关于燃煤火电厂燃烧系统中在煤量控制精确度方面的研究和试验

关于燃煤火电厂燃烧系统中在煤量控制精确度方面的研究和试验

邢堃

中国能源建设集团华北电力试验研究院热工所 天津市河东区300171

摘要:在整个火电厂调试阶段，整套启动后的CCS系统调试尤为重要，控制的好坏与否直接关系到日后机组升降负荷以及正常运行的稳定和安全。其中，煤量的控制是控制系统中重要的组成部分，如果能在升降负荷中控制好煤量，既可以维持系统正常稳定运行，还可以减少资源的浪费，降本增效。

本文以东南亚某电厂的350MW超临界参数直流炉作为研究对象，对于该电厂机组的自动控制的构成、燃烧控制系统的组成及特性进行了分析。文章对机组的相关特性以及其控制原理作了简略概述，同时详细介绍了机组中所做的控制逻辑优化，主要包括锅炉燃烧控制系统的逻辑优化。最终通过对优化后运行曲线的分析，证明了控制效果达到了需求。

关键词： 燃烧控制系统煤量计算 风量计算 逻辑优化

一、概述

1.1 选题背景和意义

在现代的工业生产中，自动控制系统是不可或缺的重要组成部分。控制系统早在20世纪40年代就已被使用。从70年代开始应用以来，在包括石油、化工、冶金、汽车、通信、航空等领域，自动控制系统迅猛发展，随着自动控制理论和实践的不断完善，在各个非工业领域，自动控制系统也逐渐被引入，它的发展速度日渐上升。

DCS是分散控制系统Distributed Control System的简称，也被称为集散控制系统。它是一个集合了计算机，通讯，显示和控制的由过程控制和过程监控的计算机系统。DCS的设计理念是分散控制，集中管理，分级管理，配置灵活，组态方便。现在DCS在电厂控制中得到应用，极大的方便了机组运行人员，提高了控制系统的稳定。

1.2 火电厂的燃煤控制

电厂的控制系统设定十分繁琐,影响发电稳定的因素也不断增加。如今，火电厂的发电机组中有三大主要设备，锅炉、汽轮机以及发电机。其中，锅炉是发电机组里面的事件多发区、事故多发区，进而也会一定程度上影响整个发电机组的效率。因此，确保电厂锅炉的正常稳定的工作才能保证发电机组的整体效率。

现阶段，我国许多发电设备正常工作中所用的燃料，不仅不符合设备规定的燃料要求，而且以非优质燃料居多。发电企业设备在燃烧过程中，工作情况复杂多变，设备内的燃烧包括与热力相关的多种专业领域，燃料种类、燃料纯度以及所用设备优劣、风量等都会影响设备工作情况。在实际工作中，火电厂的锅炉设备燃烧系统效率的提升需要更进一步的研究。

1.3 本文的主要工作内容

本文以东南亚某火力发电厂的锅炉燃烧系统为例，分析该锅炉燃烧系统运行现状和物理结构特性，通过改进DCS的控制逻辑的方法对该电厂的锅炉燃烧系统进行优化，达到提升火电机组的稳定性和灵活性，实现节能减排，保证火电机组正常运行。

二、 火电厂燃烧控制系统设计概述

2.1 系统及设备概述

东南亚某电厂所使用的锅炉为东方锅炉厂有限公司生产的超临界参数直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、前后墙对冲燃烧方式Π型炉。锅炉的最大连续蒸发量与汽轮机的VWO工况匹配。锅炉最大连续蒸发量（BMCR)为1120.7t/h，额定蒸汽参数为25.4MPa(a)/571℃。

锅炉制粉系统采用三个固定磨辊装配的外加力型辊盘式磨煤机，一台炉配5台磨煤机，锅炉负荷性质及运行方式为带基本负荷。采用滑—定运行方式。

汽轮机为东方汽轮机有限公司生产，采用超临界参数、一次中间再热、高中压合缸、双缸双排汽、八级回热湿冷纯凝式汽轮机，设3台高压加热器、1台除氧器和4台低压加热器，额定功率350MW。额定工况主蒸汽压力24.2MPa、主汽/再热蒸汽温度566/566℃。

发电机为东方电机有限公司生产的水-氢-氢冷却、静态励磁发电机。

分散控制系统采用南京国电南自维美德自动化有限公司提供的MAX-DNA分散控制系统。其控制软件采用面向用户的图形语言，控制系统先进可靠。主要完成对FSSS系统、SCS系统、DAS系统和MCS系统等系统的逻辑控制、设备启停、模拟调节、数据采集、联锁保护、报警监视、参数监视和调整功能。

2.2 炉膛安全燃烧系统概述

2.2.1 燃烧控制系统的流程

火电厂的燃烧系统是通过燃料（主要是煤)在炉膛内燃烧，将燃料的化学能转化为热量的复杂系统。在整体的火电厂系统中它等于一个能量转换站，是全系统的能量来源。在燃烧系统中，存在着化学能转化为炉膛辐射能和辐射能向水冷壁辐射传热产生过热蒸汽的过程，控制着主蒸汽压力的稳定，同时，对于负荷要求的变化，通过改变送入炉膛燃料的量，来实现快速跟随负荷的变化。为了维持燃料在炉膛内稳定燃烧，满足炉膛压力的要求，需要通过引风机控制炉膛负压。

国内的大部分锅炉由于工艺水平的原因，导致炉膛密封性不好，所以采用微负压燃烧。炉膛的负压是通过调节送风电机与引风电机的转速来实现稳定的。炉膛负压过大会导致炉膛的火焰形状偏离炉膛中心，利用率低；炉膛负压过小则会导致向外跑火，酿成事故。因此，炉膛负压不仅影响锅炉的经济性，而且影响生产的安全性。

2.2.2 燃烧控制系统各参数作用简介

(1)主蒸汽压力

主蒸汽压力是衡量机-炉平衡的重要指标，入炉燃料量的变化会引起主蒸汽压力的波动。主蒸汽压力低于设定值表示蒸汽的消耗量高于锅炉的产汽量，即汽轮机的负荷需求加大；反之则表示蒸汽的消耗量下降，即汽轮机负荷需求减小。同时，在送风控制回路中，主蒸汽压力作为前馈信号，负荷发生变化的同时控制送风挡板动作，改变送风量。

(2)给煤量

对于燃煤机组来说，给煤量的准确度一直是难点，一般采用间接测量的方法，如：给煤机的转速或热量信号给煤量。但是给煤机得转速难以反映煤粉量的扰动，如燃烧所用的煤种等。因此常采用热量信号代替给煤量。给煤量必须和送风量按照一定的逻辑关系协同动作。

(3)送风量

送风量根据用途可分为一次风和旁路风，一次风是指将制粉设备中产生的煤粉送入炉膛的风量；旁路风是指在煤粉被一次风送入炉膛后，对煤粉起助燃作用所送入的风量。送风量与给煤量协调动作，且送风量应略富裕于给煤量。

(4)引风量

出于实际的国产锅炉生产工艺的考虑，大部分锅炉炉膛的气密性不尽人意，因此采用微负压运行较为合适。通过引风机与送风机出力的配合，将炉膛的整体压力控制为微负状态。一般的炉膛压力维持在比大气压力低20~50Pa左右。

(5)含氧量

烟气含氧量是锅炉安全、经济运行的指标。对于大型的锅炉来说，在高负荷控制低氧量而低负荷控制高氧量。锅炉氧量过高，锅炉的烟气量增大，由烟气带走的热量增加(称为排烟热损失)。热量过低，炉膛内燃烧氧量不充分，易产生一氧化碳，造成化学不完全燃烧热损失增加。再则炉膛内氧量不充分，还能造成炉渣和飞灰含碳量增加，使机械不完全燃烧热损失增加，因此，炉膛内最佳氧量应该是这三个热损失的和最低。

一般机组要求含氧量范围为0~10%。烟气含氧量(O2)的测量分左、右两侧，每侧采用双变送器测量，测量信号平均后送入氧量校正信号控制器与给定值做差。氧量校正信号控制器的给定值由蒸汽量经滑压运行的函数和定压运行的函数转变后产生，这两个函数关系由制造厂提供。

三、控制优化方案--磨煤机的算法优化

3.1 磨煤机简介

电厂所使用的MPS系列磨煤机是具有三个固定磨辊装配的外加力型辊盘式磨煤机。三个磨辊装配均匀布置在磨盘上，碾磨压力由液压缸提供，加载力通过加载架作用到三个磨辊装配和磨盘上，最终作用到基础上。在运行过程中，落到旋转的磨盘中间的煤在离心力作用下甩到磨盘瓦表面上，并通过磨辊进行碾压。

一次风从磨盘周围的喷嘴环喷出，它起到干燥和把磨盘上的碾碎物料吹到中架体上部分离器里的作用，在分离器里完成粗细粉的分离。符合要求的煤粉被吹走，不符合要求的煤粉将落回到磨盘重新进行碾磨。密封风用于磨煤机磨盘处、拉杆处和磨辊处的密封。

一次风机提供的风，从风机出来分为两路进入磨煤机。经过空预器后叫做热一次风，一路不经过空预器的叫冷一次风。其中，热一次风为磨煤机提供干燥出力和通风出力，将磨煤机磨好的煤粉干燥后携带煤粉进入到锅炉燃烧器。冷一次风与热一次风在磨煤机的入口处进行混合，起到调节磨煤机入/出口温度的作用，同时也是磨煤机通风出力的一部分。

3.2 原算法概述

燃料主控是根据当前燃料量的反馈来调整风量及煤量，以此达到控制总燃料量的一种控制方式。通过燃料量控制当前主控回路系统主要根据锅炉指令调节，加上可调节的偏置量，在负荷变动时先计算指令前馈，再与当前实际煤量计算出煤量偏差，按照实际磨煤机正在运行的容量风门个数输出调节指令，根据该指令控制各在运行磨煤机的容量风门和二次风调节挡板以此控制对应的煤量和风量。

锅炉主控是按照当前主蒸汽压力的反馈偏差来调整煤量。当设定压力与实际压力出现偏差时，通过锅炉主控中的PID对偏差进行计算，从而改变PID的输出指令，进而改变燃料主控指令，控制磨煤机进行相应的煤量增减操作，从而改变主汽压力的变化，直到压力等于设定值。

锅炉指令分为前馈指令和反馈指令，当机组的负荷目标值改变时，负荷指令也按照一定的速率变化，压力偏差前馈量通过前馈回路直接相加在锅炉输出的指令上，此外，负荷的变化量大小也按照一定比例输出给前馈回路。反馈指令由主蒸汽压力偏差通过PID计算得出。在正常工况及煤种质量符合设计的理想情况下，该指令变化很小。

原算法为：磨煤机的热一次风电动调节风门的被调量是磨煤机的入口一次风量。冷一次风电动调节风门的被调量是磨煤机的出口风粉混合物温度。两者都是通过PID自动控制器输出指令对风门的开度进行调节。

3.3 缺陷分析和算法改进措施

当磨煤机初启动时，热一次风携带的进入磨煤机的煤粉量较小，此时磨煤机的热一次风流量能较为客观的反映出当前的实际煤量，因此将热一次风流量带入计算实际所需煤量。但在机组运行过程中发现，随着机组负荷增加，当磨煤机冷一次风门时，风也会携带一小部分煤粉，实际入炉煤量的会多于设定煤量，这样对燃料量的计算存在一定偏差。热一次风门的开度增大也会使磨煤机的分离器风粉混合物温度升高，反过来影响冷一次风门开度继续增大。这样可能会导致实际风量和水量配比不均造成控制不稳，进一步影响整个协调系统的稳定。

此外，当燃料量发生变化时，磨煤机会提高功率增加进入炉膛的煤量，对应的蒸发量本应增加，但是增加这部分蒸汽量的热量实际会被锅炉蒸发受热面吸收，因此锅炉给出的蒸汽量并不会立刻增多。由于汽轮机主蒸汽调节阀开度保持不变，机前压力将会随着蒸汽的不断积累而增加随之产生。然而，机前压力变大由会导致进入汽轮机的蒸汽流量增加，这样也会引起机组负荷增加。

原逻辑中主要是未计算冷一次风所携带的煤粉导致对实际磨煤机风量和煤量的计算出现误差，由此可以对症下药。考虑到实际原因，在不改变原PID算法等情况下，将采取以下两种方法优化控制：

在磨煤机热一次风门风量控制中加入前馈，前馈函数为：当前给煤指令-冷一次风风门开度指令*0.2。这样不仅将冷一次风携带的煤粉量纳入计算范围，而且还保证了风量的计算更加准确，使热一次风门开度不会较大，降低对磨煤机的分离器风粉混合物的温度的影响。

将给煤量的变化作为微分作用于磨煤机热一次风门的指令中。加入微分可提高响应速度并抑制系统的超调和振荡。微分值根据实际情况试验之后定为72。

四、试验结果

在算法修改前后，进行了相应的负荷扰动试验进行验证，结合机组实际运行情况和调度相关要求，在合适的范围内改变机组负荷指令，系统按照预设负荷变化速率升降负荷。第一次由210MW降至180MW，第二次由180MW降至150MW。结果如下：

图1-原算法

图2-修改算法

从两组图中黄棕色燃料曲线观察可以发现，通过上述改进后，机组燃料量的波动有效减少。后期进行了多次升降负荷试验，修改后的煤量控制有了很大改善。证明了该解决方案有效，达到了预期的效果。

 总结

本文是以火电厂的燃烧控制系统作为研究对象，在不改变整个控制系统主体的情况下，通过在磨煤机的风量控制中添加新的控制参数的优化方法，增强了系统整体的稳定性，对其他类似问题有一定的参考价值。总之，问题要具体研究具体分析，重点在于解决实际问题,即使是简单的修改也需要多加验证。

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作者简介

邢堃，男，汉族，1997年出于山西省大同市，天津理工大学自动化专业本科毕业并获得工学学士学位，现任中国能源建设集团华北电力试验研究院热工所调试助理工程师。研究方向：炉内燃烧控制优化