《自动化博览》

    摘要：针对超超临界燃煤机组协调控制系统(CCS)的几个关键技术问题进行分析，着重解决机快炉慢及煤质变化对机组响应的问题。打破常规，具体问题具体分析，强调在不同的负荷段，区分升降负荷两种变负荷的情况下，强化变负荷的前馈作用、强调风、水、煤的整体调节作用，加快锅炉的响应能力。在煤质变化的过程中同步修正经验曲线，分工合作强调锅炉主控主汽压力调节器的修正作用，避免因人为因素造成参数整定的不合理导致在高负荷段的主汽压力波动的情况发生。适应中国电网对机组的考核要求，不以牺牲负荷调节幅度、速率及响应时间为代价，确保机组安全的前提下，满足电网的需求。

    关键词：机快炉慢；煤质变化；锅炉加速

    目前，很多煤商为了追求经济利益，导致我国发电用煤的煤质变化很大，不仅不能按照设计煤种用煤，有烟煤无烟煤混烧，甚至到了有煤就不错的地步。而我国电网对上网机组的考核指标是电网负荷的响应幅度与速率和一次调频能力，因而机组协调控制方式主要采用以锅炉跟随为基础的协调控制，即锅炉控制机前压力，汽机通过调门控制机组的负荷。现在随着电力技术的发展，我国为了节能减排，以大代小，大量建设了超超临界的直流锅炉。超超临界机组都采用直吹式制粉系统，直吹式制粉系统比中储式要慢很多。直流锅炉由于没有汽包，在热态时需要维持一定的过热度，这样就存在过热度与主汽压力相互耦合的问题，具体体现在水与煤的相互耦合问题。理论分析及试验都证明水与煤的耦合导致锅炉汽压响应缓慢，主汽压差超标，最终的表象为“机快炉慢”，整个机组既不能满足电网负荷的控制精度要求，又不能保证机组锅炉的安全性，危及到发电机组的安全运行。

    如何加快锅炉的响应能力尤其在煤质变化的情况下自动适应锅炉的响应能力，满足电网要求的课题一直摆在热控人员面前。为此笔者在超超临界燃煤机组协调控制系统就几个关键技术问题进行分析，运用类比分析、试验验证，采用了一些新的技术，合理有效地解决了锅炉响应缓慢，特别是煤质变化的难题，取得了不错的效果。下面就从几个方面来逐一剖析问题所在及处理手段。

    1 锅炉主控的构成

    目前锅炉控的设计方案各家不尽相同，总体来讲笔者认为还是以负荷定煤量、以煤量定水量、以煤量定风量为最佳，水煤比修正合理解决水煤失调易行。

    对于超超临界直流锅炉来讲，整个协调的好坏直接原因就是锅炉的原因。合理构建锅炉指令至关重要，它直接决定了整个锅炉响应的快慢进而决定了协调的好坏。

    从机组变负荷的整个过程来分析，在升负荷的起始阶段汽机为了响应机组负荷的响应开大调门，锅炉首先释放其自身的蓄热，机组在滑压段压力给定值不断提高，调门开启后主汽压力开始下降，随着锅炉蓄热的释放完结，负荷的不断提高，锅炉水煤随负荷的增加尚未产生压力的明显提升，随着调门的不断开启，压力给定值与实际压力的偏差在不断拉大，调门的开大就变得无济于事，负荷的偏差就随着主汽压力偏差的拉大而加大，最终导致压力、负荷超差，反之在降负荷的过程中亦然。

    超临界直流直吹锅炉发展到今天，采用间接能量平衡构建锅炉主控指令已经达成共识，锅炉主控的构成采用并行双前馈，具体地讲就是静态前馈和动态前馈。动态前馈和静态前馈的提速无疑就是加快锅炉响应能力的具体手段和办法。
     
                     
                                         图1 锅炉主控  

   1.1 静态前馈的提速

   从现在来看无论是亚临界机组还是流化床机组、超临界机组、超超临界机组都是“机快炉慢”，特别是直吹式制粉系统，具体体现在主汽压力的控制上。为了解决这个矛盾对锅炉指令中的机组负荷指令进行修改，从时间上解决锅炉响应的滞后问题。静态前馈的构成：传统意义上的静态前馈是汽机的负荷指令通过折线函数对应一定的煤量而形成的。这样就只能与变负荷同步进行锅炉动作，因而锅炉总是慢汽机一步。为了达到在锅炉侧先行一步的目的，真正形成前馈，重新构建锅炉的静态前馈，用目标负荷通过对当前变负荷速率根据升降负荷不同的工况进行放大处理，达到先于负荷动作的目的，克服锅炉的迟延与滞后。

   1.2 动态前馈的提速与量值的修正

    过去很多对于负荷动态前馈的处理方法都是采用负荷指令的微分来构建，该种方法在亚临界中储式汽包路中可以勉强运用，但在超临界直吹直流炉中缺点非常明显。例如不能够在AGC方式下满足各种负荷变动幅度的需求，不能达到真正意义上的前馈的目的，不能有效地解决锅炉滞后的目的。

    为此笔者采用了与目标负荷相关联再经过细化量化构成负荷的动态前馈，形成真正意义上的负荷动态前馈，确保AGC各种工况的需求，满足各种指标。

   1.3 主汽压力指令的构成

   一般机组主控主汽压力指令是负荷指令折线函数形成定-滑-定的主汽压力的给定值，然后经过运行人员设定的速率限制形成主汽压力指令。

   针对惯性环节较大的锅炉，则是在锅炉主控主汽压力调节器的设定值上增加三节惯性环节而形成的。
    
                
                        图3 给煤指令与给煤流量的关系   
  
                 
                      图4 小机指令与给水流量的关系

   1.4 锅炉主控压力控制器变参数的构成

   超超临界直流锅炉存在着多非线性多耦合的锅炉，这一点从笔者试验中取得的煤水线性关系来看很明显。图3 给煤指令与给煤流量的关系图4 小机指令与给水流量的关系

   这两幅曲线是在协调从600MW到400MW变负荷的情况下取到的实际数值曲线，从上面不难看到，当煤的流量呈线性变化，给水的变化则表现出强烈的非线性变化。由于直流锅炉是“水调压煤调温”，而在不同负荷段表现出的给水的非线性变化对主汽压力的影响是很明显的，且不利于锅炉的安全稳定。所以主控压力控制器的PID变参数是控制主汽压力行之有效的办法，对于在不同的负荷段不同的主汽压力偏差超过一定的范围，弱化积分作用强化比例与微分，能有效调节主汽压力，避免主汽压力的震荡和过调。
     
                  
                        图5 锅炉主控压力调节器变参数  

   3 水、煤协调

   3.1 水、煤时间上的匹配

   锅炉控制的关健取决于风、水、煤的控制，尤其是煤与水的控制。

   从上面的分析中不难看出，困扰协调控制的主要难题就是“机快炉慢”，对中间点温度的影响来说是“水快煤慢”、 而对主汽压力的影响来说是“水快煤慢”。如何让锅炉安全地快起来，如何在煤质变化同时依然保证合适的过热度的情况下快起来，是整个控制的重中之重。

   由于直流锅炉没有汽包，锅炉的蓄热量较小，制粉系统采用的是直吹式，煤从原煤斗下来经过给煤机送到磨煤机中。磨煤机制出粉后热一次风送到炉膛发生物理化学反映，释放出热量后再经过水冷壁被水汽吸收，直接表象为汽压的变化，煤对汽温作用是与汽压同向的。对于水来讲则是给水流量变化经过水汽的传导对汽压的变化迅速，而水对汽温的调节则恰恰相反。

   水、煤对压力与温度的影响，造成相互耦合，为此在给水的指令回路中加入多节惯性环节，让水的动作始终滞后于煤的动作，也就是说让煤先动，确保过热度与主汽压力在时间上的匹配。与此同时，强调风、水、煤在锅炉指令的统一指挥下同步动作，从而达到锅炉快起来的设想。既保证氧量、过热度、主汽压力又满足电网的负荷需求，比较理想地解决了给煤与给水的耦合问题。
  
                    
                          图6 分离器入口过热度控制

    3.2 水、煤数量上的匹配

    由于水的控制方案采用的是锅炉指令通过函数对应水的指令，也就是说水相对稳定，可变量主要还是煤的变化。

   一般来讲“水调压、煤调温”，这就是说温度欠缺了主要还是由于煤的不足，所以要继续调整煤的量。

   但是在极端的情况下单纯的调节煤量不能快速有效地调整好变煤质的问题，为了在煤质变化频繁剧烈的情况下，保持过热度的稳定就要水煤同时联调。在煤质好的情况下，过热度上升，加水减煤；在煤质差的情况下，过热度降低，这时就要减水加煤进行调节。

   因为煤质变化，水煤联调稳定过热度而导致主汽压力的变化，水煤比发生变化，对应的锅炉主控适时改变调整，这时锅炉主汽压力调节器则调整修正把握主汽的压力调节品质，锅炉调节器以煤带水的给水量经过三节惯性环节抵消过热度调节器的给水流量维持给水流量的相对稳定，主汽压力得以稳定。

   4 磨煤机蓄粉的利用

   在磨膛中可以存留一定的蓄粉，锅炉负荷指令的增减，指挥磨煤机热风的开大关小，改变磨膛蓄粉的变化，减小制粉系统的制粉迟延，改善锅炉热负荷的响应能力也是提高锅炉响应能力的一个关键。锅炉开始加负荷时，磨煤机热风调整门的前馈信号增大，开启热风调整门，吹出磨煤机内剩粉，直接增大了进入炉膛的煤粉量，有效地降低了制粉系统的制粉迟延。锅炉减负荷的过程与此相似。

   因此对制粉系统给煤自动，磨热冷风门自动应尽可能多地投入，随着负荷的提高适时加大自动投入，满足机组的需求，尽可能减少人为干预。

   5 结语

    通过大量试验与分析，借鉴了各种炉型，特别是循环流化床煤质变化的协调控制机理，超超临界直流锅炉煤质变化的问题得以解决。

    在此特别强调的是本课题的研究是在BF协调控制的基础上，依据国家颁布的试验规范进行，不以牺牲负荷的变动幅度和变动速率为前提条件，没有任何的压力拉回和负荷指令的延迟。测试的结果和AGC正常运行参数证明是行之有效的。

    现场测试中发现磨煤机热、冷风门的质量存在比较大的问题，热风门漏风的情况比较严重，这样相对冷风门表现出力不足的情况，她严重制约了锅炉的响应能力和锅炉的安全性。

    重视大小汽轮机阀门流量特性的测试整定，二者直接关系到负荷、主汽压力的控制精度。目前汽轮机阀门流量特性测试与整定开展得比较普遍，收到的效果也很明显。据网上查询，目前对于直流锅炉小汽轮机给水泵的流量特性整定的工作做的很少，但这个问题应该得到重视，并且是可以解决的。

   杨军统（1968-）

   男，汉，安徽宿州人，毕业于东北电力大学热自专业，学士学位，高级工程师，现就职于安徽省电力科学研究院热控自动化所，长期从事火电厂煤质变化自适用协调控制研究。  

   摘自《自动化博览》2012年第三期