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案例頻道 摘要：針對超超臨界燃煤機組協調控制系統(CCS)的幾個關鍵技術問題進行分析，著重解決機快爐慢及煤質變化對機組響應的問題。打破常規，具體問題具體分析，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、水、煤的整體調節作用，加快鍋爐的響應能力。在煤質變化的過程中同步修正經驗曲線，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的情況發生。適應中國電網對機組的考核要求，不以犧牲負荷調節幅度、速率及響應時間為代價，確保機組安全的前提下，滿足電網的需求。
關鍵詞：機快爐慢；煤質變化；鍋爐加速
目前，很多煤商為了追求經濟利益，導致我國發電用煤的煤質變化很大，不僅不能按照設計煤種用煤，有煙煤無煙煤混燒，甚至到了有煤就不錯的地步。而我國電網對上網機組的考核指標是電網負荷的響應幅度與速率和一次調頻能力，因而機組協調控制方式主要采用以鍋爐跟隨為基礎的協調控制，即鍋爐控制機前壓力，汽機通過調門控制機組的負荷。現在隨著電力技術的發展，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。直流鍋爐由于沒有汽包，在熱態時需要維持一定的過熱度，這樣就存在過熱度與主汽壓力相互耦合的問題，具體體現在水與煤的相互耦合問題。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”，整個機組既不能滿足電網負荷的控制精度要求，又不能保證機組鍋爐的安全性，危及到發電機組的安全運行。
如何加快鍋爐的響應能力尤其在煤質變化的情況下自動適應鍋爐的響應能力，滿足電網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調控制系統就幾個關鍵技術問題進行分析，運用類比分析、試驗驗證，采用了一些新的技術，合理有效地解決了鍋爐響應緩慢，特別是煤質變化的難題，取得了不錯的效果。下面就從幾個方面來逐一剖析問題所在及處理手段。
1 鍋爐主控的構成
目前鍋爐控的設計方案各家不盡相同，總體來講筆者認為還是以負荷定煤量、以煤量定水量、以煤量定風量為最佳，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講，整個協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重要，它直接決定了整個鍋爐響應的快慢進而決定了協調的好壞。
從機組變負荷的整個過程來分析，在升負荷的起始階段汽機為了響應機組負荷的響應開大調門，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，調門開啟后主汽壓力開始下降，隨著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生壓力的明顯提升，隨著調門的不斷開啟，壓力給定值與實際壓力的偏差在不斷拉大，調門的開大就變得無濟于事，負荷的偏差就隨著主汽壓力偏差的拉大而加大，最終導致壓力、負荷超差，反之在降負荷的過程中亦然。
超臨界直流直吹鍋爐發展到今天，采用間接能量平衡構建鍋爐主控指令已經達成共識，鍋爐主控的構成采用并行雙前饋，具體地講就是靜態前饋和動態前饋。動態前饋和靜態前饋的提速無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 靜態前饋的提速
從現在來看無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。為了解決這個矛盾對鍋爐指令中的機組負荷指令進行修改，從時間上解決鍋爐響應的滯后問題。靜態前饋的構成：傳統意義上的靜態前饋是汽機的負荷指令通過折線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行鍋爐動作，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前饋，用目標負荷通過對當前變負荷速率根據升降負荷不同的工況進行放大處理，達到先于負荷動作的目的，克服鍋爐的遲延與滯后。
1.2 動態前饋的提速與量值的修正
過去很多對于負荷動態前饋的處理方法都是采用負荷指令的微分來構建，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非常明顯。例如不能夠在AGC方式下滿足各種負荷變動幅度的需求，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聯再經過細化量化構成負荷的動態前饋，形成真正意義上的負荷動態前饋，確保AGC各種工況的需求，滿足各種指標。
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函數形成定-滑-定的主汽壓力的給定值，然后經過運行人員設定的速率限制形成主汽壓力指令。
針對慣性環節較大的鍋爐，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節而形成的。
圖3 給煤指令與給煤流量的關系
圖4 小機指令與給水流量的關系
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多非線性多耦合的鍋爐，這一點從筆者試驗中取得的煤水線性關系來看很明顯。圖3 給煤指令與給煤流量的關系圖4 小機指令與給水流量的關系
這兩幅曲線是在協調從600MW到400MW變負荷的情況下取到的實際數值曲線，從上面不難看到，當煤的流量呈線性變化，給水的變化則表現出強烈的非線性變化。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調。
圖5 鍋爐主控壓力調節器變參數
3 水、煤協調
3.1 水、煤時間上的匹配
鍋爐控制的關健取決于風、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，困擾協調控制的主要難題就是“機快爐慢”，對中間點溫度的影響來說是“水快煤慢”、 而對主汽壓力的影響來說是“水快煤慢”。如何讓鍋爐安全地快起來，如何在煤質變化同時依然保證合適的過熱度的情況下快起來，是整個控制的重中之重。
由于直流鍋爐沒有汽包，鍋爐的蓄熱量較小，制粉系統采用的是直吹式，煤從原煤斗下來經過給煤機送到磨煤機中。磨煤機制出粉后熱一次風送到爐膛發生物理化學反映，釋放出熱量后再經過水冷壁被水汽吸收，直接表象為汽壓的變化，煤對汽溫作用是與汽壓同向的。對于水來講則是給水流量變化經過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節，讓水的動作始終滯后于煤的動作，也就是說讓煤先動，確保過熱度與主汽壓力在時間上的匹配。與此同時，強調風、水、煤在鍋爐指令的統一指揮下同步動作，從而達到鍋爐快起來的設想。既保證氧量、過熱度、主汽壓力又滿足電網的負荷需求，比較理想地解決了給煤與給水的耦合問題。
圖6 分離器入口過熱度控制
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函數對應水的指令，也就是說水相對穩定，可變量主要還是煤的變化。
一般來講“水調壓、煤調溫”，這就是說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的問題，為了在煤質變化頻繁劇烈的情況下，保持過熱度的穩定就要水煤同時聯調。在煤質好的情況下，過熱度上升，加水減煤；在煤質差的情況下，過熱度降低，這時就要減水加煤進行調節。
因為煤質變化，水煤聯調穩定過熱度而導致主汽壓力的變化，水煤比發生變化，對應的鍋爐主控適時改變調整，這時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，鍋爐調節器以煤帶水的給水量經過三節慣性環節抵消過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，指揮磨煤機熱風的開大關小，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關鍵。鍋爐開始加負荷時，磨煤機熱風調整門的前饋信號增大，開啟熱風調整門，吹出磨煤機內剩粉，直接增大了進入爐膛的煤粉量，有效地降低了制粉系統的制粉遲延。鍋爐減負荷的過程與此相似。
因此對制粉系統給煤自動，磨熱冷風門自動應盡可能多地投入，隨著負荷的提高適時加大自動投入，滿足機組的需求，盡可能減少人為干預。
5 結語
通過大量試驗與分析，借鑒了各種爐型，特別是循環流化床煤質變化的協調控制機理，超超臨界直流鍋爐煤質變化的問題得以解決。
在此特別強調的是本課題的研究是在BF協調控制的基礎上，依據國家頒布的試驗規范進行，不以犧牲負荷的變動幅度和變動速率為前提條件，沒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。
現場測試中發現磨煤機熱、冷風門的質量存在比較大的問題，熱風門漏風的情況比較嚴重，這樣相對冷風門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流量特性的測試整定，二者直接關系到負荷、主汽壓力的控制精度。目前汽輪機閥門流量特性測試與整定開展得比較普遍，收到的效果也很明顯。據網上查詢，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，但這個問題應該得到重視，并且是可以解決的。
楊軍統（1968-）
男，漢，安徽宿州人，畢業于東北電力大學熱自專業，學士學位，高級工程師，現就職于安徽省電力科學研究院熱控自動化所，長期從事火電廠煤質變化自適用協調控制研究。
摘自《自動化博覽》2012年第三期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號