和利時(shí)優(yōu)化控制方案7--汽包鍋爐燃燒優(yōu)化控制應(yīng)用

1、汽包鍋爐燃燒優(yōu)化控制應(yīng)用1、 概述隨著DCS在電廠的普及，DCS功能應(yīng)用逐漸得到推廣。其中，DCS的優(yōu)化控制，比過去的單元智能儀表來得更加方便和易用。但電力系統(tǒng)用戶，對DCS的功能的掌握還有限，許多功能沒有得到應(yīng)有的重視和開發(fā)，這就對DCS廠家提出了新的需求，DCS廠家不但要提供DCS控制軟硬件平臺(tái)，還要給用戶提供整體的解決和控制方案，保證DCS和現(xiàn)場設(shè)備長期經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。鍋爐種類較多，目前在國內(nèi)應(yīng)用最多的是燃燒煤粉的自然循環(huán)汽包爐和直流爐；有直接燃燒原煤的循環(huán)流化床爐；燃燒垃圾的爐排鍋爐，還有燃燒生物質(zhì)的爐排，比如櫛桿，甘蔗渣等。不同的鍋爐有不同的控制和優(yōu)化方式，控制是讓鍋爐相關(guān)參數(shù)

2、穩(wěn)定；優(yōu)化是對工藝、燃燒、配風(fēng)等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)控制，提高效率，降低污染物排放。鍋爐除直流爐外，都有一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是有自己獨(dú)立的汽包。不管是燒垃圾的垃圾爐，循環(huán)流化床鍋爐，還是燒煤的汽包爐；也無論是母管制運(yùn)行，還是單元制運(yùn)行，都因鍋爐有一個(gè)汽包，它們的核心控制思想變成一致，即利用汽包的儲(chǔ)能變化，及時(shí)檢測燃燒率的變化，從而及時(shí)調(diào)整燃料量，達(dá)到快速、穩(wěn)定地控制和調(diào)節(jié)。直流鍋爐主要是控制中間點(diǎn)溫度（焓）來調(diào)節(jié)風(fēng)水煤；汽包鍋爐主要是控制主汽壓力和汽包壓力的穩(wěn)定來調(diào)節(jié)風(fēng)水煤。本文主要介紹汽包鍋爐控制的共同點(diǎn)來說明對其進(jìn)行控制方案的優(yōu)化。在有汽包的鍋爐控制中，可借鑒和參考本方案。2、 原理及動(dòng)態(tài)特性汽包鍋爐燃燒

3、控制系統(tǒng)包括燃料量控制、送（一二次）風(fēng)控制和引風(fēng)控制三個(gè)主要子系統(tǒng)；燃燒過程自動(dòng)控制的基本任務(wù)是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的變化，使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)鍋爐輸出蒸汽量的需求，同時(shí)保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐運(yùn)行的安全性。根據(jù)鍋爐燃燒控制任務(wù)，主要調(diào)節(jié)以下三個(gè)物理量：1燃料量調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)燃料量使入爐燃料燃燒所產(chǎn)生的量能與鍋爐外部負(fù)荷需求的量能相適應(yīng)。2送風(fēng)量調(diào)節(jié)燃料量改變時(shí)，送風(fēng)量也應(yīng)改變，以保證燃料的完全燃燒和排煙熱損失最小。調(diào)節(jié)送風(fēng)量的目的是保證鍋爐燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性。3 引風(fēng)量調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)引風(fēng)量的目的是使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，以保持爐膛壓力在要求范圍內(nèi)，以保證燃燒過程穩(wěn)定性。 圖一 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)及被控對象從

4、圖一所示的鍋爐燃燒對象顯示，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的非線性多變量強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)。在鍋爐燃燒控制過程中，通過燃料量控制、送風(fēng)控制和引風(fēng)控制三個(gè)子系統(tǒng)分別對三個(gè)調(diào)節(jié)變量（燃料量B、送風(fēng)量V、引風(fēng)量G）進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持三個(gè)被調(diào)量（主蒸汽壓力PT 、煙氣含氧量O2、爐膛壓力Plt）的穩(wěn)定。鍋爐燃燒過程被控對象的動(dòng)態(tài)特性是指機(jī)組運(yùn)行過程中各種擾動(dòng)引起的各被調(diào)量變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系，鍋爐燃燒過程被控對象的動(dòng)態(tài)特性主要有以下三個(gè)：1.主蒸汽壓力PT 在內(nèi)、外擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性；2.煙氣含氧量O2在送風(fēng)量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性；3.爐膛壓力Plt 在引風(fēng)量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。（1） 內(nèi)擾作用下主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性

5、:主蒸汽壓力PT 受到的主要擾動(dòng)有二個(gè)，其一是燃燒率B擾動(dòng)稱為基本擾動(dòng)或內(nèi)部擾動(dòng)；其二是耗汽量D的擾動(dòng)，稱為外部擾動(dòng)。主蒸汽壓力PT 的動(dòng)態(tài)特性與用汽調(diào)節(jié)裝置有關(guān)，下圖二（a）為用汽量不變時(shí)，鍋爐燃燒率B擾動(dòng)下主蒸汽壓力PT 變化的階躍響應(yīng)曲線。圖二（a） 內(nèi)擾作用下主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性此時(shí)主蒸汽壓力PT 是一個(gè)無自平衡能力的被控對象。汽包壓力Pb與主蒸汽壓力PT 之差p2與主蒸汽流量以及過熱器的阻力成正比。根據(jù)階躍響應(yīng)曲線確定遲延時(shí)間 ，可以求出：1.反應(yīng)速度：（11）2.反應(yīng)時(shí)間：（12）反應(yīng)時(shí)間TB定義為：燃燒率改變其額定值的10,汽壓改變10%所經(jīng)過的時(shí)間。下圖二（b）為用汽調(diào)節(jié)閥門開

6、度不變時(shí)，鍋爐燃燒率B擾動(dòng)下主蒸汽壓力PT 變化的階躍響應(yīng)曲線。此時(shí)主蒸汽壓力PT是一個(gè)有自平衡能力的被控對象。汽包壓力Pb與主蒸汽壓力PT 之差p2隨燃料量和進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量的增加而增加。圖二（b） 內(nèi)擾作用下主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性根據(jù)鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱量平衡關(guān)系可得：（13）式中: Qr 熱負(fù)荷階躍變化； D 主蒸汽流量(負(fù)荷)； h"飽和蒸汽焓； C 蒸發(fā)受熱面熱容。根據(jù)以上熱平衡關(guān)系式可得：（14）式中Cb稱為蓄熱系數(shù)，其物理意義為汽包壓力Pb改變一個(gè)單位，蒸發(fā)受熱面所吞吐的蒸汽量。式（14）表明，測出主蒸汽流量D和汽包壓力Pb的變化速度dPb/dt，與一定的蓄熱系數(shù)Cb配

7、合,就可得到代表熱負(fù)荷Qr的熱量信號，可以迅速反映燃料量的變化。（二）外擾作用下主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性:外部擾動(dòng)是指負(fù)荷變化的擾動(dòng)，下圖三（a）和圖（b）分別為進(jìn)汽量D和用汽調(diào)節(jié)閥門開度T 擾動(dòng)下主蒸汽壓力PT變化的階躍響應(yīng)曲線：圖三 外擾作用下主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)特性圖三（a）中，主蒸汽壓力PT在階躍下降p0后，一直維持等速下降，為無自平衡能力的被控對象。圖三（b）中，主蒸汽壓力PT在階躍下降p0后，下降速度逐漸變慢，最后穩(wěn)定于一個(gè)較低的壓力值，為有自平衡能力的被控對象。（3） 煙氣含氧量的動(dòng)態(tài)特性煙氣含氧量O2是影響燃燒過程經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，主要通過改變進(jìn)入爐膛的送風(fēng)量V 對煙氣含氧量O2進(jìn)行調(diào)

8、節(jié)。送風(fēng)量V 擾動(dòng)下煙氣含氧量O2變化的階躍響應(yīng)曲線為： 圖七 氧量的動(dòng)態(tài)特性由上圖中煙氣含氧量的階躍響應(yīng)曲線可知，其動(dòng)態(tài)特性具有滯后、慣性和自平衡能力。（四）爐膛壓力的動(dòng)態(tài)特性 爐膛壓力Plt對鍋爐運(yùn)行的安全性有重要影響，主要通過改變引風(fēng)量G對爐膛壓力Plt進(jìn)行調(diào)節(jié)。引風(fēng)量G 擾動(dòng)下爐膛壓力Plt變化的階躍響應(yīng)曲線為：圖八 爐膛負(fù)壓的動(dòng)態(tài)特性在送風(fēng)量V 和引風(fēng)量G的擾動(dòng)下，爐膛壓力Plt的動(dòng)態(tài)特性慣性很小，可近似認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。這里把負(fù)壓和氧量的特性拿出來說事的目的，是因?yàn)殄仩t控制中，這兩個(gè)子系統(tǒng)必須先投入自動(dòng)運(yùn)行，否則鍋爐自動(dòng)控制效果有限。3、 汽包鍋爐控制共性根據(jù)燃燒系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)特性，

9、送風(fēng)及引風(fēng)控制相對簡單，送風(fēng)量與煤量成正比，氧量修正送風(fēng)量，引風(fēng)量與送風(fēng)量成正比，對相互耦合的系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制。實(shí)際應(yīng)用中，送風(fēng)量前饋控制引風(fēng)量，當(dāng)制粉系統(tǒng)運(yùn)行和停止時(shí)，給煤量和風(fēng)量會(huì)變化，還要找到影響關(guān)系，進(jìn)行前饋控制。煤量根據(jù)負(fù)荷或壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，因用汽環(huán)節(jié)是一個(gè)快速回路，而鍋爐是一個(gè)相對慣性較大的回路，要讓鍋爐快速滿足負(fù)荷需求端的變化需求，就要對鍋爐進(jìn)行快速調(diào)節(jié)和快速穩(wěn)定控制。最經(jīng)濟(jì)和快速的方法就是利用（14）測出主蒸汽流量D和汽包壓力Pb的變化速度dPb/dt，與一定的蓄熱系數(shù)Cb配合,得到熱量信號，進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，這一方法適用于所有汽包鍋爐的燃燒控制。在系統(tǒng)中，以熱量信號代替燃料量

10、信號，不但可以反映燃料量的變化，而且還可以克服燃料單位發(fā)熱量變化對燃燒過程的影響，從而提高鍋爐運(yùn)行過程的穩(wěn)定性。熱量信號，是指燃料進(jìn)入爐膛燃燒時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。可以用靜態(tài)下的主蒸汽流量D （單元機(jī)組用P1調(diào)速級壓力表示）和動(dòng)態(tài)下的汽包壓力變化速度表示，其計(jì)算公式為：（15）式中: Cb 鍋爐的蓄熱系數(shù)。在鍋爐運(yùn)行過程中, 熱量信號只應(yīng)該反映燃燒率的變化（內(nèi)擾）,而不應(yīng)該反映負(fù)荷的變化（外擾）。即熱量信號只與燃燒率的變化有關(guān), 而與負(fù)荷的變化無關(guān)。當(dāng)燃燒率不變而負(fù)荷變化時(shí)熱量信號不變。在外擾和內(nèi)擾不同時(shí)，要區(qū)別對待，下面分別說明：（1） 單元制機(jī)組鍋爐用直接能量平衡的方法控制，汽機(jī)的能量

11、需求要等于鍋爐的熱量信號，這時(shí)蒸汽流量信號要改成調(diào)速級壓力（與負(fù)荷成正比）信號，鍋爐主控前饋要加上:（16）式中C1是調(diào)速級壓力與煤量的關(guān)系系數(shù)，代表每變化1MPa壓力，需要的煤量。當(dāng)外界負(fù)荷變化時(shí)，直接加減煤量；此時(shí)的Cb取值要經(jīng)過試驗(yàn)獲取，在燃燒率不變時(shí)，改變用汽調(diào)門，從而改變P1，讓16式相等。比如，P1增加，這時(shí)Pb會(huì)下降，C1*P1增加部分的陰影面積要與Cb*相等，就能得到Cb，這樣就能快速克服外擾。內(nèi)擾是燃燒工況、煤質(zhì)變化，還需要一個(gè)既能克服外擾，也能克服內(nèi)擾的公式，第一個(gè)前饋因素表達(dá)式是：（17）式中的C2與（16）式的一樣，也是調(diào)速級壓力與煤量的前饋關(guān)系系數(shù)，代表每變化1MPa

12、壓力，需要的煤量的1/22/3，而不是全部，要留1/21/3給PID來調(diào)節(jié)，用于前饋快速調(diào)節(jié)，但不能過大，否則容易過調(diào)。C3在這里起關(guān)鍵的克服內(nèi)擾的作用，與（16）的作用相反。當(dāng)煤質(zhì)變化時(shí)，首先影響燃燒，因爐膛溫度檢測的不確定性，大的鍋爐也沒有測點(diǎn)，所以反應(yīng)最快的點(diǎn)是汽包壓力（每個(gè)汽包爐都有）因汽包壓力變化慢，所以用其微分，放大C3倍來捕捉，用于控制。一般調(diào)試人員比較忌諱C3的取值，不敢設(shè)置得太大，造成其作用有限，所以要放大到15003000倍，作用才明顯，當(dāng)然避免壓力跳變帶來的干擾，需要進(jìn)行上下幅值限制。我們來分析（17）的作用機(jī)制和原理。當(dāng)外界負(fù)荷增加時(shí)，P1增加，Pb降低，（17）的兩個(gè)

13、作用實(shí)際是相加的關(guān)系，提前多加煤，當(dāng)Pb開始上升時(shí)，不管主汽壓力是否上升到目標(biāo)值，（17）的兩個(gè)作用實(shí)際是相減的關(guān)系，這些就開始減少煤量或限制煤量上升（PID調(diào)節(jié)的積分作用是增加煤量），C3是純比例作用，此時(shí)的回頭作用要大于PID的積分作用。當(dāng)煤質(zhì)變好，熱量信號增加，相同的煤量造成汽包壓力上升，（17）的兩個(gè)作用實(shí)際是相減的關(guān)系，煤量減少；反之，煤質(zhì)變差，熱量信號降低，汽包壓力減少，（17）的兩個(gè)作用實(shí)際是相加的關(guān)系，煤量增加。所以，（17）具備克服外擾和內(nèi)擾的作用，C2和C3兩個(gè)參數(shù)選擇好了，鍋爐控制就會(huì)變得簡單。（2） 母管制運(yùn)行的鍋爐母管制運(yùn)行的鍋爐與單元制機(jī)組的控制有區(qū)別，不能用直接能

14、量平衡的方法控制，任何一個(gè)用汽端用汽量的變化，都會(huì)影響母管壓力，進(jìn)而影響母管運(yùn)行的每臺(tái)鍋爐；任何一臺(tái)鍋爐的煤質(zhì)變化，不但影響本身，還會(huì)通過母管壓力，影響其它鍋爐。母管制運(yùn)行的鍋爐要用總的能量需求與總的鍋爐發(fā)熱量平衡，存在根據(jù)用汽端與鍋爐距離遠(yuǎn)近進(jìn)行加權(quán)負(fù)荷分配，來平衡鍋爐間的相互影響；母管對每臺(tái)鍋爐的的能量需求要改成鍋爐出口蒸汽流量（與負(fù)荷需求成正比，與需求端距離遠(yuǎn)近和壓損形成自然分配的關(guān)系）信號，所以，這時(shí)的鍋爐主控前饋還要加上如下表達(dá)式:（18）式中D是鍋爐出口主蒸汽流量，這里的C4是單位蒸汽流量需要的煤量的前饋關(guān)系系數(shù)，代表每變化1t蒸汽流量，需要的煤量。C3與（17）的C3作用和取值一

15、樣。當(dāng)外界用汽量增加時(shí)，母管壓力會(huì)降低，負(fù)荷分配給有裕量的鍋爐加煤；同時(shí)管道根據(jù)距離遠(yuǎn)近和壓力損失自然分配，會(huì)讓每臺(tái)鍋爐的主汽流量D有不同的增加。汽包壓力Pb降低，（18）的兩個(gè)作用實(shí)際是相加的關(guān)系，提前多加煤，當(dāng)鍋爐本身的Pb開始上升時(shí)，不管母管壓力是否上升到目標(biāo)值，（18）的兩個(gè)作用實(shí)際是相減的關(guān)系，這時(shí)就開始減少煤量或限制煤量上升，反之亦然。當(dāng)煤質(zhì)變好，相同的煤量造成汽包壓力上升，（18）的兩個(gè)作用實(shí)際是相減的關(guān)系，煤量減少；反之，煤質(zhì)變差，汽包壓力減少，（18）的兩個(gè)作用實(shí)際是相加的關(guān)系，煤量增加。所以，（18）具備克服外擾和內(nèi)擾的作用，C3和C4兩個(gè)參數(shù)選擇好了，母管制鍋爐控制也就會(huì)

16、變得簡單。（18）式適合所有汽包鍋爐，煤粉汽包爐適合，循環(huán)流化床汽包鍋爐也適合，爐排垃圾鍋爐也一樣適用。垃圾鍋爐不好控制的原因是沒有人把（18）式用于控制，國內(nèi)外的爐排廠家，也沒有這個(gè)應(yīng)用。（3） 壓力快速拉回控制鍋爐控制是一個(gè)多變量輸入，非線性的控制系統(tǒng)，要想控制好壓力，還需要做一個(gè)壓力偏差快速拉回的前饋控制回路，用于壓力偏差較大時(shí)使用。實(shí)際壓力高，需要直接減少一定數(shù)量的煤量A，當(dāng)汽包壓力變化率連續(xù)40秒下降時(shí)，就要取消這個(gè)前饋煤量A；反之，實(shí)際壓力低時(shí)，需要直接增加一定數(shù)量的煤量B，當(dāng)汽包壓力變化率連續(xù)40秒上升時(shí)，也要取消這個(gè)前饋煤量B，實(shí)現(xiàn)方法很多，在這就不詳細(xì)說明了。四、應(yīng)用（16）式的應(yīng)用很廣，幾乎每個(gè)投入?yún)f(xié)調(diào)控制的廠家都有應(yīng)用，特別是20萬以上的單元機(jī)組。（17）和（18）應(yīng)用很少，目前主要在和利時(shí)公司進(jìn)行優(yōu)化控制的電廠中使用。杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司在電廠的業(yè)績很多，應(yīng)用案例也多，因?yàn)槠?，就不一一說明了。本節(jié)就汽包鍋爐