直流炉的燃料和给水控制策略研究

2022-10-15王兆舜

机电信息 2022年19期

郁强王兆舜夏静刘潇

（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

电网发展，要求发电机组在稳定的前提下负荷响应更快、更灵活[1]，而火电机组蒸汽参数的提高，使水和蒸汽的密度差减小，自然循环锅炉受到限制，其在临界压力附近运行时，有一个压力不稳定区域[2]，故此超（超超）临界机组均配置直流炉，同时控制系统的研究与设计也面临一些新问题[3]。

超（超超）临界直流锅炉是一个强耦合、多变量、大时滞的被控对象[4]，其中主蒸汽压力与中间点温度是直流炉控制的难点之一。对于这两个控制对象，一般有两种控制方式：一种是用给水控制主蒸汽压力，燃料控制中间点温度，但给水是比较快的被控对象，而燃料需要经过输送、碾磨后被吹进炉膛，再经过燃烧放热才被吸收，是比较慢的被控对象，这种控制方式往往会造成中间点温度、蒸汽温度的大幅波动，甚至可能超温引起爆管，影响机组的安全运行；另一种是用燃料控制主蒸汽压力，给水控制中间点温度，这种控制方式有利于机组的稳定运行，本文燃料和给水的解耦控制正是基于这种控制方式。

1 燃料和给水的耦合关系

直流炉燃料和给水之间存在强耦合关系，即燃料量变化、给水量变化均会对主蒸汽压力和中间点温度有影响，而主蒸汽压力、中间点温度变化又会造成燃料量、给水量变化。直流炉燃料和给水之间的关系框图如图1所示。

图1 直流炉给水和燃料的关系

通过试验的方式对直流炉燃料和给水的强耦合关系进行了充分验证，试验内容和结果如表1所示。

表1 直流炉燃料和给水耦合关系试验

试验结果分析如图2所示（分析均建立在锅炉效率不变的前提下）。

图2 直流炉燃料和给水耦合试验结果分析

详细分析：给水指令变化时，首先给水泵转速指令或勺管开度指令变化，给水经过水冷壁，转态后即可到达过热器进行吸热；燃料指令变化时，首先给煤机指令变化，燃料进入磨煤机，经磨煤机碾磨后，被一次风吹进炉膛，再燃烧放热，最终通过热传导/热辐射的方式被过热器吸收。燃料量开始变化至燃料放热被过热器吸收的时间，显著大于给水量开始变化至给水到达过热器的时间，所以当燃料量和给水量同时增大时，中间点温度会先降低再升高，二者同时减小时，中间点温度会先升高再降低。

试验结论如下：

（1）给水对主蒸汽流量有影响，但这种影响是暂时的，给水和主蒸汽流量之间的关系近似为微分；

（2）对于中间点温度的影响，给水要快于燃料，为保证中间点温度的稳定，给水指令要慢于燃料指令。

主蒸汽流量变化时，如果机组电功率不变，则主蒸汽压力会与主蒸汽流量同步变化，上述结论中的主蒸汽流量可以等效变换为主蒸汽压力。

2 燃料和给水解耦控制

机组负荷快速变化时，如果不考虑燃料和给水之间的强耦合关系，会引起燃料和给水之间的互相干扰，造成主蒸汽压力和中间点温度的剧烈波动，严重影响机组的运行安全。为此，需要充分考虑并利用这种强耦合关系，以提高机组运行的稳定性。

将解耦控制回路插入到压力和温度主控制器及其从属控制之间。解耦控制回路将动态补偿燃料和给水的交叉耦合，可以有效控制燃料和给水的互相干扰，大大提高直流炉的控制响应速度和运行稳定性。新的控制框图如图3所示。

图3 直流炉给水和燃料的解耦控制

将燃料和给水的解耦控制应用于实际机组中，得到的控制框图如图4所示，其中函数1（f1（x））为负荷指令对应的基本燃料指令，函数2（f2（x））为燃料指令对应的基本给水指令。图中粗框为给水与燃料的解耦控制，通过试验可以得到初始的惯性时间、微分时间，然后在调试中微调。通过这种解耦控制，可以使燃料和给水在锅炉内部同步产生作用，并能有效消除二者之间的互相扰动，实现主蒸汽压力和中间点温度的稳定控制，大大提高燃料和给水的响应速度，提高机组整体的响应速度，提升机组运行的稳定性和运行效率。