超临界直流炉多输入系统解耦方法

超临界直流炉多输入系统解耦方法

康永昊 王晓宇

国网新疆电力有限公司电力科学研究院新 疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011

摘要:超临界及超超临界火力发电机组是现役的主力机组，相较于亚临界机组，这类锅炉燃烧参数提高提升了锅炉效率，降低了单位发电量的煤耗。对于超临界以上的机组的控制国内几乎全部采用分散控制系统（DCS）实现，该控制系统对于提升电厂过程控制自动化率能力起到了巨大的促进作用，但是针对超临界及以上火电机组的多变量输入、强耦合特性，分散控制系统没有能实现先进算法的模块，只能采用的常规PID控制。本文就以分散控制系统为基础，结合实际设计前馈加PID的方法实现超临界及以上火电机组的燃烧控制。

关键词：超临界;火电机组;控制;方法

超临界直流锅炉汽水工质变化过程没有汽包，也没有炉水小循环设计，各种水冷壁、过热、再热等受热面的管道组成直流锅炉。给水系统强制与负荷对应的给水流量进入炉内，一次流过加热段、蒸发段、过热段后到汽轮机进行做功，过程中汽水循环倍率为1，与机组负荷工况无关。机组主汽门前做功压力不仅与机组当前给煤与机组调门开度有关，还与机组给水压力有关，随给水压力升高机组门前压力提高，当前机组做功能力提升。即，超临界直流炉给水、给煤、调门开度等多输入变量相互耦合，共同决定了机组的运行参数。

超临界直流炉协调控制系统，输入机组的给水、给煤、风量是主要的控制变量，机组的所有参数变化都决定于此。根据，直流锅炉燃烧的设计，机组风、煤、水根据负荷变化是一一对应的，具有单调性，尤其是在机组转干态协调控制系统投入运行后，任何一个变量的波动都会破坏协调控制性能。下图是容量为660MW直流机组设计的负荷——风、煤、水关系，图中可见，在机组任何负荷工况下对应的输入量是一定的，因此只要在机组稳态下保证输入量的比例关系，就能达到控制目标。

超临界机组稳态负荷与物料对应关系图

超临界机组稳态时，输入物料与运行负荷具有对应关系，但在动态方式下是不成立的。当燃料阶跃增加时，锅炉中的过热段增加，加热段和蒸发段缩短，锅炉中贮水量因此减少。给煤量扰动后经过一段较短的迟延时间，蒸汽流量会暂时向增加方向变化。过热汽温则经过一段较长的迟延时间后单调上升，最后稳定于较高的温度上，即中间点温度上升至一定水平保持稳定。机组主汽压力和输出功率的变化也因汽温的上升而最后稳定于较高的数值。正是直流炉的这种燃烧惯性，决定了单纯依靠线性指令给定，不能稳定机组在变负荷工况下的运行参数。给水扰动下，机组压力及中间点温度会快速响应，但给煤扰动下，由于燃烧惯性，机组压力及中间点温度的响应会有一定的惯性。超临界机组的变负荷协调控制是与给煤和给水控制密切相关，负荷稳定工况时，机组给水量和燃料量的比例一定，但水煤比改变时，机组稳定工况会被破坏，直流锅炉的各个受热面的分界就发生变化，从而导致过热汽温发生剧烈的变化，造成运行参数不稳。根据“超临界机组稳态负荷与物料对应关系图”可以看出，机组在不同负荷时水煤比同样是不同的，负荷升高时水煤比例升高。通过对超临界及以上机组的静态及动态特性的分析，多输入控制变量（燃料量、给水流量和减温水流量）及多输出（表征机组运行状态的重要参数：主汽压力、微过热汽温和过热汽温）控制系统输入输出之间的关系可用下式进行表示：

因此，超临界及以上机组的物料给定指令设计不能单纯采用设计指令，要依据机组给煤、给水的强耦合特性，机组燃烧的惯性特征对机组燃烧物料指令进行解耦设计，对机组燃烧惯性进行弥补。本文，提出以变负荷基础变量参数为基础，根据机组机组具体的运行工况，机组给煤指令、给水指令、风量指令动态选择相对于变负荷基础变量的修正参数，分别确定适应机组当前运行工况的水煤比、风煤比、功煤比参数。在机组升负荷时，在给煤指令的基础上，根据以上预加煤量设计，以弥补直流炉惯性造成的输入能量缺失，同时保证了升负荷时中间点温度不致下降过多，稳定蒸汽品质。同时，由于预加煤量指令的设计，会造成水煤比失调，因此同样在设计给水指令的基础上增加预加给水的设计，但是不特别参照该工况下的水煤比，实际中可以使给煤预加量先较给水预加量多，而后再考虑预加给煤与给水的协调。在机组降负荷时，同样的策略在给煤指令的基础上，根据以上预减煤量设计，以弥补直流炉惯性造成的输入能量过量，同时保证了降负荷时中间点温度不致上升过多，稳定蒸汽品质。同时，由于预减煤量指令的设计，会造成水煤比失调，因此同样在设计给水指令的基础上增加预减给水的设计，但是不特别参照该工况下的水煤比，实际中可以使给煤预减量先较给水预加多，而后再考虑预加给煤与给水的协调。

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