汽包鍋爐控制方案優(yōu)化

.汽包鍋爐控制方案優(yōu)化一、概括電廠鍋爐種類許多，有爐排爐、循環(huán)流化床爐、自然循環(huán)汽包爐和直流爐等，不一樣的鍋爐有不一樣的控制和優(yōu)化方式，控制是讓鍋爐有關(guān)參數(shù)穩(wěn)固；優(yōu)化是對工藝、焚燒、配風等進行經(jīng)濟控制，提升效率，降低排放。電廠鍋爐除直流爐外，都有一個明顯特色，有自己的汽包。不論是燒垃圾的垃圾爐，循環(huán)流化床鍋爐，仍是燒煤的汽包爐；也不論是母管束運轉(zhuǎn)，仍是單元制運轉(zhuǎn)，都因鍋爐有一個汽包，它們的核心控制思想變?yōu)橐恢?，即利用汽包的儲能變化，實時檢測焚燒率的變化，從而實時調(diào)整燃料量，達到快速、穩(wěn)固的控制和調(diào)理。直流鍋爐主假如控制中間點溫度（焓）來調(diào)理風水煤；汽包鍋爐主假如控制主汽壓力和汽包壓力的穩(wěn)固來調(diào)理風水煤。本文主要介紹汽包鍋爐控制的共同點來說明對其進行控制方案的優(yōu)化。二、原理及動向特征汽包鍋爐焚燒控制系統(tǒng)包含燃料量控制、送（一二次）風控制和引風控制三個主要子系統(tǒng)；焚燒過程自動控制的基本任務(wù)是依據(jù)機組負荷的變化，使燃料焚燒所供給的熱量適應(yīng)鍋爐輸出蒸汽量的需求，同時保證焚燒過程的經(jīng)濟性和鍋爐運轉(zhuǎn)的安全性。依據(jù)鍋爐焚燒控制任務(wù)，主要調(diào)理以下三個物理量：燃料量調(diào)理調(diào)理燃料量使入爐燃料焚燒所產(chǎn)生的量能與鍋爐外面負荷需求的量能相適應(yīng)。送風量調(diào)理燃料量改變時，送風量也應(yīng)改變，以保證燃料的完整焚燒和排煙熱損失最小。調(diào)理送風量的目的是保證鍋爐焚燒過程的經(jīng)濟性。3．引風量調(diào)理調(diào)理引風量的目的是使引風量與送風量相適應(yīng)，以保持爐膛壓力在要求范圍內(nèi)，以保證焚燒過程穩(wěn)固性。從圖1所示的鍋爐焚燒對象顯示，鍋爐焚燒控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的非線性多變量強耦合控制系統(tǒng)。在鍋爐焚燒控制過程中，經(jīng)過燃料量控制、送風控制和引風控制三個子系統(tǒng)分別對三個調(diào)理變量（燃料量B、送風量V、引風量G）進行調(diào)理，以保持三個被調(diào)量（主..蒸汽壓力PT、煙氣含氧量O2、爐膛壓力Plt）的穩(wěn)固。鍋爐焚燒過程被控對象的動向特征是指機組運轉(zhuǎn)過程中各樣擾動惹起的各被調(diào)量變化的動向關(guān)系，鍋爐焚燒過程被控對象的動向特征主要有以下三個：1）主蒸汽壓力PT在內(nèi)、外擾動下的動向特征；2）煙氣含氧量O2在送風量擾動下的動向特征；3）爐膛壓力Plt在引風量擾動下的動向特征。（一）內(nèi)擾作用下主蒸汽壓力的動向特征:主蒸汽壓力PT遇到的主要擾動有二個，其一是焚燒率μB擾動稱為基本擾動或內(nèi)部擾動；其二是耗汽量D的擾動，稱為外面擾動。主蒸汽壓力PT的動向特征與用汽調(diào)理裝置有關(guān)，圖2（a）為用汽量不變時，鍋爐焚燒率μB擾動下主蒸汽壓力PT變化的階躍響應(yīng)曲線。此時主蒸汽壓力PT是一個無自均衡能力的被控對象。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。依據(jù)階躍響應(yīng)曲線確立延誤時間Bτ，能夠求出：（1）反響速度：（2）反響時間：反響時間TB定義為：焚燒率改變其額定值的10％,汽壓改變10%所經(jīng)過的時間。圖2（b）為用汽調(diào)理閥門開度不變時，鍋爐焚燒率μB擾動下主蒸汽壓力PT變化的階躍響應(yīng)曲線。此時主蒸汽壓力PT是一個有自均衡能力的被控對象。汽包壓力Pb與主蒸汽壓力PT之差p2隨燃料量和進入汽輪機的蒸汽流量的增添而增添。依據(jù)鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱量均衡關(guān)系可得：式中:Qr——熱負荷階躍變化；D——主蒸汽流量(負荷)；h"——飽和蒸汽焓；——蒸發(fā)受熱面熱容。依據(jù)以上熱均衡關(guān)系式可得：..（４）式中Cb稱為蓄熱系數(shù)，其物理意義為汽包壓力Pb改變一個單位，蒸發(fā)受熱面所吞吐的蒸汽量。式（4）表示，測出主蒸汽流量D和汽包壓力Pb的變化速度dpb/dt，與必定的蓄熱系數(shù)Cb配合,便可獲得代表熱負荷Qr的熱量信號，能夠快速反應(yīng)燃料量的變化。（二）外擾作用下主蒸汽壓力的動向特征:外面擾動是指負荷變化的擾動，圖3（a）和圖3（b）分別為進汽量D和用汽調(diào)理閥門開度μT擾動下主蒸汽壓力PT變化的階躍響應(yīng)曲線：圖3（a）中，主蒸汽壓力PT在階躍降落p0后，向來保持等速降落，為無自均衡能力的被控對象。圖3（b）中，主蒸汽壓力PT在階躍降落p0后，降落速度漸漸變慢，最后穩(wěn)固于一個較低的壓力值，為有自均衡能力的被控對象。（三）煙氣含氧量的動向特征煙氣含氧量O2是影響焚燒過程經(jīng)濟性的重要指標，主要經(jīng)過改變進入爐膛的送風量V對煙氣含氧量O2進行調(diào)理。送風量V擾動下煙氣含氧量O2變化的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。由圖4中煙氣含氧量的階躍響應(yīng)曲線可知，其動向特征擁有滯后、慣性和自均衡能力。（四）爐膛壓力的動向特征爐膛壓力Plt對鍋爐運轉(zhuǎn)的安全性有重要影響，主要經(jīng)過改變引風量G對爐膛壓力Plt進行調(diào)理。引風量G擾動下爐膛壓力Plt變化的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。在送風量V和引風量G的擾動下，爐膛壓力Plt的動向特征慣性很小，可近似以為是比率環(huán)節(jié)。這里把負壓和氧量的特征取出來說事的目的，是由于鍋爐控制中，這兩個子系統(tǒng)一定先投入自動運轉(zhuǎn)，不然鍋爐自動控制存在限制。三、汽包鍋爐控制共性依據(jù)焚燒系統(tǒng)控制的動向特征，送風及引風控制相對簡單，送風量與煤量成正比，氧量修正，引風量與送風量成正比，對互相耦合的系統(tǒng)進行解耦控制。實質(zhì)應(yīng)用中，送風量前饋控制引風量，當制粉系統(tǒng)運轉(zhuǎn)和停止時，給煤量微風量會變化，也需要找到影響關(guān)系，進行前饋控制。..煤量依據(jù)負荷或壓力進行調(diào)理和控制，因用汽環(huán)節(jié)是一個快速回路，而鍋爐是一個相對慣性較大的回路，要讓鍋爐快速知足負荷需求端的需求，就要對鍋爐進行快速調(diào)理和快速穩(wěn)固控制。最經(jīng)濟和快速的方法就是利用式（4）測出主蒸汽流量D和汽包壓力Pb的變化速度dpb/dt，與必定的蓄熱系數(shù)Cb配合,獲得熱量信號，進行快速調(diào)理，這一方法合用于所有汽包鍋爐的焚燒控制。在系統(tǒng)中，以熱量信號取代燃料量信號，不只能夠反應(yīng)燃料量的變化，并且還能夠戰(zhàn)勝燃料單位發(fā)熱量變化對焚燒過程的影響，從而提升鍋爐運轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)固性。熱量信號，是指燃料進入爐膛焚燒時在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。能夠用靜態(tài)下的主蒸汽流量D（單元機組用P1調(diào)速級壓力表示）和動向下的汽包壓力變化速度dpb/dt表示，其計算公式為：式（5）中:Cb——鍋爐的蓄熱系數(shù)：在鍋爐運轉(zhuǎn)過程中,熱量信號只應(yīng)當反應(yīng)焚燒率的變化（內(nèi)擾）,而不該當反應(yīng)負荷的變化（外擾）。即熱量信號只與焚燒率的變化有關(guān),而與負荷的變化沒關(guān)。當焚燒率不變而負荷變化時，熱量信號不變。在外擾和內(nèi)擾不一樣時，要差別對待，下邊分別說明：（一）單元制機組鍋爐用直接能量均衡的方法控制，汽機的能量需求要等于鍋爐的熱量信號，這時蒸汽流量信號要改成調(diào)速級壓力（與負荷成正比）信號，鍋爐主控前饋要加上: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。當外界負荷變化時，直接加減煤量；此時的Cb取值要經(jīng)過試驗獲得，在焚燒率不變時，改變用汽調(diào)門，從而改變P1，讓式（6）相等。比方，P1增添，這時Pb會降落，C1×P1增添部分的暗影面積要與Cb×dpbdt相等，就能獲得Cb，這樣就能快速戰(zhàn)勝外擾。內(nèi)擾是焚燒工況、煤質(zhì)變化，還需要一個既能戰(zhàn)勝外擾，也能戰(zhàn)勝內(nèi)擾的公式，第一個前饋公式是：這里的C2與式（6）的同樣，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壓力，需要的煤量的1/2～2/3，而不是所有，要留1/2～1/3給PID來調(diào)理，用于前饋快速調(diào)節(jié)，但不可以過大，不然簡單過調(diào)。C3在這里起重點的戰(zhàn)勝內(nèi)擾的作用，與式（6）的作用相反。當煤質(zhì)變化時，第一影響焚燒，因爐膛溫度檢測的不確立性，大的鍋爐也沒有測點，所以反應(yīng)最快的點是汽包壓力（每個汽包爐都有）因汽包壓力變化慢，因此用其微分，放大C3倍來捕獲，用于控制。一般調(diào)試人員比較禁忌C3的取值，不敢設(shè)置得太大，造成其作用..有限，因此要放大到1500～3000倍，作用才顯然，自然防止壓力跳變帶來的擾亂，需要進行上下幅值限制。我們來剖析式（7）的作用體制和原理。當外界負荷增添時，P1增添，Pb降低，式（7）的兩個作用實質(zhì)是相加的關(guān)系，提早多加煤，當Pb開始上漲時，不論主汽壓力能否上漲到目標值，式（7）的兩個作用實質(zhì)是相減的關(guān)系，這些就開始減少煤量或限制煤量上漲（PID調(diào)理的積分作用是增添煤量），C3是純比率作用，此時的回頭作用要大于PID的積分作用。當煤質(zhì)變好，熱量信號增添，同樣的煤量造成汽包壓力上漲，式（7）的兩個作用實質(zhì)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，式（7）的兩個作用實質(zhì)是相加的關(guān)系，煤量增添。因此，式（7）具備戰(zhàn)勝外擾和內(nèi)擾的作用，C2和C3兩個參數(shù)選擇好了，鍋爐控制就會變得簡單。（二）母管束運轉(zhuǎn)的鍋爐母管束運轉(zhuǎn)的鍋爐與單元制機組的控制有差別，不可以用直接能量均衡的方法控制，任何一個用汽端用汽量的變化，都會影響母管壓力，從而影響母管運轉(zhuǎn)的每臺鍋爐；任何一臺鍋爐的煤質(zhì)變化，不只影響自己，還會經(jīng)過母管壓力，影響其余鍋爐。母管束運轉(zhuǎn)的鍋爐要用總的能量需求與總的鍋爐發(fā)熱量均衡，存在依據(jù)用汽端與鍋爐距離遠近進行加權(quán)負荷分派，來平衡鍋爐間的互相影響；母管對每臺鍋爐的的能量需求要改成鍋爐出口蒸汽流量（與負荷需求成正比，與需求端距離遠近和壓損形成自然分派的關(guān)系）信號，因此，這時的鍋爐主控前饋要加上: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與式（7）中的C3作用和取值同樣。當外界用汽量增添時，母管壓力會降低，一是負荷分派給有裕量的鍋爐加煤；同時管道依據(jù)距離遠近和壓力損失自然分派，會讓每臺鍋爐的主汽流量D有不一樣的增添，汽包壓力Pb降低，式（8）的兩個作用實質(zhì)是相加的關(guān)系，提早多加煤，當鍋爐自己的Pb開始上漲時，不論母管壓力是否上漲到目標值，式（8）的兩個作用實質(zhì)是相減的關(guān)系，這時就開始減少煤量或限制煤量上漲，反之亦然。當煤質(zhì)變好，同樣的煤量造成汽包壓力上漲，式（8）的兩個作用實質(zhì)是相減的關(guān)系，煤量減少；反之，煤質(zhì)變差，汽包壓力減少，式（8）的兩個作用實質(zhì)是相加的關(guān)系，煤量增添。因此，式（8）具備戰(zhàn)勝外擾和內(nèi)擾的作用，C3和C4兩個參數(shù)選擇好了，母管束鍋爐控制也就會變得簡單。式（8）合適所有汽包鍋爐，包含煤粉汽包爐、循環(huán)流化床汽包鍋爐以及爐排垃圾鍋爐。垃圾鍋爐不好控制的原由是沒有人把式（8）式用于控制，國內(nèi)外的爐排廠家也沒有這個應(yīng)用。..（三）壓力快速拉回控制鍋爐控制是一個多變量輸入，非線性的控制系統(tǒng)，要想控制好壓力，還需要做一個壓力誤差快速拉回的前饋控制回路，用于壓力誤差較大時使用。實質(zhì)壓力高，需要直接減少必定數(shù)目的煤量A，當汽包壓力變化率連續(xù)40秒降落時，就要撤消這個前饋煤量A；反之，實質(zhì)壓力低時，需要直接增添必定數(shù)目的煤量B，當汽包壓力變化率連續(xù)40秒上漲時，也要撤消這個前饋煤量B，實現(xiàn)方法好多，在這就不詳盡說了然。四、應(yīng)用式（6）的應(yīng)用很廣，幾乎每個投入?yún)f(xié)調(diào)控