直流锅炉燃料_给水比值控制的研究

直流锅炉燃料 /给水比值控制的研究 何 � 毅 1,罗自学2,刘 � 智 2,周怀春 2 ( 1. 湛江电力有限公司, 广东 湛江 � 524099; 2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室, 湖北 武汉 � 430074) � � [摘 � 要 ] � 直流锅炉燃料 /给水比控制技术是火电机组正常运行的关键。通过燃水比控制的 特性,在分析某台 300MW直流锅炉给水控制系统的基础上, 将快速响应燃料率变化的辐射能信号 引入直流炉给水控制系统。仿真研究表明, 以机组中间点温度表征的控制回路,其机组燃水比调节的控 制品质可以得到明显的改善。 � � [关键词 ]直流锅炉; 燃水比; 给水控制系统; 中间点; 辐射能信号 � � [中图分类号 ] TK229. 54� � [文献标识码 ] A� � [文章编号 ] 1006�3986( 2007) 01�0044�03 Research of Fuel/FeedW ater Radio Control System in Once�through Bo iler HE Y i 1 , LUO Zi�xue2, L IU Zh i2, ZHOU H uai�chun2 ( 1. Zhanj iang E lectric Pow er Co. , L td, Guangdong, Zhanjiang 524099, China; 2. S tateK ey Laboratory of Coal Combustion of H uazhong Univer sity of Sience and Technology, Wuhan 430074, China ) [Abstract] The contro l techno logy of once�through bo iler is an important research task in therma l control fie ld. A ccording to the characteristics o f feed�water contro l system in a once�through 300MW unit bo iler, the furnace rad iation signals can rapidly reflect the change of combustion rate, and used in this circu i.t Th ismethod cou ld be considerab ly used to improve the contro l qua lity o f fuel�water rat io. Pract icab ility and superior ity are approved by the simulat ion resu lts of intermediate po int contro.l [K ey words] once�through bo iler; fue l�water ratio; feed�water con tro l system; interm ediate po in;t radia� tion energy signa l � � 直流锅炉的燃料 /给水比控制是以燃料或给水 作为主调节量的调节方式。本文以某台 300MW火 电机组的直流炉为对象,在其原有给水控制回路上, 探寻引入能快速反映入炉燃料变化的辐射能信号, 消除燃料侧的扰动,以减小中间点温度的波动,提高 燃料 /给水比控制的品质。 1� 传统给水系统控制 � � 直流炉给水控制系统的控制任务就是通过控制 给水流量实现最佳燃料 /水比配合,保证汽水分离器 出口微过热蒸汽 (中间点 )的参数值在适当的范围。 1. 1� 存在的问题 图 1所示为直流炉汽水流动及工质参数的变 化。由于直流炉没有固定的汽水分界面, 随着给水 � � � � � � � � � � [收稿日期 ] � 2006�12�03 [作者简介 ] � 何 � 毅 ( 1968 - ), 男, 广东高州人,高级工程 师。 量和燃料量的变化,受热面蒸发段和过热段长度发 生变化,可能会造成中间点进入饱和区甚至是不饱 和区。同时,所研究的机组给水系统存在以下问题: ( 1)煤质不稳,煤质的发热量经常发生变化; ( 2)给粉机无煤量测定装置, 入炉煤量由给粉 机转速换算得到,给粉机信号稳态精度差,不能正确 地反映给煤量的自发扰动。 ( 3)燃料量波动, 尤其是切除给粉机时具有非 线性,导致给水系统的波动, 会引起给水调节系统的 误动作。 � � 因此,燃料 /水比控制中不能仅仅采用给水量跟 随燃料量的手段,必须引入一个与燃烧密切相关的、 可实时反映燃料量变化的信号。 1. 2� 现有给水系统控制策略 某厂 300MW机组给水控制方案为: 主控制器 接受给水流量设定值形成回路的给水流量指令, 经 PID调节,通过控制器的输出调整水泵的转速。系 统采用热量信号作为串级给水控制, 同时引入基于 �44� 第 31卷第 1期 2007年 2月 � � � � � � � � � � � � � � � 湖 � 北 � 电 � 力� � � � � � � � � � � � � � Vo .l 31 1Feb. 2007 图 1� 汽水流动及工质参数变化图 P ! ! ! 压力; v! ! ! 比容; i! ! ! 焓值; t ! ! ! 温度 增量式状态观测器,修正给水指令。其控制方案如 图 2所示。由于瞬态蓄热的不均匀性, 热量信号不 能快速反映燃料的燃烧状况。 图 2� 某厂 2号机组给水系统示意图 P1 ! 炉顶出口蒸汽压力; T 1! 炉顶进口温度; BM ! 锅炉主控指令; T 2 ! ! ! 包覆出口温度; P 2! 包覆过热器出口压力; F 1! 蒸汽流量; T 3 ! 一级减温水前温度; S P ! 温度设定; FB ! 一级过热器减温水调节阀阀位反馈; S ! 增量式状态观测器 2� 辐射能引入给水控制系统的方案 � � 燃料在炉内燃烧立即释放出热量的过程很快, 煤粉在炉膛内停留时间约 2 s左右。因而, 炉膛燃 烧强度信号能够快速反映入炉燃料的变化, 其相对 于热量信号具有更快速响应炉内燃烧状况的导前特 性。根据现场运行分析, 辐射能信号正确反映了锅 炉燃烧率变化。 将近年取得的最新研究成果应用于该机组,可 以获取燃烧火焰信息, 以此开展基于炉膛辐射能量 的机组新控制策略研究。给水控制系统新的控制方 案如图 3所示。其主要特点是:在给水回路中引入 炉膛燃烧强度信号作为给水系统的校正信号, 快速 响应燃水比的变化,以消除因迟延引起的给水波动, 锅炉燃料 /给水比值调节系统的控制品质得到改善。 � � 炉膛辐射强度信号能快速反映燃料变化, 但是 受到火焰扰动的因素的影响,高频干扰大,存在稳态 图 3� 引入辐射能信号控制原理图 精度不是很高的缺陷; 相比较而言, 焓值稳态性能 好。因此辐射能信号和状态观测器共同形成给水修 正量,能够避免由单一校正信号所引起的测点失效 (进入饱和区 ) ,可以兼顾控制回路的响应速度和准 确性。 3� 控制策略的计算机仿真 � � 为了验证方案的有效性, 在不追求更高的模型 精度前提下,对其中间点温度的控制进行了仿真研 究。仿真控制系统图如图 4所示。 图 4� 引入辐射能中间点温度控制系统图 � � 控制策略的原理是:就辐射能来说,为了使辐射 能对中间点温度的影响为零, 即因辐射能的扰动带 来中间点温度的变化为零, 在给水阀控制执行机构 前加入一个补偿环节,用来提前调节因辐射能的扰 动致使中间点温度变化所需要的给水量,不再是等 到温度已经上升到最高值时才来调节给水流量。 采用如图 4的 ∀ 3输入 1输出 #模型, 根据 DCS 现场采集数据, 经过 MATLAB工具包辨识, 可以得 到如下模型:从燃料量到中间点温度的传递函数为 GCT ( s) = - 0. 023 33 s + 0. 000 401 3 s 2 - 0. 024 52 s + 0. 000 313 2 从给水量到中间点温度的传递函数为 GWT ( s) = - 0. 000 396 4 s + 0. 000 158 5 s 2 - 0. 024 52 s + 0. 000 313 2 从辐射能到中间点温度的传递函数为 GET ( s) = - 0. 001 321 s + 0. 000 174 4 s 2 - 0. 024 52 s + 0. 000 313 2 �45� Vo .l 31 1 Feb. 2007 � � � � � � � � � � � � � � � 湖 � 北 � 电 � 力� � � � � � � � � � � � � � 第 31卷第 1期2007年 2月 模型的拟合率达 81. 9% , 所以确认此模型控制 中间点温度是可行的。 GE ( s)作为辐射能信号对应的前馈控制器 (补 偿器 ), 应与辐射能信号影响中间点温度的传函 GET ( s) 相等,且符号相反, 由此求得: GET ( s) = - GE ( s) gGWT ( s) GE ( s) = 0. 001 321 s - 0. 000 174 4 0. 000 396 4 s - 0. 001 585 采用 S imu link工具包仿真: ( 1)在没有辐射能 扰动, 燃料量和中间点温度设定值稳定条件下,引入 辐射能前馈和不引入前馈条件下中间点温度输出响 应曲线如图 5。 ( 2)设定辐射能在仿真 400 s时候以 阶跃扰动,燃料量和中间点温度值保持稳定,引入前 馈和不引入前馈条件下中间点温度输出响应曲线如 图 6所示。 图 5� 无辐射能扰动下中间点温度响应曲线 � � 对比两种控制方式, 没有加入前馈补偿环节的 瞬态响应偏离值较大。引入辐射能前馈控制后具有 较强的抗干扰能力和快速的动态响应,调节过程中 调节时间短,超调量小。 图 6� 有辐射能扰动下中间点温度响应曲线 4� 结束语 � � 针对直流炉燃料 /给水比控制的特点,探讨了将 炉膛燃烧强度信号引入到给水回路中的控制设想。 仿真研究结果表明,新策略中引入辐射能作为前馈 的中间点温度控制策略, 具有较好的控制品质。将 炉膛辐射能信号引入直流炉给水控制系统, 以维持 中间点温度,具有实际的工程意义,可在同类型机组 中推广应用。 (上接第 38页 ) 表 5� 负吸热空气脱附性能 ( W = 25 g, V SO2 = 2 000 mg /m3, VO2 = 5% , VH 2O = 15% , T = 40∃ ) 循环次数 � n /mg tct /m in � /% n /% 1 118 36 66 2 95 30 62 80. 5 3 90 28 60 94. 7 4 88 27 58 97. 7 5 85 26 58 96. 9 � � 从表 5可以看出, 第一次循环后,有效脱附效率 1达到了 80. 5% ,脱附效果非常明显。分析原因就 是因为 ACF是一种以微孔为主的吸附材料, 而且大 多数直接分布在固体表面, 绝大多数的吸附质分子 具有距离表面层较近的吸附位和较短的扩散路径, 非常利于脱附。在负吸热空气脱附过程中, 吸附在 ACF表面的吸附态分子 (主要是硫酸 )由于温度升 高,分子动能提高而以分子形式脱离吸附位。由于 试验所用热风温度仅 120∃ ,对 ACF造成的碳损失 有限。利用真空泵,负压抽力也有利于 ACF的完全 脱附。 4� 结论 � � 连续水洗脱附在水蒸汽条件下,烟气湿度增加, 脱附效率增大, 穿透时间也增长。水分超过 15%, 水分增加,脱附效率下降,穿透时间减少。用蒸馏水 加湿,水注入越多, 吸附效率越低。推荐烟气增湿到 15%运行。 间歇水洗脱附效果好, !大, 脱附完全, 但会提 高成本, 也增加干燥难度, 建议 !取 4~ 6。ACF床 脱附后需要干燥才能提高有效脱附效率。多次吸、 脱附循环第一次有效脱附效率 1低, 多次循环后, n达到一种平衡状态。 负吸热空气脱附是一种有效脱附法, 脱附速度 快, 脱附效率高。对比水洗脱附和负吸热空气脱附, 效果上负吸热空气脱附好, 但水洗脱附可以同时脱 硫脱硝除汞,有利于资源化再利用。对于脱附方法 的选择,需综合考虑。 �46� 第 31卷第 1期 2007年 2月 � � � � � � � � � � � � � � � 湖 � 北 � 电 � 力� � � � � � � � � � � � � � Vo .l 31 1Feb. 2007