山东电力建设第一工程公司 山东 济南 250100
摘要：生物质直燃发电技术作为一种新型、环保的新能源发电技术，本文以某秸秆电厂为例，对秸秆锅炉模拟量控制系统进行了详细的论述，对几个主要回路进行了研究，给出了每个控制系统的控制任务和控制方案。
关键词：秸秆 锅炉 过程控制 模拟量
1 工程概况
某生物电厂1×30MW单级抽汽凝汽式汽轮发电机组系新建工程，锅炉为丹麦BWE公司设计，由济南锅炉厂承造的130t/h振动炉排高温高压生物质燃料锅炉。汽轮机为青岛捷能汽轮机股份有限公司生产的高温高压、一级调整抽汽、单缸、单轴、抽汽凝汽式汽轮机。发电机为济南发电设备厂生产的空气冷却、自并励静止励磁电机。该工程的设计燃料为棉花秸杆，可掺烧碎木片、树枝等。每小时耗秸秆量22t，日耗秸秆量484t，年耗秸秆量121000t。
2 模拟量控制系统
2.1 概述
模拟量控制系统（modulating control system，MCS）是指自动和连续的调节、控制机组的运行工况，使机组的运行在规定范围内或按一定的规律变化，如维持汽包水位为给定值，调整机组的出力，使之满足电网负荷的要求等[1]。
2.2 主要控制方案
2.2.1 给水控制系统
在机组起动阶段过程中或低负荷运行时，主给水阀关闭，调节系统工作在单冲量方式（如图3），三冲量控制系统不起作用，汽包水位信号经汽包压力校正后与设定值求偏差，作为调节器LAB40DF002目的输入，调节器LAB40DF002采用PI控制规律，并产生两个输出，一个输出到电动给水泵A，使其在最小转速下运行，保证给水泵的出口压力，使之工作在安全区域；另一个输出作为阀门开度指令至旁路调节阀，通过旁路给水阀的开度变化来保证所需要的锅炉给水量，以维护汽包水位为定值（－50mm～＋50mm）。随着锅炉给水量需求的增大，旁路调节阀逐渐开大，当它接近全开时（>80%），调节系统的输出信号将用于调节电动给水泵的转速以增加给水量，同时将主给水阀打开，旁路阀切换到手动。
当机组负荷>25％时，单冲量控制回路被限制住，控制系统平滑、无扰地切至三冲量控制回路（如图2）。此时，给水调整门全开，通过控制给水泵转速来控制给水流量。汽包水位测量信号，经过汽包压力校正；给水流量信号，经过给水温度校正；蒸汽流量经过热蒸汽压力温度校正。LAB40DF002和HAD10DL001采用PI控制规律，LAB40DF001采用P控制规律。
上述控制回路中，液位使用差压变送器测量，流量使用差压流量变送器（一次元件为流量喷嘴），调节阀采用电动调节阀，调节器全部在DCS内部实现。
2.2.2 炉膛负压控制系统
2.2.2.1 控制任务
保证炉膛负压在－30Pa～－50Pa间运行。
2.2.2.2 控制方案
控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量，其主要外部扰动是送风量，作为调节对象，炉膛烟道的惯性很小，采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制。
图5 炉膛负压控制系统调节框图
HBK10DP001炉膛压力的测量信号与设定值求偏差，偏差经一带死区的非线性环节f(x)1后，加上经过补偿的总风量的前馈信号，总偏差经压力调节器HBK10DP001运算后，输出信号去控制引风机挡板或转速，确保炉膛以合理的微负压运行。引入总风量的前馈信号，目的是为了消除总风量变化对炉负压的影响。采用带死区的非线性环节f(x)1是因为炉内燃烧过程是一个剧烈的化学反应过程，炉膛压力处于快速波动状态，如果直接将炉膛压力信号的偏差送到调节器，其输出将不断波动，会引起引风挡板（或动叶）的频繁动作，采用带死区的非线性环节后，只要压力是在一定的范围内波动，调节器的输出就不会发生变化，从而避免挡板（或动叶）的频繁动作。
在机组起动阶段过程中或低负荷运行时,控制系统控制引风机挡板调节炉膛负压；当机组负荷>40％时，控制系统平滑、无扰地切至另外一个控制回路，控制引风机转速来调节炉膛负压。
当引风机处于自动方式时，发生主燃料跳闸(MFT)，为了引风机挡板快关，避免炉膛压力低，系统设计了一个超驰信号。
上述控制回路中，压力使用压力变送器测量，流量使用差压流量变送器（一次元件为流量喷嘴），挡板采用电动调节挡板，压力调节器HBK10DP001采用PI规律，在DCS内部实现。
2.2.3 送风量控制系统
2.2.3.1 控制任务
送风量控制系统任务是控制炉膛风量，使送风量与燃料量有合适的比例，以达到锅炉最高的热效率，保证机组的经济性。
2.2.3.2 控制方案
控制送风量的手段是通过控制送风机转速或入口挡板来控制风量。
总风量指令是锅炉指令，它来自燃料主控制系统，用烟气中的含氧量进行修正，由于氧量是从尾部烟道的烟气中检测到的，具有较大的滞后，故采用串级调节系统；送风量调节器（HLA30DF001）和送风机构构成快速响应的内回路，过量空气调节器（HNA10DQ001）起校正作用，是串级系统的主调节器，使含氧量最终维持在给定值上，以保证适当的风料比。
在此系统中，由于最佳的含氧量与锅炉负荷有关，氧量的给定值往往不取常数，而是随锅炉的负荷而变化，通过用主蒸汽流量来修正，f(x)1是最佳含氧量与负荷的关系；大值选择器是使总风量不小于当时燃料量（包括给料量和油量）所需的总风量，f(x)2由风/料比确定，由这一限制，确保总风量（定值）不低于最小总风量（定值），同时实现锅炉加负荷时“先增风才增料”，减负荷时“先减料后减风”；总风量信号为二次过燃混合风流量、炉排空气高、中、低端流量修正值之和；含氧量信号为两台氧化锆输出信号的平均值。
当锅炉处于吹扫方式时，控制器输入被切换到另一个控制器进行控制，送风控制系统中的负荷方式和吹扫方式之间的切换是无扰动的。
上述控制回路中，含氧量使用氧化锆测量，流量使用差压流量变送器（一次元件为流量喷嘴），挡板采用电动调节挡板，调节器HLA30DF001、HNA10DQ001采用PI规律，在DCS内部实现。
2.2.4 燃料量控制系统
2.2.4.1 控制任务
通过控制炉前给料系统给料量来控制总燃料量，从而控制锅炉负荷。
2.2.4.2 控制方案
2.2.4.2.1 炉前料仓的料位控制
炉前料仓料位作为供料系统转速设定值。当炉前料仓料位达到90%以上，发出报警信号，料仓前的供料系统降低转速，料位达到95%以上供料系统停止。料位低于30%以下供料系统启动。
2.2.4.2.2 炉前料仓出料控制
取料机、输送机和配料机的转速是由相应的给料机的总转速成比例控制。每个装置的比例系数独立设置，为的是弥补容量上的差异。燃料分配的总转速可以减少或增加，这取决于配料机下游的工作给料机的缓冲料箱料位。配料机配有三个没有采取控制措施的出口管。这意味着，如果三台相应的给料机都工作，前两个缓冲料箱总是满的，料位将升至配料机的出口管道处。第三个缓冲料箱的料位用来控制增加或降低配料系统的转速。如果缓冲料箱的料位下降，则增加配料机的转速；如果料箱满料，这将可能导致配料机的堵塞，必须降低其转速。如果第三台给料机没有投运，则由第二个缓冲料箱的料位来控制，依此类推。
2.2.4.2.3 给料控制
由机组负荷控制系统来的燃烧率指令和实际总风量一起通过小值选择器，二者的小者通过小值选择器，经过热量信号修正和增益补偿后，得到给料量的设定值，与给料机转速反馈信号求偏差后，送入燃料量调节器（HHH05DU001），调节器输出转化成每台给料机转速设定值，通过控制每台给料机转速来控制给料量。
小值选择器的作用是使给出的燃料能充分燃烧，保证燃烧的经济性；K1～K6代表6台给料机投入的状况，任一台给料机投入时，相应的数值为1，否则为0，故加法器输出的数值代表给料机投入的台数，经过函数f（x）1和调节系统的偏差信号相乘，则可以使不管给料机投入的台数如何，增益可保持不变；
上述控制回路中，调节器HHH05DU001采用PI规律，在DCS内部实现。
2.2.5 低压空气预热器循环回路控制系统
2.2.5.1 温度和流量控制
2.2.5.1.1 控制任务
平衡通过回路的循环水流量，使水在低压空气预热器放热后，低压烟气冷却器进口的水温度不低于90℃。
2.2.5.1.2 控制方案
图8 低压空气预热器温度和流量控制系统调节框图
低压空气预热器回路的延迟时间很大，低压空气预热器大约为1分钟，低压烟气冷却器大约为6.5分钟。因此，控制器的动作必须很慢。所以，温度调节器的输出不直接用来控制低压空气预热器回路的流量，但是，可以用作流量设定值的校正量（±10℃），此流量设定值的校正是基于总燃烧空气流量和送风机下游的燃烧空气温度。流量控制是通过调节两台循环水泵中的一台泵的转速来实现的。
如果为了提高布袋除尘器上游的烟气温度而提高低压烟气冷却器上游温度的设定值，将出现一种情况，即要求的水流量超过回路中最大允许流量。然后，部分水流从低压空气预热器的旁路通过，从而提高了低压烟气冷却器上游的水温。
上述回路中，调节器HAA20DT001和HAA20DF001采用PI规律，HAA16DG001采用P规律，在DCS中实现。
2.2.5.2压力控制
2.2.5.2.1控制任务
为了避免水在低压烟气冷却器中沸腾，通过控制低压烟气冷却器回路的压力，确保低压烟气冷却器实际出口水温度与饱和温度间有至少10℃温差。
2.2.5.2.2 控制方案
图3-9 低压空气预热器压力控制系统调节框图
出口温度测量值加上10℃的偏值经过高低限后，作为反馈与出口压力测量值求偏差作为调节器的输入。
上述回路中，调节器HAA30DP001采用PI规律，在DCS中实现。
2.2.6 高压空气预热器循环回路控制系统
2.2.6.1 控制任务
控制高压空气预热器回路出口温度等于给水温度。
2.2.6.2 控制方案
图10 高压空气预热器循环回路控制系统调节框图
高压空气预热器回路出口温度调节器的作用是平衡通过回路的给水流量，这样可以使水在高压空气预热器放热量等于高压烟气冷却器吸热量，这就意味着高压空气预热器回路出口温度等于给水温度。通过调节高压空气预热器旁路阀的阀位来改变流过高压空气预热器回路的给水流量，空气和烟气流量维持不变的条件下，增加高压空气预热器回路中给水流量将会降低高压空气预热器出口温度。高压空气预热器的延迟时间很大，大约为10分钟，因此，控制器的动作必须很慢。温度调节器的输出用来校正高压空气预热器调节阀的阀位（±20％，阀位取决于负荷）；如果通过高压空气预热器回路的平均流量超过最大值，停止关闭调节阀，并报警；回路出口温度经过偏置后于给水温度求偏差，作为温度控制器的输入。
上述回路中，温度调节器HAB30DT001采用PI规律，控制器LAB45DS001采用P规律，在DCS中实现。
3 结束语
本文主要研究了秸秆锅炉模拟量控制系统，通过对几个重要的模拟量控制回路的研究，最大限度的实现了电厂控制自动化，真正实现了由DCS系统控制整个电厂的自动运行，对其它秸秆锅炉控制系统的设计有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]中国华东电力集团公司科学技术委员会.600MW机组运行技术丛书 仪控分册.北京：中国电力出版社，1998. 2
论文作者:刘玉波
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/3/28
标签：回路论文; 预热器论文; 调节器论文; 控制系统论文; 空气论文; 流量论文; 转速论文; 《基层建设》2017年第36期论文;