电,2012,40（6）:52-56.

[6]张锐锋，潘华，李小军，等.制粉系统动态特性对协调控制系统的影响[J].热力发电,2015,（07）:78-82.

Study on Anti-interference Performance of Pulverizing System in Thermal Power Plant

ZHOU Song-guo， QU Zhang-long， HAN Lei， GUO Yan-hao

（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710054，China）

Depth of AGC load process，the coal mill pulverizing system for thermal power unit startup and shutdown or tripping disturbance conditions，such as led directly to the main steam pressure and main steam temperature of the main parameters,such as severe changes,seriously affected the quality of AGC regulation.To solve this problem,this paper puts forward the fuel quantity to override control and a wind pressure automatic correction of double anti-interference control strategy.And apply in depth of AGC load of a 350 mw supercritical unit of the coal pulverizing system control，operation results show that the control strategy can not only steady disturbance conditions of fuel quantity，and can keep the average output of wind pressure with a mill dynamic matching relation，at the same time,which can effectively overcome the disturbance of the coal pulverizing system,ensure the steady performance of main parameter and the AGC control quality.

AGC； Disturbed； override； correction； anti-interference； matching； performance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.002

TM621

B

2095-3429（2017）04-0006-07

周松国（1973-），男，湖南衡阳人，本科，高级工程师，长期从事火电机组自动控制领域的研究工作。

2017-06-01

修回日期：2017-06-27