火电厂一次风自寻优控制系统应用研究

范勇

（国能重庆万州电力有限责任公司 重庆 400000）

随着对环境保护、经济性要求的不断提高，迫切需要对燃煤电厂燃烧进行优化，以提高燃烧效率，在安全、稳定、可靠的前提下，做到节能减排效率最大化。当前形势下，机组中、低负荷运行时间增加，偏离额定工况，导致锅炉效率下降；同时，机组经常深度调峰、调频，原有的调节方式无法适应要求；煤种多变，偏离设计煤种，对燃烧也存在较大影响［1］。这就要求对机组进行精细化控制，以实现节能减排，提高锅炉的效率。

1 系统简介

国能重庆万州电厂锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的2×1050MW 超超临界燃煤直流锅炉，制粉系统为中速磨（ZGM123G）正压直吹式制粉系统，每台炉配置两台成都凯凯凯风机厂的双级动叶可调一次风机，额定功率3300kW，额定电流226.5A，DCS 系统为ABB Symphony PLUS系统。

2 工作原理

一次风动态自寻优控制系统IEC（Intelligence Expert Control）与DCS 系统通过TCP/IP 协议进行数据传递，在DCS系统中，构建通信判断及控制逻辑。DCS控制系统连续接收一次风动态自寻优控制系统（IEC）发送的模拟量心跳信号，进行判断，在保证通信正常的情况下，将IEC修正值叠加到热一次风压设定值中，进行寻优控制。

IEC 控制系统能快速跟踪AGC 负荷的变化，并在保证所有运行磨煤机出口风量及温度的情况下，进行优化控制，逐步降低一次风压，将磨煤机风门开大，最终达到降低一次风母管压损的目的。智能控制系统IEC 通过监测实时的运行参数，对热一次风压优化值进行动态调整，从而适应负荷及煤种的变化，达到最大限度降低一次风机的耗电量、保证制粉系统正常运行的目的［2］。

3 IEC智能控制系统

3.1 与DCS的连接方式

IEC 智能控制系统为独立于DCS 的外挂系统，采用CAB09 扩展柜、PLC 卡件通讯，网口布置为交叉方式，DCS为主站，如图1所示。

图1 IEC 智能控制系统与DCS 通信方式

3.2 硬件设备

IEC 智能控制系统硬件包括电源开关、智能控制器（IEC）、交换机、工控机等设备，如图2所示。

图2 IEC 智能控制系统硬件设备

3.3 逻辑组态

（1）DCS 侧控制逻辑包含通信点、信号判断、投切控制、优化量加法模块、限制模块等逻辑，如图3所示。

图3 IEC 运算值与DCS 运算值叠加为指令输出

IEC寻优控制指令输出值说明：①IEC寻优指令输出值限制范围为：-2.5kPa～+0.5kPa；②当系统投入后，IEC 寻优指令开始计算，输出值从0 开始，与原热一次风压设定值进行求和，作为最终输出值，控制2台一次风机的调节挡板。

（2）IEC 智能控制系统PLC 控制逻辑包含心跳信号、投入判断、退出判断、优化量加法模块、限制逻辑等，如图4所示。PLC控制逻辑说明如下。

图4 IEC 智能控制系统PLC 控制逻辑

①心跳信号：指设备通信过程中互联的单、双方每隔一段时间或持续向另一方发送一个信号，通过对方判断或回复情况，确定互联的双方之间的通信链路是否已经连接或断开的方法。一次风动态自适应控制系统的心跳信号主要是用来判断IEC 控制器出现失电、交换机崩溃或通信线路故障时的分析方法，保证只有在通信正常的情况下DCS才会叠加热一次风压的优化量，作为最终指令输出去控制一次风机调节挡板开度。

②投入判断：IEC 系统可以投入的前提条件是心跳信号DCS 判断正常、机组无RB 信号、2 台一次风机均在自动、IEC允许投入及自检正常信号。

③退出判断：运行人员按钮点击退出，或逻辑组态条件判断自动退出。

4 一次风机控制技术分析

传统的一次风机控制采用一次风压设定值加手动偏置控制方式，变负荷或变煤种时，运行人员需要频繁地手动调整偏置，这种控制方式难以适应煤种变化及中低负荷经济运行的要求。易磨的煤种由于磨煤机阻力小，需要关小磨煤机冷、热风门来满足一次风差压和磨煤机风量，而风门关小会造成不必要的节流损失，增加一次风机电耗损失。难磨的煤种导致磨煤机热风门全开时还不能够达到磨煤机风量设定值，不仅影响制粉系统正常运行，有时还得降低磨煤机出力，从而影响机组带负荷，同时，系统难以满足机组的深度调峰调频的需要。目前，国内火电厂一次风控制主要采用以下3种方式［3］。

（1）DCS中的函数控制，即由函数生成一次风压设定值，再去控制一次风机，该函数自变量为给煤量或负荷。该方式为常规一次风控制方式，是大部分电厂现有的控制方式。但该方式无法适应系统阻力的变化，造成低负荷时磨煤机冷、热风门存在较大的节流损失，经济性较差。

（2）采用一个手动偏置控制，对函数生成的一次风压设定值进行调整，得到一个新的一次风压设定值。该控制方式为改进的一次风控制方式，可部分解决低负荷时磨煤机冷、热风门的节流损失问题。但该方式需要运行人员的能动性配合，且存在一定的安全风险。据调查，使用这种方式控制，运行人员调整手动偏置的量都很小，难以真正起到充分发挥节能的作用［4］。

（3）采用一次风动态自寻控制，由控制系统根据磨煤机运行状况动态自寻优生成一个一次风压设定值叠加到DCS上。该方式为先进的一次风动态自寻优控制方式，可根据磨煤机的运行情况自动调整一次风压设定值，从而最大限度地降低磨煤机冷、热风门节流损失，经济性较好。

5 一次风自寻优控制系统调试

通过优化运行方式及基准试验，在不同的给煤率及不同机组负荷工况下，通过一次风量自寻优控制系统，自动寻找最优控制，并对一次风压进行优化，在保证磨煤机一次风量及风速的条件下，最大限度地减少一次风机电耗，提高一次风系统自动调节品质［5］。在一次风自寻优控制系统投运方式下，可直接减少一次风系统阻力，降低风机电耗，从而降低厂用电，提高锅炉效率。

5.1 一次风动态自寻优调试投入说明

（1）将运行中的各磨煤机风量、温度均投入自动（即各磨煤机热一次风、冷一次风调节挡板投入自动），启/停磨阶段除外。

（2）如果出现一次风动态自寻优系统触发“自动退出”或在“手动退出”且IEC 修正值未到达0时，先不要进行操作，等待IEC修正值为0后才可再次投入一次风动态自寻优系统，防止一次风压波动。

（3）投入一次风动态自寻优系统之后，观察参数显示区中IEC 修正值是否开始缓慢变化，修正值为负值的大小取决于负荷变化速率、磨煤机风量及出口温度的需求。

（4）投入一次风动态自寻优系统之后，注意观察密封风机出口母管压力、热一次风母管压力、2台一次风机调节挡板、各磨煤机风量、出口温度及密封风与一次风差压等参数的变化是否正常。

（5）负荷变化需要启/停磨煤机时，按照平时的规程进行即可，不需要退出一次风动态自寻优系统。但是，在启/停磨煤机过程中，应注意观察热一次风母管压力及IEC修正值等参数的变化是否正常。

（6）原有手动偏置按钮仍然可以操作，投入一次风动态自寻优的情况下，手动偏置不要大幅度地变化，正常设置为0。（7）IEC修正值的自动调节范围是：-2.5kPa～

+0.5kPa。

5.2 一次风动态自寻优退出说明

（1）退出一次风动态自寻优系统之后，IEC修正值缓慢下降至0（DCS逻辑中IEC修正值变化速率限制为0.002kPa/s）。

（2）退出之后，注意观察一次风机动叶设定值变化，减小一次风母管压力变化。

5.3 一次风动态自寻优异常情况注意事项

（1）运行中，遇以下任一条件出现时，DCS 逻辑中RS触发器复位，自动退出一次风动态自寻优系统。退出后，IEC修正值按照0.002kPa/s的速率变化至0，回到系统投入前一次风压设定值状态。

①所有磨热风调门都在手动状态。

②任意一台一次风机动叶在手动状态。

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③一次风动态自寻优设备心跳信号DCS 判断不正常。

④IEC自检信号不正常。

（2）遇以下异常情况时，需手动操作退出一次风动态自寻优系统。退出后，IEC修正值按照0.002kPa/s的速率变化至0，回到系统投入前热一次风压设定值状态。

①一次风机控制系统调节波动，点击切除按钮。

②一次风机行参数异常（如磨煤机出口温度偏离设定值较大、热一次风母管压力异常波动、密封风机进出口压力异常波动、磨煤机一次风与密封风差压偏低等情况）。

③机组协调控制系统调节波动。

④多台磨煤机一次风量在手动，影响调节效果。

5.4 一次风动态自寻优控制故障排查

（1）DCS逻辑打到在线模式：检查一次风动态自寻优控制系统通信模块、信号判断控制逻辑是否正常。

（2）控制系统硬件设备：检查进线开关状态、电源指示灯、智能控制器（IEC）指示灯、交换机指示灯是否常亮；检查保险端子中的保险丝是否熔断。

（3）系统工控机：在线检查PLC 程序、IEC 输入及输出信号是否正常。

5.5 一次风动态自寻优系统试验

国能重庆万州电厂#2 炉在正常运行时投入一次风动态自寻优控制系统，监测一次风动态自寻优控制系统的自动调节品质，在IEC 智能控制系统中观察一次风压的调节量，并根据实际情况作出适当的调整，对一次风动态自寻优控制系统进行负荷、燃料量扰动试验［6］。

5.5.1 风量扰动试验

（1）在不同负荷状态下，机组运行磨煤机冷、热风门均在自动状态下，减少热一次风压的手动偏置值，然后偏置值保持不变。

（2）观察一次风自寻优投入条件，当满足条件后，由运行人员投入自寻优系统。

（3）观察磨煤机入口一次风压及出口温度，确保未达到报警值，选择热风门开度最大的磨煤机，将其入口一次风量偏置增加5t扰动风量。

（4）观察一次风自寻优指令，先变化后调节趋于稳定，自寻优指令未出现突变，恢复扰动风量为0t，风量扰动试验完成。

5.5.2 燃料扰动试验

（1）在不同负荷状态下，机组运行磨煤机冷、热风门均在自动状态下，保持所有运行磨煤机风量、热一次风压手动偏置值不变。

（2）观察一次风自寻优投入条件，当满足条件后，由运行人员投入自寻优系统。

（3）观察磨煤机入口一次风压及出口温度确保未达到报警值，选择热风门开度最大且冷、热风门均在自动状态的一台的磨煤机增加5t扰动燃料量。

（4）观察一次风自寻优指令，先变化后调节趋于稳定，自寻优指令未出现突变，恢复扰动煤量为0t，煤量扰动试验完成。

6 一次风动态自寻优系统效益分析

6.1 一次风机风压及电流下降空间

投入一次风动态自寻优控制系统，根据负荷及给煤率，通过系统自寻优控制，在保证风量及风速的条件下，一次风压下降约0.5～1.2kPa；通过自寻优控制方式，一次风机总电流下降16A 左右，按照全年70%～75%的负荷率，全年一次风机总电流平均下降12～16A［7］。

6.2 一次风机自寻优系统产生的经济效益

按2021年生产情况，全年平均一次风机电流约为194A，一次风机节电率为：节约电流/投入前总电流×100%=16/194×100=8.2%。在此工况下，按照一次风机额定电压10.2kV计算，节约一次风机电机功率为：

P=1.732×U×I×cosφ=1.732×10.2×16×0.86=243.1kW

应用IEC智能控制系统后，按照单机年运行5000h计算，一次风机直接经济效益约为45万元。

7 结语

通过改造及应用后，一次风压可以更加精准控制，能更好地控制风煤比、快速响应AGC及减少运行人员劳动强度，一次风压的降低可以降低一次风机的耗电量。同时，由于烟气量的下降，也能够有效控制CO、飞灰可燃物，一定程度地减少NOx，达到节能减排、提质增效的目的。