一种基于焓值的新型生物质能热电联产项目减温水调阀控制策略分析与实现

袁洪波 陈鹏 刘浩 党争明 王晓龙

【摘要】本文以中电京安生物质能热电联产项目为例，针对该项目减温水调阀控制自动无法正常投运情况，结合农林生物质振动炉排锅炉燃烧特点，采取了一种新型控制策略，较好的解决了生物质能热电联产项目一、二、三级减温水自动控制的问题。

关键词：生物质能热电联产  过热器汽温自动控制  新型控制策略

0. 引言

在热电联产机组中，过热器是锅炉供给汽轮机蒸汽的一个重要加热环节，过热器出口温度是机组运行需监控的几个最重要参数之一，主蒸汽温度过高或过低都会影响机组的安全经济运行，精确控制过热器出口温度，对单元机组的正常运行是必不可少的，适宜的控制策略和相应的参数整定是实现过热汽温控制的必要保障。

1. 中电京安生物质能热电联产项目减温水自动控制存在的问题

中电京安生物质能热电联产项目过热器和减温水系统结构如图1所示。

该项目过热器分四级，饱和蒸汽由锅筒上的8根饱和蒸汽连接管引入饱和蒸汽集箱，沿连接管进入一级过热器，从一级过热器出来后经过一级减温器减温后进入二级过热器，然后再经过二级减温器、三级过热器、三级减温器、四级过热器后进入主蒸汽管。一、二级过热器位于第三烟气回程，蒸汽与烟气逆向流动，管排为顺列布置，管排在烟道中垂直于前墙。三、四级过热器分别位于炉膛出口和第二烟气通道，蒸汽与烟气的流向为混流，管排沿烟气方向顺列布置，管排在烟道中垂直于前墙。过热器系统采用三级喷水减温。过热器设计主蒸汽温度为540℃。过热器在锅炉内布置如图2所示。

锅炉减温水自动控制系统采用三级减温串级调节的方式。一级减温水作为超前调节，二级减温水作为粗调，三级减温水细调主蒸汽温度。

在机组正常运行的时候，由于锅炉蓄热量较大，一级减温水调阀的开度一直在高开度无规律的变动，长时间处于70%的开度以上，有时全开时也不能将温度降下来;二级减温水调阀的开度长时间处于80%的开度以上，实际的运行中，我们发现当调门不断开大的时候，三级过热器出口温度仍有上升的趋势，有时全开的时候，温度也不能降下来，自动调节已失去作用;四級过热器布置位置的原因，三级减温水调阀在自动投入情况下运行情况相对较好，但主蒸汽调节品质仍是差强人意。

鉴于以上原因，本项目改造前，运行人员通过手动控制各级减温水调节阀来调节各级过热器出口温度，进而控制主蒸汽温度。

2.各级过热器减温水调阀自动控制策略优化

基于以上分析，利用传统的三级减温串级调节的方式已不能有效控制减温水调阀达到各级过热器出口温度调节的目的，必须另辟蹊径，采取非常规的控制策略调节减温水调阀。

经过长期观察发现，在炉排振动时炉膛温度升高，各级过热器受热加剧，过热器出口温度上升很快，在传统PID控制方式下各级调阀跟踪温度变化较慢，过热器出口温度得不到有效控制，各级过热器尤其是处于炉膛顶部的三级过热器经常会出现超温现象，而二级减温水调阀长时间开度较大时三级过热器出口温度又急剧下降，主蒸汽温度又出现温度太低的现象，不利于机组经济安全运行;

鉴于各级减温水调阀长时间大开度工况下过热器出口温度仍不下降的情况，首先考虑减温水量不足的问题，需要设置主给水到汽包电动调阀投自动控制，以满足主给水管道压力与减温器蒸汽压力压差大于0.9MPa，保证减温水顺利进入减温器。

结合过热器在炉膛内的布置情况，四级过热器进出口温差在各种工况下变化相对较小，对三级减温水调阀开度变化响应较快，故三级减温水调阀仍然采取串级PID控制，通过对PID参数整定、引入前馈等方法应能达到四级过热器温度控制的目的。

三级过热器由于安装于炉膛内部，受炉膛温度变化影响最为剧烈。通过分析可认定三级过热器出口温度变化量可近似表示为温度、压力和流量的函数：

通过拟合对三级过热器影响较大的几个参数，以利二级减温水调阀对各工况及时响应，达到三级过热器出口温度控制的目的。

二级过热器处于锅炉尾部烟道，炉膛温度变化对二级过热器出口温度影响不大，在减温水压力足够的情况下二级过热器温度变化对一减调阀响应及时，因此一减调阀可采取单PID控制，保障二级过热器出口温度不超标。

由于生物质能锅炉燃烧的不稳定性，导致炉膛温度变化剧烈，炉排振动后炉膛温度升高，各级过热器受热加剧，各级过热器出口温度升高;后炉膛温度逐渐降低，各过热器受热减少，各级过热器出口温度降低。因此考虑将后一级过热器出口温度作为前一级减温水调阀的前馈，把过热器作为整体考虑控制过热器出口温度。

3.过热器减温水调阀自动控制的实现

基于上述分析，三级过热器减温水调阀采用传统的串级PID调节，依据PID参数设置原则及经验对PID参数进行重新整定，整定效果较为理想。

二减调阀通过对蒸汽压力、温度和流量的拟合反应锅炉燃烧情况，以期对过热器温度变化做预判对二减调阀进行调节。

一减调阀采用单级PID调节，并采取三级过热器出口温度作为一减调阀的前馈，从整体上调节过热蒸汽温度。

4.过热器减温水调阀自动控制效果及效益

通过以上方式对减温水调阀进行自动控制后，过热器出口温度得到很好控制，减温水系统可长期投自动运行，极大减轻了运行人员劳动强度，减少了过热器温度超温对设备安全运行的影响。

该控制策略对农林生物质能振动炉排锅炉减温水系统控制具有极大的指导意义，具有较强的推广价值。

参考文献：

1.叶以沫.生物质锅炉自动化控制技术的应用与分析 BEER TECH  2013（08）

2.中电京安项目自动调试报告 山东电力建设第二工程公司调试所2017.09

3.关学忠，高杉，曾凡军 锅炉燃烧器模糊PID复合控制器的设计 自动化技术与应用 2003