安徽電科院  施壯

 The Coordinated Control System Optimization And Engineering Application Of 300MW Circulating Fluidized Bed Unit 

摘要：針對300MW循環流化床鍋爐分布參數、大滯后、多變量緊密耦合的動態特性，介紹了協調控制策略設計的關鍵技術：鍋爐主控各種前饋主動調節、一次風量錯時超前調節，機爐動態解耦技術，實際應用效果證明，改進后的協調控制系統控制策略能有效提高機組的負荷響應能力，具有良好的主汽壓力和機組負荷的跟隨品質，同時有利于鍋爐床溫的長期穩定。

Abstract: Specifically for 300 MW circulation fluidized bed boilers distribution parameter , big lag , multivariate rapid and intense coupling dynamic behaviours, technology having introduced the key that coordination under the control of tactics designs: The advance various boiler master control front make a present of initiative is adjusted, when a blowing rate is wrong is adjusted, untie the couple technology , actual stove development application effect testifies machine , the coordination under the control of system under the control of tactics improving the day afer tomorrow can have effect the load improving an aircraft crew responds to capability , have fine host vapor pressure and aircraft crew load's at the same time beneficial to warm boiler bed long-term stability.

關鍵詞：循環流化床；協調控制；前饋；解耦

Key words: Circulating Fluidized Bed, Control System Optimization, feed 

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0 引言

與普通鍋爐相比較，循環流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler,CFB)燃燒過程更加復雜，系統的滯后性大、耦合性強、非線性強，而且要求的控制目標更加多樣，既要將床溫穩定在850℃～950℃的范圍內，以降低SO2和NOx排放，又要滿足熱負荷的需要（穩定主汽壓力），同時維持正常的物料循環狀態，保證最佳出口煙氣含氧量以取得經濟燃燒和高熱效率。因此其燃燒系統的自動控制是控制領域公認的疑難問題。

文獻[1]-[3]介紹了近幾年應用于大型循環流化床機組協調策略，并取得了一定的控制效果。本文通過對300MW循環流化床鍋爐動態特性的分析，利用鍋爐主控的動態加速前饋和一次風超前調節克服流化床鍋爐的燃燒慣性，保證變負荷初期滑壓段主汽壓力快速跟隨和機組負荷響應速度。通過給煤量與一次風量的錯時調節，保證合理的一、二次風量比，維持流化床鍋爐床溫長期穩定。

1 300MW循環流化床鍋爐動態特性分析

300MW循環流化床鍋爐是一個分布參數、大滯后、多變量緊密耦合的被控對象，

（1）由于流化床鍋爐的燃料是通過給煤系統送入流化床上，需要經過加熱、干燥、顆粒膨脹、熱解和揮發分燃燒，只有將床溫控制在適宜的范圍，才能實現上述一系列燃料熱解過程。床溫過低，燃料無法熱解，床溫過高，燃料可能先行燃燒，不能在爐膛中形成中心火焰。而流化床的面積較大，床溫測點一般為20～30個，分布在爐膛的不同部位，床溫是一個時變的分布參數，因此保證控制效果的均勻性是流化床床溫控制的難題。

（2）CFB鍋爐的主要特征在于顆粒在離開爐膛出口后經過旋風分離器和返料裝置不斷送回爐膛燃燒，煤粒完全燃盡需要約8～10min，比普通煤粉爐的煤粉燃燒過程長很多，造成鍋爐燃燒過程滯后時間非常長，再加上燃燒室內的床料具有非常大的熱慣性和蓄熱能力，造成了給煤量變化后，床溫、主汽壓力需要很長的響應時間。圖1為煤量擾動下主汽壓力、床溫響應曲線圖。從圖上可以看出：當給煤量階躍增加時，主汽壓力需要經過8分鐘左右純延時，穩定時間至少30分鐘，而床溫剛開始稍微下降，后來逐漸上升，但穩定時間也至少需要25分鐘。

圖1 給煤量擾動下的主汽壓力、床溫響應曲線圖

（3）CFB鍋爐是一個多變量緊密耦合的被控對象，其主要輸入-輸出變量之間的動態耦合關系如表1所示，其中燃料量、一次風量對主汽壓力、床溫間存在較強的耦合現象，但兩個耦合通道的動態特性差異很大，且一次風量對主汽壓力的影響有助于提高系統的響應速度，這種耦合對改善燃燒控制系統的控制品質是有利的，在床溫和主汽壓力的耦合問題中，床體溫度是直觀反映整個燃燒供求關系的關鍵變量，而維持主汽壓力穩定是鍋爐燃燒的主要目標，這些必須在協調控制系統的解耦設計中應充分予以考慮，這將在下一節中具體介紹。

表1 CFB鍋爐各輸入-輸出變量間的動態耦合關系

2 協調控制策略優化的關鍵技術注：C表示單輸入/輸出變量之間的關系；S表示強耦合；M表示次強耦合。

2．1鍋爐主控指令的構成

為了克服循環流化床鍋爐固有燃燒慣性，設計了基于間接能量平衡方式的協調控制策略，其基本控制原則是以負荷對應煤量，輔以主汽壓力修正。靜態過程中，主汽壓力偏差靠PID調節器；動態過程中控制品質主要依靠各種前饋控制，鍋爐主控組成示意圖如圖2所示，                     （1）機組負荷指令對鍋爐燃料的靜態前饋

當機組變負荷時，首先通過靜態前饋是實現燃料的粗調，函數發生器1是對應于機組負荷指令的燃料指令分段線性函數，這是維持機爐能量平衡的基準燃料，并由熱值校正回路增加其準確性。修正系數K一般設置在1.5～3之間，實現了變負荷初期、中期燃料調節的“加速”，以及變負荷結束前的及時“剎車”。

（2）機組負荷指令對鍋爐燃料的動態前饋

這一部分是為了補償鍋爐給煤遲延和燃燒慣性的動態預給煤分量，它主要靠超前環節1來實現。在變負荷初期及過程中，由機組指令動態前饋實現鍋爐燃料量的超前調節，使鍋爐燃燒快速響應機組負荷需求，在變負荷結束后，使鍋爐燃料量略有回頭，又避免了機組主汽壓力超調，使鍋爐燃燒快速地穩定下來, 避免了鍋爐調節燃料量的超調或欠調。

（3）、壓力設定值對鍋爐燃料的動態前饋

目前國內300循環流化床機組都是滑壓運行方式，機組主汽壓力根據負荷按照預定的滑壓曲線控制，為了進一步提高控制主汽壓調節品質，設置了機前壓力設定值對鍋爐燃料的動態補償信號，通過超前環節2對壓力設定值進行超前調節，以保證機組在滑壓段能有更好的機前壓力跟隨。

（3）、負荷偏差的 “加速”回路

由負荷指令設定值與實際負荷的差值信號經一函數發生器而形成，是一非線性比例調節器，在負荷指令設定值與實際負荷的差值信號較大時，說明鍋爐跟不上汽機的變化，因此輸出一指令信號給鍋爐主控器，令其再額外地增加或減少一部分煤量，起“加速器”的作用。

（4）、變參數控制技術

300MW循環流化床機組是一種特性復雜多變的被控對象，隨著機組負荷的變化，機組的動態特性參數亦隨之大幅度變化，具有很強的非線性，因此鍋爐主控采用變參數PID控制策略，以保證在各個負荷點上控制系統具有良好的效果。

圖2 鍋爐主控指令構成示意圖

鍋爐主控指令的時域表指令模型可表達如式1所示。

式中：為機組負荷指令；為負荷指令與實際負荷的偏差；為負荷指令前饋的微分時間常數；為負荷與燃料量比值的分段線性函數；為負荷偏差微分系數。為壓力設定值前饋指令的微分時間常數，為機組滑壓函數

2．2一、二次風量調節系統

圖3為一次風量、二次風量指令的結構示意圖，鍋爐主控指令或總燃料量分別通過煤量-總風量函數1、函數2后形成各自的總風量指令，與30%最小風量三者取大形成最終的總風量指令，函數3、函數4決定了一、二次風量配比關系。由于一次風量比燃煤量對床溫的影響要快，增加動態校正環節作用是使時序上實現煤量與一次風量的合理調度，確保風煤動態匹配，有利于鍋爐床溫的長期穩定。

為了克服循環流化床鍋爐的燃燒慣性，加快機組負荷響應速度，在一次風量指令回路中增加了一次風量動態前饋，例如當機組負荷指令增加時，一次風量超前變化，原來位于床層中被灰包圍的碳顆粒被一次風吹出，這些碳顆粒在過渡區和稀相區迅速燃燒釋放出熱量，傳熱系數迅速增加，尾部煙道對流受熱面吸熱量增加，再加上一次風的增加使得密相區內的氧氣濃度瞬間升高，燃燒速率快速增加，這些都會使鍋爐蓄熱快速釋放，避免升負荷初期的主汽壓力下降過多。在變負荷中后期隨著進入爐內燃料量能量的釋放，維持了機爐間最終的能量平衡，確保了整個變負荷過程中主汽壓力和機組負荷的跟隨品質。

圖3 一、二次風量指令構成示意圖

2．3機爐間動態解耦環節設計

300MW循環流化床機組的負荷和壓力響應之間存在緊密的耦合性，燃料量的變化對壓力和負荷的作用是一個多階慣性環節，調門變化對負荷的特性是一個暫態過程，對壓力的特性是一個慣性過程，而負荷和壓力的變化是燃料量和調門共同作用的結果，以上的機爐特性表現為機組變負荷初期，通過汽機調門的快速動作能夠暫態響應機組負荷，但由于為了給煤系統的純延時和燃燒慣性，主汽壓力快速反向變化，形成較大的壓力偏差，增加系統調節擾動甚至引起調節系統振蕩。

為了適應循環流化床機組爐慢機快的工作特性，實現機爐間的主汽壓力與機組負荷的動態解耦，協調控制系統做如下兩方面處理：一是機組負荷指令經過三個一階慣性環節后才進入汽機主控調節器，等進入爐內的燃料開始反應汽機調門才開始動作，避免變負荷初始階段，汽機調門的快速響應造成的壓力波動。二是當機組投入滑壓運行方式時，滑壓控制段則根據三階慣性環節的主汽壓力響應特性和不同工況預設的變壓過程時間，擬合壓力設定值的滑升曲線，同時將壓力提升的動態熱量需求疊加在鍋爐前饋指令上，實現壓力提升動態分量和過程偏差消除回路的解耦控制，并在時序上實現負荷與汽壓響應的合理調度，通過將機、爐主控的偏差調節從動態響應中解耦出來，可保持PID調節特性在動態和靜態工況下的恒定。

3 實際應用效果

將以上控制策略應用于廣東寶麗華荷樹園電廠3號機組（300MW循環流化床機組），在機組大修停機時完成控制系統組態設計和靜態仿真試驗，實際的機爐協調控制熱態調試僅用了5天時間（2010年6月24至6月29日）便取得了良好的控制效果，圖4、圖5分別是升降負荷過程中機組主要參數變化曲線，設定變負荷速率為4MW/MIN，機組負荷實際變化速率達到3.24MW/MIN，負荷響應時間小于35S，負荷動態偏差控制在3MW以內，主汽壓力動態偏差控制在0.5MPa以內，穩態負荷偏差控制在1.5MW以內，穩態壓力偏差控制在0.35MPa以內。

圖4 負荷指令200MW↗300MW工況下，機組主重要參數變化趨勢

圖

5負荷指令300MW↘200MW工況下，機組主重要參數變化趨勢

4結語

基于間接能量平衡和一次風量超前調節的協調控制策略是一種主動調節方式，為汽輪機提供超前的熱量支持，再加上機爐間動態解耦技術進一步確保了機爐協調動作，將該協調控制策略成功應用于廣東寶麗華荷樹園電廠3號機組上，目前機組正常投入AGC運行，機組負荷調節速率、響應時間和精度滿足滿足南方電網調度要求。

參考文獻：

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