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楊軍統(tǒng)（1968—）
男，安徽靈璧人，高級(jí)工程師，（安徽電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022）主要從事燃煤機(jī)組的自動(dòng)控制研究。
摘要：本文論述了采用北京國電智深公司生產(chǎn)的EDPF系統(tǒng)的CCS構(gòu)成、存在的主要問題及分析，并通過對(duì)135MW流化床機(jī)組CCS局部修改、優(yōu)化完善及參數(shù)調(diào)整，使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其子系統(tǒng)能長期可靠地投入自動(dòng)，保證本機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，并能經(jīng)受大幅度負(fù)荷變動(dòng)的考驗(yàn)（負(fù)荷變動(dòng)范圍60～100%BMCR，負(fù)荷變化率 2%/min），包括給煤機(jī)投切擾動(dòng)的考驗(yàn)，滿足電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）的要求。
關(guān)鍵詞：CCS；控制系統(tǒng)；流化床；AGC
Abstract: This paper discusses the CCS structure, main existing problems and analysis of EDPF system manufactured by Beijing State Grid Zhishen Company. Coordinated control system and its subsystems can remain long-term automatic, ensure the unit safe and stable operation, stand the test of substantial load changes (load change range: 60～100%BMCR; load change rate: ≥2%/min) including the test of coal feeder switching disturbance and meet AGC requirements by means of partial CCS modification of fluid bed unit 135MW, optimization and parameter adjustment.
Key words: CCS; control system; fluid bed; AGC
1 流化床AGC控制的現(xiàn)狀
從目前信息檢索結(jié)果來看，全國流化床機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制的已有少量，但尚未有投入AGC的報(bào)道，且仍未有協(xié)調(diào)控制的負(fù)荷變化率達(dá)到AGC運(yùn)行指標(biāo)要求的135MW流化床機(jī)組，即變負(fù)荷率達(dá)到1.5%Pe/min（2.0MW/min）以上。
華電六安發(fā)電有限公司一期建設(shè)兩臺(tái)135MW流化床燃煤發(fā)電機(jī)組，為安徽省首臺(tái)流化床機(jī)組，分散控制系統(tǒng)（DCS）采用北京國電智深公司研制的EDPF系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)也采用直接能量平衡控制策略。#1機(jī)組調(diào)試過程中對(duì)原設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致調(diào)整，但始終未能使該系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了直接能量平衡不適用于循環(huán)流化床鍋爐的控制。
2 協(xié)調(diào)控制技術(shù)難點(diǎn)
循環(huán)流化床鍋爐(CFB)具有燃燒效率高、污染低、燃料適應(yīng)性廣等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，但循環(huán)流化床鍋爐燃燒，即主汽壓力的控制問題已成為其推廣應(yīng)用的主要障礙。由于循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)非線性、時(shí)變、多變量耦合的控制對(duì)象，使得正常運(yùn)行時(shí)對(duì)于煤粉鍋爐行之有效的常規(guī)控制方法已難以滿足循環(huán)流化床鍋爐的各項(xiàng)控制，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）鍋爐側(cè)的遲延和慣性較大，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力差，主要表現(xiàn)在壓力的滯后。而且機(jī)爐在適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷上存在很大差異，鍋爐的慣性和遲延大，汽機(jī)的慣性和遲延較小，即“爐慢機(jī)快”。
（2）根據(jù)我國電網(wǎng)的技術(shù)要求，負(fù)荷穩(wěn)態(tài)控制精度±0.5%Pe,動(dòng)態(tài)控制精度±1.5%之內(nèi)。國外推薦采用TFCCS的控制方式即汽機(jī)調(diào)壓、鍋爐調(diào)功。顯然這種控制方式與上述我國對(duì)上網(wǎng)機(jī)組的控制要求不對(duì)應(yīng)，是不可取的。為了滿足電網(wǎng)對(duì)上網(wǎng)機(jī)組的要求，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)只能采用BFCCS方式，該方式下，鍋爐主控調(diào)節(jié)機(jī)前壓力，汽機(jī)主控調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷,鍋爐控制的主汽壓力和汽機(jī)控制的負(fù)荷精度均要符合要求,二者缺一不可。
（3）AGC聯(lián)調(diào)時(shí)機(jī)組升降負(fù)荷速率應(yīng)達(dá)到2.0%Pe/min（即2.7MW/min）以上，負(fù)荷最大動(dòng)態(tài)偏差應(yīng)控制在±1.5%Pe以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)負(fù)荷控制精度在±0.5%Pe以內(nèi)，主汽壓力穩(wěn)態(tài)控制在±0.25MPa以內(nèi),動(dòng)態(tài)偏差控制在±0.5MPa以內(nèi)。
（4）流化床床溫的最佳控制溫度為850～900℃，無論在穩(wěn)態(tài)還是在動(dòng)態(tài)其床溫要保持相對(duì)穩(wěn)定。
3 協(xié)調(diào)控制方案的實(shí)施
機(jī)爐在適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷上存在很大差異，鍋爐的慣性和遲延大，汽機(jī)的慣性和遲延較小，即“爐慢機(jī)快”。
從設(shè)計(jì)的控制方案來分析：按照上述的協(xié)調(diào)控制方案，鍋爐側(cè)的壓力控制器，根據(jù)不同負(fù)荷給定的主汽壓力設(shè)定值計(jì)算出的能量信號(hào)與熱量信號(hào)的偏差經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器形成鍋爐指令，給煤機(jī)根據(jù)指令不停地調(diào)整給煤量，而主汽壓力的變化則在十分鐘之后才能有明顯的變化，因此使用直接能量平衡的控制方案，鍋爐超壓就在所難免。
通過對(duì)流化床鍋爐的特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐主汽壓力控制是可以做到的，而且控制效果相當(dāng)理想。針對(duì)“爐快機(jī)慢”的特點(diǎn)，為了使兩個(gè)控制過程相匹配，采取以下控制策略。
3.1 改直接能量平衡為間接能量平衡
間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)方式采用負(fù)荷指令間接平衡，負(fù)荷指令經(jīng)幅值限制、速率限制等處理后同時(shí)作用于汽機(jī)主控、鍋爐主控和壓力定值形成回路，使負(fù)荷要求變化時(shí)，機(jī)、爐協(xié)調(diào)動(dòng)作并在機(jī)主控、爐主控和壓力定值形成的負(fù)荷指令回路中增加微分環(huán)節(jié)和多級(jí)慣性環(huán)節(jié)，使微分時(shí)間和慣性時(shí)間為鍋爐的慣性時(shí)間（包括熱量產(chǎn)生時(shí)間和蓄熱時(shí)間），保證機(jī)、爐動(dòng)作從時(shí)間上匹配。采用上述方法將機(jī)、爐有機(jī)地結(jié)合在一起，克服了汽機(jī)響應(yīng)速度快、鍋爐慣性時(shí)間長的矛盾，保證了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。
基于上述的間接能量平衡的原理確定了本機(jī)組的協(xié)調(diào)控制方案如下所述。
3.1.1鍋爐主控的控制方案
圖1 鍋爐主控原理圖
以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，其鍋爐控制指令由負(fù)荷指令前饋對(duì)應(yīng)的煤量、負(fù)荷指令微分、壓力給定的微分、負(fù)荷目標(biāo)值的微分及壓力調(diào)節(jié)器輸出構(gòu)成。
壓力調(diào)節(jié)器的主要作用是維持鍋爐在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，主汽壓力與負(fù)荷相適應(yīng)的主汽壓力定值。在機(jī)組變負(fù)荷的過程中，以實(shí)際負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)的實(shí)際瞬時(shí)煤量進(jìn)行粗調(diào)，鍋爐進(jìn)入滑壓控制，這時(shí)要求鍋爐壓力調(diào)節(jié)器延遲動(dòng)作，在延遲期內(nèi)不作調(diào)節(jié)，當(dāng)超出延遲期后動(dòng)作，根據(jù)鍋爐壓力的偏差修正鍋爐的給煤量。各種前饋起作用，維持鍋爐主汽壓力跟隨負(fù)荷的變化而增加鍋爐的出力，協(xié)調(diào)鍋爐與汽機(jī)出力的供需平衡。
3.1.2汽機(jī)主控的控制方案
BFCCS下的協(xié)調(diào)控制，汽機(jī)控制主要在于控制負(fù)荷，負(fù)荷指令由目標(biāo)負(fù)荷通過速率限制和限幅后加上一次調(diào)頻的動(dòng)作值而構(gòu)成，通過功率調(diào)節(jié)器運(yùn)算后作為調(diào)門的指令。
3.1.3床溫的控制
原設(shè)計(jì)中有床溫偏差對(duì)一次風(fēng)量的修正，但一次風(fēng)的控制是超調(diào)動(dòng)作的，必然導(dǎo)致床溫的變化，床溫高就要增加一次風(fēng)量，床溫低就要減少一次風(fēng)量，而主汽壓力要求的一次風(fēng)量的變化恰恰相反，從而導(dǎo)致故此失彼，減弱了壓力響應(yīng)效果。為此，本設(shè)計(jì)中取消床溫對(duì)一次風(fēng)量的修正，優(yōu)先滿足主汽壓力的要求，通過煤量的調(diào)節(jié)自然滿足床溫的相對(duì)穩(wěn)定。事實(shí)證明是完全正確的。
3.2 一次風(fēng)先行
循環(huán)流化床機(jī)組與正常的燃煤機(jī)組相比，其主要的蓄能來自兩個(gè)方面：一是汽包，二是是床料的蓄能。通過對(duì)一次風(fēng)的擾動(dòng)試驗(yàn)來看，驗(yàn)證了流化床鍋爐的大遲延、大慣性的特點(diǎn)。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果也看到了床溫及床壓的變化，尤其是床溫的變化很明顯，這是必然的，但如果能及時(shí)補(bǔ)充煤量，隨著能量的相對(duì)平衡，床溫即可能維持相對(duì)的穩(wěn)定。由此得出結(jié)論：一次風(fēng)的增減直接影響流化床鍋爐的流化效果，直接導(dǎo)致鍋爐出力的大小，這對(duì)機(jī)組的變負(fù)荷的影響明顯。這是機(jī)組協(xié)調(diào)控制的主要手段和基礎(chǔ)，離開這一點(diǎn)變負(fù)荷無從談起。
圖2 一次風(fēng)控制原理圖
根據(jù)一次風(fēng)擾動(dòng)試驗(yàn)可知，一次風(fēng)擾動(dòng)量對(duì)主汽壓的影響無論大小及響應(yīng)速度都是十分明顯的。用鍋爐主控指令取微分作為前饋加在一次風(fēng)的指令中，讓一次風(fēng)率先超調(diào)動(dòng)作，改變鍋爐的流化效果，讓流化床釋放或吸收鍋爐的蓄熱，使主汽壓力實(shí)際值跟隨主汽壓力給定值的變化，隨后鍋爐指令改變給煤量，維持床溫的相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到機(jī)組能量的相對(duì)平衡，滿足機(jī)組負(fù)荷的變化。
4 協(xié)調(diào)控制主要對(duì)策及實(shí)施過程
4.1 投運(yùn)順序
其投入順序?yàn)橐L(fēng)自動(dòng)→送風(fēng)自動(dòng)→一次風(fēng)自動(dòng)→給煤機(jī)自動(dòng)→給煤主控自動(dòng)→鍋爐主控自動(dòng)→汽機(jī)遙控→汽機(jī)主控自動(dòng)→AGC→DEH一次調(diào)頻和DCS一次調(diào)頻同時(shí)投入。
先投入鍋爐主控自動(dòng)，再投入汽機(jī)主控自動(dòng)，機(jī)組進(jìn)入以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。
先投入汽機(jī)主控自動(dòng)，再投入鍋爐主控自動(dòng)，機(jī)組進(jìn)入以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。
本次設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制涵蓋了目前所有的控制方式，其中主要采用的是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，即鍋爐調(diào)壓汽機(jī)調(diào)功。
投運(yùn)協(xié)調(diào)控制必須投入一次風(fēng)的自動(dòng)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的根本思路是利用一次風(fēng)的動(dòng)作改變鍋爐的蓄熱，主要就是床上的能量來適應(yīng)變負(fù)荷的壓力變化，同時(shí)改變給煤量維持床溫的相對(duì)穩(wěn)定。
4.2 參數(shù)整定原則
在參數(shù)調(diào)整中主要考慮到壓力目標(biāo)值的前饋和壓力修正的匹配問題。穩(wěn)態(tài)時(shí)主要靠壓力修正維持鍋爐主汽壓力的穩(wěn)定，尤其是在煤質(zhì)發(fā)生較大變化的時(shí)候兩者的矛盾尤為突出。
針對(duì)流化床鍋爐的大遲延、大慣性的特點(diǎn)，如何解決壓力響應(yīng)慢的問題，如何加快流化床鍋爐的壓力響應(yīng)，是決定整個(gè)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)品質(zhì)好壞關(guān)鍵的關(guān)鍵。根據(jù)鍋爐特性試驗(yàn)的結(jié)論，堅(jiān)持一次風(fēng)先行是整個(gè)變負(fù)荷過程的關(guān)鍵步驟。如果一次風(fēng)的前饋參數(shù)整定得當(dāng)，壓力響應(yīng)快，壓力修正的作用相對(duì)削弱而其壓力目標(biāo)值的前饋就可以相對(duì)加強(qiáng)，從而整個(gè)機(jī)組的響應(yīng)也就加快了。
本著此原則，一次風(fēng)的鍋爐指令前饋微分時(shí)間要相對(duì)適中，不能太長以達(dá)到指令響應(yīng)迅速的目的。鍋爐指令的壓力修正指令加大微分的作用，加大了預(yù)見性。
5 AGC方式下的負(fù)荷跟隨試驗(yàn)
分別選擇速率為2MW/min、2.7MW/min，目標(biāo)負(fù)荷的變動(dòng)量為10MW進(jìn)行拉動(dòng)。機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)在70%～100%Pe工況下、機(jī)組按滑壓方式運(yùn)行時(shí)進(jìn)行。
負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)收品質(zhì)指標(biāo)即主要參數(shù)允許偏差參照《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》中負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的品質(zhì)指標(biāo)，具體見表1中“允許值”一項(xiàng)所示。
表1 變負(fù)荷擾動(dòng)下機(jī)組主要自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo):
上表中的數(shù)據(jù)表明：在運(yùn)行范圍（60～135MW）內(nèi)，機(jī)組升降負(fù)荷速率達(dá)到2%Pe/min，最大動(dòng)態(tài)偏差1%Pe以內(nèi)，試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)負(fù)荷控制精度在±0.5%Pe以內(nèi)。
6 AGC投運(yùn)一年來的情況調(diào)查
目前機(jī)組處于AGC自動(dòng)位，滑壓運(yùn)行。
2007年7月6日對(duì)1#機(jī)組的運(yùn)行情況作了檢查，分別就2007年06月28日05時(shí)50分到28日8時(shí)30分,負(fù)荷從75MW到110MW和2007年07月02日23時(shí)26分到3日2時(shí)06分,負(fù)荷從135MW到90MW各主要參數(shù)的變化情況作了分析，調(diào)查結(jié)果見表2。具體分析如下：
2007年06月28日05時(shí)50分到28日8時(shí)30分和2007年07月02日23時(shí)26分到3日2時(shí)06分, 負(fù)荷從75MW到110MW和負(fù)荷從135MW到90MW, 歷時(shí)160分鐘。AGC自動(dòng)位，負(fù)荷變化率為1.8MW/min。經(jīng)過10到13個(gè)階躍6到8個(gè)鋸齒波，上下增減，階躍幅值在5MW到10MW之間，從AGC自動(dòng)位負(fù)荷指令的變動(dòng)來看，無論負(fù)荷、主汽壓力、床溫、床壓、爐膛負(fù)壓、汽包水位、氧量控制都在控制的允許范圍內(nèi)。
表2 AGC自動(dòng)位的各主要參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo):
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)