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    摘要：針對超超臨界燃煤機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析，著重解決機(jī)快爐慢及煤質(zhì)變化對機(jī)組響應(yīng)的問題。打破常規(guī)，具體問題具體分析，強(qiáng)調(diào)在不同的負(fù)荷段，區(qū)分升降負(fù)荷兩種變負(fù)荷的情況下，強(qiáng)化變負(fù)荷的前饋?zhàn)饔谩?qiáng)調(diào)風(fēng)、水、煤的整體調(diào)節(jié)作用，加快鍋爐的響應(yīng)能力。在煤質(zhì)變化的過程中同步修正經(jīng)驗(yàn)曲線，分工合作強(qiáng)調(diào)鍋爐主控主汽壓力調(diào)節(jié)器的修正作用，避免因人為因素造成參數(shù)整定的不合理導(dǎo)致在高負(fù)荷段的主汽壓力波動(dòng)的情況發(fā)生。適應(yīng)中國電網(wǎng)對機(jī)組的考核要求，不以犧牲負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度、速率及響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)，確保機(jī)組安全的前提下，滿足電網(wǎng)的需求。

    關(guān)鍵詞：機(jī)快爐慢；煤質(zhì)變化；鍋爐加速

    目前，很多煤商為了追求經(jīng)濟(jì)利益，導(dǎo)致我國發(fā)電用煤的煤質(zhì)變化很大，不僅不能按照設(shè)計(jì)煤種用煤，有煙煤無煙煤混燒，甚至到了有煤就不錯(cuò)的地步。而我國電網(wǎng)對上網(wǎng)機(jī)組的考核指標(biāo)是電網(wǎng)負(fù)荷的響應(yīng)幅度與速率和一次調(diào)頻能力，因而機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式主要采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，即鍋爐控制機(jī)前壓力，汽機(jī)通過調(diào)門控制機(jī)組的負(fù)荷。現(xiàn)在隨著電力技術(shù)的發(fā)展，我國為了節(jié)能減排，以大代小，大量建設(shè)了超超臨界的直流鍋爐。超超臨界機(jī)組都采用直吹式制粉系統(tǒng)，直吹式制粉系統(tǒng)比中儲(chǔ)式要慢很多。直流鍋爐由于沒有汽包，在熱態(tài)時(shí)需要維持一定的過熱度，這樣就存在過熱度與主汽壓力相互耦合的問題，具體體現(xiàn)在水與煤的相互耦合問題。理論分析及試驗(yàn)都證明水與煤的耦合導(dǎo)致鍋爐汽壓響應(yīng)緩慢，主汽壓差超標(biāo)，最終的表象為“機(jī)快爐慢”，整個(gè)機(jī)組既不能滿足電網(wǎng)負(fù)荷的控制精度要求，又不能保證機(jī)組鍋爐的安全性，危及到發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

    如何加快鍋爐的響應(yīng)能力尤其在煤質(zhì)變化的情況下自動(dòng)適應(yīng)鍋爐的響應(yīng)能力，滿足電網(wǎng)要求的課題一直擺在熱控人員面前。為此筆者在超超臨界燃煤機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析，運(yùn)用類比分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，采用了一些新的技術(shù)，合理有效地解決了鍋爐響應(yīng)緩慢，特別是煤質(zhì)變化的難題，取得了不錯(cuò)的效果。下面就從幾個(gè)方面來逐一剖析問題所在及處理手段。

    1 鍋爐主控的構(gòu)成

    目前鍋爐控的設(shè)計(jì)方案各家不盡相同，總體來講筆者認(rèn)為還是以負(fù)荷定煤量、以煤量定水量、以煤量定風(fēng)量為最佳，水煤比修正合理解決水煤失調(diào)易行。

    對于超超臨界直流鍋爐來講，整個(gè)協(xié)調(diào)的好壞直接原因就是鍋爐的原因。合理構(gòu)建鍋爐指令至關(guān)重要，它直接決定了整個(gè)鍋爐響應(yīng)的快慢進(jìn)而決定了協(xié)調(diào)的好壞。

    從機(jī)組變負(fù)荷的整個(gè)過程來分析，在升負(fù)荷的起始階段汽機(jī)為了響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)開大調(diào)門，鍋爐首先釋放其自身的蓄熱，機(jī)組在滑壓段壓力給定值不斷提高，調(diào)門開啟后主汽壓力開始下降，隨著鍋爐蓄熱的釋放完結(jié)，負(fù)荷的不斷提高，鍋爐水煤隨負(fù)荷的增加尚未產(chǎn)生壓力的明顯提升，隨著調(diào)門的不斷開啟，壓力給定值與實(shí)際壓力的偏差在不斷拉大，調(diào)門的開大就變得無濟(jì)于事，負(fù)荷的偏差就隨著主汽壓力偏差的拉大而加大，最終導(dǎo)致壓力、負(fù)荷超差，反之在降負(fù)荷的過程中亦然。

    超臨界直流直吹鍋爐發(fā)展到今天，采用間接能量平衡構(gòu)建鍋爐主控指令已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，鍋爐主控的構(gòu)成采用并行雙前饋，具體地講就是靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋。動(dòng)態(tài)前饋和靜態(tài)前饋的提速無疑就是加快鍋爐響應(yīng)能力的具體手段和辦法。
     
                     
                                         圖1 鍋爐主控  

   1.1 靜態(tài)前饋的提速

   從現(xiàn)在來看無論是亞臨界機(jī)組還是流化床機(jī)組、超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組都是“機(jī)快爐慢”，特別是直吹式制粉系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在主汽壓力的控制上。為了解決這個(gè)矛盾對鍋爐指令中的機(jī)組負(fù)荷指令進(jìn)行修改，從時(shí)間上解決鍋爐響應(yīng)的滯后問題。靜態(tài)前饋的構(gòu)成：傳統(tǒng)意義上的靜態(tài)前饋是汽機(jī)的負(fù)荷指令通過折線函數(shù)對應(yīng)一定的煤量而形成的。這樣就只能與變負(fù)荷同步進(jìn)行鍋爐動(dòng)作，因而鍋爐總是慢汽機(jī)一步。為了達(dá)到在鍋爐側(cè)先行一步的目的，真正形成前饋，重新構(gòu)建鍋爐的靜態(tài)前饋，用目標(biāo)負(fù)荷通過對當(dāng)前變負(fù)荷速率根據(jù)升降負(fù)荷不同的工況進(jìn)行放大處理，達(dá)到先于負(fù)荷動(dòng)作的目的，克服鍋爐的遲延與滯后。

   1.2 動(dòng)態(tài)前饋的提速與量值的修正

    過去很多對于負(fù)荷動(dòng)態(tài)前饋的處理方法都是采用負(fù)荷指令的微分來構(gòu)建，該種方法在亞臨界中儲(chǔ)式汽包路中可以勉強(qiáng)運(yùn)用，但在超臨界直吹直流爐中缺點(diǎn)非常明顯。例如不能夠在AGC方式下滿足各種負(fù)荷變動(dòng)幅度的需求，不能達(dá)到真正意義上的前饋的目的，不能有效地解決鍋爐滯后的目的。

    為此筆者采用了與目標(biāo)負(fù)荷相關(guān)聯(lián)再經(jīng)過細(xì)化量化構(gòu)成負(fù)荷的動(dòng)態(tài)前饋，形成真正意義上的負(fù)荷動(dòng)態(tài)前饋，確保AGC各種工況的需求，滿足各種指標(biāo)。

   1.3 主汽壓力指令的構(gòu)成

   一般機(jī)組主控主汽壓力指令是負(fù)荷指令折線函數(shù)形成定-滑-定的主汽壓力的給定值，然后經(jīng)過運(yùn)行人員設(shè)定的速率限制形成主汽壓力指令。

   針對慣性環(huán)節(jié)較大的鍋爐，則是在鍋爐主控主汽壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定值上增加三節(jié)慣性環(huán)節(jié)而形成的。
    
                
                        圖3 給煤指令與給煤流量的關(guān)系   
  
                 
                      圖4 小機(jī)指令與給水流量的關(guān)系

   1.4 鍋爐主控壓力控制器變參數(shù)的構(gòu)成

   超超臨界直流鍋爐存在著多非線性多耦合的鍋爐，這一點(diǎn)從筆者試驗(yàn)中取得的煤水線性關(guān)系來看很明顯。圖3 給煤指令與給煤流量的關(guān)系圖4 小機(jī)指令與給水流量的關(guān)系

   這兩幅曲線是在協(xié)調(diào)從600MW到400MW變負(fù)荷的情況下取到的實(shí)際數(shù)值曲線，從上面不難看到，當(dāng)煤的流量呈線性變化，給水的變化則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性變化。由于直流鍋爐是“水調(diào)壓煤調(diào)溫”，而在不同負(fù)荷段表現(xiàn)出的給水的非線性變化對主汽壓力的影響是很明顯的，且不利于鍋爐的安全穩(wěn)定。所以主控壓力控制器的PID變參數(shù)是控制主汽壓力行之有效的辦法，對于在不同的負(fù)荷段不同的主汽壓力偏差超過一定的范圍，弱化積分作用強(qiáng)化比例與微分，能有效調(diào)節(jié)主汽壓力，避免主汽壓力的震蕩和過調(diào)。
     
                  
                        圖5 鍋爐主控壓力調(diào)節(jié)器變參數(shù)  

   3 水、煤協(xié)調(diào)

   3.1 水、煤時(shí)間上的匹配

   鍋爐控制的關(guān)健取決于風(fēng)、水、煤的控制，尤其是煤與水的控制。

   從上面的分析中不難看出，困擾協(xié)調(diào)控制的主要難題就是“機(jī)快爐慢”，對中間點(diǎn)溫度的影響來說是“水快煤慢”、 而對主汽壓力的影響來說是“水快煤慢”。如何讓鍋爐安全地快起來，如何在煤質(zhì)變化同時(shí)依然保證合適的過熱度的情況下快起來，是整個(gè)控制的重中之重。

   由于直流鍋爐沒有汽包，鍋爐的蓄熱量較小，制粉系統(tǒng)采用的是直吹式，煤從原煤斗下來經(jīng)過給煤機(jī)送到磨煤機(jī)中。磨煤機(jī)制出粉后熱一次風(fēng)送到爐膛發(fā)生物理化學(xué)反映，釋放出熱量后再經(jīng)過水冷壁被水汽吸收，直接表象為汽壓的變化，煤對汽溫作用是與汽壓同向的。對于水來講則是給水流量變化經(jīng)過水汽的傳導(dǎo)對汽壓的變化迅速，而水對汽溫的調(diào)節(jié)則恰恰相反。

   水、煤對壓力與溫度的影響，造成相互耦合，為此在給水的指令回路中加入多節(jié)慣性環(huán)節(jié)，讓水的動(dòng)作始終滯后于煤的動(dòng)作，也就是說讓煤先動(dòng)，確保過熱度與主汽壓力在時(shí)間上的匹配。與此同時(shí)，強(qiáng)調(diào)風(fēng)、水、煤在鍋爐指令的統(tǒng)一指揮下同步動(dòng)作，從而達(dá)到鍋爐快起來的設(shè)想。既保證氧量、過熱度、主汽壓力又滿足電網(wǎng)的負(fù)荷需求，比較理想地解決了給煤與給水的耦合問題。
  
                    
                          圖6 分離器入口過熱度控制

    3.2 水、煤數(shù)量上的匹配

    由于水的控制方案采用的是鍋爐指令通過函數(shù)對應(yīng)水的指令，也就是說水相對穩(wěn)定，可變量主要還是煤的變化。

   一般來講“水調(diào)壓、煤調(diào)溫”，這就是說溫度欠缺了主要還是由于煤的不足，所以要繼續(xù)調(diào)整煤的量。

   但是在極端的情況下單純的調(diào)節(jié)煤量不能快速有效地調(diào)整好變煤質(zhì)的問題，為了在煤質(zhì)變化頻繁劇烈的情況下，保持過熱度的穩(wěn)定就要水煤同時(shí)聯(lián)調(diào)。在煤質(zhì)好的情況下，過熱度上升，加水減煤；在煤質(zhì)差的情況下，過熱度降低，這時(shí)就要減水加煤進(jìn)行調(diào)節(jié)。

   因?yàn)槊嘿|(zhì)變化，水煤聯(lián)調(diào)穩(wěn)定過熱度而導(dǎo)致主汽壓力的變化，水煤比發(fā)生變化，對應(yīng)的鍋爐主控適時(shí)改變調(diào)整，這時(shí)鍋爐主汽壓力調(diào)節(jié)器則調(diào)整修正把握主汽的壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，鍋爐調(diào)節(jié)器以煤帶水的給水量經(jīng)過三節(jié)慣性環(huán)節(jié)抵消過熱度調(diào)節(jié)器的給水流量維持給水流量的相對穩(wěn)定，主汽壓力得以穩(wěn)定。

   4 磨煤機(jī)蓄粉的利用

   在磨膛中可以存留一定的蓄粉，鍋爐負(fù)荷指令的增減，指揮磨煤機(jī)熱風(fēng)的開大關(guān)小，改變磨膛蓄粉的變化，減小制粉系統(tǒng)的制粉遲延，改善鍋爐熱負(fù)荷的響應(yīng)能力也是提高鍋爐響應(yīng)能力的一個(gè)關(guān)鍵。鍋爐開始加負(fù)荷時(shí)，磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)整門的前饋信號增大，開啟熱風(fēng)調(diào)整門，吹出磨煤機(jī)內(nèi)剩粉，直接增大了進(jìn)入爐膛的煤粉量，有效地降低了制粉系統(tǒng)的制粉遲延。鍋爐減負(fù)荷的過程與此相似。

   因此對制粉系統(tǒng)給煤自動(dòng)，磨熱冷風(fēng)門自動(dòng)應(yīng)盡可能多地投入，隨著負(fù)荷的提高適時(shí)加大自動(dòng)投入，滿足機(jī)組的需求，盡可能減少人為干預(yù)。

   5 結(jié)語

    通過大量試驗(yàn)與分析，借鑒了各種爐型，特別是循環(huán)流化床煤質(zhì)變化的協(xié)調(diào)控制機(jī)理，超超臨界直流鍋爐煤質(zhì)變化的問題得以解決。

    在此特別強(qiáng)調(diào)的是本課題的研究是在BF協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家頒布的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，不以犧牲負(fù)荷的變動(dòng)幅度和變動(dòng)速率為前提條件，沒有任何的壓力拉回和負(fù)荷指令的延遲。測試的結(jié)果和AGC正常運(yùn)行參數(shù)證明是行之有效的。

    現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)磨煤機(jī)熱、冷風(fēng)門的質(zhì)量存在比較大的問題，熱風(fēng)門漏風(fēng)的情況比較嚴(yán)重，這樣相對冷風(fēng)門表現(xiàn)出力不足的情況，她嚴(yán)重制約了鍋爐的響應(yīng)能力和鍋爐的安全性。

    重視大小汽輪機(jī)閥門流量特性的測試整定，二者直接關(guān)系到負(fù)荷、主汽壓力的控制精度。目前汽輪機(jī)閥門流量特性測試與整定開展得比較普遍，收到的效果也很明顯。據(jù)網(wǎng)上查詢，目前對于直流鍋爐小汽輪機(jī)給水泵的流量特性整定的工作做的很少，但這個(gè)問題應(yīng)該得到重視，并且是可以解決的。

   楊軍統(tǒng)（1968-）

   男，漢，安徽宿州人，畢業(yè)于東北電力大學(xué)熱自專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，高級工程師，現(xiàn)就職于安徽省電力科學(xué)研究院熱控自動(dòng)化所，長期從事火電廠煤質(zhì)變化自適用協(xié)調(diào)控制研究。  

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期