大型循环流化床锅炉发电机组协调控制系统研究与设计

冀树春，冀树芳， 闫普，解观栋，朱宏（神华神东电力有限责任公司, 陕西 神木 719300）

1 机组概况介绍

电厂4×200MWCFB空冷机组，锅炉是690t/h超高压、中间再热、单汽包自然循环锅炉，燃用设计煤种时，能够稳定运行；汽轮机是N200-12.75/535/535型超高压、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机，DEH采用Ovation系统；DCS为国电智深EDPF-NT+系统，机组协调控制系统（CCS）设计在MCS控制器中。随着电网对电厂AGC高品质要求，AGC稳定投运已成为当前电厂自动控制的一项重要指标，其投运关键因素是机组CCS高品质稳定投运；但CFB锅炉CCS仍然存在问题，已是其推广应用的一个主要障碍。

2 CFB机组协调控制存在的难点

CFB锅炉在动态特性上不同于煤粉炉，是风、煤、水等众多变量相互影响和相互耦合的复杂多变动态系统，主蒸汽压力对燃料量的响应时间滞后太长，使它和常规煤粉炉在控制上存在很大差异，主要表现在CFB锅炉燃烧室内流化层大热容量的热平衡特性，这种特性及其随运行工况变化而变化的特性，造成了CFB锅炉燃烧过程实现自动控制的困难，使CFB锅炉热工自动控制成为其推广应用的一个障碍。CFB锅炉控制理论上具有以下特点：

（1）大迟延：即从输入变量（给煤量和风量）改变到负荷、汽压响应有较大的滞后惯性。

（2）多变量耦合：给煤量、返料量、一次风量、二次风量、床温、床压等对主汽压力、主汽温度、负荷、床温的影响有很强的耦合关系，这给被调量与调节量的变量关系配对带来困难，各参数间的耦合和配对关系分别见表1和表2所示。

表1 CFB锅炉参数的耦合关系[2]

表2 被调量与调节量的变量配对表

（3）非线性特性：给煤量与风量对床温的影响不定，往往先升后降或先降后升，呈现出强烈的非线性。

（4）快机慢炉：汽机调节快与锅炉燃烧慢之间矛盾尤为突出，给机炉CCS带来了困难。

CFB锅炉CCS研究大致有两种方向，一是脱离DCS系统。采用新型控制算法和设备，先建立动态数学模型，再运用现代控制理论和算法搭建先进控制逻辑，通过现场采样、系统试验等达到优化控制目的。如厦门大学的xd-apc控制系统和新华燃烧优化控制系统，在CFB锅炉CCS研究方面有所突破，但需另外配置软硬件系统，且出于技术保密，核心技术不透明，使运行、维护不方便，故推广应用受到一定限制。另一种是在DCS系统里，借鉴煤粉炉CCS经验，设计一套改进的CFB机组CCS，此系统往往稳定状态时调节效果较好，负荷变动时主汽压力波动较大，但也为CFB机组CCS研究积累了宝贵经验。

3 CFB机组协调控制的分析

通过对CFB锅炉协调控制理论和策略研究，以及对长期手动调整数据的统计、分析、总结和试验，参考相关领域前人工作，研究发现：“炉跟机”CCS方式下，为保证主汽压力品质，给煤量变化幅度很大，导致床温变化过快，影响锅炉稳定运行；“机跟炉”CCS方式下，给煤量变化较平缓，虽然负荷响应较慢，但整体调节效果比“炉跟机”方式好；直接能量平衡控制策略会引起参数超调较大，间接能量平衡控制策略在这方面好一些，但对煤质变化反应迟缓；使用燃料前馈能有效克服燃料调节的滞后性，由于CFB锅炉惯性较大，正常变负荷时，必须限制机组的变负荷速率。

通过理论论证、实践验证和数据分析都证实：机组运行较稳定或负荷变化率设置合理时，通过优化控制策略，在DCS系统上设计一套CCS是可行的，且主要被控参数均可调整在合理范围内；因此，电厂2009年对CFB机组CCS进行立项研究试验。

4 CFB机组的CCS研究

CFB机组CCS品质，突出表现在CCS负荷响应特性不能满足电网要求，CCS控制品质不能满足机组稳定经济运行。研究结论如下：

（1) CCS基本策略，关键在于处理机组负荷适应性与运行稳定性的矛盾。汽机控制既要充分利用锅炉蓄能，满足机组负荷要求，又要动态调整锅炉能量输入，补偿锅炉能量，且要求既快又稳。

（2)机组负荷响应速率，关键在于锅炉负荷响应速率的提高是通过调节汽门的动态过开，缩短负荷响应的滞后时间，以合理利用锅炉蓄热。

（3)减小系统动、静态偏差，关键在于形成合适的压力定值，使动态过程中压力定值曲线与实际压力变化相吻合；并在动态过程中合理设计锅炉负荷指令的超调量，使负荷指令接近目标值时超调量逐渐减小；再根据锅炉负荷响应特性，在动态中限制调节汽门的动作，使机炉间相互协调。

（4)提高CCS对不确定扰动因素的适应性，关键在于尽可能减少或消除锅炉与汽机的相互影响，采用扰动补偿、自治或解耦控制原理，使扰动在扰动控制回路中自行快速消除，而非扰动控制回路应少动或不动，以利于过程稳定。

CFB锅炉燃烧优化控制中，机组CCS投入后，以汽机调节负荷，锅炉调节压力，CCS接受负荷指令。当汽机负荷变化较大时，对CFB锅炉耦合性强的负荷、主汽压、床温、床压等参数进行解耦，整个系统保持在总能量平衡下调整。电厂#2机组CCS统结合CFB锅炉特点，选择一种DCS系统容易实现的控制策略，根据现场试验数据和运行经验，建立输入变量与被控量之间配对关系（见表2.2），采用前馈加校正和合理限制升降负荷率及解耦等设计理念，用锅炉侧调节主蒸汽压力、汽轮机侧调节有功功率的"炉跟机"CCS方式；将强耦合关系变量之间进行解耦设计，忽略弱耦合关系变量间的影响，并严格限制机组升降负荷率，缓解快机慢炉矛盾；为充分利用CFB锅炉蓄热大特点，采用快升慢降的变负荷率控制；大量采用前馈控制来克服CFB锅炉的大惯性；通过完善一次调频功能，汽机侧采用“压力偏差回拉功率”回路，来限制调节气门动作速率；将直接能量平衡改为间接能量平衡等策略；有效地对CFB锅炉多变量、强耦合、大滞后、大惯性的复杂系统进行解耦，控制效果明显。

从区域文化视角考察作家个性气质、文化人格的生成，地理环境应是一个可以观照的角度。地理环境(包括山川、气候、物象)对于人格的养成，并不是决定性因素，却也是一个重要因素。近代刘师培在《南北文学不同论》[2]中曾从山川、地形、风情、民俗、语言等不同文化生态元素阐释南北文学之异同，对体认不同地域作家生就不同气质、禀赋乃至文化个性就颇有启迪。鲁迅亦有论述：“中国的人们，不但南北，每省也有些不同的”，“我还能看出浙西人和浙东人的不同”[3]。鲁迅的这个判断，主要是从地域民性、风情、语言习惯等造就不同文化品性做出的，此说颇能区分“两浙”人的不同文化性格。

4.1 前馈控制在CCS中的设计

根据能量平衡原理，在反馈控制基础上，引入某参数的前馈控制，使机炉间的能量平衡在失去或刚要失去平衡时，及时按照机炉特性采取前馈控制运算，限制能量失衡在较小范围内。前馈控制是机组负荷控制的重要组成部分，是CCS的核心。通常负荷控制是按负荷指令进行的，前馈控制主要是补偿对象(特别是锅炉侧)动态特性的延迟和惯性，加快负荷响应，在变负荷过程中起粗调作用。由于CFB锅炉燃烧过程的迟延是影响其负荷响应特性的主要因素，因此，负荷前馈控制的重点是锅炉侧。为有效补偿锅炉侧动态迟延和惯性，前馈控制除采用（比例作用）外，还采用动态前馈（微分作用），来达到超前控制作用，加速CFB锅炉负荷响应，改善整个机组负荷控制质量。而从汽机侧的对象动态特性分析，不必采用动态前馈控制，只采取静态前馈，即当负荷需求变化时，调节汽门开度及时响应，以提高负荷控制质量。

4.2 汽机主控功率指令的“压力偏差回拉功率” 修正设计

由于CFB锅炉的大迟延特性，在以2MW/min速率进行幅值为l0MW的变负荷试验过程中，主蒸汽压力波动幅值超过±0.75MPa，因此， "炉跟机"CCS方式，通过设定好的主蒸汽压力偏差与功率函数关系的"压力偏差回拉功率"回路，限制修正汽机调节汽门动作速率。该方法主要用在"炉跟机"或汽机基本自动方式下,新设计思路将炉侧机前压力偏差通过一死区非线性模块负向加到汽机功率指令回路中，来使汽机在锅炉压力允许范围内利用锅炉的蓄热。

原设计方案未将机前压力偏差作为前馈引入汽机功率调节器，实质是种“炉跟机”方式；特点是负荷响应速度快，但机前压力波动较大。为克服此不足，增加死区非线性环节，汽机调节汽门开度根据功率偏差大小而改变。增负荷时（ULD-MW）＞0，调节汽门开度μT增加，而μT变化引起机前压力PT下降，从而使压力偏差（P0-PT）增大。压力偏差信号通过一死区非线性环节负向加到汽机功率指令回路中作为补偿。如压力偏差在死区范围内，则不对输出进行校正，使MW尽快响应ULD。如压力偏差（P0-PT）增大到死区范围外，输出补偿起作用，限制调节汽门进一步增大，即限制过量利用锅炉蓄热，维持机前压力稳定。可见补偿信号补偿了锅炉侧，防止调节汽门过开和稳定机前压力。但又一定程度上影响了机组负荷响应速度；为此，在对汽机功率调节器的输出进行系数修正后（该修正系数为机前压力偏差和机组功率偏差的函数），又增加了负荷参考前馈，从而提高机组在变负荷条件下对负荷的响应能力。控制逻辑见图1。

图1 汽机主控功率指令的修正逻辑示意图

4.3 锅炉燃烧控制子系统优化设计

CFB锅炉特点是燃料及脱硫剂多次循环。由于燃料在炉膛中经多次循环燃烧才能将能量全部释放，即改变燃料后，需较长时间才能改变炉膛内热量；因此CFB锅炉负荷响应特性较差、滞后较大、调节较困难。为克服其调节滞后性，采取燃料前馈设计，即负荷预加煤前馈、负荷动态前馈和“正踢”及“反踢”等功能。

（1）预加煤前馈

负荷预加煤控制主要是根据目标负荷和实际负荷的偏差以及燃料负荷的配比函数关系，计算出预加煤量，在目标负荷刚开始变化时，就按照一定速率预先加入一定的煤，从而目标负荷ULD在一定程度上克服锅炉的调节滞后。实际负荷MW原理和燃料前馈见图2。MW与ULD的偏差经时间函数f1(t)和预加煤计算函数f(x)后，形成指令Bf1；Bf1与自身微分后的和形成预加煤前馈Bf，微分环节是增强前馈对负荷调节后期的燃料量作用，来克服大负荷变动时，后期加煤不足问题。微分时间Td值的确定与CFB锅炉热力惯性有关，具体参数通过现场试验获得；f(x)和时间函数f(t)的参数值也要通过试验取得。

图2 锅炉燃烧控制子系统的优化逻辑示意图

图2中， ULD微分后可将负荷定值作超前校正，两路共同形成燃料前馈Bf，有效克服CFB锅炉侧的惯性和迟延，提高机组负荷响应速率。

（3）“正踢”、“反踢”控制

CCS方式下，锅炉主控回路中设有“加速”回路，由负荷指令设定值与实际负荷的差值信号经一函数发生器形成，是一非线性比例调节器；当负荷指令设定值与实际负荷的差值信号较大时，说明锅炉跟不上汽机的变化，因此输出一指令信号给锅炉主控器，令其再额外地增加或减少一部分煤量，起到“加速器”作用，该信号作为基本的稳态功率前馈信号。主汽压力调节器作为细调部分。

为最大限度降低锅炉迟滞和惯性对升降负荷的影响，在锅炉主控回路中加入预给煤运算的逻辑，当升降负荷的逻辑信号置位时，给出一个额外的加减煤量的指令，经若干时间该信号消失，该信号的作用为“正踢”（相当于初始冲量）。当升降负荷的逻辑信号复位时，此时要求升降负荷的过程已结束，但由于锅炉迟滞的作用，此时进入锅炉的煤量将在随后的过程中产生过量影响，因此在预给煤的运算逻辑中还设计了一个“反踢”（类似于“刹车器”）作用，用以防止锅炉汽压的“过调”。控制逻辑见图3。

图3 “正踢”和“反踢”功能

4.4 热量校正设计

为进一步提高调节品质，在锅炉主控调节器后引入锅炉状态反馈信号，来预测汽压变化趋势，修正锅炉主控器的输出。锅炉主控M/A用于设定机组的总燃料量定值，锅炉指令同时作用到燃料主控、一次风及二次风控制回路。锅炉主控未投自动时，其输出指令跟踪机组的当前负荷（即总燃料量+热量校正）；用调节级压力与汽包压力的和微分后作为热量校正，以有效克服PID调节器输出特性和锅炉惯性所引起的汽压过调或振荡现象，稳定锅炉汽压起关键性作用，控制逻辑见图4。

图4 锅炉燃料反馈热量修正逻辑图

5 CFB机组的CCS投入效果分析

通过对CCS参数多次优化调整和主汽压力及负荷扰动试验，实现控制指标：在20MW扰动下，升负荷率为3MW/min，降负荷率2MW/min，主汽压力波动小于±0.75MPa；稳定运行时，压力波动小于±0.5MPa；控制指标接近于直吹式煤粉炉的CCS指标，部分被调参数优于同容量煤粉炉机组的控制指标，试验曲线见图5-7。

6 设计的技术应用创新点

结合不同厂家CFB锅炉特点，保证各子系统自动调解品质优良下，合理选择CCS方案，解决被控过程强烈的非线性、大滞后和强耦合难题，实现CFB机组CCS，满足机组经济运行；关键解决好负荷控制与床温控制的强耦合关系。原则上负荷是靠给煤量控制，但用给煤量控制负荷的同时再控制床温，二者将会发生矛盾，因为用一个控制量来保证两个参数状态同时稳定在各自的给定值上是不可能的。故为保证负荷满足要求，允许床温在一定范围内波动。实现技术创新如下：

（1）一定程度上解决了CFB机组CCS中被控过程强烈的非线性、大延迟、大滞后和强耦合难题。

（2）基于DCS系统的CCS策略及算法，实用性强，价格低廉，具有很好的推广应用前景。

（3）充分吸取运用运行人员的实际操作经验，科学应用人工智能进行控制设计。根据试验数据，建立输入变量与被控变量间的配对关系，采用前馈加偏差校正设计理念，前馈信号作主调量，偏差的PID运算作校正值进行细调，强耦合关系变量进行解耦和弱耦合关系变量因素忽略设计，以解决多变量耦合和变量配对难题。

（4）运用前馈控制克服CFB锅炉的大惯性。

（5）采用“正踢、反踢”提前控制，克服机组大滞后和大延迟特性。

（6）燃料控制回路，煤量反馈信号中引入适度比率的热量信号（即引入汽包压力），缓解煤质变化对控制效果的影响。

（7）考虑CFB锅炉蓄热大，采用快升慢降的变负荷率控制，缓解快机慢炉的矛盾。

[1]张秋生,张文兴,高志存.大型CFB机组协调控制系统的研究[J].中国电力，2005,38(7):53-56.

[2]马素霞,杨献勇.CFB锅炉燃烧系统的动态特性研究[J].中国电机工程学报，2006,26(9):1-6.

[3]赵伟杰,张文震,冯晓露.循环流化床锅炉床温的控制特性[J].动力工程，2007,27(4):545-550,610.