发电厂锅炉送风系统控制方法研究
- 格式：pdf
- 大小：251.35 KB
- 文档页数：3
２０１ ７年第７期 发电厂锅炉送风系统控制方法研究 李业功 国网山西省电力公司电力科学院研究院。山西太原０３００００
摘要发电厂锅炉送风系统作为锅炉燃烧系统的重要组成部分，对保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，实现发电 厂的节能减排目标具有重要意义。针对锅炉送风系统采用传统的ＰＩＤ控制方式时存在的非线性、滞后性等问题，本 文采用模糊自整定ＰＩＤ控制方法对送风系统进行控制，并通过ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了送风系统模糊自整定 ＰＩＤ控制方法的优越性。 关键词发电厂锅炉；送风系统；ＰＩＤ；模糊自整定ＰＩＤ 中图分类号ＴＭ６ 文献标识码Ａ 文章编号２０９５－６３６３（２０１７）０７－００４５—０３
目前，我国的发电还是以火电为主，火力发电量 占据了全国总发电量的近七成，其每年消耗的煤炭量占 据了全国的一半。然而，煤炭的燃烧会产生大量的二氧 化碳及其他有害气体，给环境带来了严重的污染。锅炉 作为火电厂最重要的生产设备之一，能使锅炉燃烧系统 经济高效运行，则可大大节省煤炭的用量，实现火电厂 的节能减排。锅炉燃烧控制系统主要包括３个子系统： 送风控制系统、因风控制系统和燃料控制系统。其中， 控制锅炉送风系统保证送风量和喷入锅炉中的燃料处于 最佳风煤比状态，这样既能使进入炉膛煤粉得到充分的 燃烧，减少有毒气体的排放，也能最大程度地减少热量 损失，从而达到节能减排的目标 １发电厂锅炉送风控制系统 发电厂锅炉送风控制系统对保证锅炉的燃烧的经 济性和稳定性具有决定性作用。送风控制系统使锅炉的 送风量和燃煤量（风煤比）相协调，从而使锅炉的燃烧 效率达到较高的水平，这是送风控制子系统的主要任务。 如果送风控制系统送入锅炉的空气太少，导致锅炉含氧 量过低，则会导致燃料无法充分燃烧，不仅浪费燃料， 更会使燃烧产生的二氧化硫等有毒气体含量增加污染空 气；如果送风控制系统送入锅炉的空气太多，则会导致 炉膛内的温度降低，同时增加烟气的热损失。 一般情况下，锅炉的热效率是无法直接测量得到 的，因此我们经常会采用一些间接的方法来得到它。常 用的送风控制系统的形式有燃料量一空气系统、热量一 空气系统、蒸汽量一空气系统、给定负荷一空气系统和 含氧量一空气控制系统。受到各种条件限制，到目前为 止，热效率还无法通过现有的检测设备准确检测出来。 只能通过间接测量来得到热效率的数值，目前各大电厂 一般会通过测量烟气含氧量来测算锅炉热效率。锅炉燃 烧过程中，排出的烟气中所含有的氧气所占的比值是一 个十分重要的数据量，如果烟气含氧量过低，说明燃料 没有得到充分的燃烧，这样会大量的浪费燃料而且也会 加大有害气体的排放；而烟气含氧量过高，送风量过大 会使炉膛失去大量的热量，也会使烟气中的ＳＯｓ和Ｎ０ 等有毒气体排放量增加。 把烟气含氧量作为锅炉燃烧的效率指标是一种很 好的控制方案，由于烟气含氧量的测量有较大的滞后性， 所以其一般要采用串级调速系统，具体结构如图１所示。 其副回路由送风机和送风量控制器构成，反应速度较快。 系统中的含氧量控制器是串级调速系统的主调节器，它 主要起到校正的作用，其使得送风量和燃料量始终保持 一定的比例，从而使得烟气含氧量维持在给定的最佳值。 图１中加入了燃料量Ｂ的前馈信号，可以大大改善系统 的动态特性。 串级调速系统相比于单回路控制系统而言，其动 态特性有了很大的提升。将这两个调节器串联起来工作， 其中的一个调节器的输出值作为另一个调节器的给定 值。由于增加了一个副调节器和副回路，副回路的扰动 可以得到的快速的克服，系统的动态性能得到大大提升。 通俗的来讲，回路中的副调节器承担了“粗调”的任务， 主调节器承担着“细调”的作用，所以系统的调节品质 得到了进一步提高。 锅炉在实际运行过程中，实际的送风量要比理论 需要的空气量要稍微的多一些，我们把这一值用过剩空 烟气含
图１烟气含氧量一空气串级控制系统 作者简介：李业功，国网山西省电力公司电力科学院研究院。 科学理论探索 气系数口表示，也就是空燃比。在锅炉运行中我们要设 定合适过剩空气系数 ，才有利于提高锅炉的效率。过 剩空气系数口可用烟气含氧量来表示，计算公式如下式 （１）所示： ２１ ～ ２ｌ—０ ％ 上式（１）中，Ｏ ％表示烟气含氧量，从式（１）可 以看出过剩空气系数与烟气含氧量是反比的关系。控制 空气过剩系数就可以达到控制烟气含氧量系数的目的。 由图１可知，烟气含氧量一空气串级控制系统的 主变量是烟气含氧量，送风量作为副变量。主控制器的 输出值作为副控制器的给定值，副控制器通过控制送风 机的扇叶开度来实现其给定值。反馈回路中的烟气含氧 量由主回路检测装置来检测，送风机的风量由副回路检 测装置来进行计算。 目前，这套串级控制系统已经发展成熟，且可靠 性高。但其控制系统中一般都是采用ＰＩＤ控制器，当系 统中有较大扰动时，系统的调节能力仍有待提高。本文 引进模糊ＰＩＤ来实现对该系统的控制。 ２基于模糊ＰＩＤ的送风系统控制方法 在ＭＡＴＬＡＢ软件中建立发电厂锅炉送风系统模糊 ＰＩＤ控制器，其内部结构如图２所示，用Ｃｏｎｓｔａｎｔ模 块模拟Ｋｐｏ，Ｋｉｏ，Ｋｄｏ的初值，ｄＫｐ，ｄＫｉ，ｄＫｄ的变化 范围需要在调试中确定，模糊控制器通过对输入偏差ｅ 和偏差变化率ｅｃ的分析，得到ｄＫｐ，ｄＫｉ，ｄＫｄ应取的 值，然后通过求和模块把ｄＫｐ，ｄＫｉ，ｄＫｄ不断和Ｋｐｏ， Ｋｉｏ，Ｋｄｏ相加，得到随着偏差和偏差变化率变化而变 化的Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ，从而提高系统的控制效果。在控制过 程中，经过不断的调试，最终得到控制效果最佳时候的 Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ的初值和ｄＫｐ，ｄＫｉ，ｄＫｄ变化的论域。 利用ＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕ１ｉｎｋ搭建送风控制系统仿真模 型，其结构为串级控制。仿真的框图如图３所示。 跃模块，其作用分别是给系统施加给定值，内扰动，外 扰动。Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｌ和Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ２是模糊自整定ＰＩＤ模块， 其中Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｌ构成系统的主调节器，Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ２构 成系统的副回路调节器，其共同实现了系统的串级控制。 风机的传递函数用Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｃｎ表示，其为一阶惯性 环节，与Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ２构成副回路，通过对风机的转速 进行反馈，副回路可以快速的消除内部的扰动。主回路 中的反馈是烟气含氧量的值。为了方便起见，我们把反 馈装置的参数均设置为１。Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｃｎｌ是二阶的惯 性模块，其和Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｄｅｌａｙ（延迟模块）构成了烟 气含氧量的传递函数。最后通过示波器Ｓｃｏｐｅ将系统的 仿真结果显示出来。 锅炉风机控制系统受到的扰动来自两方面，一方 面是内部扰动，另一方面是外部扰动，现对风机控制系 统的内部扰动和外部扰动分别进行仿真。 ２．１加入内扰情况下的动态特性 将Ｓｔｅｐｌ和Ｓｔｅｐ３的输出置０，从０开始，Ｓｔｅｐ２ 加入一个１０％的扰动，观察系统的响应特性曲线，如图 ４所示。 ： 。 ’ 。 ’ 。 ， … Ｐ∞控制 ｆ ———＿楗糊宦整ｊ ：Ｐｆ０控制 ｆ ： 。
『ｌ 一 。。 … ， ｉ 。 ， ｆ ： ～ … ： ｆ
ｆ — ｝ ＼ ｔ
． ； ＼ ／ ： ．、 ～— ‘ ｜ｒ＿．．．～
图４ ＰＩＤ和模糊自整定ＰＩＤ控制内扰时的动态特性 由图４可以看出，加入２０％的内扰后，ＰＩＤ控制 的超调量更大，其调节时间需要近６００ｓ，而模糊控制只 需要４００ｓ便可恢复稳定状态。可以得出，在动态调节 如图３所示，信号源Ｓｔｅｐｌ，Ｓｔｅｐ２，Ｓｔｅｐ３都是阶 效果上，模糊控制要比普通ＰＩＤ有优势。
—— Ｕ 善《｝¨ ｛■啼ｌ ｌ ｐ—＿－
一 ｌ ０ Ｉ ｌ ｌ 叫 嘲 潍 ｒ ……， ｎ
０ 。
ｌ——
一Ｕ 图２送风系统模糊ＰＩＤ控制器内部结构图
图３锅炉送风控制系统仿真模型 ２０１ ７年第７期 ２．２加入外扰情况时的动态特性 ｊ 哪｝蚓目 嚏璃 ｜ 营瀚自ｉｊ窿，船控耪 囊 ｝ ｛ ＼ 瓣 ＼ 壁
糖 辩 图５加入外扰时ＰＩＤ和模糊自整定ＰＩＤ控制的 仿真动态特性图 由图５可以看出，加入３０％的外扰后，普通ＰＩＤ 控制的调节时间为４００ｓ，而模糊自整定ＰＩＤ控制的调节 时间为２００ｓ，约为前者的一半。 由上面仿真可知，当火电厂锅炉送风系统受到内 部扰动或外部扰动时，与ＰＩＤ控制方法相比，模糊自整 定ＰＩＤ方法的扰动调节时间更短，性能更好。
３结论 火电厂锅炉送风控制系统对保证锅炉的高效率燃
烧，降低煤炭燃烧量，减少发电厂有害气体的排放，实 现发电厂的节能减排目标具有重要意义。本文对锅炉送 风控制系统的控制方法进行了改进，并通过ＭＡＴＬＡＢ仿 真验证了，模糊自整定ＰＩＤ控制方法在系统受到扰动时 的动态特性要优于传统的ＰＩＤ控制方法。
参考文献 ［１】裴荣雅．燃气锅炉自动控制系统实现与应用研究［Ｊ］．工程技 术研究，２０１７（１）：８７，８９． ［２】申明，沈健．６５ＯＭｗ超临界机组送风自动控制优化［Ｊ】．中国 电力，２０１６（６）：３５—３８． 【３］周鹏飞．燃煤锅炉风机系统一种新型解耦控制方式应用研究 ［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１５． ［４】陈厚涛，胡雄辉，寻新，等．３３０ＭＷ￣ｔ，组送风自动控制系统 优化［Ｊ】．湖南电力，２０１４（６）：７２－７３，７６． ［５】张广明．热电厂锅炉送风系统的变频控制【Ｊ］．黑龙江科学， ２０１ ３（９）：１１３．
掰（上接第４０页）警 步骤，直至最后测量满夯整平后路基面高程，计算累计 沉降量。 ３）夯击试验。为满足设计要求，每个夯点进行 ８击试夯。经试夯显示，击沉量依次为１４ｃｍ、１ｉｃｍ、 １２ｃｍ、１ｌｃｍ、ｌＯｃｍ、１３ｃｍ、１５ｃｍ、１９ｃｍ，单点累计沉降 量１０７ｃｍ，最后两击平均沉降量１７ｃｍ。从第６次夯击开 始击沉量逐渐增大，拟采用夯击５次作为大面积试夯。 夯击５次，第１遍平均击沉量依次为１４ｃｍ，１ｌｃｍ， １２ｃｍ，１ｌｃｍ，ｌＯｃｍ，坑位平均沉降量５８ｃｍ，最后两击 平均沉降量１０．５ｃｍ。第２遍平均击沉量依次为１ｌｃｍ， ８ｃｍ，６ｃｍ，４ｃｍ，３ｃｍ，坑位平均沉降量３２ｃｍ，最后两击 平均沉降量３．５ｃｍ。满夯后路基面平均沉降量为６８ｃｍ。 ４）强夯前后地基承载力检测。采用Ｋ３０平板荷载 仪分别在强夯前及每遍强夯完一周后进行地基承载力检 测试验。地基承载力分别为：强夯前９０ｋＰａ，第１遍强 夯７天后为１６５ｋＰａ，第２遍强夯７天后为２１０ｋＰａ。 ５）试验评价。选取约２ ５００ｍ２作为强夯试验，最 后两击平均沉降量为３．５ｃｍ，路基整体沉降量为６８ｃｍ， 地基承载力达到２１０ｋＰａ，满足设计及规范要求。可在相 同地质、地段按照试验参数及配套的机具、施工工艺流 程组织实施。 ６）施工工况。结合本工程实际情况，先按照由中 向外的顺序抛填片石逐步往前推进。考虑运料车载重达 到ｌＯＯｔ，前期填料运输能达到一定的压实效果，故先规 划中间道路逐步向两侧改道，提高了～定的地基承载力， 确保后期履带吊行车安全。 为满足工期要求，经估算强夯施工功效，在路基 填筑完成前约１个半月进场２台套强夯设备，避免设备 进场过早造成闲置。经实践，每台套设备平均每个月可 完成约ｌ ０６０ｍ（折约５．５万ｍ２），最终４０天共完成３ｋｍ 路基的强夯施工，最终工期满足要求。
