引言
為充分利用鍋爐蓄熱，盡量滿足電網(wǎng)需求，普通煤粉爐往往采用爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制(以下簡稱CCSl)模式。在CCSl模式下，汽輪機(jī)控制機(jī)組有功功率" title="有功功率">有功功率，鍋爐控制主汽壓力，當(dāng)主汽壓力測量值與設(shè)定值偏差過大時(shí)(一般為0.5－0.8MPa)，壓力拉回控制回路動(dòng)作，犧牲一點(diǎn)機(jī)組功率來穩(wěn)定主汽壓力，達(dá)到機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的目的。由于CFB鍋爐燃煤顆粒比普通煤粉爐大得多，其燃燒過程滯后時(shí)間相對較長，特別是在煤質(zhì)大幅波動(dòng)時(shí)，鍋爐控制主汽壓力難度很大。實(shí)際運(yùn)行中，壓力拉回控制回路經(jīng)常動(dòng)作，引起機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，并且隨著壓力的波動(dòng)，汽包水位、主蒸汽和再熱蒸汽溫度等主要參數(shù)也不容易維持，對鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。
為在煤質(zhì)大幅波動(dòng)時(shí)維持鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行" title="穩(wěn)定運(yùn)行">穩(wěn)定運(yùn)行，白馬示范電站30OMW CFB鍋爐機(jī)組嘗試采用以機(jī)跟爐為主的協(xié)調(diào)控制(以下簡稱CCS2)方案。在CCS2模式下，汽輪機(jī)控制主汽壓力，鍋爐控制機(jī)組有功功率，當(dāng)機(jī)組實(shí)際功率與功率設(shè)定值相差過大時(shí)，功率拉回控制回路動(dòng)作，通過改變主汽壓力設(shè)定值，控制汽輪機(jī)調(diào)門開度，利用鍋爐蓄熱，穩(wěn)定機(jī)組功率。在CCS2模式下，由于主汽壓力穩(wěn)定，汽包水位、主蒸汽和再熱蒸汽溫度等主要參數(shù)也相對穩(wěn)定，鍋爐工作在相對穩(wěn)定的工況下。
為克服煤質(zhì)波動(dòng)的影響，在CCS控制回路中設(shè)計(jì)了煤質(zhì)修正及氧量校正計(jì)算。在CCS2模式下，經(jīng)加入煤質(zhì)修正及氧量校正計(jì)算邏輯，機(jī)組負(fù)荷基本能控制在上網(wǎng)負(fù)荷的±2%以內(nèi)，滿足了電網(wǎng)要求，CCS能長期穩(wěn)定投入。
一、CCS2控制方案
在CCS2模式下，鍋爐主控控制機(jī)組功率，汽輪機(jī)主控控制主汽壓力，并設(shè)計(jì)有功率拉回控制回路。
l.1 鍋爐主控
鍋爐主控原理見圖1。
圖1中，協(xié)調(diào)控制來的鍋爐負(fù)荷指令經(jīng)輔機(jī)故障減負(fù)荷(RB)計(jì)算后與爐膛總風(fēng)量進(jìn)行低選，計(jì)算出鍋爐所需的熱負(fù)荷;給煤量測量值經(jīng)煤質(zhì)修正和氧量校正后得出鍋爐實(shí)際輸入的熱值，二者比較后送入PI調(diào)節(jié)器控制給煤量。同時(shí)，RB計(jì)算值通過3個(gè)函數(shù)塊直接計(jì)算出燃燒所需的一次風(fēng)量、下二次風(fēng)量和總風(fēng)量，去控制一次風(fēng)量、下二次風(fēng)量和上二次風(fēng)量調(diào)門的開度。鍋爐主控中的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是煤質(zhì)修正和氧量校正。
1.1.1 煤質(zhì)修正
因鍋爐燃煤來源廣泛，各煤礦煤質(zhì)差別很大，如果不對煤質(zhì)進(jìn)行修正，只按設(shè)計(jì)煤種進(jìn)行調(diào)整，將導(dǎo)致輸入熱量過多或太少，引起機(jī)組負(fù)荷大幅波動(dòng)，CCS調(diào)節(jié)品質(zhì)惡化，甚至無法投入自動(dòng)運(yùn)行。所以必須對燃煤煤質(zhì)進(jìn)行在線修正，克服煤質(zhì)的波動(dòng)，改善CCS調(diào)節(jié)品質(zhì)，使CCS能穩(wěn)定可靠地投入自動(dòng)運(yùn)行。
(1)煤質(zhì)修正原理:煤質(zhì)修正見圖1上部藍(lán)色虛線框所示。其中蒸汽吸熱量計(jì)算公式為:
蒸汽吸熱量(MW)＝0.001338F[(2.867THP＋1847)－(5.021TFW－80.2)＋173.9]
式中:F為主蒸汽流量，kg/s；THP為主蒸汽溫度，℃; TFW為給水溫度，℃。
煤質(zhì)修正原理:操作員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過手操器M/A手動(dòng)預(yù)置一個(gè)k值(此值為當(dāng)前入爐煤的煤質(zhì)和設(shè)計(jì)煤質(zhì)的比值)，然后將手操器投入自動(dòng)運(yùn)行。此時(shí)，由當(dāng)前總給煤量轉(zhuǎn)換(kg/s×18.495MJ/kg)來的熱值(MW)，乘上預(yù)置的k值，計(jì)算出送入爐膛的燃料側(cè)熱量，和計(jì)算出的蒸汽吸熱量作比較，二者的差值進(jìn)入純積分塊進(jìn)行運(yùn)算。若蒸汽吸熱量大于燃料側(cè)熱量，則積分器輸出將增加，即k值增加;反之則減小。積分器運(yùn)算輸出值為618.00-973.15MW(設(shè)計(jì)煤種熱值為18.495MJ/kg，額定負(fù)荷熱值為824.7MW)，經(jīng)過手操器換算成0.75-1.18。
煤質(zhì)修正原理可理解為當(dāng)煤量一定時(shí)，若煤質(zhì)突然變好，則爐膛放熱將增加，從蒸汽側(cè)算出的熱量將增加，積分塊的輸出將增加，即k值增加，此系數(shù)乘以總給煤量后導(dǎo)致修正后的熱量增加。這樣，鍋爐主控制器測得的熱量增加后，若超過其設(shè)定的熱量，PI控制器的輸出值將減小，去減少給煤量，以減小輸入的熱量，最終達(dá)到蒸汽側(cè)熱量和給煤側(cè)熱量相平衡。
(2)煤質(zhì)修正方案修改:原設(shè)計(jì)方案中，蒸汽吸熱量計(jì)算只考慮了主汽流量、主汽溫度和給水溫度，沒有考慮主汽壓力，導(dǎo)致主汽壓力變化時(shí)計(jì)算出的熱量值不準(zhǔn)確。經(jīng)研究，引入了汽包壓力微分信號進(jìn)行修正(見圖1):當(dāng)主汽壓力升高時(shí)，通過微分作用增加熱量;當(dāng)主汽壓力降低時(shí)，通過微分作用減少熱量;主汽壓力穩(wěn)定時(shí)，微分器不起作用。修正后的方案可準(zhǔn)確反映鍋爐產(chǎn)生的熱量。
(3)煤質(zhì)修正參數(shù)整定" title="參數(shù)整定">參數(shù)整定:為了快速反映煤質(zhì)的變化，熱值計(jì)算積分塊的積分時(shí)間應(yīng)短一些；但由于煤質(zhì)波動(dòng)引起熱值的變化有一定時(shí)間的滯后，為避免產(chǎn)生虛假的煤質(zhì)修正系數(shù)，熱值計(jì)算積分塊的積分時(shí)間又需要長一些。綜合這2個(gè)方面因素，積分器實(shí)際參數(shù)整定為Ti＝23min。
1.1.2 氧量校正
為加快CCS的反應(yīng)速度，判斷給煤煤質(zhì)發(fā)生的突然變化，及時(shí)對燃燒工況進(jìn)行調(diào)整，在CCS中設(shè)計(jì)了氧量校正回路。當(dāng)氧量變化時(shí)及時(shí)調(diào)整給煤量，快速改善燃燒工況，克服煤質(zhì)的擾動(dòng)。
(1)氧量校正方案修改:通常普通煤粉爐設(shè)計(jì)的氧量校正輸出是去改變風(fēng)量，但由于CFB鍋爐燃料燃燒時(shí)間大大長于煤粉爐，再加上煤質(zhì)時(shí)好時(shí)壞大幅波動(dòng)，氧量輸出去改變風(fēng)量實(shí)際效果不好。原設(shè)計(jì)方案為氧量輸出同時(shí)改變風(fēng)量和煤量，但實(shí)際運(yùn)行中，煤量和風(fēng)量控制存在交叉干擾，參數(shù)不好整定，效果仍然不好。
分析CFB鍋爐的燃燒情況可知，在煤質(zhì)波動(dòng)時(shí)，風(fēng)量已不是主要矛盾，煤才是主要矛盾(例如當(dāng)氧量突然降低，則是煤質(zhì)變好，此時(shí)應(yīng)該減煤，不應(yīng)該加風(fēng))。因此，最后修改的方案是氧量控制器的輸出只去改變煤量，而不改變風(fēng)量。這樣修改還可減少風(fēng)量頻繁波動(dòng)對CFB鍋爐受熱面造成的磨損。
氧量校正控制回路的工作原理" title="工作原理">工作原理見圖1中部粉紅色虛線框部分。氧量控制采用單回路PI調(diào)節(jié)方案，設(shè)定值是鍋爐負(fù)荷指令的函數(shù)，操作員可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。左、右側(cè)煙氣含氧量二者選小值作為測量值，設(shè)定值和測量值經(jīng)比較后進(jìn)行PI運(yùn)算，運(yùn)算輸出進(jìn)入手操器，氧量控制輸出可由操作員手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，輸出限制在0.78-1.20。
(2)氧量校正參數(shù)整定:氧量校正PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定原則是盡量加強(qiáng)比例作用，提高系統(tǒng)對煤質(zhì)變化的響應(yīng)速度" title="響應(yīng)速度">響應(yīng)速度;積分作用要弱一點(diǎn)，避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。實(shí)際參數(shù)為:Kp＝1.75,Ti＝30min。
煤質(zhì)修正計(jì)算對煤質(zhì)的判斷是一個(gè)較長的過程，而氧量校正對煤質(zhì)的判斷是一個(gè)短時(shí)的過程。氧量校正可及時(shí)改變給煤量，有利于煤質(zhì)修正的快速計(jì)算(見圖2、4)。煤質(zhì)修正和氧量校正的配合使用，能及時(shí)克服給煤量的擾動(dòng)，保證爐內(nèi)良好的燃燒工況。
1.1.3 煤質(zhì)修正和氧量校正實(shí)際控制曲線
圖2為煤質(zhì)修正和氧量校正控制曲線，過程持續(xù)時(shí)間" title="持續(xù)時(shí)間">持續(xù)時(shí)間約為30min。圖2中各熱量的顯示量程為700-900MW;煤質(zhì)修正系數(shù)和氧量校正系數(shù)顯示量程為0.85-1.10;給煤量顯示量程為120-200t/h。
從圖2可看出，很長一段時(shí)間蒸汽吸熱量低于給煤側(cè)輸入的熱量，積分器輸出不斷減小，k值也因此不斷減小，使測得的鍋爐輸入熱量不斷減少，鍋爐主控調(diào)節(jié)器輸出控制作用，去增加給煤量。一段時(shí)間后蒸汽吸熱量大于給煤側(cè)輸入的熱量，積分器輸出停止減小并開始緩慢增大。整個(gè)過程可明顯看出氧量校正的作用:剛開始氧量控制的輸出有一個(gè)明顯減小(氧量測量值增大)，導(dǎo)致給煤量有一個(gè)明顯增加;持續(xù)一段時(shí)間后，氧量控制的輸出又不斷增大，導(dǎo)致給煤量又有明顯的減少。可見，氧量校正能很好地彌補(bǔ)煤質(zhì)修正調(diào)節(jié)速度慢的缺點(diǎn)。
1.2 汽輪機(jī)主控
汽輪機(jī)主控主要是維持主汽壓力穩(wěn)定。為充分利用鍋爐蓄熱，減少機(jī)組功率的波動(dòng)，在主汽壓力設(shè)定值回路中加入了功率拉回回路(見圖3)。
功率拉回控制回路工作原理和CCSl模式的壓力拉回控制回路相似。在機(jī)組功率測量值超過設(shè)定值一定限度時(shí)，增加主汽壓力設(shè)定值，汽輪機(jī)調(diào)門為提升主汽壓力將向關(guān)方向動(dòng)作，降低主汽流量，將功率"拉回"設(shè)定值，此時(shí)主汽壓力增加，鍋爐蓄熱增加;相反，若機(jī)組功率測量值低于設(shè)定值一定限度，將減小主汽壓力設(shè)定值，汽輪機(jī)調(diào)門向開方向動(dòng)作，增加主汽流量，利用鍋爐蓄熱，提升機(jī)組功率。具體整定參數(shù)如圖3所示。
1.3 控制實(shí)例
圖4為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的CCS2控制曲線。圖4中，機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值為30OMW，主汽壓力設(shè)定值為16.7MPa，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間約9h。整個(gè)過程中煤質(zhì)變化基本分為3個(gè)階段:第1階段(約4h)，煤質(zhì)相對較好，給煤量在180t/h左右小幅波動(dòng);第2階段(約4h)，煤質(zhì)逐漸變差，煤質(zhì)修正系數(shù)逐漸減小(有一段時(shí)間滯后)，給煤量穩(wěn)定在新水平(210t/h)附近;第3階段，煤質(zhì)有一個(gè)突然變好的過程，引起機(jī)組負(fù)荷較大波動(dòng)。
在圖4的第3階段可明顯看到氧量控制和煤質(zhì)修正配合控制的作用:在煤質(zhì)突然轉(zhuǎn)好時(shí)首先反映在氧量上，由于氧量突然下降，在氧量控制作用下立即減煤(l5min內(nèi)煤量由212t/h減至187t/h);同時(shí)，煤質(zhì)修正計(jì)算出的煤質(zhì)修正系數(shù)緩慢增大，進(jìn)一步去減少給煤量。30min后，氧量、負(fù)荷恢復(fù)正常,k值、煤量穩(wěn)定在新的工況上。整個(gè)過程中k值變化范圍為0.75-0.87，對應(yīng)的煤量為175-212t/h，主汽壓力很穩(wěn)定(設(shè)定值和測量值基本重合)。第1、2階段機(jī)組有功功率基本滿足要求，第3階段，在煤質(zhì)突然大幅波動(dòng)時(shí)，負(fù)荷最高升至307MW，超過設(shè)定值7MW(超過了調(diào)度要求的±2%的目標(biāo))，但此時(shí)若在CCSl模式下，主汽壓力必然大幅升高，引起壓力拉回控制回路動(dòng)作，功率同樣要超調(diào)，并且還會(huì)引起其他主要參數(shù)值波動(dòng)。
綜上所述，CCS2模式下，在煤質(zhì)波動(dòng)相對穩(wěn)定時(shí)，控制指標(biāo)基本滿足要求;在煤質(zhì)波動(dòng)幅度大且變化快時(shí)，負(fù)荷最大超調(diào)量也可控制在l0MW內(nèi)。
二、CCS2模式存在的問題
2.1 機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度
因?yàn)闄C(jī)組負(fù)荷由鍋爐控制，不能滿足調(diào)度對一次調(diào)頻控制指標(biāo)的要求，主要表現(xiàn)在功率響應(yīng)速度慢一些，另外，機(jī)組升負(fù)荷率也達(dá)不到常規(guī)煤粉爐的要求，所以，調(diào)度下達(dá)升降負(fù)荷速率指標(biāo)時(shí)，有必要將CFB鍋爐和常規(guī)煤粉爐區(qū)別對待，經(jīng)實(shí)測，300MW CFB鍋爐升負(fù)荷率基本能達(dá)到3MW/min，但達(dá)不到調(diào)度下達(dá)的4MW/min的要求。
2.2 CFB鍋爐的防磨
一次風(fēng)從鍋爐布風(fēng)板底部進(jìn)入爐膛，因此對鍋爐燃燒影響特別大。為加快負(fù)荷響應(yīng)速度，曾嘗試用改變一次風(fēng)量來進(jìn)行控制，即在機(jī)組負(fù)荷大于設(shè)定值時(shí)，減小一次風(fēng)量，以減弱燃燒，達(dá)到快速降負(fù)荷的目的；在機(jī)組負(fù)荷小于設(shè)定值時(shí)，增加一次風(fēng)量，以增強(qiáng)燃燒，達(dá)到快速加負(fù)荷的目的。這樣修改后確實(shí)能加快負(fù)荷響應(yīng)速度，但因?yàn)镃FB鍋爐存在受熱面磨損的問題，頻繁改變一次風(fēng)量，將加快鍋爐的磨損，其結(jié)果很可能是得不償失，所以最后去掉了這個(gè)功能。鍋爐其他自動(dòng)控制方案中也應(yīng)盡可能采用一些手段來減輕對鍋爐受熱面的磨損。
三、結(jié)語
在相對較低的負(fù)荷時(shí)（112-240MW），為滿足電網(wǎng)需要，可使用CCS1,此時(shí)可將壓力拉回控制回路取消；高負(fù)荷時(shí)（超過240MW），為保證整個(gè)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，最好使用CCS2。
雖然CCS2能克服煤質(zhì)大幅波動(dòng)的惡劣工況，但也只能是基本可用。要真正提高CCS的調(diào)節(jié)品質(zhì)，燃煤來源廣泛的電廠需要增加混煤設(shè)施，盡量保證燃煤煤質(zhì)穩(wěn)定。另外，選擇業(yè)績良好的碎煤機(jī)，保證燃煤粒徑滿足設(shè)計(jì)要求，使燃煤在爐內(nèi)良好燃燒，也能在一定程度上提高CCS的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
