超超临界锅炉燃烧控制系统优化

李存怀，缪红红，陈峰

(华电邹县发电有限公司，山东省 邹城市，273522)

0 引言

近年来，大容量、高参数的超临界及超超临界机组逐渐成为我国火电发展的主要方向，对于燃煤机组而言，锅炉的燃烧控制既是重点，也是难点，安全性和燃烧的经济性是控制的重点。华电邹县发电有限公司2×1000 MW机组为国产引进型超超临界燃煤火电单元机组，其锅炉、汽轮机、发电机分别由东方锅炉(集团)股份有限公司、东方汽轮机厂、东方电机股份有限公司制造。锅炉由日本巴布科克－日立公司、汽轮机与发电机由日立公司提供技术支持与保证。分散控制系统(distribution control system，DCS)则采用了EMERSON过程控制公司的OVATION控制系统。投产以来，燃烧控制系统存在诸多急需解决的问题，迫切需要对燃烧控制系统进行优化。

1 超超临界锅炉燃烧的控制思想

超超临界锅炉燃烧过程控制的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应汽轮机负荷的需要，保证锅炉的经济燃烧和安全运行。其控制目的是维持汽压和炉膛压力的稳定，保证燃烧过程的安全性和经济性，控制锅炉过热汽温度在合适范围内［1－10］。

超超临界机组的锅炉是一个多输入、多输出的被控对象，输入量为汽温、汽压和蒸汽流量，输出量为给水量、燃料量、送风量。由于是强制循环且受热区段之间无固定界限，1种输入量扰动将影响各输出量，汽温、燃烧、给水相互关联，如单独改变给水量(或燃料量)，不仅影响主汽压力与蒸汽流量，过热器出口汽温也会产生显著的变化。尤其是水燃比不相适应时，汽温将会有显著的变化。为使汽温变化较小，要保持燃烧率和给水量的适当比例。从动态特性来看，顶棚过热器汽温能迅速反应过热汽温的变化，因此可以该信号来判断给水和燃烧率是否失调。

燃烧控制系统包括燃料量控制和总风量控制。

(1)燃料量控制。燃料量指令来自于锅炉主控。锅炉主控的指令经过折线函数f(x)后，通过水燃比的修正形成信号，该信号和省煤器入口给水流量的折线函数f(x)形成的信号进行小选，作为总燃料量的设定值。同时，进行小选的信号分别用于给水和燃料交叉限制回路中。总燃料量的设定值和总风量的折线函数f(x)形成的信号进行小选形成燃料量指令，同时，进行小选的信号分别用于给风和燃料交叉限制回路中。

(2)总风量控制。对于超超临界机组，风煤比的控制在静态平衡的前提下要考虑动态下的风煤交叉，保证动态过程中风大于煤，确保锅炉燃烧的稳定。函数f(x)是风煤比函数，锅炉主控指令经过函数f(x)后再经过氧量校正，得到氧量修正后的总风量设定，该设定和总燃料量函数f(x)输出经过大选形成风量设定，去控制送风。同时，这2个参数还参与燃料风量交叉限制和最小风量限制回路，产生控制送风机的风量指令，以保证燃烧的经济性及稳定性。

综合来看，超超临界机组锅炉控制具有以下特点:(1)非线性技术的应用极为广泛，变参数控制在控制系统中经常被用于解决被控对象的非线性，尤其体现在控制上。(2)由于超超临界机组各被控参数的惯性时间常数相对减小，一旦出现物质或者能量之间的不平衡，会造成机组参数的巨大波动，因此各个子系统之间交叉限制更加突出。(3)动态补偿和前馈控制的广泛运用提供了更为完善的控制方式，协调各系统之间的平衡，保证了锅炉的正常运行。

2 存在的问题

运行过程中，发现2台1000 MW机组在控制方面有潜在的问题，这些问题需要通过分析验证加以解决，而逻辑的优化调整是最直接、最有效的解决方式。目前，机组在控制方面存在的主要问题是:热量校正单元(balance thermal unit，BTU)热值校验可调余量小，水煤交叉限制回路经常动作，造成BTU不能真正投入，煤种偏离设计煤种时，燃烧存在偏差，不能满足适时负荷的变化;在水燃比输出回路上函数f(x)部分拐点参数设置不合理，不适合实际工况，造成被调量出现偏差，从而影响过程控制，造成调节迟缓;燃油流量没有计入燃料回路中，造成投油时实际水燃比发生变化，从而造成温度的变化;在水燃比输出回路上缺少机组负荷的动态前馈的影响，部分回路设计不合理，前馈没有真正起到作用，超前控制没有满足设计要求。

3 优化方案

从巴布科克－日立公司设计的思想来看，以并行前馈为主，给锅炉各子系统1个随负荷变化的合理的稳态工作点，再施以合理的PID单级或串级的反馈调节，发挥自动平衡、反馈纠偏的作用。合理地调整并行前馈量，锅炉控制系统的实际工作点可以逼近理想工作点，使燃料、风、水、汽等物料、能量关系处于平衡点邻域，此时锅炉子系统的反馈调节器进入了小偏差调节状态，再调整各控制回路的参数，达到加快机组的动态响应过程。遵循这一思想，对燃烧控制回路进行逻辑优化和参数优化，使燃烧控制更加利于控制，更具有经济性。图1是燃料控制的设计思路。

图1 燃烧设计思想Fig.1 Oiler burning design

(1)完善BTU指令回路。实际运行过程中，锅炉燃烧在一定程度上偏离设计煤种，当煤种变化时，煤的发热量随之而变，此时的负荷指令对应的就不是以前的燃料量，热值校正回路就是用来计算机组的煤种偏离设计煤种时煤量的校正系数的，目的是保证当煤种变化时，机组的负荷不变。修改水燃比后的折线函数f(x)，使输入输出有准确配比，被调量有准确的定位。同时，修改控制回路，当燃料主控切手动时用煤燃料量指令/总燃料量信号作为燃料热值信号，使机组适应煤种变化的能力大大提高。

(2)修改燃料调节指令函数。在燃料量设定形成回路中，锅炉主控所形成的前馈折线函数OB71002 f(x)输入输出参数配比有一定的局限性，曲线斜率小，前馈作用不明显，对参数进行修改。

(3)燃油流量计算回路。在机组变负荷或启动过程中，如果需要投油助燃，油燃料未计入燃料量或者计入不准确，造成了水燃比的变化，从而引起了汽温的变化。为此通过更换计量准确的燃油流量计进行测量，保证燃油流量的可靠测量。

(4)水燃比调节汽温时增加负荷指令前馈。在设计锅炉水燃比汽温控制时，只考虑了锅炉主控对汽温的影响，在给水和燃料同时接受锅炉主控制器的控制信号时，水燃比控制信号对给水(燃料)进行比例修正，以达到调节汽温的目的。而通过试验发现，汽机调门的开度同样对汽温有着不同的影响。由于机组目标负荷一定程度上代表汽机调门开度，因此，引入负荷指令前馈，通过对机组目标负荷的微分环节引入加法器OB68030sum，超前对汽温进行控制。

在优化过程中，闭环控制功能都在前馈技术的基础上完成。在系统整定过程中，尽量减少系统之间的相互牵连，调节回路的参数配比力争准确，按照系统校正缓步投入的原则，采用动态先行信号使前馈、变定值、变增益和变参数合理的控制策略，将过程控制变量维持在一个合理的限度内，保证机组在任何运行方式下，都能快速响应负荷的变化，达到性能最优。

4 结语

本文所述的超超临界机组的锅炉为直流炉，锅炉蓄热能力小，控制对象的动态特性发生了明显的改变，被控对象的惯性时间常数大大减小，控制的快速性要求提高，动态过程加快，各子系统的相互联系更加紧密，更难以控制。因此只有在考虑成熟的情况下，在原有的控制策略上进行补充和优化，其过程是逐步的、渐进的。通过以上几个回路的优化，锅炉燃烧调节较以前有很大改善，机组的负荷适应能力有了较大提高，该方案的成功实施，对国内同类机组运行有较大的借鉴意义。

［1］张玉铎，王满稼.热工自动控制系统［M］.北京:水利电力出版社，1984.

［2］张朝阳，李卫华，宋兆星.600 MW超临界直流炉机组协调控制系统策略［J］.华北电力技术，2007(1):24-28.

［3］徐金涛.超超临界百万千瓦机组直流炉燃烧器施工方案［J］.电力建设，2009，30(1):56-58.

［4］马新立.2980 t/h超超临界锅炉燃烧系统优化运行分析［J］.发电设备，2009(3):181-187.

［5］张廷发，王助良.1000 MW超超临界锅炉低NOx燃烧与控制技术［J］.电站系统工程，2008(6):12-14.

［6］温顺利，谢波，蒋向南.1000 MW超超临界锅炉T23钢水冷壁防泄漏探讨［J］.电力建设，2010，31(9):82-86.

［7］陈辉，王文祥，严毅.当前1000 MW超超临界锅炉的主要技术特点［J］.锅炉制造，2009(1):10-14.

［8］岳峻峰，梁绍华，宁新宇，等.600 MW超超临界锅炉墙式切圆燃烧系统的特点及性能分析［J］.动力工程学报，2011，31(8):598-604.

［9］窦文宇，钱公，陈新中，等.我国超(超)临界机组锅炉燃烧方式对受热面管安全影响的探讨［J］.电力建设，2010，31(4):44-50.

［10］马斌.大型超临界、超超临界锅炉低NOx燃烧系统研究［D］.杭州:浙江大学，2007.