多炉多机母管制供热电厂蒸汽母管压力调节

李 蕾 包成强

（1中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司 西安 710054；2上海福克斯波罗有限公司 上海 200333）

多炉多机母管制供热电厂蒸汽母管压力调节

李 蕾1包成强2

（1中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司 西安 710054；2上海福克斯波罗有限公司 上海 200333）

蒸汽母管压力调节系统根据蒸汽母管压力和其定值的偏差改变锅炉的负荷指令，调节锅炉的负荷（蒸汽流量），使蒸汽母管压力保持在其额定值上。

母管制；协调；压力

一 引言

主蒸汽母管作为并列运行母管制锅炉的核心装置之一，母管压力的控制效果不但直接影响供热中心的供热质量，同时也影响锅炉运行状况和煤粉利用率，对供热中心的经济运行有重大影响。

二 常规典型的火力发电厂控制系统分析

1.1 内外扰动

锅炉运行时蒸汽压力是否稳定，取决于锅炉蒸发量和外界负荷两个方面。只有锅炉蒸发量等于外界负荷所需要的蒸发量时，汽压才能维持稳定。影响汽压变化的因素有以下两点：一是锅炉外部的因素，称为“外扰”；二是锅炉内部的因素，称为“内扰”。

1.1.1 外扰

外扰主要是指外界负荷的正常增减及事故情况下大幅度减负荷。当外界负荷突然增加，而锅炉的燃料量未来得及增加时，汽压将下降；当外界负荷突然减少时，汽压则上升。

在母管制系统中，当外界负荷变化时，并列运行的各锅炉汽压将受到一定的影响，其后果与外界负荷变化的剧烈程度、各炉特性和各炉所处位置有关；当外界负荷不变时，并列运行锅炉之间的参数变化也将互相影响。例如：某一台炉由于汽压下降，而影响其它炉汽压也下降，此亦属外扰因素。

1.1.2 内扰

内扰是指锅炉机组自身因素引起的汽压变化。主要包括炉内燃烧工况的变化（如燃烧不稳定等）和锅炉工作情况（如热交换）的不正常。燃烧不稳定的原因很多，如煤质、入炉煤量、风煤比、风量风速变化、炉内结焦、炉内漏风、给煤系统故障、燃气压力、燃气品质变化等，这些都会降低传热效果，影响蒸发量。

1.1.3 内扰和外扰的判断

不论是内扰还是外扰，汽压的变化总与蒸汽流量的变化密切相关。因此，在锅炉运行中，可根据汽压和蒸汽流量的变化，来判断引起汽压变化的原因属于内扰还是外扰：

1) 汽压与蒸汽流量变化的方向若相反，则属外扰。

2) 汽压与蒸汽流量变化的方向若相同，大多数是内扰所致。

3) 对单元机组运行而言，燃料量减少，蒸汽量下降，而炉的蒸汽流量反而增加。此过程，初期受内扰，后期则兼受外扰。

1.2 常规燃煤锅炉母管压力调节

常规的燃煤锅炉母管压力/给粉（煤）调节系统设计方案多以母管压力为校正调节器，与各调压炉的热负荷调节器构成了串级调节系统。母管压力校正调节器根据母管压力的偏差值，将热负荷要求分配给各调压炉。母管压力校正调节器及热负荷调节器均采用常规PID控制。事实证明，该方案很难取得良好控制效果，具体原因如下：

1）母管压力信号时滞大。并列运行的锅炉压力藕合现象严重，不能快速跟踪负荷的变化。并列运行的锅炉越多，则时滞越大。

2）热量信号难以准确整定。由于每台锅炉炉膛的煤粉进量缺乏很好的计量手段，通常以热量信号作为煤粉量的间接反应。但蓄热系数在实际应用中难以整定，导致在调试中控制系统不能正确区别内外扰动。

1.3 优化的母管压力负荷分配控制

主蒸汽母管压力的调节实质是对进入蒸汽母管流量或各锅炉蒸发量的调节。汽压过高、过低或者急剧变化，对锅炉机组以及整个发电厂运行都是很不利的。对并列运行机组，应根据设备的运行特性确定一台或几台炉作为调压炉，以应付外界负荷的变化。而其它炉作为定负荷炉，进行固定热负荷燃烧的风煤自动控制，并实现炉内扰动的稳定控制。

母管压力控制的负荷指令必须经过温度压力补偿运算，以消除由外扰产生的假负荷量对母管压力控制的逆转反应。

针对母管制锅炉的强耦合特点，提出压力协调控制方案，即对相邻调压炉的压力负荷偏差阀值进行自动平衡分配或手动修正，以抑制因调压炉间压力及流量偏差而产生的互相干扰。

1.3.1 优化的燃烧前馈及非线性复合控制

前馈及非线性复合控制调节方案为使给粉机（给煤机）转速能够快速跟踪负荷的变化，在控制回路中引入了主汽流量前馈控制。为了避免给粉机转速的大幅度波动，引入了汽包压力前馈控制；而为了保证给粉控制回路在稳态、动态情况下均能达到良好的控制指标，控制过程要注意区分燃烧系统所处的状态——稳态和动态，对内部扰动和外部扰动引起的动态过程分别选用不同的控制器。

1.3.1.1 总体控制及前馈

控制器1：外环调节器，控制母管压力，其输出sp_dq为所有调压锅炉的总负荷给定。该值乘以各调压炉的负荷分配系数α即为该炉的负荷给定。负荷分配系数满足如下条件：

对于该项目，α0代表#3锅炉负荷分配系数，α1代表#4锅炉负荷分配系数。

控制器2：内环调节器，控制锅炉负荷，其输出u2为给粉机转速。

1.3.1.2 非线性给粉控制器的设计

为达到稳态、动态指标均佳，控制过程中时刻判断燃烧系统所处的状态——稳态或动态。内部扰动和外部扰动引起的动态分别选用不同的控制参数（见图 2）。当母管压力／主汽压力偏差大时，系统处于动态过程，采用快速PI控制器；反之，采用阻尼较大的PI控制器。

图2 具有多种控制手段及给粉机（给煤机）快速投切技术的给粉回路控制程序框图

控制器的选取基于以下规则：

若汽机快速抛负荷（K=1，否则 K=0），则采用具有给粉机（给煤机）自动投切功能的控制器（Controller1），K值根据母管压力/主汽压力偏差及变化率现场工艺调试情况确定。

若母管压力 / 主汽压力偏差e小于预先设定的门槛值eε(∞)，则采用具有较大阻尼和汽包压力前馈的 PI控制器（Controller2）。e< eε(∞)说明系统状态接近稳态，此时主要关心调节精度问题，故采用较大阻尼的PI控制器；引入汽包压力前馈是为了降低接近稳态时给粉机（给煤机）转速的大范围波动；

若母管压力 / 主汽压力偏差e大于预先设定的门槛值eε(∞)，且ddq（为采样两时刻之间的负荷增量）与 ddp（为采样两时刻之间的主汽压力增量）同号，则采用具有主汽流量前馈的快速PI控制（Controller3）。e> eε(∞)说明系统处于暂态过程中，故采用快速PI控制；ddq与ddp同号说明系统受到的干扰为外扰动（如负荷变化），为了抵消外扰动的影响引入了主汽流量前馈控制；

若母管压力 / 主汽压力偏差e大于预先设定的门槛值eε(∞)，且ddq与ddp异号，则采用无前馈的快速PI控制（Controller4）。e> eε(∞)说明系统处于暂态过程中，故采用快速PI控制；ddq与ddp异号说明系统受到的干扰为内扰动（如煤质变化），内扰动情况下不需加入前馈控制。

当汽机快速甩负荷、外网负荷突然下降时，调节系统根据负荷变化的大小、主汽压力上升的速度，急停 1—2台给粉机，使燃料量迅速下降，同时又稳定了其它给粉机的转速，不致因所有给粉机转速快速下降而造成灭火。给粉机的投切逻辑在控制程序中自动完成。给粉机自动投切技术的使用，能够使锅炉负荷在较大范围内快速波动时，燃烧自动控制系统具备快速稳定主蒸汽压力的能力。