摘要：針對超超臨界燃煤機組協(xié)調控制系統(CCS)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，著(zhù)重解決機快爐慢及煤質(zhì)變化對機組響應的問(wèn)題。打破常規，具體問(wèn)題具體分析，強調在不同的負荷段，區分升降負荷兩種變負荷的情況下，強化變負荷的前饋作用、強調風(fēng)、水、煤的整體調節作用，加快鍋爐的響應能力。在煤質(zhì)變化的過(guò)程中同步修正經(jīng)驗曲線(xiàn)，分工合作強調鍋爐主控主汽壓力調節器的修正作用，避免因人為因素造成參數整定的不合理導致在高負荷段的主汽壓力波動(dòng)的情況發(fā)生。適應中國電網(wǎng)對機組的考核要求，不以犧牲負荷調節幅度、速率及響應時(shí)間為代價(jià)，確保機組安全的前提下，滿(mǎn)足電網(wǎng)的需求。

    關(guān)鍵詞：機快爐慢；煤質(zhì)變化；鍋爐加速

    目前，很多煤商為了追求經(jīng)濟利益，導致我國發(fā)電用煤的煤質(zhì)變化很大，不僅不能按照設計煤種用煤，有煙煤無(wú)煙煤混燒，甚至到了有煤就不錯的地步。而我國電網(wǎng)對上網(wǎng)機組的考核指標是電網(wǎng)負荷的響應幅度與速率和一次調頻能力，因而機組協(xié)調控制方式主要采用以鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調控制，即鍋爐控制機前壓力，汽機通過(guò)調門(mén)控制機組的負荷?，F在隨著(zhù)電力技術(shù)的發(fā)展，我國為了節能減排，以大代小，大量建設了超超臨界的直流鍋爐。超超臨界機組都采用直吹式制粉系統，直吹式制粉系統比中儲式要慢很多。直流鍋爐由于沒(méi)有汽包，在熱態(tài)時(shí)需要維持一定的過(guò)熱度，這樣就存在過(guò)熱度與主汽壓力相互耦合的問(wèn)題，具體體現在水與煤的相互耦合問(wèn)題。理論分析及試驗都證明水與煤的耦合導致鍋爐汽壓響應緩慢，主汽壓差超標，最終的表象為“機快爐慢”，整個(gè)機組既不能滿(mǎn)足電網(wǎng)負荷的控制精度要求，又不能保證機組鍋爐的安全性，危及到發(fā)電機組的安全運行。

    如何加快鍋爐的響應能力尤其在煤質(zhì)變化的情況下自動(dòng)適應鍋爐的響應能力，滿(mǎn)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組協(xié)調控制系統就幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，運用類(lèi)比分析、試驗驗證，采用了一些新的技術(shù)，合理有效地解決了鍋爐響應緩慢，特別是煤質(zhì)變化的難題，取得了不錯的效果。下面就從幾個(gè)方面來(lái)逐一剖析問(wèn)題所在及處理手段。

    1 鍋爐主控的構成

    目前鍋爐控的設計方案各家不盡相同，總體來(lái)講筆者認為還是以負荷定煤量、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易行。

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

    從機組變負荷的整個(gè)過(guò)程來(lái)分析，在升負荷的起始階段汽機為了響應機組負荷的響應開(kāi)大調門(mén)，鍋爐首先釋放其自身的蓄熱，機組在滑壓段壓力給定值不斷提高，調門(mén)開(kāi)啟后主汽壓力開(kāi)始下降，隨著(zhù)鍋爐蓄熱的釋放完結，負荷的不斷提高，鍋爐水煤隨負荷的增加尚未產(chǎn)生壓力的明顯提升，隨著(zhù)調門(mén)的不斷開(kāi)啟，壓力給定值與實(shí)際壓力的偏差在不斷拉大，調門(mén)的開(kāi)大就變得無(wú)濟于事，負荷的偏差就隨著(zhù)主汽壓力偏差的拉大而加大，最終導致壓力、負荷超差，反之在降負荷的過(guò)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建鍋爐主控指令已經(jīng)達成共識，鍋爐主控的構成采用并行雙前饋，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(wú)疑就是加快鍋爐響應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

   從現在來(lái)看無(wú)論是亞臨界機組還是流化床機組、超臨界機組、超超臨界機組都是“機快爐慢”，特別是直吹式制粉系統，具體體現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組負荷指令進(jìn)行修改，從時(shí)間上解決鍋爐響應的滯后問(wèn)題。靜態(tài)前饋的構成：傳統意義上的靜態(tài)前饋是汽機的負荷指令通過(guò)折線(xiàn)函數對應一定的煤量而形成的。這樣就只能與變負荷同步進(jìn)行鍋爐動(dòng)作，因而鍋爐總是慢汽機一步。為了達到在鍋爐側先行一步的目的，真正形成前饋，重新構建鍋爐的靜態(tài)前饋，用目標負荷通過(guò)對當前變負荷速率根據升降負荷不同的工況進(jìn)行放大處理，達到先于負荷動(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(guò)去很多對于負荷動(dòng)態(tài)前饋的處理方法都是采用負荷指令的微分來(lái)構建，該種方法在亞臨界中儲式汽包路中可以勉強運用，但在超臨界直吹直流爐中缺點(diǎn)非常明顯。例如不能夠在A(yíng)GC方式下滿(mǎn)足各種負荷變動(dòng)幅度的需求，不能達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負荷相關(guān)聯(lián)再經(jīng)過(guò)細化量化構成負荷的動(dòng)態(tài)前饋，形成真正意義上的負荷動(dòng)態(tài)前饋，確保AGC各種工況的需求，滿(mǎn)足各種指標。

   1.3 主汽壓力指令的構成

   一般機組主控主汽壓力指令是負荷指令折線(xiàn)函數形成定-滑-定的主汽壓力的給定值，然后經(jīng)過(guò)運行人員設定的速率限制形成主汽壓力指令。

   針對慣性環(huán)節較大的鍋爐，則是在鍋爐主控主汽壓力調節器的設定值上增加三節慣性環(huán)節而形成的。
    
                
                        圖3 給煤指令與給煤流量的關(guān)系   
  
                 
                      圖4 小機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的構成

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

   這兩幅曲線(xiàn)是在協(xié)調從600MW到400MW變負荷的情況下取到的實(shí)際數值曲線(xiàn)，從上面不難看到，當煤的流量呈線(xiàn)性變化，給水的變化則表現出強烈的非線(xiàn)性變化。由于直流鍋爐是“水調壓煤調溫”，而在不同負荷段表現出的給水的非線(xiàn)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定。所以主控壓力控制器的PID變參數是控制主汽壓力行之有效的辦法，對于在不同的負荷段不同的主汽壓力偏差超過(guò)一定的范圍，弱化積分作用強化比例與微分，能有效調節主汽壓力，避免主汽壓力的震蕩和過(guò)調。
     
                  
                        圖5 鍋爐主控壓力調節器變參數  

   3 水、煤協(xié)調

   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)調控制的主要難題就是“機快爐慢”，對中間點(diǎn)溫度的影響來(lái)說(shuō)是“水快煤慢”、 而對主汽壓力的影響來(lái)說(shuō)是“水快煤慢”。如何讓鍋爐安全地快起來(lái)，如何在煤質(zhì)變化同時(shí)依然保證合適的過(guò)熱度的情況下快起來(lái)，是整個(gè)控制的重中之重。

   由于直流鍋爐沒(méi)有汽包，鍋爐的蓄熱量較小，制粉系統采用的是直吹式，煤從原煤斗下來(lái)經(jīng)過(guò)給煤機送到磨煤機中。磨煤機制出粉后熱一次風(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(guò)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(lái)講則是給水流量變化經(jīng)過(guò)水汽的傳導對汽壓的變化迅速，而水對汽溫的調節則恰恰相反。

   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慣性環(huán)節，讓水的動(dòng)作始終滯后于煤的動(dòng)作，也就是說(shuō)讓煤先動(dòng)，確保過(guò)熱度與主汽壓力在時(shí)間上的匹配。與此同時(shí)，強調風(fēng)、水、煤在鍋爐指令的統一指揮下同步動(dòng)作，從而達到鍋爐快起來(lái)的設想。既保證氧量、過(guò)熱度、主汽壓力又滿(mǎn)足電網(wǎng)的負荷需求，比較理想地解決了給煤與給水的耦合問(wèn)題。
  
                    
                          圖6 分離器入口過(guò)熱度控制

    3.2 水、煤數量上的匹配

    由于水的控制方案采用的是鍋爐指令通過(guò)函數對應水的指令，也就是說(shuō)水相對穩定，可變量主要還是煤的變化。

   一般來(lái)講“水調壓、煤調溫”，這就是說(shuō)溫度欠缺了主要還是由于煤的不足，所以要繼續調整煤的量。

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

   因為煤質(zhì)變化，水煤聯(lián)調穩定過(guò)熱度而導致主汽壓力的變化，水煤比發(fā)生變化，對應的鍋爐主控適時(shí)改變調整，這時(shí)鍋爐主汽壓力調節器則調整修正把握主汽的壓力調節品質(zhì)，鍋爐調節器以煤帶水的給水量經(jīng)過(guò)三節慣性環(huán)節抵消過(guò)熱度調節器的給水流量維持給水流量的相對穩定，主汽壓力得以穩定。

   4 磨煤機蓄粉的利用

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

   因此對制粉系統給煤自動(dòng)，磨熱冷風(fēng)門(mén)自動(dòng)應盡可能多地投入，隨著(zhù)負荷的提高適時(shí)加大自動(dòng)投入，滿(mǎn)足機組的需求，盡可能減少人為干預。

   5 結語(yǔ)

    通過(guò)大量試驗與分析，借鑒了各種爐型，特別是循環(huán)流化床煤質(zhì)變化的協(xié)調控制機理，超超臨界直流鍋爐煤質(zhì)變化的問(wèn)題得以解決。

    在此特別強調的是本課題的研究是在BF協(xié)調控制的基礎上，依據國家頒布的試驗規范進(jìn)行，不以犧牲負荷的變動(dòng)幅度和變動(dòng)速率為前提條件，沒(méi)有任何的壓力拉回和負荷指令的延遲。測試的結果和AGC正常運行參數證明是行之有效的。

    現場(chǎng)測試中發(fā)現磨煤機熱、冷風(fēng)門(mén)的質(zhì)量存在比較大的問(wèn)題，熱風(fēng)門(mén)漏風(fēng)的情況比較嚴重，這樣相對冷風(fēng)門(mén)表現出力不足的情況，她嚴重制約了鍋爐的響應能力和鍋爐的安全性。

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

   楊軍統（1968-）

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

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期