大型循环流化床机组控制策略及其优化

李卫华等：大型循环流化床机组控制策略及其优化第７期电力自动化大型循环流化床机组控制策略及其优化李卫华，王玉山，宋兆星（华北电力科学研究院有限责任公司，北京１０００４５）摘要：针对大型循环流化床机组多变量强耦合、非线性、大迟延、易“翻床”等控制难点，依托大唐国际红河发电厂和秦皇岛发电厂３００ＭＷ循环流化床机组的调试工作，研究了一套适合大型循环流化床机组的自动控制策略：改进型ＤＥＢ、左右侧平衡给煤、带床压校正回路的一次风控制等。

该方案在上述电厂实际运行中取得了很好的效果，有效解决了大型循环流化床机组“翻床”和ＡＧＣ投入难的问题。

本文的控制策略对今后大型循环流化床机组自动控制系统的设计和调试均有一定的借鉴作用。

关键词：循环流化床；控制策略；直接能量平衡；翻床中图分类号：ＴＫ３２３；ＴＫ２２３．７文献标识码：Ｂ文章编号：１００４－９６４９（２００８）０７－００６５－０４中国电力ＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ第４１卷第７期２００８年７月Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．７Ｊｕｌ．２００８收稿日期：２００８－０１－１５；修回日期：２００８－０４－２９作者简介：李卫华（１９６７－），男，云南昆明人；硕士，工程师，从事火电厂热工自动调节工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｚｈａｏｘｉｎｇ＠ｎｃｅｐｒｉ．ｃｎ０引言循环流化床（ＣＦＢ）锅炉在燃烧过程中能有效控制ＳＯ２和ＮＯｘ的生成和排放［１－２］，是一种相对清洁的燃烧方式。

在我国环保要求日益严格、煤种变化较大和电厂负荷调节范围较大的情况下，ＣＦＢ将成为火电厂优选的技术之一。

容量大型化和蒸汽参数进一步提高是当前ＣＦＢ锅炉的主要发展方向。

ＣＦＢ锅炉，尤其是中小型ＣＦＢ锅炉虽然已大量投入商业化运行，但控制问题一直是ＣＦＢ锅炉的主要问题之一。

其燃烧、协调自动控制系统基本投不上，或投入率很低［２］，实际运行中靠手动操作，主要原因在于ＣＦＢ锅炉自身的工艺复杂，参数耦合关系比普通锅炉更复杂，被控对象非线性更严重［３］。

实际调试过程中发现，大型循环流化床锅炉的惯性远比常规煤粉炉要大，在给煤量扰动１６～２０ｍｉｎ后主汽压力才有反应，而煤粉炉的迟延时间是４～６ｍｉｎ，这就大大限制了大型ＣＦＢ机组的变负荷速率，因此有必要认真研究大型ＣＦＢ机组的控制策略，以提高大型ＣＦＢ机组燃烧和协调控制系统的控制品质。

１大型循环流化床锅炉特性大型循环流化床与以前的小型流化床已有了质的变化，不论从设计理念还是运行调整及控制都有很大区别，同时它的运行特性也和煤粉炉不同，其主要特点概括如下。

循环流化床锅炉的燃烧方式是靠高温床料的流化与进入炉膛床上的煤粒进行混合和扰动，从而达到燃烧的效果［４］。

其原煤颗粒度远远高于煤粉炉（流化床的原煤颗粒平均粒径可达１．５ｍｍ，而煤粉炉则基本在０．０９ｍｍ以下），因此燃烧的时间延长了。

循环流化床锅炉的给煤是经过刮板给煤机送入炉膛，而目前的煤粉炉大都采用直吹式制粉系统，煤粉进入炉膛后很快就参与燃烧，其迟缓性很小，而循环流化床锅炉的燃烧迟缓性则较大。

煤粉炉的配风一般按锅炉的高度进行分层配风，燃烧器也随配风进行由高到低的布置。

而目前循环流化床锅炉配风调节手段较少，给煤方式单调不可调，同时一次风的变化受床压、最低流化风的限制，其调节范围也有限。

因此循环流化床燃烧调整的余地要小于常规煤粉炉。

循环流化床锅炉的特点是炉内物料循环和换热，因此对各处（特别是外置床、回料器及冷渣器）流化风的要求较高，流化风量从启动到带满负荷基本要求固定风量，主要是考虑各处的正常流化状态，从而保证整个锅炉的正常物料循环，进而保证正常换热。

物料的循环会引起床压及床温的变化，因此各处物料的调节非常重要，调节对象较多也成为自动调节新的课题。

循环流化床锅炉对于燃烧温度的控制较严格，温度低会使煤粒燃烧困难；温度高会影响脱硫脱硝效果，并有可能产生结焦。

床温的影响因素主要有一次风量、床料、回料、给煤等，其自动控制很复杂，也是循环流化床控制的核心问题之一。

６５第４１卷中国电力电力自动化２协调控制系统设计及优化实践证明，大型ＣＦＢ机组协调控制策略采用直接能量平衡（ＤＥＢ）协调控制方式比较适合和有效。

该协调控制策略（见图１）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负荷过程中锅炉蓄热、负荷斜坡变化产生的调节器静态偏差。

热量信号代表单位时间内燃料燃烧传给锅炉的热量，表示为：Ｑ＝Ｐ１＋Ｃ（ｄＰｄ／ｄｔ）式中：Ｐｄ为汽包压力；Ｃ为锅炉蓄热系数。

汽轮机能量需求表示为：Ｄ＝（Ｐ１／ＰＴ）ＰＴ０＋（Ｐ１／ＰＴ）ＰＴ０Ｋ１｛ｄ［（Ｐ１／ＰＴ）ＰＴ０］／ｄｔ｝＋Ｋ２（ｄＰＴｏ／ｄｔ）式中：Ｐ１为汽轮机一级压力；ＰＴ０为主汽压定值；ＰＴ为主汽压力。

热量信号Ｑ作为锅炉主控调节器的被调量，汽轮机能量需求Ｄ作为锅炉主控调节器的设定值，稳态时调节器的被调量应等于设定值。

为进一步提高控制品质，在锅炉主控调节器后引入了负荷指令的比例、微分前馈，其作用主要是提高锅炉的响应速度，补偿蓄热。

微分前馈的微分时间和增益是可变的，在负荷指令接近目标负荷时逐渐减小微分时间和微分增益，通过参数调整使锅炉负荷指令在起始以较大的速率变化，并在动态中有一定的超调量，接近目标值时超调量逐渐减少。

采用上述措施不仅可最大程度地提高ＣＦＢ机组的负荷响应速度，还能有效克服负荷指令变化到目标负荷后给煤量超调造成的较大动态偏差。

另外还引入了机前压力定值的微分前馈，以进一步提高变负荷时的滑压速率。

大型循环流化床锅炉较强的蓄热能力对负荷初始响应有好处，可减小机前压力与其设定值的偏差，但给煤系统的大迟延很不利于大型ＣＦＢ机组的滑压运行。

若投入滑压运行方式，协调控制系统在机组升降负荷时需根据ＣＦＢ锅炉的动态特性计算滑压设定值。

本文采用三阶惯性环节拟合滑压设定值曲线，滑压设定值的变化特性近似于对滑压目标值的一阶惯性加纯迟延的处理，符合锅炉的实际响应特性。

具体参数需要在实际煤量扰动试验中确定。

实践证明，单纯通过改变给煤量来控制主汽压力效果不理想，这是由于煤量在炉内和炉外（外置床）通过多次循环才能燃尽释放出所有热量，燃料侧扰动的纯迟延和惯性时间都较煤粉炉要大。

试验证明通过改变二次风量和一次风量，可以快速提高机组的负荷响应特性，通过给煤量不变工况下的送风量扰动试验发现，主汽压力对送风量扰动的迟延和惯性时间为３～４ｍｉｎ。

基于上述原因，在流化床锅炉的负荷调整中，应保持煤量与负荷指令间的对应关系，机前压力调节器仅在一定范围内修正给煤量定值；一次风量和二次风量定值应由给煤指令而不是锅炉热负荷或主汽流量计算生成。

３燃料控制系统设计及优化３００ＭＷ循环流化床锅炉的给煤系统一般为２级给煤，煤仓出口采用４条独立的输煤线路，每条输煤线路均由称重式皮带给煤机、耐压埋刮板输煤机、卸料装置组成，卸料装置最后接入布置在回料器至炉膛连接灰道上的空气吹扫防堵的给煤装置。

每条输煤线路设计给煤量至少为６８ｔ／ｈ，炉膛左右侧分别给煤，分别接有２条输煤线路，锅炉正常运行后，左右侧给煤量应保持平衡，否则会影响锅炉左右侧床压的稳定，严重时会导致ＣＦＢ锅炉“翻床”，被迫停机处理。

根据ＣＦＢ机组给煤系统的特点，设计左右侧２台称重给煤机为分配控制，同侧内２台称重给煤机有平衡功能，若一条输煤线路发生故障被切除，同侧内另一输煤线路自动将煤量加上。

刮板给煤机变频控制为随动控制方式，随相应称重给煤机指令成正比例变化。

只有左右侧至少有１条给煤系统投入自动，才允许投入燃料自动。

若左侧或右侧给煤失去，锅炉ＭＦＴ动作。

刮板给煤机的随动控制投入，可以加快给煤系统的响应速度。

短链给煤系统的随动参数和长链给煤系统的随动参数应有所区别，具体可根据实际试验结果确定。

图１协调控制系统框图Ｆｉｇ．１Ｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ６６李卫华等：大型循环流化床机组控制策略及其优化第７期电力自动化４风烟控制系统设计及优化ＣＦＢ锅炉的燃烧需要相对较高的空气压头使颗粒在床内能得到流化，一、二次风通过空气预热器后被送入炉膛作为ＣＦＢ锅炉流化和燃烧用。

外置式换热器、回料器、冷渣器的流化风均取自高压流化风机。

ＣＦＢ锅炉风烟控制系统主要包括炉膛负压控制系统、氧量和二次风控制系统、一次风控制系统、流化风控制系统。

ＣＦＢ锅炉炉膛负压控制策略与煤粉炉的类似。

下面重点介绍一次风、二次风和流化风控制策略。

４．１一次风控制系统从一次风机出来的空气分成２路：第１路，约占总风量４５％的空气经暖风器、一次风空气预热器加热后，作为一次燃烧用风和流化风进入炉膛底部的水冷风室，通过布置在布风板上的风帽使床料流化，并形成向上通过炉膛的气固两相流，该回路上布置有床下风道点火器；第２路，同样经预热的热一次风作为炉膛灰道的输送风。

一次风的作用是使床料在炉膛内流化，在５０％锅炉负荷范围内，一次风量恒定不变；之后随负荷增加至额定值，一次风量成比例增大。

在额定工况下，一次风量约为进人燃烧室的总风量的３５％，运行中用气动风量控制挡板使炉膛２个布风板的风量相等。

一次风控制系统分为一次风压和一次风量控制系统。

一次风压控制系统：由锅炉负荷指令和一次风压曲线计算出一次风压设定值，调节２台一次风机入口导叶，使一次风母管压力满足设定要求。

一次风量控制系统：由左右侧煤量指令和一次风量曲线计算出一次风量设定值，分别调节左右一次风调节挡板开度，使左右一次风量满足设定要求。

３００ＭＷ循环流化床锅炉一般设计为双裤衩结构，运行中要保证左右侧床压的差值在一定范围（一般要求左右侧全炉膛差压之差在１ｋＰａ内），否则会发生“翻床”事故。

因此，在一次风量控制回路上增加左右侧床压校正回路，其输出增减左右侧一次风量定值，控制左右侧床压间的差值在一定范围内。

４．２二次风控制系统从二次风机出来的空气分成３路：第１路，一部分未经预热的冷二次风作为回料阀上部给煤机密封用风；第２路，经暖风器、二次风空气预热器加热后的热二次风分２层进入炉膛下部内侧和外侧，作为燃烧及燃烧调整用风；第３路，经空气预热器的热二次风作为给煤点吹扫风，防止给煤堵塞。

二次风控制系统分为二次风压、左右内外二次风量和氧量控制系统３部分。

二次风压控制系统：由锅炉负荷指令和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开度，使二次风母管压力满足设定要求。

氧量控制系统：由锅炉热负荷和氧量曲线计算出氧量设定值，使氧量满足设计要求。

氧量调节器的输出作为左右内外二次风量设定值的偏置，调节左右内外二次风调门开度。

左右内外二次风量控制系统：４个单回路ＰＩＤ调节器组成，由左右侧煤量指令和内外二次风量曲线计算出左右侧内二次风量和外二次风量定值，分别控制左右４个内外二次风调门开度。

４．３流化风控制系统流化风系统主要提供回料器、外置床、冷渣器、部分灰道及分离器底部的流化风及锥形阀、油枪用风，通过调节挡板保证各支路要求的风量。