300MW循环流化床锅炉控制技术

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  本办法适用于专题技术报告的编制300MW循环流化床锅炉控制技术探讨赵银王寿福云南大唐国际红河发电有限责任公司云南开远661600摘要循环流化床CirculatingFluidizedBed以下简称CFB锅炉技术作为一种清洁燃煤技术由于其排放污染低燃料适应性广燃烧效率高及负荷适应能力强等优点得到了迅猛的发展使CFB锅炉日趋大型化然而CFB锅炉的燃烧调节异常复杂和控制之困难也给CFB锅炉的推广起着严重的制约作用所以迫切地需要对CFB锅炉的控制技术进行深入研究关键字CFB锅炉燃烧风量煤量风煤比调节FSSSＭＣＳ一次风二次风高压流化风炉膛１前言CFB属于低温燃烧氮氧化物排放远低于煤粉炉并可实现燃烧中直接脱硫脱硫效率高且技术设备简单和经济可通过燃料自身含钙量进行自脱硫如煤质含钙量较低需再加入少许的石灰石控制最终的烟气含硫量减少对环境的污染其脱硫的初投资及运行的成本远低于煤粉炉加FGD排出的灰渣活性好易于实现综合利用无二次灰渣污染CFB锅炉可以将煤矿挑选剩下的煤矸石劣质煤煤泥作为燃料来发电大型CFB锅炉的热效率普遍达90以上如今目前300MWCFB锅炉热效率典型设计为928锅炉负荷可在30～100内不投油稳定运行负荷变化响应速率可达5～10ECRMIN比常规煤粉炉负荷变化速率3～5ECRMIN高从上面可看出CFB锅炉技术相对常规锅炉来说是很有发展前途的一种燃烧技术在我国目前环保要求日益严格煤种变化较大和电厂负荷调节范围较大的情况下CFB成为发电厂和热电厂优选的技术之一CFB燃烧技术已被运行实践证明是可靠的洁净煤燃烧技术受到大家的格外的重视近年来得到迅速发展容量大型化和蒸汽参数进一步提升是当前CFB锅炉的主要发展趋势现300MW大型CFB锅炉在国外实际应用已开始2006年6月云南大唐国际红河发电公司300MW循环流化床锅炉＃1机组并网发电这也是过产第一台300MW循环流化床锅炉现在已经运行近两年CFB锅炉随着新技术应用也会遇上一些新问题虽CFB锅炉尤其是中小型CFB锅炉已经大量投入商业化运行但控制问题一直是循环床锅炉的主体问题之一其燃烧自动控制系统基本投不上或投入率很低实际运行中靠手动操作究其原因主要在于CFB锅炉燃烧系统的复杂性由于CFBB自身的工艺特点它比普通锅炉具有更多的输入和输出变量耦合关系更为复杂当锅炉负荷发生明显的变化时外扰或给水量给煤量返料量减温水量引风量一次风量二次风量等任一输入量内扰改变时所有输出量如汽包水位蒸汽温度蒸汽压力炉膛负压氧量床温等都要发生明显的变化但程度不一样一般CFB除燃烧控制管理系统外其它控制与一般煤粉炉差别不大可按一般煤粉炉来控制而且这些操控方法已经很成熟控制效果比较满意但在燃烧控制上确实需要非常研究2CFB锅炉工艺流程以图1为例简单说明300MWCFB锅炉的工艺流程汽水系统因和常规煤粉锅炉类似略其中1燃烧室2旋风分离器3烟气加热器包括过热器再热器省煤器空预器4外置床换热器5二次风6一次风7锥形阀8石灰石加料装置9给煤装置图1300MWCFB锅炉工艺简图燃烧系统的流程原煤破碎筛选后送煤斗经计量式给煤机进入燃料室底与炉底来的热一次混合成气固流化物燃烧热二次风从燃烧室中下部补入以提供进一步燃尽所需的空气石灰石粉经加料装置加入燃烧室主燃烧区在料床温度为850℃～950℃的较佳脱硫温度下与硫反应生成较为稳定的硫化钙除去煤中的硫大幅度减少烟气中SO2的排放量燃烧室出口装有4组高温分离器用于分离烟气与未燃尽的粗颗粒分离出的颗粒经锥阀根据控制床温再热汽温主参数的情况调节直接返回锅炉的循环料量和经加热器返回锅炉料量的比例在加热器中两组装中温过热器两组装末级再热低温过热器调节装有再热器的回料锥形阀用于调节再热出口汽温度调节装有中温过热器的回料锥形阀则用于调节锅炉料床温度过热汽温的主要调节是通过三级过热减温水实现的尾部烟道布置有末级过热器低温再热器省煤器和空气预热器吸收烟气余热烟气经除尘器由吸风机送入烟囱后排入大气燃烧产生的灰渣通过冷渣器冷却后排出同时通过调节灰渣的排放量来控制锅炉料床的高度满足运行的安全经济性要求3控制管理系统配置300MWCFB锅炉机组的控制管理系统典型配置主控系统采用日立的HIACS-5000M型DCS系统单元机组IO点量约4530点主控系统功能含DASMCSSCSFSSSBPS等汽机的监控包括DEHMEHETSMETSTSITDM等而辅机程控系统包括化水输煤除灰锅炉补给水胶球清洗凝结水精处理机组加药吹灰定排等系统系统功能中差异和难度最大的为MCS而其它功能仅因主辅设备配置不同而与常规300MW煤粉炉机组有所差异在下面的内容中将重点介绍MCSMCS配置包括如下调节系统1机炉协调控制管理系统分为锅炉基本汽机基本和机炉协调三种运行方式含ADSRB一次调频等功能在内2燃料调节包括4套给煤系统每套给煤又由三级给煤构成主要是采用第一级称重变频给煤机作燃料调节其它级的给煤是比例随动调节3一次风量调节包括2套一次风量调节门使一次风量满足燃料流化和燃烧的要求4一次风压调节包括2套一次风机系统可调节一次风机导叶开度改变风机出力使一次风母管压力满足运行要求5二次风风量调节包括4套上下二次风量调节门满足燃料燃烧的二次风量要求使锅炉运行达到最佳的含氧量和较高的热效率6二次风压调节包括2套二次风机系统

  调节二次风机动叶开度改变风机出力使二次风母管压力满足运行要求7炉膛压力调节包括2套吸风机系统调节吸风机静叶开度改变风机出力使炉膛压力满足运行要求8锅炉床温调节锅炉设计的2套外置床换热器内装中温过热器用于锅炉床温调节通过调节回料锥形阀大小可调节从分离器直达燃烧室的料量和经外置床到燃烧室的循环料量比例大小来实现锅炉床温的调节9锅炉床压调节调节4个排渣器调门使床压满足设定要求保证锅炉安全经济运行10流化风母管压力调节类似于一次风压调节包括5套流化风机调节流化风机导叶开度改变风机出力使流化风母管压力满足运行要求11外置床换热器流化风量调节共4套外置床换热器每套含3台换热器流化风调门调节每台换热器流化风调门使对应风量满足运行要求12冷渣器流化风量调节共4套冷渣器每套含2台高压流化风调门调节每台冷渣器流化风调门使对应风量满足运行要求13冷渣器冷却水流量调节每套冷渣器含1台冷渣器冷却水流量调门用于调节冷渣器出口灰渣温度满足运行要求14点火器风量调节有1套前墙床枪组1套后墙床枪组和2套风道燃烧器组共4组启动燃烧点火器每组有1台点火一次热风量调门用于调节点火风量满足运行要求15二次暖风器温度调节有2组暖风器每组1台辅汽至暖风器调门调节暖风器出口二次风温满足设定要求16石灰石给料调节设计有2套给料装置对应有2套石灰石给料机控制给料量满足脱硫要求17燃油压力调节设计4台进油调门分别控制1套前墙床枪组1套后墙床枪组和2套风道燃烧器组各自的燃油压力满足运行要求18过热汽温调节设计有6套三级减温水调节过热汽温满足进行要求19再热汽温调节低温再热器由2套喷水减温实现控制低再温度满足运行要求再热器出口温度的调节由2套外置床再热器灰料再循环锥形调节阀实现20其它汽水系统的自动调节最重要的包含汽包水位除氧器水位凝汽器水位高低加水位给水泵密封水差压给水泵最小流量旁路等调节这些调节与常规煤粉炉机组的调节类似这里就不作介绍了4模拟量控制CFB锅炉的燃烧系统为大滞后强耦合多输入多输出的非线性时变系统其动态特性比较复杂·大滞后主要体现为燃料-主汽压力喷水减温-汽温外置床再热循环锥形阀-料床温度二次风量-氧量石灰石量-烟气硫量等响应的时间比较久一般在3～5分钟左右·强耦合与多输入多输出如机炉协调控制管理系统中汽机调门锅炉燃料调节-负荷主汽压力的调节属于典型的强耦合与多输入多输出系统·非线性CFB因燃烧系统的复杂性带来控制对象的非线性严重据文献介绍的某CFB锅炉根据现场辨识的煤量-主汽压力煤量-床温被控对象模型中其增益和时间常数在不同的锅炉运行工况下达到两倍的差别因此采用单一控制参数的常规PID调节器达不到较理想的调节品质基于CFB锅炉控制对象上述控制特性借鉴常规煤粉炉上已经应用成功的一些策略和经验提出在DCS上可实现的控制方案1针对控制对象的大滞后问题控制中采用串级如汽温控制和特殊的控制方式如DEB协调控制中采用汽机一级压力汽包压力变化率较迅速准确地计算出锅炉热负荷2针对控制对象的强耦合与多输入多输出问题控制中采用解耦补偿控制方式如DEB协调控制比例微分前馈控制等3针对控制对象的非线性问题控制中采用变参数自适应PID函数线火力发电机组DCS模拟量控制管理系统控制逻辑设计特点DCS模拟量控制管理系统控制逻辑的设计应具有以下特点使系统能在各种工况及切换时能安全稳定运行·跟踪和无扰系统在手自动切换和各种运行方式切换时要求实现无扰·自动调节完善的逻辑功能在测量值执行单元故障或逻辑要求时应自动切为手动在逻辑要求应能实现输出的闭锁增减或超驰增减逻辑要求时应能自动投用调节系统等逻辑功能·调节输出带多执行单元的自动分配功能设置单个执行单元偏置及手动设置单个执行单元值后其他在自动状态的执行单元应实现自动分配某一执行单元失效取消分配后其他在自动状态的执行单元的自动叠加可按各执行单元出力不同设置分配系数等功能412CFB锅炉模拟量控制设计下面根据CFB锅炉的特性结合常规锅炉控制取得的成功经验建议MCS的各调节系统采用以下设计1机炉协调控制系统通过调节锅炉的燃料和汽机调门开度实现机组负荷和主汽压力的控制根据控制过程中锅炉汽机调节被控参数的侧重点不同可分为锅炉基本汽机基本和机炉协调三种方式机炉协调控制策略有常规和各种补偿形式设计的具体方案其中直接能量平衡DEB协调控制方式是一种比较适用有效的方式该方式协调控制是一种考虑了机组能量平衡的自解耦控制自动补偿机组滑压变动负荷中锅炉蓄热负荷斜坡变化中调节器静差DEB协调控制方式中所用的主要信号是机组负荷汽机一级压力机前压力和汽包压力调节输出仍是锅炉的燃料和汽机调门DEB协调控制方式实用于物质能量平衡的汽包式单元机组而与锅炉的燃烧方式无关DEB协调控制方式在常规煤粉炉机组已经很成熟应用在大型CFB机组成功投用的实例也有山东某100MWCFB机组下面是DEB协调控制策略介绍汽机侧的负荷可用下面的式子来表示TEFK1P1K2FBP式1其中TEFTotalEnergyFlow汽机侧的总负荷MWP1为汽机一级压力FBP为高旁蒸汽流量K1K2为量纲转换比例系数通常在机组带负荷正常运行后FBP为0则TEFK1P1以下均以TEFK1P1的情况讨论锅炉和汽机的负荷关系可用下式表示HRTEFCbPD式2其

  中HRHeatRelease放热量代表锅炉侧的热负荷MWCb锅炉蓄热系数MW·SMPaPD汽包压力变化率MPaSP1与TEF成线MW机组一般满负荷时TEF300MWP1≈125MPa可得K1≈24锅炉负荷需求NRGD计算模块在燃料调节中作为设定值使HR满足NRGD设定要求其计算式为NRGDWTC1WTWTC2PTSPR式3其中WTTEFPTSPPTC1C2为系数WT为的WT变化率式中C1WTWT项用于补偿燃料调节作给定值斜坡变化的稳态偏差其值可在定压变负荷过程中整定出C2PTSPR项用于补偿机组作滑压变化时的吸热或放热量由C2PTSPRCbPD可得C2CbPDPTSPRCbCDT式4其中CDT≈PD额PT额DEB方式的功率调节由串级PID调节回路组成主调节器的测量值为实发功率信号给定值为人工设定值经上下限及速率限值后加一次调频功率指令而形成的复合功率指令一次调频功能可根据要求投入或切除副调节器的测量值是P1给定值为主调节器的输出副回路的调节输出送至DEH使汽机调门快速定位在DEB方式中关键参数锅炉蓄热系数Cb有多种不同的试验求法下面针对某一300MW机组提出以下两种较常应用且容易实现的实例方法I锅炉负荷HR保持不变燃烧系统保持手动稳定不变的主汽压力定速率变化试验方法a调整工况使机组在162MPa主汽压力300MW负荷下稳定运行b置燃料送风调节等燃烧系统在手动运行且保持稳定不变c投入汽机的压力调节使压力定值从162MPa以015MPaMin速率变化至167MPad记录TEFPD等参数的趋势曲线可得Cb-∫△TEFtdtPDT2-PDT1式5代入数据后求得Cb69694MW·SMPaII负荷从一种稳定工况变动至另一种稳定工况燃烧系统随负荷变动的试验方法a机组在3000MW负荷167MPa额定主汽压力下稳定运行b机组以50MWMin的负荷变化率滑压降至2179MWc记录TEFPDPTHRMW的趋势曲线并用燃料量折算的功率值代替HRHR1K3·FUFU为燃料量可得Cb∫[HR1t-TEFt]dtPDT2-PDT1式6代入数据后求得Cb78539MW·SMPa图2机组在300MW162MPa时燃料量保持变压力试验曲线因试验过程中各主要参数均在变动对机组效率影响较大故求得Cb值其准确性没有方法1高方法2与方法1求得Cb值相对误差为127方法2因要求机组的运行工况不需专门试验工况申请即可较为方便求取Cb值可作为Cb初值的计算图3为采用DEB方式控制300MW中速磨煤粉炉机组以6MWMIN按机组滑压曲线变负荷的趋势记录这里机组的滑压曲线IN270图中其它的信号为CC001-机组功率MM_TOT-给煤量PTSP-主汽压力设定值PT-主汽压力P1_PID-汽机一级压力调节器试验测得实际负荷变化率为45MWMIN主汽压力偏差为[05-01]MPa图3300MW中速磨煤粉炉机组负荷变动趋势曲线燃料调节在机组加负荷中应遵循先加风后加煤的原则减负荷则先减煤后减风故采用DEB方式的燃料调节是接受小选出的锅炉指令和折算的风量信号调节4台采用分配控制的一级给煤机最终使被调量热量信号HR满足锅炉指令要求基于被控对象的给煤率-汽压特性存在一定的非线]且控制迟延较大故应设计变参数控制若DCS系统无变参数自适应调节模块可从调节模块输出串入一乘法模块乘法模块其中的一路为上级输入另一路为修正乘数因子它是一个曲线函数该函数为锅炉负荷-被控对象传函增益曲线函数的反函数被控对象传函这里是给煤率-汽压的传函其增益可在不同负荷点作阶跃扰动试验求取乘数模块的输出作给煤量总指令分配块的输入3一次风量调节由锅炉指令与锅炉热负荷的大选值-一次风量曲线计算出一次风量设定值调节2台采用分配控制的一次风量调门使一次风量满足设定要求4一次风压调节由锅炉负荷-一次风压曲线计算出一次风压设定值调节2台采用分配控制的一次风机入口导叶使一次风母管压力满足设定要求5氧量调节由串级调节回路组成副回路由锅炉指令与锅炉负荷的大选值主回路调节输出计算出总风量设定值调节2台采用分配控制的二次风量调门使总风量满足设定要求主回路由热负荷-氧量设定值曲线作主调器设定值使氧量满足设定要求6二次风压控制由锅炉负荷-二次风压曲线计算出二次风压设定值调节2台采用分配控制的二次风机动叶使二次风母管压力满足设定要求7炉膛压力调节由人工设定值通过调节2台采用分配控制的吸风机静叶使炉膛压力满足设定值要求同时还应考虑送入炉膛总风量对炉膛压力的影响把总风量或者一次与二次风流量调节输出作炉膛压力调节器的比例前馈根据现场使用情况而选用前馈量因总风量测量波动较大且稍滞后于一二次风量控制输出但一二次风量控制输出与对应风量的线锅炉床温调节锅炉设计有4套外置床换热器其中2套用于锅炉床温调节另外2套用于再热出口汽温调节通过调节2套采用分配控制的锥形阀大小可调节从分离器至外置床和燃烧室再循环灰料比例的大小实现锅炉床温调节床温的设定值由锅炉热负荷-床温曲线给出另外影响床温的还有给煤量外置床再热器调节一次风总风比例上二次风总二次风比例

  料床床压在调节中考虑这些量的前馈补偿补偿可采用变系数比例微分前馈补偿根据现场的扰动量-床温锥形阀调节-床温动态特性确定补偿函数基于床温的影响量多控制上存在较严重的非线性且控制迟延较大故应像燃料调节那样设计变参数控制采用变参数自适应PID模块或设计调节的线床压调节床压即床位的控制关系到床料的流化质量经济燃烧厂用电率消耗带负荷能力等所以控制好床压对CFB锅炉安全经济运行具备极其重大意义由锅炉负荷-床压曲线台采用分配控制的排渣器调门使床压满足设定要求保证锅炉安全经济运行10流化风母管压力调节类似于一次风压调节由锅炉负荷-流化风母管压力曲线计算出流化风母管压力设定值调节采用分配控制的5台运行中的流化风机入口导叶使流化风母管压力满足设定要求11外置床换热器流化风量调节由锅炉负荷-换热器流化风量曲线计算出换热器流化风量设定值调节换热器流化风调门使风量满足设定要求12冷渣器流化风量调节由锅炉负荷-冷渣器流化风量曲线计算出冷渣器流化风量设定值调节冷渣器流化风调门使风量满足设定要求13冷渣器冷却水流量调节调节冷渣器冷却水流量调门使冷渣器出口灰渣温度满足设定值要求14点火器风量调节调节点火器对应风量调门使点火风量满足设定要求15二次暖风器温度调节调节辅汽至暖风器调门控制暖风器出口二次风温满足设定要求16石灰石给料调节由串级调节回路组成副回路由给煤量主回路调节输出计算出总石灰石量设定值调节2台采用分配控制的石灰石给料机使总石灰石量满足设定要求主调器设定值由人工输入使烟气二氧化硫含量满足设定要求17燃油压力调节分别调节1套前墙床枪组1套后墙床枪组和2套风道燃烧器组各自的燃油进油调门使对应的燃油压力满足设定要求18过热汽温调节由三级减温水共6套串级回路实现过热汽温调节每级减温设计为串级调节副调节器控制输出的减温水调门使减温器出口汽温满足主调节器输出的设定要求主调节器的输出使下级减温器入口汽温满足锅炉负荷-下级减温器入口汽温曲线设定值要求同时影响各级过热汽温的主要有床温锥形调节阀高再温度锥形调节阀热负荷等在调节中考虑这些量的前馈补偿19再热汽温调节低温再热器由喷水减温实现出口再热汽温由外置床换热器锥形阀实现调节低温再热器喷水减温由2套左右侧串级调节组成副调节器控制减温水调门使减温器出口汽温满足主调节器输出的设定要求主调节器的输出使外置床再热器入口汽温满足锅炉热负荷-外置床再热器入口汽温曲线设定值要求而外置床换热器锥形阀设计为2套左右侧再热汽出口温度调节单回路其设定值为锅炉热负荷-再热汽出口温度曲线同时影响各级再热汽温的主要有锅炉热负荷风量等在调节中考虑这些量的前馈补偿20其它汽水系统的自动调节最重要的包含汽包水位除氧器水位凝汽器水位高低加水位给水泵密封水差压给水泵最小流量旁路等调节这些调节与常规煤粉炉机组的调节类似这里就不作介绍在这里要提及的是采用新型控制方式的除氧器与凝汽器水位联合控制已在省内300MW机组上成功应用一样可在300MWCFB锅炉机组上推广应用42智能控制智能控制在国内外CFB锅炉机组上应用也有比较多的报导根据CFB锅炉结构特点研究开发了基于经验的专家智能控制策略主要控制管理系统有炉膛负压控制料层差压控制主蒸汽温度控制减温喷水控制汽包水位三冲量与主蒸汽温度协议控制和燃烧系统专家智能控制等基于CFB锅炉的现场运行经验给出了一系列描述锅炉各控制管理系统的控制表尤其是给出了燃烧系统的控制规则库将所有目标参数进行模糊化设定所有设定均可在DCS组态上实时在线修改该控制管理系统在浙江嵊州市热电厂75thCFB锅炉成功投运根据CFB锅炉的动态特性提出了仿人智能控制管理系统通过现场辩识对CFB锅炉的汽压床温被控对象的动态特性进行了简单描述同时为了能够更好的保证锅炉经济燃烧对锅炉热效率实行最优控制调节二次风以寻找最佳过剩空气系数考虑在送风和引风扰动下的动态特性所有动态特性中的参数随锅炉运行工况的不同而变化所有控制器均采用仿人智能IC控制器控制器的控制算法中最为关键的是多模态的特征模型和控制模态集实践证明当机组负荷在25～100之间变化时该自动控制系统能投入正常运行对于CFB锅炉中的两个强耦合变量主汽压力和床温国内外常见的操控方法一般是以主汽压力为主按最佳风煤比的原则调节一次风量同时控制床温在所要求的范围内未解决这对强耦合变量有研究者提出了采用模糊控制和广义预测控制相结合的新控制思路控制管理系统中各控制回路均采用模糊控制方案针对床温和主汽压的强耦合设计了基于广义预测控制的指导系统即广义预测控制器利用CFB锅炉动态模型预测床温和主汽压作为床温调节控制回路和主汽压调节控制回路的给定值实现了床温和主汽压的解耦协调控制另有研究者提出了基于多变量频域理论的补偿式解耦操控方法补偿式解耦控制管理系统直接取用床温这一波动较大的信号去补偿和调整给煤量直接补偿和调整变频调速器的给煤转速不但克服了由于给煤粒度变化引起的煤量变化的强内扰同时床温的稳定运行也提高了抗负荷变化的外扰能力5调试在这里介绍常规机组的MCS调试和300MWCFB锅炉机组MCS调试方法51采用DCS实现的MCS控制管理系统常规调试511MCS控制方案的设计和审修根据机组控制特点结合厂家提供的设备控制说明和设计单位的设计和相关文献资料提出控制方案讨论确定控

  制方案512MCS系统开环试验验证控制方案实施的控制组态是否正确最重要的包含控制模块的运算控制跟踪调节模块作用方向调节器前馈方向控制逻辑软手操输出定位精度等的试验验证控制管理系统静态参数设置等内容513MCS系统动态参数整定根据运行中人工操作的一些记录趋势数据和机组设备的一些运行特点确定调节系统的一些动态参数根据运作情况选择正真适合时宜申请调节系统调节参数的整定通常可作被控对象的阶跃扰动试验以了解被控对象的特性以便计算确定调节器初参数在工况较稳定时试投入调节系统自动先作阶跃定值扰动根据趋势数据作调节参数的优化调整直到此负荷的调节品质满足规定的要求在设计有变参数调节的床温燃料等调节中需在调节系统投用的高中低负荷点作调节系统被控对象的阶跃扰动试验以记录不同负荷点被控对象的特性和整定相应的调节参数常规调节器动态参数整包括PID参数和前馈比例微分系数等参数整定下面粗略地介绍其整定方法1PID参数整定其整定方法有基于被控对象数学模型的理论法和工程经验法而经验法就有图表整定法临界比例带法衰减曲线法等多种这里介绍火电厂很常用的三种经验法图表整定法衰减曲线法和临界比例带法A图表整定法根据被控对象的阶跃扰动飞升特性求取的特征参数ερτ来整定PID参数因篇幅所限这里不介绍被控对象阶跃扰动飞升特性特征参数的求取下表是根据经验总结的当衰减率ψ075时对象特征参数和调节器参数的关系供整定参考表1根据ερτ整定调节器参数整定参数对象调节器PPIPIDδερτ≤02ετ11ετ08ετ02＜ερτ≤1526ερτ-008[ρερτ07]26ερτ-008[ρερτ06]37ερτ-013[ρερτ15]Ερτ＞152ρ2ρ17ρTiερτ≤02-33τ25τ02＜ερτ≤1508τερττερτΕρτ＞1506τ07τTd---015～025TiB临界比例带法使调节器只具有P作用系统投入闭环运行调节δ使系统处于临界振荡状态记下此时的比例带δ和振荡周期T按表2计算ψ075时的调节器参数表中括号外的数值是对于无自平衡能力对象的整定参数括号内的数值是对于有自平衡能力对象的整定参数表2临界比例带法整定调节器器参数调节器δTiTdP2δ24δPI22δ3δ085T06TPID167δ21δ05T067T025TiC衰减曲线法当生产的全部过程不允许出现等幅振荡时可采用衰减曲线法若调节器只有P作用调节δ使ψ075设对应的比例带为δ075振荡周期为T075则在ψ075时采用PI调节器时可取δ12δ075Ti05T075采用PID调节器时可取δ08δ075Ti03T075Td025Ti工程实际应用中因无自平衡能力对象做飞升曲线的条件不多常采用衰减曲线法整定PID参数而自平衡能力对象常根据飞升曲线的图表法来整定串级调节系统PID整定先按上述方法整定副回路PID参数再把副回路作为一快速比例环节按单回路方式整定主回路也能够准确的通过主副调节器记录的输出与被测量对应阶跃扰动曲线按上述方法一次计算主副调节器PID参数2前馈补偿器设计和整定前馈是作为快速消除扰动的一种简单实用的操控方法其控制策略是在扰动对被控对象发生作用时通过设计的前馈通道使扰动输出反作用方向的量以抵消扰动对被控对象的作用通过图4介绍设计前馈补偿器的设计和动态参数整定图中WGDs是对象相对于扰动Ds输入时的传函WGs是输出对象传函WBs是调节器WBDs是前馈补偿器传函基于前馈补偿器的扰动消除原则有WGDsWBDsWGs0得前馈补偿器为WBDs-WGDsWGs式7如炉膛压力调节中送风对吸风的前馈补偿器因WGDsWGs可近似为一阶惯性环节且时间常数相同可设计为纯比例前馈补偿器图4前馈一反馈自调系统a一般形式b传递函数形式因热控系统中调节系统的非线性和时变特点前馈补偿器精确的函数比较难以得到故一般前馈补偿器设计为比例或比例微分函数根据现场进行扰动试验整定系数因系统的非线性和时变特点如给煤量对床温的前馈补偿器应设计为变系数的比例微分器并在不同负荷点进行整定比例系数整定前馈补偿器一般针对有自平衡对象设计进行阶跃扰动可求得WGDs的增益KGDWGs的增益KG则WGDs的增益KGD-KGDKG微分系数整定这里的微分为实际微分使前馈补偿器对应为WBDs-WGDsWGs的微分时间常数和增益即可514MCS系统投用根据机组运行工况和MCS特点逐步整定投用各协调控制子系统最后投用机炉协调控制系统并作机组负荷变动试验要求各调节系统在试验中的调节品质满足规定的要求然后进入168小时试运行在此期间若出现调节系统不能满足规定的要求可分析调整控制参数甚至是控制方案后再投用52CFB锅炉的MCS系统动态特性和调试521锅炉燃料-主汽汽压特性燃料量扰动下汽压即被控对象的动态特性同汽轮机的调节有关有汽轮机调门开度不变或保持汽轮机功率不变方式所以汽压的动态特性分两种情况讨论1汽轮机调门开度不变当燃料量M扰动时有一定滞后时间τΜ随锅炉的蒸发量增加汽包压力P逐渐增加由于汽轮机调门开度不变蒸汽进入汽机的流量随汽包压力增加而增加当蒸汽流量与锅炉蒸发量相等时汽压维持在一个新的平衡值系统达到一个新的平衡燃料扰动下△M的汽压P响应曲线a所示此时汽压控制对象具有自平衡能力图5燃料阶跃阶跃动下汽压响应曲线a汽机调门开度不变b汽机功率不变2保持汽轮

  机功率不变当燃料量M扰动时为保持汽轮机功率不变汽轮机调节会迅速控制汽轮机调门开度以保持汽轮机耗汽量不变当蒸汽流量增大△M时汽轮机调门开度减小以减少蒸汽流量导致汽压P持续不断的增加这时汽压控制对象具有纯滞后的积分环节是一个无自平衡能力对象如图5b所示522汽轮机调门开度改变时汽压的动态特性当汽轮机调门开度μT增大从汽包流向负荷设备的蒸汽量立刻增加汽包压力P开始下降随汽包压力下降从汽包流出蒸汽量慢慢地减少使汽压下降速度也减慢最后蒸汽流量趋于平衡汽压维持在较低的数值是一个有自平衡能力对象相当于一个惯性环节汽轮机调门开度阶跃改变△μT时汽压P响应曲线所示汽压被控对象特性可以借鉴文献[1]介绍的75thCFB锅炉在燃烧率扰动及汽轮机采取了液压调速系统时的现场辩识得到汽压被控对象的动态特性ＧＰＳ1-ａＳ1ＴＰＳ2·Ｋｐ·ｅ-τpＳ式8式8中静态增益ＫＰ惯性时间常数ＴＰ纯滞后时间τp都是随运行工况的不同而变化的参数Ｓ为Laplace算子当锅炉负荷在25～100范围内变化时以上各参数的变化范围是ＫＰ6～4ＴＰ300～150ｓτp100～60ｓａ值基本保持在20ｓ左右从响应曲线可见其特性与常规煤粉炉相似可以用式2表示的锅炉负荷汽机负荷与汽压关系理解其特性曲线DEB方式机炉协调也适于其控制但CFB锅炉的汽压被控对象具有比常规煤粉炉更严重的非线性时变和非最小相位二阶惯性特性这给控制带来不利影响在控制上需根据高中低不同负荷1006530ECR段求取不同的被控特性曲线用变PID参数调节并整定不同负荷下的燃料调节参数523给煤量-锅炉床温特性影响床温的因素很多料层厚度煤质空气量物料循环量给煤量负荷等变化都会引起床温的波动但重要的因素是给煤量和空气量这里虽然是设计用过热器外置床再循环料量来调节锅炉床温但给煤量是影响床温的一个主要外扰量图6汽机调门扰动下汽压响应曲线给煤量方波扰动时床温变化曲线给煤量变化对床温有较大影响其它条件不变时给煤量增大或减小都会造成床温相应升高或降低但由于煤占床料的比例很小35床料热容量很大给煤量扰动下的床温变化有个滞后的过程当煤粒被投入到处于热平衡状态的高温流化床中煤粒着火前后的吸放热会破坏床内热量平衡引起床温变化如图7所示参考文献[1]介绍的75thCFB锅炉在给煤量阶跃扰动下床温被控对象的动态特性现场辩识为ＧｅS1-ｂS1ＴｅS·Ｋｐ·ｅ-τｅS式9式9中的参数ＫｅＴｅτｅ也是随锅炉运行工况的不同而变化的参数当锅炉负荷在25～100范围内变化时其变化范围是Ｋｅ10～5Ｔｅ200～100ｓτｅ60～30ｓｂ值在12ｓ左右基本保持不变524过热器外置床再循环料量-床温特性可以用下面函数式表示过热器外置床再循环料量-床温动态特性ＧhS11ＴhS·Ｋh·ｅ-τhS式10从改变过热器外置床再循环料量引起床温变化过程与给煤量增减引起的床温变化过程相比除煤在此过程中燃烧多消耗10多秒时间外其他都是流化混合吸放热过程即两者影响床温的动态过程比较接近因此在设计给煤量-床温的前馈函数时由式6可得前馈可简化为比例加实际微分形式WBDsX1X2S1T1S其中T1可设10s以平滑对脉冲输入的响应X1X2是变参数的增益系数是负荷的折线函数也需在高中低不同负荷1006530ECR段整定在某负荷点的整定可参考前面介绍的常规调试525风量-床温特性图8300MWCFB锅炉设计一二次风量运行曲线实例在送风一次风量扰动下床温被控对象的动态特性可以认为是反作用的一阶惯性环节ＧνＳ-Ｋν1ＴνＳ式11式中Ｋν为静态增益Ｔν为时间常数参考图8在CFB锅炉运行中一二次风有对应的风量在自动调节时一次风量可由负荷-一次风量曲线设定而二次风量则由负荷-氧量曲线保证这里设计变比例的前馈用于风量-床温前馈调节6结论根据CFB锅炉机组的控制尤其是燃烧控制的一些文献资料结合常规煤粉炉机组在MCS系统上成功应用的经验针对300MWCFB锅炉机组MCS系统的控制方案应该着重解决CFB锅炉的大迟延强耦合非线性的特性控制通过省内已投运的135MWCFB锅炉机组上的调试经验结合文献资料的报导提出如下建议1风量床压炉膛压力的测量问题风量测量因直管段满足不了测量装置要求出现测量不准和信号波动大问题床压测点常因测量管堵而测不准炉膛压力测点安装的地方不合理出现测量信号的偏差大和波动大这样一些问题应进行专项研究2被控对象特性试验深入研究国内外为数不多的300MWCFB锅炉被控对象特性试验的内容方法和步骤提高自动投用率和控制品质3进行DCS系统实现模糊神经元等智能控制的可行性和实施研究以实现DCS的智能控制在CFB锅炉机组上的应用智能控制具有对控制对象时变特性的适应强参数自适应控制控制品质优异等许多优点其应用在CFB锅炉机组有比较大的优势参数文献[1]牛培峰大型国产循环流化床锅炉燃烧过程智能控制管理系统应用研究中国电机工程学报200012[2]张冀马永光高建强王兵树曹文亮循环流化床锅炉燃烧系统动态特性分析能源研究与信息2001Vol17No4[3]沈凯陆继东陈交顺董统永陈明循环流化床锅炉燃烧专家控制管理系统研究燃烧科学与技术20034Vol9No2[4]郝继红阎润生审编循环流化床CFB机组技术交流论文集1-5全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网2004

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