330MW循環流化床機組控制系統優化

　　一、協調控制策略
　　
　　圖1為京海電廠330MW機組協調控制系統，其共設計有4個PID調節器，其中2個為汽輪機控制器（汽輪機跟蹤（TF）方式控制器，協調控制（UCC）方式控制器），2個為鍋爐控制器（鍋爐跟蹤（BF）方式控制器，UCC方式控制器）。當機組處于UCC方式下，為了避免壓力偏差過大，在汽輪機主控制器上設置有拉回回路，以降低功率調節品質來滿足壓力調節的要求。汽輪機主控指令控制調節閥的開度，將機組負荷或主蒸汽壓力保持在設定值范圍內。在鍋爐主控為自動控制方式，汽輪機主控為手動控制方式時，機組處于BF方式，鍋爐主控輸出主要由汽輪機對鍋爐的能量需求信號p1只ps/pT（p1為汽輪機調節級壓力，pT為主蒸汽壓力，ps為主蒸汽壓力設定值）和主蒸汽壓力偏差經PID輸出組成。當鍋爐和汽輪機主控均為自動控制方式時機組處于UCC方式（以BF為基礎），鍋爐主控輸出主要有：（l）負荷指令函數、負荷對鍋爐主控的線性前饋和負荷指令的微分前饋；（2）壓力微分前饋，當壓力設定值變化時快速改變煤量以穩定主蒸汽壓力；（3）主蒸汽壓力設定值和汽輪機主蒸汽壓力偏差經PID調節器后對鍋爐主控指令進行修正，實現無差調節，以保證汽輪機機前壓力穩定。　　二、控制系統存在問題及優化
　　
　　2.1協調控制系統
　　
　　在投入UCC方式時，經常出現給煤量波動，給煤機變頻指令振蕩變化，且當煤質變化較大時控制系統調節品質變差。對此，對原引入鍋爐前饋的機組負荷指令進行修改，即去除其中的一次調頻部分，串入高階慣性環節，使負荷指令曲線更加平滑，形成鍋爐側的實際機組負荷指令，并在2個微分環節處增加切換邏輯。當未投入UCC方式時經微分環節處理的主蒸汽壓力輸出為0，此時無微分作用。當投入UCC方式后微分環節起作用，從而避免了UCC投切瞬間的指令波動。為了改善微分前饋效果，采用機組負荷指令偏差修正微分前饋，在機組開始變負荷時適當加強微分前饋的作用，當負荷設定值趨近于目標值時適當降低微分前饋的作用，以避免超調。優化后的鍋爐主控前饋見圖2。　　
　　對于傳統設計，鍋爐主控輸出為設計工況下的給煤量指令，當煤質發生變化時會出現鍋爐主控輸出值與當前煤量值不等的情況，如果未投入煤質系數校正（BTU）功能，將會使負荷一煤量函數設置參數不準確。由于CFB鍋爐慣性大，PID調節周期較長，易使控制系統調節品質惡化，甚至出現超調和振蕩。為了適應煤質變化對協調控制的影響，可通過對前饋量系數的修正加以解決。同時，為了能夠更直觀地監視和調節煤量，使鍋爐主控輸出指令為給煤量，當煤量為自動控制方式，鍋爐主控為手動控制方式時，可直接輸人煤量指令，無需換算。另外，對原BTU功能的設計進行改進（圖3），將其中1個手動/自動切換模塊設置為煤質校正投切模塊，手動控制方式時可根據需要輸入煤質系數，自動控制方式下當工況穩定（給煤量、功率、給水溫度、汽包壓力在死區范圍內且無總燃料跳閘（MFT）等切除自動控制方式的條件存在并延遲10min）時，投入煤質系數自動計算功能。若當前實際煤量與當前功率經主蒸汽溫度等修正后對應的設計煤量存在偏差，則對該偏差進行積分運算后形成煤質系數，否則煤質系數保持不變。為了防止煤質系數變化造成煤量較大擾動，加入煤質系數變化限速模塊。　　
　　對于輔機故障快速減負荷（RB）控制（一次風、二次風等控制系統），鍋爐主控指令應折算成標準數值。RB發生時，控制系統切為TF方式，汽輪機主控調節蒸汽壓力，鍋爐主控為手動控制方式。根據不同的RB工況將鍋爐主控輸出設置為設計工況下的煤量設定值乘以煤質系數。
　　
　　煤質變化包括煤熱值和揮發分含量的改變，煤揮發分高使得控制系統慣性減小，煤揮發性低使得控制系統慣性加大。若煤量穩定到機組負荷穩定的時間能夠反映煤種變化慣性，則可考慮采用該時間對PID參數進行修正，以改善調節效果。
　　
　　2.2爐膛壓力高保護控制
　　
　　在機組試運行階段，由于爐膛壓力高保護動作引起鍋爐跳閘時的現象有發生，其主要原因為：
　　
　　（1）在機組負荷為270MW時引風機靜葉開度已達80％以上（同類機組引風機靜葉開度小于70％），風機電流接近額定電流。當一臺引風機跳閘時應增大另一臺引風機靜葉開度，但在機組額定負荷運行時2臺引風機的靜葉均已接近全開，無調節余量。CFB鍋爐物料可通過循環回路不斷往復地燃燒，碳燃盡率很高，所以CFB鍋爐含氧量可稍低。該廠在168h試運期間，機組負荷300MW時，氧量定為2.5％。從長遠來看，建議加大引風機出力，留有一定余量，以滿足設計煤種下的運行。
　　
　　（2）引風機靜葉開度小于60％時出力線性度較好，當引風機靜葉開度在60％～100％時出力動態特性變差；當機組負荷變化較快時負壓偏差較大，甚至導致鍋爐跳閘。對此，在原邏輯中增加變參數功能，在引風機靜葉開度大于60％時加強PID調節和前饋作用。
　　
　　（3）在原控制系統設計中，爐膛壓力低關閉引風機靜葉。實際運行中，當爐膛壓力低使引風機靜葉關閉后，二次風出力不變，導致爐膛壓力高保護動作使鍋爐跳閘。對此，將控制邏輯修改為：當爐膛壓力低于－1100Pa時，以一定速率關閉引風機靜葉；當爐膛壓力大于－800Pa時，正常調節。
　　
　　2.3二次風t設定值
　　
　　原風量控制系統中由鍋爐主控輸出值乘以氧量校正系數加上偏置值通過燃料量對應的風量限制后構成風量指令（圖4（a）），由于難以設置燃料量對應的風量函數，機組增減負荷時易引起控制系統擾動。對此，在機組負荷穩定時，可根據氧量調節偏置手動改變風量設定值，使二次風量穩定；當機組負荷變化時，通過慣性環節在升負荷時實現先增加風量再增加煤量，降負荷時先減少煤量后減少風量（圖4（b））。　　
　　2.4鍋爐聯鎖跳閘汽輪機控制
　　
　　原設計為鍋爐跳閘后由機爐大聯鎖功能跳閘汽輪機，由于300MW機組CFB鍋爐爐膛內具有大量的熱床料，蓄熱量非常大，鍋爐跳閘后在一定時間內仍能夠保持蒸汽品質，如果在短時間內排除鍋爐故障，汽輪機可不解列。為此，針對300MW機組CFB鍋爐的蓄熱量大、慣性大的特點，從原控制邏輯中取消鍋爐跳閘聯鎖跳閘汽輪機功能，增加主蒸汽溫度低于430℃報警、主蒸汽溫度突降（5℃/min）報警、主蒸汽溫度過熱度低低（100℃）報警、汽包水位高四值直接跳閘汽輪機等功能。
　　
　　三、機組負荷變動試驗
　　
　　負荷設定值由197MW升至240MW，再由240MW降至210MW，zui后由210MW升至290MW，變化速率設為4MW/min，經過變化率、負荷限制和慣性環節等處理后實際負荷設定值由190MW升至210MW，再由210MW升至290MW，采用定壓運行方式，試驗過程中機前壓力波動在±0.5MPa以內，主蒸汽溫度波動在±5℃以內，汽包水位波動在±25mm以內，爐膛壓力波動在±50Pa以內。機組各主要指標均在合理范圍內，控制效果良好。變負荷試驗機組各主要參數變化曲線見圖5。　　
　　四、結語
　　
　　針對京海電廠300MW機組CFB鍋爐控制系統存在的協調控制對煤質變化適應性差、爐膛壓力高保護頻繁動作、二次風量設定值不準確筍問題，對控制系統進行了前饋量系數修正及通過慣性環節在機組升降負荷時實現先增加風量再增加煤量和先減少煤量后減少風量等優化，使得控制系統調節性能和品質均滿足機組安全、穩定運行的控制要求。