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              第八章 燃燒控制系統試驗(2)
              發布日期:2018-09-13 來源:  瀏覽次數:

                 風量控制與氧量校正

              在協調控制系統中,風量-氧量控制是燃燒控制中的一個重要組成部分。在動態調節過程中,必需保證風量大于煤量;靜態則要保持適當的風煤比例,即保證一定的過??諝庀禂郸?。煙氣含氧量不僅是重要的經濟性指標,也是環保的重要指標。氧量過低,會造成燃燒不完全,既增加煤耗又污染環境;氧量過高,使得送引風機的電耗增加,還會造成煙氣中的NOx、SO2排放量增加。因此,在投入風量控制的同時,也要投入氧量自動控制,這對于節能和減少操作員的工作強度都是很有意義的。

              一、風量控制的兩種基本方式

              方式Ⅰ:由送風機調節風量,二次風擋板調整風箱與爐膛的差壓。

              方式Ⅱ:由二次風擋板調節風量,送風機調整風箱壓力。

              一般來說,采用方式Ⅰ的控制系統能獲得較快的風量響應,因為在方式Ⅱ中,用二次風擋板調節風量最終也要等送風機出口風壓回復后才能真正獲得風量。但是采用方式Ⅰ的控制系統具有較大的風險性,因為當送風機調節系統發生振蕩會直接對機組的安全運行造成威脅。

              二、氧量校正的作用

              現代鍋爐機組是按線性系統進行設計的,鍋爐負荷與風量、送風機動葉開度或二次風擋板開度基本呈線性關系:

              風量=K×送風機動葉開度+K

              風量=K×負荷+K

              因此,在協調控制系統設計中,鍋爐負荷指令直接送給風量控制系統,當負荷指令改變時,通過前饋回路的作用,可以很快獲得新工況下的風量指令和動葉開度,而不必等到氧量變化后再進行調節。

              氧量校正控制回路的加入是因為以下二個原因:

                 1)鍋爐只是近似的線性系統,僅依靠前饋回路獲得的風量并不能保證氧量指標符合要求,要獲得準確的風量,必須加入氧量校正。

                 2)氧量設定值是負荷的函數,與負荷呈非線性關系,圖8-9為某600MW機組鍋爐負荷-氧量定值函數。

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-9  負荷-氧量定值關系曲線

                  在協調控制系統中,負荷變化時,首先通過前饋回路調整風量,然后再由氧量控制系統進行滯后校正,最終獲得滿意的風量。

                  常見的氧量校正方式有兩種,一種是用氧量調節器的輸出對實際總風量信號進行修正,如圖8-10所示。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-10  修正風量信號

                  另一種是用氧量調節器的輸出對風量指令進行修正,如圖8-11所示。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-11  修正風量指令

              氧量校正回路根據實際氧量與定值的偏差進行調節,輸出值一般在0.81.2之間變化,用該值對實際總風量或風量指令進行修正,使風量調節器的輸入偏差發生變化,最終使得實際氧量等于氧量定值。

              風量-氧量控制是一個串級調節系統,氧量校正作用與風量調節相比是非常緩慢的。在變工況之后,有可能出現風量調節回路靜態工作點的暫時偏移。設工況A時氧量校正系數為最大值,而工況B時為最小值。當工況在A與B之間變化時,氧量調節器將承擔風量調節中非線性補償部分的工作。由于補償值較大,足以使操作員感到自動調節系統的不及時,因為氧量校正回路作用太慢。為了縮短氧量調節器在變工況之后的穩定時間,可以先根據不同負荷下的氧量校正系數,確定一個隨鍋爐負荷D而變化的校正系數函數f(D)。當負荷變化時,讓校正調節器處于跟綜狀態,使跟蹤值=f(D)。

              此外,除了自動進行量補償校正外,運行人員也可以根據氧量分析儀的指示或退出運行的氧量校正回路調整過??諝庀禂?,實現手動調整氧量設定值的功能。

              三、氧量測量信號處理

              通常采用氧化鋯氧量計對煙氣含氧量進行測量。直插式氧化鋯探頭一般裝在尾部煙道省煤器出口處,測量范圍為025%,精度為12%,響應時間<30s,基本能夠滿足控制的要求。由于鍋爐煙道較寬,為了保證氧量測量的代表性和準確性,大機組通常在同一標高平行地裝設4個探頭。在測量系統設計中,常采用4個氧量信號取均值的處理方法。但是,由于氧化鋯探頭故障率較高,當一個氧量信號發生故障后,會導致總的氧量信號失真,使氧量自動不能投入。因此,較好的方法是設置壞值剔除功能,當某一氧量測量值與均值相差過大時,自動將該信號從測量回路中剔除。

              壞值剔除功能的原理如圖8-12所示,當某一氧量測量值與均值之差≥1時,函數功能塊f(x)輸出等于0,該路信號在乘法功能塊之后便等于0。同時,由于f(x)輸出等于0,作為分母的∑也相應減1,剩余的信號再取均值。氧量信號發生故障后應給出報警,以便熱工人員及時處理

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-12  氧量信號取均值

              另一種處理方法是三取中,一路氧量信號作備用,其測量回路如圖8-13所示。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-13  氧量信號三取中

              四、風量測量信號處理

              二次風量是通過風室兩端二次風入口管道上的一次元件分別進行測量的,測量結果經溫度補償后相加,取各測量值的總和為總二次風量。同樣方法測得總一次風量,將總二次風量與總一次風量相加作為總風量信號,用來限制總負荷指令和總燃料量指令的增加。

              運行中要求風量指令不能低于吹掃額定值,一旦實際的風量低于吹掃額定值時應發出報警,當總風量降低到比吹掃額定值低5%時(滿容積風量百分比),將觸發MFT動作。

              五、送風機的控制保護

              (一)軸流風機的喘振保護

              喘振是軸流風機運行中的一種特殊現象,在進出口差壓高而出口流量低的異常工況下,容易發生喘振(stall)。軸流風機發生喘振的原因是風機出口壓力與風量失去對應,出口壓力很高而風量很小,使得風機葉片部分或全部進入失速區。風機喘振主要表現為:風量、出口風壓、電機電流出現大幅度波動,劇烈振動,發出異常噪音。喘振會造成風機葉片斷裂或機械部件損壞,因此,運行中一旦發現風機進入喘振區,應立即調整風機動葉角度,使風機運行點避開喘振區。

              風機喘振跟動葉角度有很大關系,動葉角度越小,越易發生喘振。運行中造成風機喘振的原因可能是:暖風器、空預熱器堵灰,控制系統故障造成的擋板誤動,或由于運行人員誤操作使風系統上的擋板調節不當,增加了鍋爐風煙系統的阻力。

              在送風機的控制保護回路中,常采用2種防止軸流風機喘振的方法:限制M/A控制站輸出,動葉開度指令迫減(RD)。

              如圖8-14所示,f1(x)為送風機入口風量與出口壓力的關系曲線,當送風機出口壓力的升高與送風機入口風量不匹配時,發出“接近喘振區”的報警;f2(x)為送風機入口風量與風機動葉安全開度的關系曲線,由f2(x)確定的送風機動葉安全開度與實際風機動葉指令形成交叉限制,當風機發生喘振時,風機入口風量急劇下降,交叉限制回路發生作用,迫減風機動葉指令,并發出“喘振保護交叉限制”的報警。

              軸流風機提供了測量喘振工況的差壓開關,當送風機運行、且動葉開度>20°時,若風機進出口差壓低于動作值,則T2 B,送風機動葉指令迫減,送風機動葉開度將關至20°,直至送風機處于遠離喘振曲線的安全范圍內。

              喘振探頭及信號取樣管安裝不當時,容易發生風機喘振誤報警和誤動作。尤其是沿海電廠空氣極易結露,喘振信號取樣管必須要有足夠的疏水坡度。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-14  送風機的控制保護

               

              (二)      爐膛壓力高/低方向閉鎖

              爐膛壓力高時,閉鎖送風機葉片進一步開大,爐膛壓力低時,閉鎖送風機葉片進一步關小。方向閉鎖的作用,是為了防止爐膛壓力工況的進一步惡化。如8-15所示,當爐膛壓力出現高報警時,T1 B,小選模塊的作用使風機動葉只能關小、不能開大;當爐膛壓力出現低報警時,T1 A,大選模塊的作用使風機動葉只能開大、不能關小。

              第三節  風煤交叉限制

              較早的燃燒控制方案采用平行控制,即增減負荷時燃料和風量控制回路同時動作。帶來的問題是,由于風量對象特性的時間常數大于燃料量對象特性的時間常數,當負荷發生變化時造成過??諝庀禂?/span>α值失控。加負荷時,燃料量的增加快于實際風量,造成過??諝獠蛔?,燃燒不完全,冒黑煙;降負荷時,則出現空氣過剩,引起NOx、SO2排放的增加,造成環境污染。

              一、單交叉限制方式

              單交叉限制方式根據實際燃料量和風量,進行一次交叉來限制燃料量和風量的設定值。原理如圖8-15所示,在風量調節回路讓總燃料量與燃燒指令大選后作為風量給定,而在煤量調節回路讓總風量與燃燒指令小選后作為煤量給定。

              升負荷時,由于大選模塊的作用,風量控制回路先于燃料量控制回路動作;由于小選模塊的作用,使燃燒指令受到風量限制,燃料控制回路要等待實際風量增加后再增加燃料量;降負荷時,由于小選模塊的作用,燃料量指令先減少;由于大選模塊的作用,使風量指令受到燃料量限制,風量回路要等待實際燃料量降低后再減小風量。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-15  風煤單交叉限制

              二、交叉限制與平行調節

              為了保證增減負荷時不發生不完全燃燒的情況,在CCS系統中應采用風煤交叉限制功能設計,使加負荷時燃料量總是遲于風量變化,而在減負荷時燃料量總是領先風量變化。在有氧量校正的燃燒控制系統中,采用單交叉限制方式簡單實用。

              交叉限制雖然保證了燃燒控制的安全,但卻損失了燃燒控制系統的快速響應。因此,也有觀點認為對于直吹式系統應取消交叉限制,因為直吹式系統燃料量控制遲延大。

              取消交叉限制便回到最早的平行調節方式,即增減負荷時燃料和風量控制回路同時動作,顯然,平行調節與交叉限制是互相矛盾的。為了既保證燃燒控制的安全,又讓鍋爐控制系統能獲得較快的響應,需要既保留風煤交叉限制,又能讓調節回路在接到負荷變化指令的同時開始動作,適當地進行平行調節。在CCS系統設計時,如圖8-16所示,往往在交叉限制的前面,在燃料量調節回路讓總風量加上一個K1后再與燃燒指令小選,而在風量調節回路讓燃料量減去一個K2后再與燃燒指令大選。平行調節不能突破一定的度,也就是不能使風量低于煤量太多而導致燃燒不穩定。因此,K1、K2的數值應由燃燒調整試驗而定,圖8-16中設為24%。

              在風煤交叉限制功能的投入和試驗中,K1、K2的作用是相當明顯的,即便是不追求燃燒控制系統的快速響應,對提高調節系統的穩定性也是不可缺少的。如果沒有設置K1、K2,燃料量和風量的波動將會導致交叉限制回路的頻繁動作,使燃燒控制系統的調節品質不佳。K1、K2實際上相當于對參與交叉限制的燃料量和風量信號設置了一個不靈敏區,在這個區間內允許燃料量和風量波動,只有當燃料量和風量變化到超出不靈敏區的范圍才被大小值選擇模塊選中,K1、K2的作用使系統更加穩定。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-16  平行調節與交叉限制

              三、帶氧量校正的交叉限制

              交叉限制回路應滿足以下基本要求:動態加負荷時燃料量總是遲于風量變化,減負荷時燃料量總是領先風量變化,而在靜態時兩個回路互不影響。

              當氧量校正回路加入以后,可能出現靜態不滿足要求的情況。圖8-17是一種不正確的風煤交叉限制方案,若氧量校正后增加風量,會導致燃料量的增加;若氧量校正后減少風量,最終也會會導致燃料量的減少。

              盡管設置了K1、K2,但由于氧量校正回路的輸出值一般在0.81.2之間,校正后的風量變化值很容易超出K1、K2的不靈敏區。

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-17   一種不正確的風煤交叉限制方案

              8-18所示的風煤交叉限制方案1就不存在上述問題,經過氧量校正后的實際風量雖然偏離了燃燒指令,但采用了校正風量對燃燒指令進行交叉限制。當校正調節作用結束以后,校正風量等于燃燒指令,在調節器和大小選擇模塊入口,均滿足靜態的要求。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-18  風煤交叉限制方案1

              當氧量校正作用于風量指令回路時,采用如圖8-19所示的風煤交叉限制方案是可行的。同樣采用了校正風量對燃燒指令進行交叉限制,而不是實際風量,動態靜態均滿足控制要求。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-19  風煤交叉限制方案2

              另一種可行的風煤交叉限制方案如圖8-20所示。升負荷時,燃燒指令μo經過大選后使風量指令Vo先增加;因為VoV0,b0,c<μo,所以Mo=c,燃料量回路不動作;當實際風量增加后,VoV減小,燃料量設定值增加,燃料量回路跟隨風量回路向上調整。降負荷時,燃料量指令μo通過小選后先減少;因為MoM0,a0,d>μo,Vo =d,風量回路不動作;當實際燃料量降低后,MoM減小,風量設定值減小,風量回路跟隨燃料量回路向下調整。

              靜態時,a=0,b=0,兩個回路互不影響。

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-20  風煤交叉限制方案3

              四、雙交叉限制方式

              單交叉限制方式解決了負荷變化冒黑煙的問題,但沒有解決過量空氣造成的排放污染問題。雙交叉限制方式是在單交叉限制方式基礎上,在風量控制回路增加一個小選模塊,在燃料控制回路增加一個大選模塊,通過兩次交叉限制將動態調節過程中的過??諝庀禂郸林悼刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?,這樣既能解決負荷變化冒黑煙的問題,又解決過量空氣造成的排放污染。

              風煤雙交叉限制方案如圖8-21所示,K3、K4設置為K1、K224倍,升負荷時,由于回路①②的作用,實現了“先加風后加煤”,又由于回路④的作用,實現了動態過程中過??諝獾目刂?;降負荷時,同樣由回路①②實現“先減煤后減風”,由于回路③的作用,實現動態過程中過??諝獾目刂?。

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-21  風煤雙交叉限制方案

              第四節  爐膛壓力控制

              一、爐膛壓力控制

              爐膛壓力控制系統通過調節引風機動葉,將爐膛壓力控制在設定值。8-22所示,系統采用了變增益控制策略,根據爐膛壓力的偏差大小進行調節:小偏差采用增益控制,大偏差采用增益控制,增強系統抑制偏差的能力。此外,系統還根據投入自動的引風機數量進行自動增益補償,將風量指令信號或送風控制的指令作為超前變化的前饋信號,使爐膛負壓的波動最小。

               

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

               

              8-22  爐膛壓力變增益控制

              二、爐膛壓力防內爆保護

              爐膛壓力防內爆保護由以下控制回路構成:方向閉鎖、超弛控制、MFT返程控制。

              方向閉鎖的作用是,通過對引風機動葉指令的增減閉鎖,防止爐膛壓力工況的進一步惡化。如8-23所示,當爐膛壓力出現高報警時,T3 A,大選模塊的作用使引風機動葉只能開大、不能關??;當爐膛壓力出現低報警時,T3 B,小選模塊的作用使引風機動葉只能關小、不能開大。

              8-23給出的是一臺600MW機組的爐膛壓力超弛控制策略,MFT動作值為-1.7kPa。當爐膛壓力低于-1.23kPa時,超弛控制回路在引風機動葉指令上疊加了一個負值,使引風機動葉迅速關小,直到爐膛壓力工況得到改善。

              MFT以后,由于爐膛急劇冷卻,送、引風機的平衡關系被破壞,如果不迅速減小引風機動葉,爐膛壓力將會出現很高負壓值,甚至對水冷壁和爐墻造成損壞。8-23給出的MFT返程控制策略,用主汽流量信號代表鍋爐負荷,f(x)給出的返程控制量與滅火瞬間的鍋爐負荷有關。一臺600MW機組的最大返程控制量約為30%,存儲模塊將MFT前的返程控制量存儲起來;機組正常運行時,T1A,T2B;發生MFT以后,T1 T2均置,MFT返程控制回路將返程控制量送至爐膛壓力調節回路,在引風機動葉指令上疊加了一個負值,使引風機動葉迅速關??;MFT發生5s以后,T1B,f(t) 模塊的作用,返程控制量將隨時間逐漸減小,15s 后減為0,動葉恢復正常調節。

              第八章 燃燒控制系統試驗(2)

              8-23  爐膛壓力防內爆保護

              第五節  燃燒控制系統的投運及故障分析

              (略,詳見中國電力出版社出版的《火電廠熱工自動化系統試驗》一書)。

              TA們說 (
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