火電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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朱曉星1，陳厚濤1，昌學(xué)年2，蔣森2，陳思銘1
(1．國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007；2．湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007)
摘要：風(fēng)炯系統(tǒng)是火電機(jī)組的重要組成部分。為提高火電機(jī)組智能化水平，對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制的需求進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了智能啟動(dòng)、智能運(yùn)行、智能停運(yùn)3大功能組及多個(gè)子功能組。各（子）功能組均采用模塊化設(shè)計(jì)，能適應(yīng)正常運(yùn)行、檢修和故障等各種工況，緊急情況下手動(dòng)控制優(yōu)先。仿真及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在無人工干預(yù)的情況下，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)嫻系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行、停運(yùn)全過程的自動(dòng)控制，爐膛壓力等重要參數(shù)控制平穩(wěn)，提高了火電機(jī)組安全性能，減輕r運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度．
關(guān)鍵詞：風(fēng)煙系統(tǒng)；智能控制；自啟停：電流平衡
中圖分類號(hào)：rrM62l；TK323DOI: 10.11930/j．issn．1004-9649.2016.06.001.05
0引言
隨著火電機(jī)組低成本運(yùn)營(yíng)和精細(xì)化管理的要求越來越高，建設(shè)數(shù)字化電廠、智能化電廠的需求日益迫切，因此有必要采用先進(jìn)控制系統(tǒng)和控制策略提高大型火電機(jī)組的智能化控制水平，降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度�；跈C(jī)組白啟�？刂葡到y(tǒng)(automatic plant start-up and shutdownsystem，APS) 和常規(guī)智能控制技術(shù)構(gòu)建了火電機(jī)組智能控制系統(tǒng)(thermal power unit intelligentcontrol system，PIC)。作為PIC系統(tǒng)的重要組成部分，本文對(duì)大型火電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制功能進(jìn)行了需求分析，設(shè)計(jì)了其功能模塊．用全激勵(lì)式仿真模型進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并在某660 MW超超臨界機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。
1功能需求分析
典型的火電機(jī)組風(fēng)炯系統(tǒng)分為A、B兩側(cè)，每側(cè)各包括1臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)和1臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)，其智能控制功能的需求主要包括：
(1)智能全程控制。無需手動(dòng)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)包括送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備在內(nèi)的風(fēng)煙系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行、停運(yùn)全過程的智能控制。
(2)智能適應(yīng)各種工況。正常情況下，在鍋爐點(diǎn)火前宜啟動(dòng)兩側(cè)風(fēng)機(jī)；單臺(tái)風(fēng)機(jī)檢修時(shí)，可先啟動(dòng)另一側(cè)風(fēng)機(jī)，檢修完成后再啟動(dòng)該風(fēng)機(jī)：當(dāng)發(fā)生風(fēng)機(jī)跳閘引起的輔機(jī)故障減負(fù)荷f RunBack）后，未跳閘風(fēng)機(jī)出力很大，重新啟動(dòng)跳閘風(fēng)機(jī)后還應(yīng)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)動(dòng)葉使2臺(tái)風(fēng)機(jī)出力平衡(以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)機(jī)調(diào)平”）。
(3)模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)控制目的和控制對(duì)象的不同，風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊應(yīng)分為多個(gè)功能組和子功能組，即使不運(yùn)行PIC系統(tǒng)，只要滿足對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)允許條件，也可單獨(dú)運(yùn)行。
(4)手動(dòng)控制優(yōu)先。為保證機(jī)組安全，風(fēng)炯系統(tǒng)智能控制模塊下各功能組、子功能組應(yīng)能被隨時(shí)復(fù)位或暫停，以備運(yùn)行人員手動(dòng)十預(yù)。
近年來國內(nèi)出現(xiàn)了采用單列風(fēng)機(jī)和汽動(dòng)風(fēng)機(jī)的火電機(jī)組。單列風(fēng)機(jī)機(jī)組的風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制功能需求更簡(jiǎn)單，初始工況減少，不需進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)平。汽動(dòng)風(fēng)機(jī)機(jī)組的風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制功能需求則相對(duì)復(fù)雜，在以上需求的基礎(chǔ)上．還需增加風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉控制與轉(zhuǎn)速控制之間的切換功能．以及對(duì)RunBack工況下的風(fēng)機(jī)控制進(jìn)行優(yōu)化。
2功能模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)需求分析．將典型火電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊分為風(fēng)煙系統(tǒng)啟動(dòng)、風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行、風(fēng)煙系統(tǒng)停運(yùn)等3個(gè)功能組和多個(gè)子功能組．其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊以分散控制系統(tǒng)( distrihuted control system，DCS)為開發(fā)平臺(tái)，從
而實(shí)現(xiàn)與常規(guī)控制系統(tǒng)的無縫集成。各功能組和子功能組都可在獨(dú)立的監(jiān)控畫面上進(jìn)行自動(dòng)／手動(dòng)模式切換、順肩、復(fù)位、暫停、繼續(xù)、跳步、單步控制等操作。
2.1 智能啟動(dòng)功能組
智能啟動(dòng)是風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊巾最重要的功能組。同時(shí)滿足以下條件時(shí)，允許運(yùn)行智能啟動(dòng)功能組：(1)已選擇一側(cè)或兩側(cè)送風(fēng)機(jī)；(2)已選擇一側(cè)或兩側(cè)引風(fēng)機(jī)；(3)已選擇的引風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的空預(yù)器已運(yùn)行，且該空預(yù)器進(jìn)、出口門均已開；(4)已選擇的引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)均允許PIC系統(tǒng)控制。
默認(rèn)狀態(tài)為選擇兩側(cè)引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)，當(dāng)某風(fēng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的按鈕不可選擇。此外，設(shè)計(jì)了是否允許PIC系統(tǒng)控制引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)的按鈕。只有在運(yùn)行人員已現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)滿足風(fēng)機(jī)啟動(dòng)條件．并在監(jiān)控畫面上按下對(duì)應(yīng)按鈕時(shí)，風(fēng)炯系統(tǒng)智能啟動(dòng)功能組才允許運(yùn)行。
該功能組組成步驟為：(1)打開送風(fēng)機(jī)出口聯(lián)絡(luò)風(fēng)道電動(dòng)擋板、打開一次風(fēng)機(jī)m口聯(lián)絡(luò)風(fēng)道電動(dòng)擋板、將過熱炯?xì)鈸醢逯?0%、再熱煙氣擋板置50%.二次風(fēng)擋板置吹掃位；(2)若選擇了引風(fēng)機(jī)A,則淵用引風(fēng)機(jī)A啟動(dòng)于功能組；(3)引風(fēng)機(jī)A投自動(dòng)，爐膛壓力沒定值逐步置為-100 Pa;(4)若選擇了送風(fēng)機(jī)A,則調(diào)用送風(fēng)機(jī)A啟動(dòng)子功能組；(5)若選擇了送風(fēng)機(jī)A，將送風(fēng)機(jī)A動(dòng)葉逐漸置為250/e；(6)若選擇r引風(fēng)機(jī)B，則調(diào)用引風(fēng)機(jī)B肩動(dòng)子功能組；(7)引風(fēng)機(jī)B投自動(dòng)，并自動(dòng)進(jìn)行2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的調(diào)平；(8)若選擇了送風(fēng)機(jī)B，則淵用送風(fēng)機(jī)B啟動(dòng)子功能組；(9)若選擇了送風(fēng)機(jī)B,將送風(fēng)機(jī)B動(dòng)葉逐漸置為25%；(10)先后將送風(fēng)機(jī)A.B投入自動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)行2臺(tái)送風(fēng)機(jī)的調(diào)平。若總風(fēng)量<90(J -t7h，則將總風(fēng)量沒定值逐漸設(shè)為900 t/h。
其中．各風(fēng)機(jī)啟動(dòng)子功能組的步驟主要包括啟動(dòng)風(fēng)機(jī)油泵、將風(fēng)機(jī)動(dòng)葉置為0%、動(dòng)作風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板及出口擋板、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)等。
同時(shí)滿足以下條件時(shí)，判定該功能組已完成：
(1)已選擇的引風(fēng)機(jī)運(yùn)行且在自動(dòng)狀態(tài)；
(2)已選擇的送風(fēng)機(jī)運(yùn)行且在自動(dòng)狀態(tài)；
(3)爐膛壓力穩(wěn)定；
(4)總風(fēng)量穩(wěn)定。
2.2 智能運(yùn)行功能組
在智能啟動(dòng)功能組完成后，引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)由智能運(yùn)行功能組控制。該功能組由引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)子功能組和自動(dòng)調(diào)平子功能組組成。自動(dòng)調(diào)節(jié)子功能組主要是通過PID調(diào)節(jié)和前饋調(diào)節(jié)，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行全周期巾，自動(dòng)維持爐膛壓力、總風(fēng)量等參數(shù)在最佳日標(biāo)值附近。自動(dòng)調(diào)平子功能組包括偏置平衡回路和電流平衡回路．目的是維持2臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的動(dòng)葉指令平衡和電流平衡。其控制原理邏輯框圖如圖2所示。
從圖2可知，當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)均在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可由智能控制模塊投入或手動(dòng)投入自動(dòng)調(diào)平子功能組。當(dāng)任一風(fēng)機(jī)手動(dòng)時(shí)，將自動(dòng)退出該子功能組。該子功能組投入后，若風(fēng)機(jī)動(dòng)葉偏差值>+5%，則偏置平衡回路起作用，將2臺(tái)風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉指令偏置以計(jì)算速率向0%逼近：當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)電流偏差值>±5 A．且動(dòng)葉偏差值<+5%時(shí)，電流平衡回路起作用，根據(jù)2臺(tái)風(fēng)機(jī)電流的偏差值，自動(dòng)將風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉指令偏置以計(jì)算速率置為+5%以內(nèi)的某個(gè)數(shù)值．直到消除電流偏差或偏置達(dá)到+5%。其中．動(dòng)葉指令偏置的置值速率取決于爐膛壓力和總風(fēng)量的控制偏差．當(dāng)兩者偏差均很小時(shí)，置值速率變大；當(dāng)任一偏差較大時(shí)，置值速率變�。踔�?xí)和Ｕ{(diào)平，以保證爐膛壓力和總風(fēng)量穩(wěn)定。此外，為避免頻繁調(diào)節(jié)，當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)的電流偏差<+2 A時(shí)自動(dòng)停止調(diào)平，電流偏差>+5 A時(shí)自動(dòng)開始調(diào)平。
2.3智能停運(yùn)功能組
同時(shí)滿足2個(gè)條件時(shí)，允許運(yùn)行風(fēng)煙系統(tǒng)智能停運(yùn)功能組：(1)主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)已動(dòng)作；(2)總風(fēng)量<800 t/h。
該功能組組成步驟為：(1)停運(yùn)空預(yù)器吹灰：(2)若送風(fēng)機(jī)A在運(yùn)行中，則調(diào)用送風(fēng)機(jī)A停運(yùn)子功能組；(3)若引風(fēng)機(jī)A在運(yùn)行中，則調(diào)用引風(fēng)機(jī)A停運(yùn)子功能組；(4)若送風(fēng)機(jī)B在運(yùn)行中．則調(diào)用送風(fēng)機(jī)B停運(yùn)子功能組；(5)若引風(fēng)機(jī)B在運(yùn)行巾，則調(diào)用引風(fēng)機(jī)B停運(yùn)子功能組。
其中，各風(fēng)機(jī)停運(yùn)子功能組的步驟主要包括將風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令逐步置為0%、停運(yùn)風(fēng)機(jī)馬達(dá)、動(dòng)作風(fēng)機(jī)進(jìn)出口擋板等。
同時(shí)滿足以下條件時(shí)，判定該功能組已完成：
(1)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)均停運(yùn)：
(2)2臺(tái)送風(fēng)機(jī)均停運(yùn)。
3仿真優(yōu)化
風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊設(shè)計(jì)完成后，在600MW等級(jí)超超臨界機(jī)組全激勵(lì)式仿真模型上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下主要問題并進(jìn)行了優(yōu)化完善。
3.1 引風(fēng)機(jī)自動(dòng)的優(yōu)化
仿真中發(fā)現(xiàn)，在首臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前會(huì)先關(guān)另一側(cè)送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉，導(dǎo)致爐膛壓力突然下降．引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉在自動(dòng)作用下快速關(guān)��；首臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成后，又會(huì)引起爐膛壓力突然上升，剛關(guān)小的引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉反而導(dǎo)致爐膛壓力冒正壓的幅度更大．甚至經(jīng)常由于爐塍壓力強(qiáng)制偏差大而退出引風(fēng)機(jī)自動(dòng)。
分析發(fā)現(xiàn)首臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程引起的爐膛壓力突降和突升過程之間一般不超過1min．此過程中引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉不進(jìn)行調(diào)節(jié)是最佳方式。據(jù)此優(yōu)化了控制邏輯，使首臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)子功能組運(yùn)行時(shí)．閉鎖增減首臺(tái)引風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉。同時(shí)，在此過程中爐膛壓力偏差大時(shí)，不退出引風(fēng)機(jī)自動(dòng)。
3.2風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令偏置置值速率的優(yōu)化
原設(shè)計(jì)中將風(fēng)機(jī)電流平衡回路、偏置平衡回路中的風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令偏置置值速率設(shè)為相同的數(shù)值，但仿真中發(fā)現(xiàn)該值設(shè)置較大時(shí)，在電流平衡回路作用下，2臺(tái)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉容易發(fā)生周期性震蕩：而該值設(shè)置較小時(shí)，在偏置平衡回路作用下．風(fēng)機(jī)調(diào)平的過程又耗時(shí)太長(zhǎng)，特別是在RunBack等工況時(shí)，不利于機(jī)組的快速恢復(fù)。
對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化，將送往電流平衡回路的動(dòng)葉指令偏置置值速率乘以系數(shù)0.5，使得在相同的爐膛壓力、總風(fēng)量控制偏差下，電流平衡回路的動(dòng)葉指令偏置置值速率只有偏置平衡回路的一半．較好地解決了這個(gè)問題。
3.3風(fēng)機(jī)自動(dòng)投退條件的優(yōu)化
常規(guī)控制中，當(dāng)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成并調(diào)平后，由運(yùn)行人員投入自動(dòng)，退出自動(dòng)的條件一般包括風(fēng)機(jī)停運(yùn)、被調(diào)量信號(hào)品質(zhì)壞、風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令與反饋偏差大、被調(diào)量與設(shè)定值控制偏差大等。在仿真巾發(fā)現(xiàn)這些條件不能完全滿足風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制的需求，為此進(jìn)行了以下優(yōu)化：
(1)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后需要及時(shí)控制爐膛負(fù)壓．岡此在引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)子功能組完成后，自動(dòng)將其投入自動(dòng)。當(dāng)?shù)?臺(tái)引風(fēng)機(jī)投入自動(dòng)后，自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)平。
(2)選擇2臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，第1臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，不需立刻精確控制總風(fēng)量，因此僅將其動(dòng)葉置一定開度即可。當(dāng)?shù)?臺(tái)送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成且動(dòng)葉置一定開度后，再將2臺(tái)送風(fēng)機(jī)投入自動(dòng)．這樣可以省略送風(fēng)機(jī)調(diào)平過程，縮短了啟機(jī)時(shí)間。
(3)在送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)子功能組運(yùn)行過程中．以及完成后的一定時(shí)間內(nèi)，將爐膛壓力控制偏差大退出引風(fēng)機(jī)自動(dòng)的偏差值白動(dòng)改為一個(gè)較大的數(shù)值，以免引風(fēng)機(jī)自動(dòng)頻繁退出。
4應(yīng)用效果
在某660 MW超超臨界機(jī)組上進(jìn)行了風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊的實(shí)際投運(yùn)，該機(jī)組的鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造的HG-1948/28.25-HM6型超超臨界參數(shù)直流鍋爐，每臺(tái)爐配有2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)和2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)。目前該機(jī)組的啟停過程均采用了風(fēng)煙系統(tǒng)智能啟動(dòng)和智能停運(yùn)功能組，機(jī)組正常運(yùn)行期間也一直投入風(fēng)煙系統(tǒng)智能運(yùn)行功能組，應(yīng)用效果良好。以某次啟機(jī)過程為例，在風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊的作用下．相關(guān)參數(shù)運(yùn)行曲線如圖3所示。
初始工況下．2臺(tái)送風(fēng)機(jī)、2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉均全關(guān)。引風(fēng)機(jī)A啟動(dòng)前，為建立煙風(fēng)通道，打開了送風(fēng)機(jī)B的動(dòng)葉及出口擋板。送風(fēng)機(jī)A啟動(dòng)前后，爐膛壓力出現(xiàn)了下降和上升過程，但引風(fēng)機(jī)A的動(dòng)葉被閉鎖增減，因此爐膛壓力的變化幅度不大。
引風(fēng)機(jī)B啟動(dòng)后，爐膛壓力出現(xiàn)突降，但在引風(fēng)機(jī)A動(dòng)葉的調(diào)節(jié)作用下，很快恢復(fù)了正常值。引風(fēng)機(jī)B投入自動(dòng)后，引風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)平子功能組也同時(shí)投入。此時(shí)由于引風(fēng)機(jī)A的電流大于引風(fēng)機(jī)B的電流，所以在電流平衡回路的作用下，引風(fēng)機(jī)B動(dòng)葉逐步開大，引風(fēng)機(jī)A動(dòng)葉逐步關(guān)小．使2臺(tái)引風(fēng)機(jī)電流始終保持平衡。
2臺(tái)送風(fēng)機(jī)先后啟動(dòng)后，動(dòng)葉都逐步開到25%。待總風(fēng)量穩(wěn)定后，2臺(tái)送風(fēng)機(jī)先后投入自動(dòng)．總風(fēng)量沒定值自動(dòng)逐步調(diào)整為900 t/h。此過程中爐膛壓力和總風(fēng)量都能很好地維持在設(shè)定值附近。
該機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)智能肩動(dòng)過程耗時(shí)約22 min，其中設(shè)置了共計(jì)約5 min的延時(shí)時(shí)間，以便運(yùn)行人員檢查風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)。整個(gè)啟動(dòng)過程無需運(yùn)行人員干預(yù)，爐膛壓力和總風(fēng)量均全程自動(dòng)控制。表1給出了智能控制方式下的本機(jī)組，與手動(dòng)控制方式下的某630 MW超臨界機(jī)組（A機(jī)組）、手動(dòng)控制方式下的某600 MW超超臨界機(jī)組（B機(jī)組）風(fēng)煙系統(tǒng)啟動(dòng)過程典型工況的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比。
由表1可見．智能控制方式下的風(fēng)煙系統(tǒng)啟動(dòng)過程耗時(shí)中等，但爐膛壓力的波動(dòng)幅度較小，機(jī)組安全性能得到提高。
5結(jié)語
風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制模塊是火電機(jī)組智能控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)智能控制的需求進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了其功能模塊并進(jìn)行了仿真優(yōu)化�，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在沒有運(yùn)行人員干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)風(fēng)煙系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行、停運(yùn)全過程的自動(dòng)控制，且始終能將爐膛壓力、總風(fēng)量等重要參數(shù)控制在目標(biāo)值附近，提高了機(jī)組安全性能，減輕了運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度。
