（深圳东方锅炉控制有限公司成都分公司 四川成都）
摘要：介绍了一种能很好解决等离子点火系统断弧问题的方案。它通过自适应跟随气压的波动，实时自适应的在一定范围内调整等离子电流设定值，从而研制成功使得等离子发生器不断弧的自适应跟踪算法。确保不会出现因气压波动而断弧。克服了常规等离子点火系统频发的断弧问题。文中详细介绍了该方案和算法的细节。已经在新疆等几个电厂投入使用，取得了良好效果。
关键词：等离子点火系统；自适应跟踪算法；DCS
Coal-fired Power Plants Plasma Ignition System Arc Stability Research of Adaptive Algorithm
JING Min，MA Xiao-gang
（Shenzhen Eastern Boiler Control Company Ltd，Chengdu，China）
Abstract：This paper presents a scheme to solve the arc fault problem of plasma ignition system.Which adaptively adjusts the plasma current setting in a certain range by adaptively adjusting the fluctuation of the barometric pressure so as to develop an adaptive tracking algorithm which makes the plasma arc continuously.Due to pressure fluctuations and off arc.Overcome the conventional plasma ignition system frequently broken arc problem.In this paper，the details of the scheme and algorithm are introduced in detail.Products have been put into the Dongfang Hope that several power plants and achieved good results.
Key words：The plasma ignition system；Adaptive tracking algorithm；DCS.
1 前言
国家明确规定，把节能减排放在发展首位，对燃煤热电厂提出节能减排的强制型要求，由于原来燃煤热电厂采用油枪点火，成本高，污染重，促使可解决油枪点火缺陷的等离子点火技术获得快速推广。等离子点火系统中的发生器的输出电压是由载体风的压力决定的，载体风的压力根据空压机的起停波动幅度较大，由于母管和支管的减压阀不足以抵消压缩空气源头带来的波动，常规发生器的固有特性决定了气源带来的波动会引起断弧，给运行的稳定性和可靠性造成很大影响，严重时会MFT，会带来锅炉煤粉堆积、停炉等一系列麻烦和损失。我们曾使用断弧后重新3次拉弧来确保运行的可靠性，但如果气压一直处于高位或者气压波动幅度较大，仍要断弧，为此本文针对常规等离子发生器存在的缺陷，对多种工况深入研究分析，总结归纳出断弧规律，设计一套自适应算法，根据气压的波动情况，在确保等离子发生器不烧损的电压范围内，使等离子体电流设定值在运行区间内自适应跟随电压变化。可以设定电流的边界条件来满足不同现场的需求，产品已通过测试，已应用于新疆希铝等几个电厂，取得良好效果。
2、稳弧模型建立
2.1 新疆电厂压力波动的影响
新疆电厂锅炉为四角切圆，上下AB两层布局。所以等离子点火系统布局也为A层4套，B层4套。如图1所示。
图1 锅炉B层等离子布置俯视示意图
等离子系统气路布局也为AB两层，四角切圆分布。其中支管压力波动范围现场测量参数A层4套，B层4套分别为：
A1号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：2.6kPa-3.2kPa；点火过程中，气压波动范围2.8kPa-4kPa。
A2号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：4.2kPa-5.4kPa；点火过程中，气压波动范围4.8kPa-6.1kPa。
A3号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：5.3kPa-6.1kPa；点火过程中，气压波动范围5.5kPa-7kPa。
A4号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：4.1kPa-5.2kPa；点火过程中，气压波动范围4.4kPa-6.5kPa。
B1号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：2.8kPa-3.8kPa；点火过程中，气压波动范围3.3kPa-4.6kPa。
B2号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：4.0kPa-4.8kPa；点火过程中，气压波动范围4.6kPa-5.5kPa。
B3号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：5.1kPa-6.1kPa点火过程中，气压波动范围5.8kPa-6.6kPa。
B4号支管压力参数及波动范围：
点火前-后：4.6kPa-5.8kPa点火过程中，气压波动范围5.2kPa-6.2kPa。
2.2 工况总结与归纳
根据各支路的气压波动情况以及等离子发生器本身的特性，通过实验证明不烧损等离子发生器阳极稳弧段的电压范围：大于DC500V。
就此电厂的现场情况，根据试验数据发现，如果在电流为210A，电压在510V左右的10V偏差范围内，运行效果最稳定可靠，电压大于520V或低于500V，运行就不太稳定，甚至可能引起断弧。以此类推，电流270A时，电压在570V左右的10V偏差范围内，运行最稳定可靠；电压在580V到600V时，用最大电流280A，能稳定可靠运行。
由于现场各支路气压波动可达1.5kPa，甚至更大。从实验数据看，气压波动在1kPa，电压波动既有20V左右，气压波动在1.5kPa，电压波动就超过30V。
根据现场情况，如用最大电流280A来运行，当气压波动减小时，大电流会使等离子弧长缩短，轻则断弧，重则烧损发生器。
综合考虑各种工况，只能单独进行控制，只有单台稳定可靠，才有整个系统的稳定可靠。所以，按照匹配等离子发生器的个体特性[2]，根据归纳和总结，有以下一个共性的结论：
电压：510V~520V；电流：210A~220A；
电压：520V~530V；电流：220A~230A；
电压：530V~540V；电流：230A~240A；
电压：540V~550V；电流：240A~250A；
电压：550V~560V；电流：250A~260A；
电压：560V~570V；电流：260A~270A；
电压：570V~600V；电流：270A~280A；
即用电流变化阈值10A，来匹配电压变化阈值10V，判定时间6秒，这种匹配关系，可以满足等离子点火系统弧的稳定性和可靠性，而且燃烧无爆燃现象。
由于不同电厂等离子发生器的长度不一样，功率不一样，考虑扩展性和通用性。将几个阈值和时间作为参变量，在触摸屏上设定，这样可以匹配不同型号的发生器和电源，来设定不同的阈值，以满足不同现场的实际使用需求。
2.3 算法模型建立
A、通用模型状态转换图
此模型根据二代等离子电源和发生器特性在新疆电厂现场使用情况，归纳总结而成，最大功率为200kw设计。其中，①代表：（电压-电流）＞＝（阈值+步长）；②代表：（电压-电流）＜＝（阈值-步长）；③代表：电流设定值＜电流允许的最小值；④代表：电流设定值＞电流允许的最大值。
图2通用模型状态转换图
cA1、通用状态模型公式
假定：
Δ为差值，X为阈值，Z为步长，t为时间，Yn为当前时刻电流设置值，Yn+1表示下一时刻电流设定值。则：
Δ = 实时电压反馈值 - 实时电流反馈值
——公式（1）；
Δ >= X + Z >= t；——公式（2）；
Yn+1 = Yn + Z ——公式（3）；
X - Z >= Δ >= t； ——公式（4）；
Yn+1 = Yn - Z ——公式（5）；此公式为根据二代等离子电源和发生器的特性归纳总结而成，下边给出算法中的一些量化值和边界条件。
A2、公式量化
根据新疆电厂的200kw等离子电源和发生器特性，以及现场气压波动情况，根据上述公式给出量化值为：
Δ为差值，实时值；
X为阈值，设定为300；
Z为步长，设定为10；
t为时间，设定为6秒；
Yn为当前时刻电流设定值，
Yn+1表示下一时刻电流设定值。
根据公式（1）计算出当前时刻实时差值；根据公式（2）和公式（4），判定并跳转到下一时刻的运行状态参数。
其中取210A~280A，8个设定电流值。此取值可以根据步长设定值动态改变。最小电流值210A，最大电流值280A。步长设为10，阈值为300，时间为6秒。
3、算法实现与结果分析
3.1 算法实现原理框图
图3 算法实现原理框图
上图为算法原理框图。电源柜采用触摸屏监控，DSP数字控制器集总控制三个并联的模块，西门子S200的PLC实现采集与通信传递，为分散功能与算法负担，我们采用把此算法在PLC部分来实现[3]。PLC通过采集实际输出电流和电压，进行自适应算法计算与判定，当判定需要改变电流设定值时，PLC将电流设定值传递给DSP数字控制器，DSP数字控制器，再通过恒流PID算法后，进而对每路斩波模块进行调节输出[3]。
3.2 自适应控制算法下的运行状态图
图4 状态2的运行参数图
图4给出了触摸屏参数设定及状态显示，实际输出电压、电流、运行状态都在触摸屏上监视。电流电压步长、阈值、时间都在触摸屏界面上设定。其中设定步长为10，阈值为300，时间为6秒。
选中自适应算法，电流和电压将按照步长为10进行自适应调整。下图是使用自适应算法后，由于气压波动，电流设定值跟随气压波动而改变并可靠运行的运行曲线图。运行中，根据电压的变化区间，按照总结的规律，自动设定对应的电流值，并快速跟踪，从而稳定可靠运行。
图5 自适应算法运行效果部分截图
4、实际使用效果简介
依据自适应算法，研制的新型等离子点火系统，顺利通过了各种性能测试，并已成功的小批量生产，在新疆希望、海门等多个电厂成功投运。增加自适应稳弧算法后，从实际使用效果看，解决了断弧问题，达到预期效果。表1给出海门电厂的几组对比数据。
表1、经济性比较。
上表数据为海门电厂3台1036MW机组在使用等离子、微油、大油枪点火，运行15小时的对比数据。由此可见等离子系统比燃油系统在经济性方面大幅度节省。
环保指标方面：用等离子点火和微油点火两种方式下，Nox排放对比。
表2、环保比较。
在氮氧化物的排放上相对较低。
5、结论
通过本文的研究可得下述几点结论：
（1）通过对现场气压变化的分析，归纳总结了一般规律，考虑等离子发生器特性与现场功率要求等因素，提出、设计和验证了自适应算法的可行性。
（2）采用PLC实现控制，通过触摸屏设置参数，自动化程度高，人机交流便利。
（3）自适应算法实现了电厂气压波动的自适应跟踪控制，解决了等离子系统断弧的共性问题，提高了等离子点火系统的可靠性。
（4）现场实际运行数据表明，此自适应算法可以适合多种运行场合，具通用性。
（5）新型等离子点火系统经济、环保，在我国燃煤电厂具有广阔的推广和应用前景。
参考文献：
[1] 李文蛟，曹欣玉.煤粉气流等离子体及电点火技术应用与展望[J].煤炭转化.1999.
[2] 穆勇.等离子点火器三维燃烧流场数值模拟[D]，哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.
[3] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].第二版.北京：机械工业出版社.2003
[4] 包金英.高频高压开关电源的仿真与实验研究[D].北京交通大学电气工程学院，2004.
[5] 蔡培，刘英卫等.推广应用 DLZ-200 型等离子点火装置的技术经济分析[J]，安徽电力，2001.
作者简介：
敬 敏（1978-），男，毕业于电子科技大学，研究生，控制理论与控制工程专业。深圳东方锅炉控制有限公司，主要研究方向为等离子技术、火电节能技术、太阳能应用技术等。联系方式：15882382695；709284137@qq.com。
马晓刚，男，深圳东方锅炉控制有限公司，副总经理，高工，主要研究方向为电力设备自控技术，联系方式：13500059098。
论文作者:敬敏,马晓刚
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/17
标签：电流论文; 等离子论文; 气压论文; 电压论文; 算法论文; 步长论文; 自适应论文; 《电力设备》2017年第28期论文;