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作者：劉俊杰，侯偉軍，程江濤（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310000）

摘要：本文主要針對熱電廠鍋爐雙引風機變頻控制運行無法實現(xiàn)出力動態(tài)自動平衡調(diào)整的問題，提出了一種基于和利時DCS實現(xiàn)的實時動態(tài)自平衡的優(yōu)化控制方法，解決了熱電廠鍋爐各種負荷情況下雙引風機自動運行時同步控制出力的不同導(dǎo)致耗能增加，機組的整體運行效率受影響的問題。經(jīng)過現(xiàn)場實際應(yīng)用驗證，雙引風機動態(tài)出力不平衡的問題得到改善，此方案滿足了現(xiàn)場優(yōu)化節(jié)能的控制需求。

關(guān)鍵詞：熱電廠；雙引風機；動態(tài)自平衡控制；和利時DCS；優(yōu)化控制

Abstract: Aiming at the problem that the variable frequency control  operation of double induced draft fans in thermal power plant boiler can  not realize the dynamic automatic balance adjustment of output, this  paper puts forward a real-time dynamic automatic balance optimization  control method based on Hollysys DCS. This method solves the problem  that the energy consumption increases and the overall operation  efficiency of the unit is affected in the synchronous control but different  output of double induced draft fan under automatic operation in various  boiler loads. After practical application，the problem of double induced  draft fan dynamic output imbalance has been improved by the optimal  control method, and this scheme meets the control requirements of  field optimization and energy saving.

Key words:  self-balancing control; HollsSys DCS; Optimal control Thermal power plant; Double induced draf

1　引言

熱電廠在運行期間不僅提供高品質(zhì)蒸汽用于供熱或工業(yè)生產(chǎn)使用，還需要將剩余的熱能進行發(fā)電。鍋爐作為主要產(chǎn)熱設(shè)備，其運行的穩(wěn)定性直接影響到供熱品質(zhì)和發(fā)電量，以及消耗的燃煤資源是否得到充分高效的利用[1,2]。因與火力發(fā)電廠不同，對外界需要供熱能，但熱能的需求量又不固定，導(dǎo)致鍋爐負荷頻繁調(diào)整，相應(yīng)的運行控制難度增加，這就需要更高的自動化程度，適用范圍更寬的控制系統(tǒng)和控制方案，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、能源的高效利用[2]。熱電機組為提高熱源提供的穩(wěn)定性及可靠性，其鍋爐主要輔機，如引風 機、一次風機等通常均采用雙列配置，即兩臺并列同幅度調(diào)節(jié)運行，保證單臺輔機跳機后不至于引發(fā)停爐，但由于機組具體工況有所差異，經(jīng)常出現(xiàn)兩臺輔機的出力不同而增加能耗。本文對鍋爐在負荷頻繁調(diào)整時雙引風機變頻控制過程中無法實現(xiàn)出力平衡動態(tài)自動調(diào)整的問題進行了分析研究，基于和利時DCS設(shè)計了一種可以實現(xiàn)出力動態(tài)自平衡調(diào)整的優(yōu)化控制方案，為實現(xiàn)雙輔機設(shè)備出力平衡運行的控制需求奠定了基礎(chǔ)。

2　常規(guī)雙引風機自動控制方案

引風機是維持鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要輔機設(shè)備之一，主要用于排出爐膛內(nèi)產(chǎn)生的煙氣，并使爐膛內(nèi)維持一定的負壓，克服尾部煙道內(nèi)的壓力損失（包括除塵器）。鍋爐爐膛負壓的穩(wěn)定直接影響鍋爐的燃燒效率[2]。在熱電機組選型設(shè)計時，對于主要輔機選型都遵循兩臺輔機是同廠同型號，但由于機組運行時具體工況或安裝限制等狀況有所差異，經(jīng)常出現(xiàn)兩臺引風機的開度相同而出力不同，其中一個明顯標志就是兩臺風機的工作電流值不同。出力偏差的存在，導(dǎo)致在自動調(diào)節(jié)過程中無法快速應(yīng)對負荷波動，當接近滿負荷時，無法滿足工況運行控制的要求。

在鍋爐正常生產(chǎn)運行中常規(guī)爐膛負壓自動控制系統(tǒng)中通常采用一個PID同步控制2臺風機變頻手操器的控制方案[2,3]，為了確保兩臺風機出力平衡，在手操器上均設(shè)置了輸出調(diào)整偏執(zhí)，即當兩臺輔機都投入自動運行時，在調(diào)節(jié)過程中，若兩臺風機開度不一致時或出力（電流）不一致，運行監(jiān)控人員可通過手操器調(diào)整偏執(zhí)輸出△OUT，將開度偏差反向疊加到兩臺風機的調(diào)節(jié)指令A(yù)V上，若一臺輔機的出力小于兩臺風機出力的平均值，則增加這臺輔機的調(diào)節(jié)指令，同時減小另一臺風機開度指令值，最終使兩臺風機實際出力接近相等。如式（1）、（2）所示：

 AV1=PID（AV）+△OUT 　　　 　（1）

 AV2=PID（AV）-△OUT 　　　　　（2）

式中，AV1：1#引風機的變頻手操輸出指令。

          AV2：2#引風機的變頻手操輸出指令。

                      PID（AV）：爐膛負壓控制PID自動控制輸出。

    △OUT：變頻器手操輸出偏執(zhí)指令。

雖然此種運行方式可以一定程度解決雙輔機出力不平衡的問題，但這種運行模式下存在兩個主要問題，一是運行監(jiān)控人員需實時關(guān)注兩臺輔機的運行情況，并及時調(diào)整運行指令 ；二是運行監(jiān)控人員手動調(diào)節(jié)偏差指令時，首先需要根據(jù)經(jīng)驗人為判斷出調(diào)節(jié)偏差指令的大小，同時還需頻繁手動將指令輸入值手操器中。因此，這種操作模式勞動強度大，控制精度低，運行擾動大，同時還需要操作人員有相應(yīng)運行經(jīng)驗，否則不僅影響到機組的穩(wěn)定運行，而且使得機組無法快速響應(yīng)負荷擾動或高負荷運行，不能滿足機組高效穩(wěn)定生產(chǎn)運行控制的需求[3,4]。

3　基于出力動態(tài)自平衡優(yōu)化的雙引風機控制方案

3.1　優(yōu)化控制方案介紹

針對上文所述風機平衡出力運行問題，借助和利時在電力行業(yè)的項目經(jīng)驗，進行了多個項目現(xiàn)場實際 情況調(diào)研及用戶生產(chǎn)運行的需求分析，采取了在常規(guī) PID控制的基礎(chǔ)上進行了雙引風機動態(tài)自平衡控制方案 的優(yōu)化設(shè)計，改進后的控制原理框圖如圖1所示。

圖1 雙引風機出力自平衡控制原理框圖

整體爐膛負壓雙引風機自動控制原理框架仍與常規(guī)控制基本一致，不同的是在每臺引風機的變頻手操控制前單獨增加出力平衡自調(diào)整優(yōu)化功能塊OPT_BAL，此功能塊通過讀取自身及對應(yīng)并列風機的電流值、運行頻率、運行狀態(tài)等信號自行判斷自身風機是否運行在最優(yōu)的狀況下，如果發(fā)現(xiàn)風機運行存在出力偏差，則可以在保證對機組運行狀態(tài)擾動最小的情況下完成實時自動調(diào)整，降低操作人員勞動強度，提高運行穩(wěn)定性，并且還可以根據(jù)不同機組、不同運行狀態(tài)、不同場合需求進行參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)了雙引風機的出力平衡的全程自動控制，且有較高適用性。

3.2　優(yōu)化功能塊功能和運行模式介紹

通過對雙引風機出力平衡控制的需求及控制難點進行分析，借助和利時DCS的HOLLiAS MACS V6.5可自定義功能塊功能，設(shè)計專門的平衡優(yōu)化控制功能塊OPT_BAL。通過這種自定義功能塊的方式，可方便實現(xiàn)雙引風機或其它雙輔機自動平衡優(yōu)化控制邏輯的組態(tài)設(shè)計與現(xiàn)場調(diào)試，便于同類工程的重復(fù)使用和操作，提高組態(tài)設(shè)計標準化及調(diào)試的效率，此功能塊可實現(xiàn)雙輔機設(shè)備的多種模式的優(yōu)化自動平衡控制，以達到熱電廠生產(chǎn)的多場景運行的使用需求。輸入和輸出信息如圖2 所示。

圖2 平衡優(yōu)化控制功能塊設(shè)計圖

根據(jù)運行實際需求可以通過參數(shù)修改實現(xiàn)四種模式的控制方式，常見的控制輸出可為變頻器、液力耦合器和擋板門等可連續(xù)調(diào)節(jié)的雙輔機設(shè)備。詳細控制模式描述如下：

模式1，同步同調(diào)控制模式。在雙引風機變頻調(diào)節(jié)時，當投入自動時，每臺風機頻率控制輸出，直接跟蹤 PID輸出值，即輸出兩臺風機前一周期的頻率輸出值和的平均值。同步調(diào)節(jié)，即當設(shè)定值與被調(diào)量存在偏差時，無論大小均進行同步調(diào)節(jié)輸出，兩臺風機變頻器在控制輸出時時刻保持輸出一致，不考慮電流因素，默認頻率信號一致、出力一致。此種模式主要是投入自動時風機頻率調(diào)整導(dǎo)致擾動，使用場合受限，目前很少現(xiàn)場應(yīng)用。

模式2，異步同調(diào)控制模式。在兩臺風機運行中，初步考慮了出力平衡，操作員根據(jù)風機實際運行狀況，通過電流值反饋，手動偏執(zhí)調(diào)節(jié)到兩臺風機出力接近平衡位置，投入自動，此時兩臺風機變頻輸出存在一定偏差。同步調(diào)節(jié)，當投入自動后，偏差不會消失，兩臺風機會跟蹤PID輸出的增量變化，同增或同減，并且操作員可以手動隨時調(diào)整偏差大小。此種模式在投退自動時不會產(chǎn)生系統(tǒng)擾動，也是目前常規(guī)現(xiàn)場應(yīng)用最多的控制方案。但鍋爐不同負荷時風機的出力偏差通常是不固定 的，需要人工調(diào)整。

模式3，異步異調(diào)輸出平衡控制模式。同樣在兩臺風機運行中，操作員操作變頻器或液偶過程中存在輸出偏差，當投入自動時，兩臺風機不會如模式1直接調(diào)平導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，而是自動判斷PID輸出，當輸出增加時，自動將增加量僅加到輸出頻率小的設(shè)備上，輸出減小時則相反，直到兩臺風機輸出接近均值，再進行同步調(diào)節(jié)，跟蹤PID的輸出增量值。此種模式在投退自動時同樣不會對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，逐漸將兩臺風機不平衡的輸出調(diào)至接近平衡狀態(tài)。可用于無電流反饋或電流反饋不準確的現(xiàn)場，根據(jù)兩臺風機的輸出實現(xiàn)無擾平衡調(diào)節(jié)。

模式4，異步異調(diào)出力平衡控制模式。同樣在兩臺風機運行中，操作員通過電流反饋考慮出力平衡，操作變頻器或液偶存在輸出偏差，當投入自動時，兩臺風 機輸出變化如模式3，自動判斷PID輸出，當輸出增加時，自動將增加量僅加到出力（電流）小的風機頻率的設(shè)備上，當減小時則相反，直到兩臺風機出力接近均值，則再進行同步調(diào)節(jié)，跟蹤PID的輸出增量值。此種模式在投退自動時不會對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，逐漸將兩臺風機出力不平衡的狀態(tài)調(diào)至接近平衡狀態(tài)。此種模式目前在現(xiàn)場需求較多，電流比較準確，但是無法時刻保證出 力平衡。

另外本功能塊還考慮了一些特殊情況，在模式3和模式4運行時，不會無限制地進行平衡調(diào)整，會增加一些條件，即當鍋爐負荷變動PID運行SP與PV偏差超過限制值時則立刻轉(zhuǎn)入同步調(diào)節(jié)模式，先保證系統(tǒng)穩(wěn)定， 當偏差較小時再進行平衡調(diào)節(jié)。在模式4中也有多層調(diào)節(jié)，當兩臺風機因出力平衡調(diào)節(jié)輸出頻率偏差輸出，當頻率控制輸出偏差超過限制值時則不再繼續(xù)進行偏差調(diào)節(jié)，考慮到現(xiàn)場設(shè)備具體情況，即使是同種型號設(shè)備，也無法達到理想平衡輸出，總會存在一定的出力偏差（如電流測量不準等因素），防止了調(diào)節(jié)出力平衡導(dǎo)致一臺風機頻率輸出過大，一臺輸出過小，仍無法實現(xiàn)出力平衡的情況。

4　優(yōu)化控制實際應(yīng)用效果

本文將以上優(yōu)化控制方案應(yīng)用于陜西錦界某化工廠熱電部2臺480t/h直吹式煤粉爐（單臺最大發(fā)電量為 125MW）爐膛負壓雙引風機自動調(diào)節(jié)回路中，采用的是模式4控制方式，調(diào)節(jié)曲線如圖3所示。圖中紫色和黃色分別為兩臺風機的電流，運行中同頻率時最大偏差超 過10A，平均超過6A。在調(diào)試過程中因考慮出力平衡限 制條件苛刻，設(shè)置出力平衡為±1A以內(nèi)，且對兩臺引風機輸出偏差過大切除自平衡限制寬泛，導(dǎo)致兩臺風機輸出因出力偏差大，不斷進行調(diào)整，最終出力調(diào)整到滿足出力平衡，但輸出偏差過大（白色和藍色為兩臺風機變頻器輸出指令），不符合現(xiàn)場運行要求。

圖3 雙引風機出力動態(tài)自平衡調(diào)節(jié)過程趨勢圖

 圖4 雙引風機動態(tài)自平衡調(diào)節(jié)運行趨勢圖

通過對現(xiàn)場情況實際分析，調(diào)整限制值，使得現(xiàn)場兩臺風機輸出偏差在限制范圍內(nèi)實現(xiàn)出力，實時調(diào)整接 近平衡，從而滿足系統(tǒng)運行穩(wěn)定降低能耗的需求。經(jīng)過多次調(diào)試，觀察鍋爐負荷波動中對出力及雙引風機輸出的影響，最終得到如圖4的運行效果。圖4為雙引風機在優(yōu)化雙平衡自動控制情況下的9小時運行曲線，在雙引風未投入自動雙平衡前情況下負荷波動會導(dǎo)致爐膛負壓波動經(jīng)常超過±180Pa，投入優(yōu)化自動平衡后爐膛負壓波動維持在±80Pa。出力動態(tài)自平衡調(diào)節(jié)過程，原雙引風機電流偏差為＞6A，經(jīng)過優(yōu)化控制調(diào)整后電流偏差＜3A，達到了爐膛負壓穩(wěn)定且引風機出力動態(tài)自平衡的功能，滿足了現(xiàn)場的負荷變動且出力平衡的需求， 得到用戶的認可和好評。

5　結(jié)束語

能源與環(huán)境問題已是全球關(guān)注的焦點問題，熱電聯(lián)產(chǎn)因蒸汽冷源損失低、熱效率高的優(yōu)勢已成為國內(nèi)外公認有利于環(huán)保、節(jié)能、增加電力供應(yīng)的重大有效措施[4]。隨著工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，機組容量增大，自動控制水平 提高，不僅要求減少運行成本，減輕運行人員的勞動強度，保證機組的安全運行，更要求實現(xiàn)更為先進智能、 適用范圍更寬、功能更為完備的優(yōu)化精細自動控制方案及系統(tǒng)[5]。本文通過分析雙引風機在并列運行時出力不平衡的問題，進行了控制方案的優(yōu)化，編寫了專用功能塊，實現(xiàn)了雙輔機出力動態(tài)自平衡的控制功能，取得了一定的成果，希望能為今后實現(xiàn)鍋爐或其它工藝雙輔機設(shè)備出力動態(tài)自平衡自動控制提供參考。

作者簡介：

劉俊杰（1986-），男，河北邢臺人，工程師，碩士， 現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，主要從事電廠熱控過程自動化控制、燃燒優(yōu)化等方面工作。

侯偉軍（1981-），男，河北石家莊人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，主要從事電廠熱控過程自動化控制、燃燒優(yōu)化等方面工作。

程江濤（1979-），男，河北石家莊人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，主要從事工業(yè)過程自動化控制、優(yōu)化控制等方面工作。

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摘自《自動化博覽》2021年8月刊