330MW机组风煤比控制方式的优化方案
（华能海口电厂符亮）
[摘要] 海口电厂#8、9机组为了节能减排和提高协调控制品质，对机组风煤比控制方式进行了优化调整，取得了显著的节能效果。在此基础上，又对协调控制中的相关策略逻辑进行了优化改造的探讨，以实现节能和协调控制品质的同步优化。
关键词：锅炉风煤比燃烧优化方案
0. 设备概述
华能海口电厂四期工程共两台330MW机组（编号#8、#9），配套锅炉型号为
HG1018/18.6－YM23型，是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司根据美国ABB-CE燃烧工程公司技术生产制造的引进亚临界、一次中间再热、自然循环汽包炉、单炉膛、平衡通风、四角切圆燃烧器，冷一次风正压直吹式制粉系统、水封斗式刮板捞渣机连续固态排渣，全钢构架悬吊结构,露天布置。设计燃料为烟煤。每台炉配置两台50%容量的静叶可调轴流式吸风机，两台50%容量的动叶可调轴流式送风机，两台50%容量的入口静叶调节离心式一次风机，五台MPS190中速磨煤机。2009年2月，#8、9炉一次风机进行变频改造，一次风机正常运行改为变频调节。
1. 问题的提出
1.1 原风煤比控制方式
海口电厂#8、9机组原磨煤机风煤比控制方式如下：各台磨煤机的给煤量由锅炉主控指令产生；一次风量按给定的风煤比跟随其给煤量变化，由磨煤机热风调整门调节；磨煤机冷风调整门跟随热风调整门变化，调节磨煤机出口温度稳定；一次风母管压力随着负荷的加减而增减。磨煤机一次风控制逻辑见图1。
1.2 磨煤机风门档板调节特性差
磨煤机冷、热风调整门采用档板调节，不可避免地存在调节线性差的情况。用其调整磨煤机一次风量和温度，调节特性较差，对机组协调控制的调节品质影响很大。
1.3 一次风量测量不准
为了节省空间和降低成本，磨煤机入口管道的布置非常的紧凑复杂，没有长的直管段，整个磨煤机入口管道上的速度场和温度场分布很不均匀，一次风量或冷、热风门开度的微小变化，都可能对其速度场和温度场产生较大的干扰。一般大型锅炉磨煤机入口风道温度最高点和最低点的温差有时超过100℃。温度参与气流密度的计算，大约每10℃的温度测量误差引起1%的流量误差。这就是造成一次风量不管采用何种方法测量，其误差都很大的原因。
#8、9炉磨煤机原一次风量测量使用热式测量装置，测量误差较大，有时甚至出现定性错误，即一次风量指示与冷、热风门开度成反向变化。后来改造加装了差压式测量装置，测量误差还是较大。因此，用各磨煤机一次风量信号来进行精确控制，效果很不理想。
1.4 与节能降耗的潮流背道而驰
原制粉系统优化控制方案，是2009年4月根据西安热工研究院《9号锅炉燃烧及制粉系统优化调整试验报告》制定的优化方案。具体如下：
表１原制粉系统优化控制方案
由于磨煤机进口热风门担负有调整风煤比的一次风量的任务，必须保留有一定的调节裕量，一般要求热风门开度在70%以下，否则将影响控制品质。因此，这样调节，风门档板存在较大的截流损失，对一次风机电耗的影响较大。这种调节方法与当前节能降耗的潮流背道而驰，必须进行优化改造。
1.5 一次风机控制方式不合理
在#8、9机组协调控制中，磨煤机进口热风门调整一次风量，一次风机调节控制一次风母管压力，一次风母管压力设定值跟踪机组负荷，设定值函数f(x)见图2：机组负荷在150MW以下时，设定值保持7.0KPa不变；机组负荷在150MW～330MW之间，设定值在7.0KPa～12 KPa之间线性增加；设定值最大不超过12.0KPa。一次风机控制逻辑见图3。
一次风机的这种调节控制方式是不合理的。虽然，制粉系统需要的总一次风量与机组负荷是线性关系，但是，由于不同负荷下运行的磨煤机台数不同，各台磨煤机的出力并不与机组负荷呈线性关系，其需要的一次风量与机组负荷并不呈线性关系。因此，制粉系统需要的一次风母管压力并不与机组负荷呈线性关系，这种调节控制方式必须进行修改。
1.6 问题的提出
综上所述，海口电厂#8、9机组原磨煤机风煤比控制方式不仅控制特性不理想，而且与节能降耗的潮流背道而驰，必须对其进行全面的优化改造。
2. 风煤比控制方式的优化
海口电厂#8/9机经过几年不断的探索和试验，制定出了新的风煤比优化运行方案，取得了很好的节能效果。
2.1 新的风煤比优化控制方案
#8/9炉自2009年10月起，不再使用磨煤机进口热风门调整一次风量，而是在运行中保持磨煤机进口热风门全开，用一次风机变频调节调整一次风母管压力，直接控制各磨一次风量。磨煤机进口冷风门还照原进行磨煤机的风温调整。新的风煤比优化控制方案如下：
表２新制粉系统优化控制方案
2.2 新方案的一次风机节电效果
#8机在负荷等工况稳定的情况下，进行了新旧制粉系统优化方案的对比试验。在调整保持各磨煤机风煤比（出口风压）等参数都不变的情况下，得出磨煤机热风门开度70%和100%两种工况的数据（见图4和表３）。执行新的制粉系统优化方案后，一台机组一次风机总单耗降低了3KW.H/T煤，一次风机总电耗降低了0.14%，一次风机总电流降低了32A，一次风机运行一年约节省厂用电233万度,节省费用约108万元（按上网电价0.465元/度）。仅此一项两台机组一年就节省费用超过200万元。
表３新旧优化方案的运行参数对比
2.3 新方案对空预器漏风率的影响
空预器漏风量的大小是和空预器密封间隙和烟风压力的大小成比例的。#8/9炉锅炉的一次风压力(＞7kPa)远高于二次风压力(＜2kPa)，在同样的密封条件下，一次风的漏风量要比二次风大很多。从锅炉设计说明书中的计算漏风量(见表4)可看出,在空预器漏风中,一次风占的比例超过78%。因此，运行中降低一次风母管压力,将显著降低空预器漏风率。空预器漏风率的降低，又降低了锅炉的排烟温度和送引风机电耗。在执行了新的优化运行方案后，#8/9炉空预器的平均漏风率从2009年的10.63%和
8.51%降至2010年的6.26%和5.48%，分别下降了4.37%和3.03%，相当降低煤耗
0.96g/kw.h和0.67g/kw.h。按#8/9机组去年发电量173,240万kw.h和181,660万kw.h计算，共节约标煤2880吨，节省费用259.2万元（标煤按900元/吨）。
表4 标准工况的计算漏风量
3. 协调控制策略的优化改造方案
风煤比控制方式改变后，各磨煤机的一次风量直接由一次风机调节。原磨煤机热风门的调节功能取消后，对机组协调控制品质影响较大，必须对协调控制系统的进行改造，才能适应新的风煤比控制方式，实现运行参数的精确控制。
3.1 磨煤机控制策略
正常运行中给煤机都在自动状态，各磨煤机出力通过给煤机的偏置调整。磨煤机出力分配要从以下多方面综合考虑：
(1)保证炉膛燃烧的安全性。尽量维持燃烧稳定，防止发生火嘴烧损和炉膛结焦。
(2)保证各磨煤机的安全运行。根据各磨煤机设备状况、石子煤量等情况调整出力，一般按能者多劳的原则分配。
(3)实现制粉系统的经济运行。调整各磨煤机的出力，以使各磨煤机都处于最佳工况。使总的热风门开度尽量开大，总的冷风门开度尽量关小。调整各磨煤机的出力，使制粉系统所须一次风母管压力最低，以降低一次风机电耗。
(4)实现锅炉经济运行最优化。综合考虑飞灰含碳量、排烟温度、主汽（再热汽）温度等情况，调整各磨煤机的出力，以提高锅炉效率。
3.2 一次风机控制策略
原来一次风机的控制方式不合理，风煤比控制方式改变后，一次风机又担负起一次风量的调整任务，就更不能使用这种控制方式，必须对一次风机控制策略进行修改。以下是两种简单实用的一次风机控制策略优化方案。
3.2.1 一次风机控制策略优化方案一
仍采用一次风机变频调节调整一次风母管压力，把一次风母管压力设定值跟踪机组负荷，修改为跟踪最大出力的磨煤机的煤量。在机组负荷变化时，各台磨煤机的煤量同步加减，一次风母管压力也跟随着煤量加减，这就保证了各台磨煤机的风煤比都能够稳定。只要一次风母管压力能满足最大出力磨煤机的需要，也能满足其他磨煤机的需要。
修改后的一次风母管压力设定值函数f(x)见图5：最大出力的磨煤机煤量在25吨以下时，设定值保持7.0KPa；最大出力的磨煤机煤量在25吨以上随着煤量线性增加；煤量38吨时，对应设定值为8.5KPa。计算公式如下：
当煤量≤25吨；y=7.0 kPa
当煤量＞25吨；y=0.1154x+4.1154 kPa
运行中可根据煤质等情况适当调整偏置值，以适应工况变化。修改后的一次风机控制逻辑见图6。
目前#8/9机采用的是这种方法。采用这种方法，还需要对原协调控制中有关风煤比（一次风量）的控制逻辑进行修改，把原来对磨煤机热风门的控制调节改为对一次风机的控制调节。这项逻辑修改非常复杂，还要经过反复的调试，才能投入正式运行。为了减少逻辑修改的工作量，可以考虑采用下面的优化方案二。
3.2.2 一次风机控制策略优化方案二
另一个优化方案是用一次风母管总流量来参与风煤比的精确控制。由于磨煤机进口管道条件限制，在这里无论用何各种测量方法，一次风量都存在较大误差，对风煤比的精确控制影响很大。大型锅炉的一次风冷、热风母管一般都有二十米以上的直管段。这些直管段内的温度不存在偏差，速度场也比较稳定，安装风量测点能保证有足够的精确度。因此，用冷、热风母管流量相加的总一次风量来参与总风煤比的控制，其控制精度肯定比原来的分磨控制方式高很多。而且，大型锅炉在设计时有的在一次风冷、热风母管上已经安装了风量测点，为优化方案提供了便利。
为了简化协调控制逻辑的修改，在磨煤机控制策略优化方案的基础上，把风煤比控制策略由原来的分磨控制改为“总风煤比”控制，即用总一次风量和总煤量信号来控制。“总风煤比”控制方法是把一次风机调整一次风母管压力改为调整总一次风量，设定值跟踪机组总煤量（比例为1.8：1）。为保证最低一次风速的安全性，仍然控制一次风母管压力最低值≮7.0kPa。这种方法风煤比的控制精度高，能改善显著提高机组协调控制品质，是较理想的精确控制方案。
3.3.协调控制策略
3.3.1 #8/9机组锅炉燃烧控制系统现状
海南电网容量小，峰谷差大，稳定性差。#8/9机组参与电网的调峰、调频，要求负荷要快速响应。协调控制中负荷适应性和主汽压力稳定性是一对主要矛盾，满足负荷快速响应，必然使主汽压力大幅波动。由于汽机调门调节响应快速，而锅炉燃烧调整有较大的惯性，因此，#8/9机组协调控制一般都采用CCBF方式（即汽机主要调整功率，锅炉主要调整主汽压力）。
#8/9机组是采用给煤机煤量为反馈信号的直吹式中速磨系统。本系统的特点是给煤机控制器接受锅炉主控指令，调整给煤机煤量跟踪负荷变化。中速磨煤机从给煤量变化到出粉量变化存在较大的迟延。而且在大幅增加煤量的瞬间，磨煤机出粉量还会出现短时间的减小。再加上锅炉燃烧惯性，使机组控制调整中锅炉的迟延特别大（约300秒）。因此，锅炉运行中经常出现汽压、汽温和煤量等参数的大幅波动，对机组的安全经济运行影响很大。虽然经过几年的不断调试，#8/9机组的协调控制特性还是不够理想，加减负荷时经常出现主汽压力与设定值偏差大，引起协调控制切手动。
3.3.2 #8/9机组锅炉燃烧控制系统优化方案
中速磨燃烧控制系统比较先进的控制策略是采用一次风量作为反馈信号。该系统的特点是负荷指令变化时，先用一次风量改变进入炉膛的煤粉量，然后给煤机再跟随一次风量变化控制煤量，以满足负荷的要求。一次风量变化能立即改变进入炉膛的煤粉量，锅炉的燃烧惯性可以加快到30秒以内，响应速度显著提高。如果前面一次风机采用了方案二的一次风量控制方案，可以相应的使用这种控制策略。这种方法需要对整个控制策略进行重组。
还有简单一点的修改方法，是不改变采用给煤机煤量为反馈信号的燃烧系统控制策略，只是增加使用负荷和主汽压力作为前馈信号，对一次风机进行控制。在负荷指令变化时，其微分前馈信号使一次风机快速动作，改变进入炉膛的煤粉量，然后给煤机接受锅炉主控指令调整煤量，以满足负荷的要求。这种方法能够有效消除中速磨煤机系统出粉的迟延性，加快锅炉的响应速度，提高协调控制的品质。
结束语
众所周知，火电机组正常运行调整任务主要集中在锅炉方面，锅炉最主要的调整任务在燃烧系统，而风煤比控制是燃烧控制系统的重点。海口电厂#8/9机组在使用了新的风煤比控制方式后，解决了磨煤机风门档板调节特性差和一次风量测量偏差大等影响机组协调控制品质的问题，同时取得了较大的节能降耗效果。此技术在大部分采
用直吹式中速磨系统的锅炉都能适用，如能全面推广，将取得巨大的经济效益。