1、- 1 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅1 引言1. 1 课题背景火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国重点能源工业之一，大型火力发电机组在国内外发展很快，是我国现以 300MW 机组为骨干机组，并逐步发展 600MW 以上机组。目前，国外已建成单机容量 1000MW 以上的单元机组。单元发电机组是由锅炉、汽轮发电机和辅助设备组成的庞大的设备群。由于其工艺流程复杂，设备众多，管道纵横交错，有上千个参数需要监视，操作或控制，而且电能生产还要求有高度的安全可靠性和经济性，因此，大型机组的自动化水平受到特别的重视。送风量就是其中一项需要监视的重要参数。本次设计题目是：600MW 火电机组送
2、风控制系统。1. 2 课题意义锅炉送风量是影响锅炉生产过程经济性和安全性的重要参数。大型锅炉一般配有两台轴流式送风机，送风量是通过送风机的动叶来调整的。如果送风量比较大，送风量与燃料量的比例系数 K（最佳比例值）随之增大，炉膛内燃烧将不会充分，达不到经济性。如果送风量比较小，送风动叶开度就会比较小，临近送风机的喘振区，喘振危害性很大，严重时能造成风道和风机部件的全面损坏，而总风量小于 25%时，就会触发 MFT（主燃料跳闸）动作。所以，送风量、过高或过低都是生产过程所不允许的。为了保证锅炉生产过程的安全性、经济性，送风量必须通过自动化手段加以控制。因此，送风量的控制任务是：使送风量与燃料量有合
3、适的比例，实现经济运行；使炉膛压力控制在设定值附近，保证安全运行。- 2 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅2 送风自动控制系统2. 1 送风量控制系统实现送风量自动控制的一个关键是送风量的准确测量。现代大型锅炉一般分设一次风和二次风，有些锅炉还有三次风，因此总风量是这三种风的流量之和。常用的风量测量装置有对称机翼型和复式文丘里管。一些简单的测量装置，有装于风机入口的弯头测风装置和装于举行风道内的挡风板等。在协调控制中，氧量风量控制是燃烧控制的重要组成部分，其对于保证锅炉燃烧过程的经济性和稳定性起着决定性作用。在稳态时 根据锅炉主控指令的要求协调控制燃料量和送风量，保持适当的风煤比，即保证一定
4、的炉膛出口过剩空气系数 a，在动态调节过程中，必须保证增加负荷时先增加送风量再增加燃料量，降负荷时先减少燃料量再减少送风量，保证送风量大于给煤量，以达到空气与燃料交叉限制的目的。由于到目前为止，还没有找到一种有效的方法来准确地测量给煤量信号，工程实际中一般以烟气含氧量作为给煤量的一种间接反馈信号。烟气含氧量是一个非常重要的指标。氧量过低，证明燃料没有充分燃烧，浪费燃料又增加了有害气体排放，氧量过高，使送引风机的耗电量增加，造成烟气中的 Nox、SO2排放量增多。锅炉运行中，当过剩空气量增多时，不仅使炉膛温度下降，而且也使最重要的烟气热损失增加。因此，过剩空气量要有一个最优值，即所谓的最经济燃烧
5、，过剩空气量常用过剩空气系数 a 来表示，即实际空气量 QP 与理论空气量 QT 之比：A=QP/QT过量空气系数 还可以用炉膛出口烟气中的含氧量 O2来衡量，完全燃烧情况下空气系数 与 O2的关系为：=21/(21- O2)由上式可知 和 O2成反比关系，控制 就可以达到控制烟气中含氧量 O2的目的，其中含氧量一般都控制在 5左右，含氧量信号具有时间延迟短，对判断是否充分燃烧反映快等优点。因此，可将送风调节系统直接看成是氧量调节的过程送风控制系统一个带有氧量校正的串级回路控制系统，所谓串级回路控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节
6、阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。- 3 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅2. 2 模糊自整 PID 控制器的调节方案控制策略常规的 PID 算法为：u(k)=kpE(k)+E(k)+KDEC(k)其中 E(k)为输入量偏差 EC(k)为偏差变化 Kp、Ki、Kd 分别表示比例系数、积分系数、微分系数。糊自整 PID 控制器是模糊控制器与传统 PID 控制器的结合，在常规 PID 控制器的基础之上，根据 E 和 EC（E 和 EC 是输入偏差 e 和偏差变化率 ec 经过输入量化后的语言变量） ，利用模糊推理思想，PID 控制器参数与进行在线自整定。PID 参数模糊整定模型在不同情况下
7、被控过程的对 Kp、Ki、Kd 三个参数的要求可以归纳为：1 当E较大时，为了避免系统出现大的超调，须采用积分分离法令 - 4 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅Ki0；为了让系统有较好的快速跟踪性能，Kp 尽可能取较大值，Kd 尽可能取较小值。2 当E中等大时，为了使系统超调量较小，Kp 应该取较小值 Ki 取中等值。3 当E较小时，为了使系统具有较好的稳态性能，Kp、Ki 应该取较大值，为了避免系统出现振荡 Kd 取中等值。改模糊控制系统是一个二输入三输出的，输入语言变量论域为：E(3 3),EC(3 3),Kp(0.5 1),Ki(0 0.5),Kd(0 20).在输入输出语言变量各自论
8、域上定义了 7 个模糊子集,记为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB，语言值得模糊子集取为三角形隶属函数。根据参数自要求可以写出 Kp、Ki、Kd 三个参数的模糊规则。控制系统建模与仿真使用 Matlab 建立模糊控制规则 在 Matlab 中输入 fuzzy，如图 3 所示。图 3 Matlab 模糊控制系统图对控制系统进行仿真分析，先用凑试法试出控制器最佳的 PID 参数，再对采用了模糊 PID 控制器的控制系统进行仿真，讲两者结果进行比较。可以看出采用模糊 PID 控制器的系统响应略快与普通 PID 控制器，但是控制时间只有 30s - 5 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅比普通
9、PID 控制器的 80s 大大缩短，并且没超调量而普通 PID 控制器调量为 10%。仿真结果显示普通 PID 控制器的控制时间为 150s 超调量为 5%,但模糊 PID 的控制时间为 100s 且超调量为 0，调节品质好于普通 PID。入口扰动仿真 将系统输入设置为 0，入口扰动设置为 20%再进行仿真。采用模糊 PID 控制系统过渡时间为 80s，优于普通 PID 的 110s。普通 PID 控制系统的过渡时间近 200s，而模糊 PID 的过渡时间 120s。图 4 送风控制系统阶跃响应图图 5 送风调节系统入口扰动响应曲线- 6 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅2. 3 送风控制系
10、统的分析热风送粉煤粉炉燃烧控制系统是火力发电机组主要的控制系统之一，而送风调节系统的调节作用是这一系统能顺利工作的前提，送风调节系统的任务是通过调节送风机入口挡板,使烟气中的含氧量保持最佳值, 从而保证锅炉燃烧系统配置最佳定燃比，使锅炉达到最高的热效率。恰使燃料完全燃烧所需的空气量标为理论空气量，实际上按理论空气量无法达到完全燃烧的目的, 一般总要使送风量比理论空气量多一些。送风系统的被控对象为炉膛，它是惯性和迟延都比较小的自衡对象。调节量之一为送入膛的空气量，当空气量不变，燃料量增加时，使空气量与燃料量比值下降，烟气中的含氧量降低，当燃料量不变，空气量增加时，烟气中的含氧量增加，控制系统应使
11、送风量与燃料量协调变化，以保证经济性。另外，也有采用锅炉排烟中的氧气量作为调节信号的系统。种系统具有明显的缺点，一是很难找出能代表整个炉膛含氧量的准确测点，因而样量计测出的信号值得怀疑。二是氧量计测出的整个炉膛氧量的平均值，不能保证每个燃烧器的完全燃烧。2. 4 风量控制任务和控制方式风量控制子回路用来满足锅炉主控制器发出的风量请求, 并维持燃烧稳定以及保证合适的风煤配比, 使锅炉燃烧系统达到最高热效率。入炉总风量等于二次风量和一次风量之和, 其中一次风量是运行中各台磨煤机入口的一次风量之和。为了测量精确, 各个风量测量信号均需要经过风温信号的修正。送风控制系统根据总风量和总风量设定值的偏差给
12、出 2 台送风机各自入口动叶开度的控制指令。对于超临界直流锅炉机组的直吹式系统设计有总风量与总燃料量信号之间的交叉限制,以确保锅炉的富氧燃烧。风量控制主要有两种基本方式: 一种是由送风机调节风量, 二次风挡板调整风箱与炉膛的差压; 另一种是由二次风挡板调节风量, 送风机调整风箱压力。一般来说, 采用第一种方式的控制系统能够较快获得风量响应, 因为在第二种方式中, 用二次风挡板调节风量最终也要等送风机出口风压回复到稳态值才能真正获得风量。2. 5 送风机的控制本文的分析对象是 600 MW 超临界机组, 采用正压直吹式中速磨煤系统,36 只旋流燃烧器分 3 层布置在前后墙, 形成对冲燃烧, 每个
13、燃烧器配备有高能点火器及点火油枪,另外配 12 只启动油枪作为低负荷稳燃用。燃烧用风分为直流一次风、直流二次风和旋流三次风。采用每层燃烧器二次风箱配风和每个油枪中心配风的方式, 在每层二次风风道上各有 2 个测风装置作为计量二次风量用, 每台磨煤机入口配有风量测量装置, 每台磨煤机出口 6 根一次风管道上分别装有 1 个可调缩孔, 二次风采用热风再循环方式。风烟系统共配备 2 台静叶可调轴流式引风机、2 台轴流式送风机、2 台的离心式一次风机、2 台离心式密- 7 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅封风机和 6 台中速辊式磨煤机、6 台电子称重皮带式给煤机。本锅炉机组采用大风箱配风形式, 每层
14、风室的二次风可以实现远方调节, 三次风挡板可以通过远方控制实现旋流强度的调节。该机组的风量控制系统采用 2 台各带 50%额定负荷的轴流式送风机, 控制其动叶开度大小来满足入炉风量要求。送风控制系统风量调节器的给定值为总风量指令, 测量值为总风量实时信号。当总风量的实测反馈信号与总风量指令出现偏差的时候, 经过风量调节器输出后作为 2 台送风机动叶开度大小的共有指令。为了尽快地满足负荷变化的要求, 并保持炉膛压力的稳定, 风量控制系统中设计有以总风量指令为前馈信号的加速校正信号通道。前馈信号和风量调节器输出的主信号在加法块中进行综合, 通过切换选择分别向 A、B 送风机输出自动控制指令。为了使
15、 2 台送风机能够带不同的负荷, 运行操作人员还可以通过送风机的手自动操作站设定 1 个偏置值。本系统除了完成正常工况下的串级控制系统内回路调节作用外, 还设计有非正常工况时送风机动叶开度定向闭锁回路, 以及 2 台送风机分别实现手动操作和手自动相互切换时实现无扰动的偏差平衡回路。若是炉膛压力异常, 通过大限制块、小限制块以及切换块的限制功能来闭锁送风机动叶开度指令。例如,当炉膛压力过低时, 切换块的输入端接至 S2 端, 即将切换块的输出值又送回到输入端, 从而将该时刻的信号保持并输入大选块中, 此时送风机动叶位置指令在输入实际值和保持值之间选择较大值输出,使控制系统只能增加风量而不是减少风
16、量。同理,当炉膛压力过高时, 本闭锁回路逻辑让送风机动叶开度指令在输入实际值和保持值之间选择较小值输出, 使得控制系统只能减少风量而不能增加风量。送风机调节器输出的公共指令同时送到 A 送风机和 B 送风机的动叶开度控制回路, 再分别与送风机偏置信号相加或相减, 该信号经过上、下限幅块后作为两台送风机各自的自动控制指令。由送风机的 M/ A 操作站可以引出偏置信号 A , 它经过速率限制块后, 加至 2台送风机的动叶开度控制回路。需要指出的是, 该偏置信号对 2 台送风机动叶指令的作用方向是相反的, 目的是为了在正常情况下能够调节 2 台送风机的负荷平衡, 使 2 台送风机的发动机电流相等。送
17、风机偏置信号只能在 2 台送风机动叶都在自动控制模式时才可以由运行操作人员进行手动改变。当 2 台送风机处于手动工作方式时, 送风机的偏置跟踪回路切换到 S2 端, 使送风机调节器跟踪 2 台送风机动叶开度的平均值。该平均值减去 A、B 送风机操作站的手动输出信号, 即为手动方式与自动方式之间存在的偏差, 平均值加上该偏差值即等于 A 送风机的手动输出信号, 平均值减去该偏差值即为 B 送风机的手动输出信号。这种设置的偏差调节程序是为了保证 2 台送风机在分别投入自动时能够实现无平衡、无扰动的切换过程。若 1 台送风机动叶开度控制投入自动方式, 则送风调节进入自动方式。总风量 PID 调节器可
18、以自动补偿送风机投自动的台数改变, 即在总风量 PID 调节器中不必再考虑送风机自动投入台数变化所需的增益改变。2 台送风机之间控制指令信号的差别也由偏差平衡回路连续计算来实现自动跟踪, 为处于手动方式运行的另 1 台送风机投入自动做好无扰切换的准备。- 8 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅图 6 送风机动叶定向闭锁回路2. 6 轴流送风机的喘振控制喘振是轴流风机运行中的一种特殊现象, 在进出口差压高而出口流量低的异常工况下易发生喘振。轴流风机发生喘振的原因是风机出口压力很高而风量很小, 导致风机动叶部分或全部进入失速区。其主要表现为风量、出口风压、电机电流出现大幅度波动、剧烈振动和发出异常
19、的噪声。喘振会引起风机动叶片断裂或机械部件损坏, 所以运行中一旦发现风机进入喘振区, 应立即调整风机动叶角度, 使风机运行点避开喘振区。风机喘振跟动叶角度有很大的关系, 动叶角度越小, 越容易发生喘振。由于运行人员误操作使送风系统的挡板调节不当或者空预器堵灰、暖风器、控制系统故障造成的挡板误动, 增大了锅炉风烟系统的阻力。送风机的控制保护回路中, 通常可以采用 2 种方法来防止轴流风机发生喘振: 限制送风机动叶控制站的输出或动叶开度指令迫减。如图 7 所示,f 1 ( x ) 为送风机入口风量与出口压力的函数关系,当送风机出口压力的升高与送风机入口风量不匹配时, 发出 / 接近喘振区 0 的报
20、警 ; f 2 ( x ) 为送风机入口风量与送风机动叶安全开度的函数关系, 由 f 2 ( x ) 确定的送风机动叶安全开度与实际送风机动叶指令形成交叉限制, 当送风机发生喘振时, 送风机入口风量急剧下降, 交叉限制回路发生作用, 迫减送风机动叶指令, 并发出 / 喘振保护交叉限制 0 的报警。轴流风机提供了测量喘振工况的差压开关, 喘振探- 9 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅头及信号取样管安装不当时, 容易发生风机喘振误报警和误动作。图 7 送风机控制保护2. 7 送风控制系统存在问题的分析处理（1）送风机动叶控制方式跳出“ 自动”送风机动叶气动执行机构定位器凸轮特性呈线性关系, 气动
21、执行机构从 0 到 100%全行程动作时间仅 7 s,而推动动叶的液压缸有一定的动作速率限制(动叶角度变化率等于小于 2. 5 / s) , 风机动叶全行程 10 至 55 至少需要 18 s,由于送风机动叶气动执行机构的调节速度过快,使风机动叶实际动作无法很好地跟随气动执行机构。在较大幅度的系统扰动或变负荷工况下, 由于执行机构与动叶实际动作速度不匹配,使安装于风机动叶调节连杆上的位置开关检测到“ 过力矩” 而发出“ 风机动叶迟缓( FDFAN BLADE STU CK)” 信号,导致送风机动叶控制方式跳出“ 自动” , 影响自动装置投运。若此时另一侧风机控制仍处于“ 自动” 方式, 极易引
22、起该侧风机出力受阻而导致“ 风量限制保护” 动作或风机失速,送风控制系统即根据送风机风量保护曲线自动限制该侧风机的动叶开度,威胁机组的安全运行,严重时曾导致二次风量低而- 10 - 课 程 设 计 用 纸教师批阅机组跳闸。为此, 在气动执行机构定位器输出至气缸的上、 下控制气管路上加装了限速节流孔板, 以匹配气动执行机构与动叶液压缸的动作速度。调整后测量气动执行机构的全行程动作时间为 20 s 左右,满足了工艺系统的要求。（2）风量测量值无规律大幅晃动的处理二次风流量采用机翼型流量测量装置, 安装于空预器出口二次风道中;每台机组的 A、 B 两侧各配置 3 台流量变送器。 二期机组自投运以来,
23、 先后多次出现了自动方式下二次风量测量值无规律大幅晃动, 最大可达 20%以上, 导致锅炉总风量和炉膛负压波动。 经试验,当送风控制切至手动方式时, 情况稍有好转, 炉膛负压控制稳定,但二次风量测量值仍有晃动。经反复分析查找各方面可能的原因无果。利用一次偶然的 4 号机组停机机会,分别对二次风流量机翼型测量装置进行了检查,发现机翼型流量测量装置的取压孔均有不同程度的堵灰现象。 事后分析认为,机组经过长期运行,空预器波纹板内的积灰随二次风进入二次风道,容易将节流装置机翼上的风量取压孔堵塞; 另外燃烧器点火油枪经长期运行,少量油气通过空预器渗透到二次风道中, 油气易使灰尘粘附于机翼型流量装置的风量
24、取压孔上,也可能最终造成二次风量测量值晃动。为此,在每根取样管的出口与管子成 60 安装了仪用空气吹扫管, 进行定期吹灰,有效地解决了流量测量装置取压管的堵灰问题。（3）温度信号漂移引起送风机跳闸的分析处理组温度信号漂移问题目前比较普遍, 当送风机因电动机线圈温度保护动作跳闸后,就地检查电动机线圈温度一次测量元件(热电偶的热电势 mV 值)正常, 但该信号由 DCS 系统的 TU 端子经信号隔离器输入至 INFI90 系统后,在 OIS 操作员站上电动机线圈温度显示仍偏高。 经试验分析,由于接地或其它电磁干扰等原因可能使输入 DCS 的温度信号经隔离器产生了电容性电荷积聚,引起对应毫伏测量值偏
25、移,造成温度信号漂移。将该温度 mV 信号输入至 DCS 的 T U 端子对地放电后重新恢复接线, OIS 操作员站上的温度显示即恢复正常。目前该问题具有一定的普遍性,尚未彻底解决,进一步的解决方案拟将低电平模拟量信号隔离器及其 I/ O 模件更换为抗干扰性能较好的硬件。送风控制系统从就地执行机构、 测量仪表、 控制参数及控制逻辑等方面进行了不断改进和完善, 目前已具有良好的自动调节品质,并能满足机组安全稳定运行的需要。2. 8 送风控制系统在火电厂中的应用使燃料在炉膛中充分燃烧是送风量控制的主要任务，如图 8 所示。送风量控制系统为串级控制系统，主回路为氧量校正回路，用来修正燃料量与风量的比例系数，副回路为风量控制回路，是以母管压力调节回路输出或燃料量作为设定值，以送风量经氧量修正后作为测量值。为了保证锅炉燃烧的安全性，在机组增减负荷时，保证有充足的送风量和一定的过量空气。在增加负荷时，锅炉负荷指令同时加到燃料控制系统和送风量控制系统。由于高选折器的作用，送风量随着锅炉负荷指令的增加而增加，而燃料量受到实际测量的风量经补偿及修正后的总风量的闭锁（低选折器） ，实际燃料量不会马上增加，这样就达到
