基于直接能量平衡和负荷分配的母管制机组控制

沈智慧（浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴 312025)

马 骏（南京科远自动化集团股份有限公司，江苏 南京 211100）

1 引言

在供热电厂中，存在供热对象需求的多元化，供热方式多样化，为了提供供热可靠性，节约能源，提高尾气燃烧利用率，锅炉和汽机之间常常采用母管制联结。

所谓“母管制”机组是指由几台锅炉并列向同一母管供汽运行以满足企业发电、供热需求的机炉联结方式。母管制机组中锅炉和汽机的联系并不像单元制机组中锅炉与汽机的联系那么紧密，相对于单元制机组存在几台锅炉相互间耦合性强，负荷分配不均，母管压力波动大等问题。为了提高其运行效率，增加其经济效益[1]，须考虑并列运行锅炉的负荷分配和燃烧控制优化等问题。

本文针对母管制运行机组控制的本质问题：外界耗汽量的变化才会引起锅炉供汽量的变化，提出了基于直接能量平衡和负荷分配的控制方案，实现并列运行的锅炉共同维护母管压力平衡，优化了母管制机组的动态特性，达到了减少控制滞后时间的目标。

2 母管制工艺流程简介

本文以福建某热电厂的一期工程为研究对象，介绍母管制机组的工艺流程。其中锅炉为超高压参数自然循环、四角切向燃烧方式、单炉膛、无再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、“Π”型布置、配回转式空气预热器，汽轮机为北京全四维动力科技有限公司、南京汽轮电机集团公司联合设计，南京汽轮电机集团公司制造的超高压冲动式、单轴双缸双排汽、抽汽凝汽式汽轮机，型号为C150-12.5/4.3。其工艺流程图如图1所示。

图1 母管制热电机组结构图

从图1中可以看到，锅炉产生的蒸汽集中聚集到母管中，再经汽轮机做功或经减温减压装置向外抽汽供热。

本项目中采用的是集中母管制，热电厂所有锅炉的蒸汽引至一根蒸汽母管，再由母管分别引向汽轮机和其他用汽处。在实际运行过程中，汽轮机和其他用汽处负荷的变化，就会引起母管蒸汽压力的变化。所以，母管蒸汽压力是母管制热电厂的主要被控对象，是表征锅炉运行状态的重要参数[2]。因此，在工艺允许范围内，控制母管蒸汽压力稳定是母管制电厂控制的核心问题。

3 直接能量平衡的控制优化

引起母管蒸汽压力变化的最主要扰动因素是蒸汽流量扰动（外扰）和燃烧率扰动（内扰）[3]。所谓“外扰”就是因蒸汽负荷波动引起的供耗汽量平衡失调；所谓“内扰”就是因燃料率波动引起的锅炉产汽量波动进而影响供耗汽量平衡失调。在此项目中，因为工厂产生的化学废气作为燃气参与燃烧，然而此燃气的量随工厂的生产状况有较大的变化，所以“内扰”主要是燃气产生量的扰动；“外扰”的产生是外界所需负荷的波动引起的。

3.1 能量平衡理论

由于燃气量不稳定，所以“内扰”对母管蒸汽压力的影响是长期存在的。如果直接从燃烧控制的角度来考虑，这就是一个很复杂的控制环节，将涉及燃烧过程的燃料、送风和引风三大系统，显然是不合适的。

但是，从能量平衡的角度，燃料燃烧后最终的能量可以简单地分为两部分：一部分产生了蒸汽流量D，这部分能量流进了蒸汽母管，进入了汽轮机做功以及供给用热对象的需求；另一部分则贮存在锅炉本身的工质中，表现为锅炉汽包压力Pb的上升，因此，这部分能量可以用锅炉汽包压力Pb的微分来表示。

若第i台锅炉所产生的蒸汽流量和汽包压力分别为Di和Pbi（i=1，2，3），为第i台锅炉的蓄热系数，则第 i 台锅炉所能提供的热量信号为Qi：

显然，3台锅炉提供的总热量信号为Eb：

式中Db可以理解为总蒸汽流量。

若外界需要总蒸汽流量为Dt，母管蒸汽实际压力与设定压力分别为Pm和Po，为了满足外界符合的需要，希望锅炉提供的总能量Et可以表示为：

式中Et为锅炉提供的总能量，也是外界所需要的总能量。

从以上的分析可以看出，只要保证外界需要蒸汽流量Dt和锅炉实际提供的蒸汽流量Db相等，就能保证母管蒸汽压力Pm等于其设定值Po。但是在实际控制系统中，外界所需的蒸汽流量Dt难以测量[4]，所以我们必须对能量方程进行进一步优化。

3.2 能量平衡优化

以上的公式推导是在考虑各台锅炉均为调压炉的前提下进行，所以针对系统中只有一台调压炉（第K台锅炉），（4）可以转化为：

在稳态工况下，存在锅炉需求流量Dtk与实际主蒸汽流量Dbk相匹配，因此可进一步转化：

将上式移项后可以得到：

图2 基于直接能量平衡的控制策略

4 负荷分配方案设计

从控制工艺的角度来看，母管蒸汽压力的高低变化是平衡过程中蒸汽盈余量所反映出来的物理现象。因此可以用母管蒸汽压力的恒定作为锅炉供汽量和外界耗汽量平衡的标志，所以保证母管蒸汽压力稳定在给定值是锅炉汽轮机安全运行的重要要求之一。母管蒸汽压力作为控制系统的主要被调量，消除“外扰”对母管蒸汽压力的影响，可以采用调整锅炉的蒸发量和调节汽轮机的进汽阀门开度及调节其他用热对象的进汽阀门开度三种调节手段。但是在该项目中，其他用热对象的负荷可以近似为恒定，所以一般选择前两者为调节手段。

由此，可设计控制策略为：选择以母管蒸汽压力为控制对象，锅炉和汽机之间的协调关系为典型的“炉跟机”方式。

为避免出现各个锅炉蒸汽负荷轻重不均的“抢负荷”现象，设计“母管蒸汽压力调节器”来分配负荷。母管蒸汽压力控制器根据母管蒸汽压力对各台并列运行锅炉按预定关系发出增、减负荷的燃烧指令信号，并对汽机进汽阀的开度变化发出指令。

其中，母管蒸汽压力调节器具体可如下设计：

（1）根据锅炉正平衡热效率计算公式，每台的热效率可以表示为：

其中排污水相对给水流量和蒸发量很小，可忽略不计。则公式简化为：

（2）设计锅炉负荷分配系数

从公式10中可以发现，如果选取每两个小时为一时间段，通过测量在该时间段内的蒸发量和耗煤量，就可以计算出该时间段内的热效率。所以，根据锅炉的热效率进行的负荷分配系数就可以表示为：

由于锅炉的热效率不会低于80%，根据公式10可知，分配系数不会小于0.25，而正常运行时的负荷不会低于1340t/h，所以必定能满足锅炉40%BMCR的最低稳燃负荷。

（3）设计无扰切换方式运行

若其中一台锅炉切除自动调节模式，则使其满负荷运行，另外两台锅炉参与负荷分配；若其中一台锅炉达到满负荷运行状态，则退出自动调节模式，继续满负荷运行，不再参与负荷分配。

负荷分配的自动控制系统形式如图3所示。

图3 负荷分配的自动控制系统形式

L1、L2是1#机和2#机的阀门开度系数，这两个系数是根据汽机额定负荷和增减负荷的能力确定。

所以，通过消除“外扰”和“内扰”的产生因素，优化后的控制系统设计图如图4所示。

图4 优化后的控制系统图

从图4中可以看出：PID1为主控制器，控制母管蒸汽压力，其输出为锅炉总负荷；PID2为副控制器，控制锅炉负荷，其输出为磨煤机转速。

5 结论

本文以母管制运行锅炉的核心问题：并列运行锅炉共同维护母管蒸汽压力为出发点，分析产生母管蒸汽压力变化的两个主要因素：“外扰”和“内扰”；并从能量守恒和控制工艺的角度，通过对控制方案的优化，分别减少由于“外扰”和“内扰”产生的控制滞后时间，使母管蒸汽压力趋于稳定，达到提高运行效率，增加经济效益的目标。

[1] 孙艳, 娄幸. 母管制机组的炉机负荷分配运算与协调控制[J]. 自动化仪表,2003, 24 (10) , 53-56.

[2] 朱洪军, 周佐. 母管制锅炉压力协调优化控制系统的实现[J]. 控制系统,2009, 24 (10) , 34-38.

[3] 王雪波. 母管制运行锅炉燃烧控制系统的研究[J]. 科技信息, 2008 (16) ,101-102.

[4] 于开江. 母管制机组典型热工过程的优化控制[D]. 南京 : 东南大学, 2004, 9.

[5] 吕剑虹等. 基于大滞后的控制技术的并列锅炉母管蒸汽压力的优化控制[J]. 动力工程, 2005 (10) , 431-436.