中储式煤粉炉主汽温度控制策略分析与优化

0引言

某热电厂4台锅炉均为中储式煤粉炉,具有高效率、低污染的特点。其燃烧过程为:燃料(煤粉)在炉膛前部燃烧区燃烧,生成的烟气在中间储仓室(或特定区域)充分燃尽,然后流向锅炉后部的对流受热面区域。锅炉主汽温度是确保机组安全、经济运行的一个重要参数,煤粉炉过热器出口主汽温度报警范围在527~538℃,运行中必须严格控制主汽温度在给定值范围内。主汽温度过高会使锅炉受热面、阀门等蒸汽管道金属材料的机械强度降低,进而缩短使用寿命;同时,也会导致汽轮机的汽缸、叶片、高压缸前轴承等部件寿命缩短[1]。主汽温度过低则会降低机组循环热效率、增加煤耗。据统计,汽温每降低5~10℃,效率约降低1%[2]。此外,温度过低还会导致汽轮机末级蒸汽湿度增大,甚至带水,加剧末级叶片的侵蚀,严重威胁汽轮机安全运行。因此,对主汽温度进行合理控制至关重要。它不仅直接关系到锅炉和汽轮机运行的安全性及使用寿命,对于自备电厂而言,更是保证供热稳定性的关键因素。

1影响主汽温度控制的因素分析

根据现场数据分析总结,影响主汽温度控制的主要因素如下。

1.1 负荷变化速率的影响

图1展示了主汽温度设定值(A直线)、主汽温度实测值(B曲线)以及主汽流量(C曲线)的变化趋势。分析该图及锅炉工艺调节过程可知,当主汽流量(负荷)在短时间内发生较大幅度变化时,主汽温度总会发生一定程度的波动,且当主汽流量(负荷)变化率较大时,极易触发主汽温度报警。主汽流量(负荷)变化通常源于两种情形:1)内部调整:通过控制给粉机转速主动增减负荷;2)外部扰动:由外部用汽需求突然增大或减小引起。

1.2 给水温度的影响

在锅炉运行中,给水温度是影响主汽温度的重要因素之一。某热电厂锅炉减温水取自给水出口母管,给水温度直接决定了减温水温度,而减温水正是调节主汽温度的关键手段。当给水温度降低时,为维持锅炉蒸发量(或负荷),需要增加燃料量,这将导致炉内辐射吸热量和炉膛出口烟温升高(或特定区域烟温差增大),进而使过热器出口汽温上升。同时,烟气量增加和传热温差增大也会促使出口汽温升高。上述因素共同作用,使得给水温度降低引起的过热汽温升幅,往往大于单纯由负荷增加引起的升幅[3]。因此,维持减温水温度的稳定对于控制主汽温度至关重要。如图2所示,A直线代表主汽温度设定值,B曲线代表主汽温度实测值,D曲线代表给水温度实测值,可以看出,图中给水温度控制比较稳定,波动较小。

1.3掺烧干气工况的影响

根据公司生产调度安排,某电厂锅炉在运行中会不定期掺烧干气。由于煤粉与干气的热值存在显著差异,掺烧工况切换时会对主汽温度产生扰动。此外,掺烧干气通常需要调整给粉机运行台数,这将导致炉内燃料总量和燃烧工况发生显著改变,进而引起出口烟温及烟气量的剧烈波动,最终反映为主汽温度的波动。

1.4现场设备性能的影响

测温元件(温度探头)和减温水调节阀的性能状态对主汽温度控制有直接影响。温度探头测量值失准会导致控制器接收错误信号,进而发出不恰当的调节指令;而减温水调节阀性能不佳(如卡涩、泄漏)会影响控制指令的有效执行,使系统无法达到预期的控制效果,最终导致主汽温度波动。

1.5 操作习惯的影响

在日常运行中,当遇到外部扰动或负荷调整导致主汽温度发生波动时,部分操作员倾向于通过临时改变温度设定值,试图增大调节器的输出幅度,以加速温度回归设定值。然而,长期观察分析表明,这种操作习惯并不可取。频繁改动主汽温度设定值,反而会向控制系统引入额外扰动,干扰其自动调节过程,不利于温度的稳定控制。

1.6 其他影响因素

某热电厂锅炉投运多年,历经多次技术改造(如减温水管道改造、脱硝超低排放改造等)。部分改造项 目在实施时未能充分评估其对控制系统的兼容性,导致改造后锅炉特性与原控制系统匹配不佳,影响主汽温度控制效果。此外,燃料煤种不固定等因素,也为稳定控制带来了持续的干扰和挑战。

2主汽温度控制分析与优化

2.1减温水控制系统

该电厂采用浙江中控ECS—700 DCS系统实现主汽温度控制,控制目标是将集汽联箱温度(即主汽温度)维持在设定值,控制手段是调节两级喷水减温器(分甲、乙两侧)的减温水流量(即阀门开度)。锅炉配置有低温过热器(低过)、屏式过热器(屏过)和高温过热器(高过)。如图3所示,主汽温度控制系统采用串级调节结构。主回路控制器(主调)的输入是主汽温度设定值(SV主)与实测值(PV主)的偏差,同时引入主蒸汽流量作为前馈信号(OA)。主调的输出(MV主)作为副回路设定值(SV副)。副回路控制器(副调)的输入是SV副与减温器出口温度实测值(PV副)的偏差。副调的输出(MV副)直接控制减温水调节阀的开度。

2.2 主汽温度控制现状

在工况相对平稳时,主汽温度通过自动控制基本能维持在报警区间(527~538℃)内。然而,当出现干扰或波动时,常发生超调现象并触发温度报警。常规的应对措施是调整减温水控制回路(主调或副调)的PID参数,并观察控制效果。图4展示了不同PID参数设置下报警次数的变化趋势(A虚线)及相应的PID参数值(其他实线)。分析图4可知,调整PID参数对改善主汽温度控制效果有一定作用,但并非决定性因素。即使保持PID参数不变,当负荷或工况发生显著变化时,主汽温度超限报警的次数仍可能出现较大差异。

2.3 主汽温度控制分析与改进

当汽轮机负荷波动或因生产调整导致锅炉工况突变时,过热器系统(低过、屏过、高过)各点温度将随之变化。由于温度测量存在惯性滞后以及过热器系统本身的大迟延、大惯性特性,当主汽温度实际发生变化时,通过调节减温水阀门来响应的控制效果会明显滞后。因此,在自动控制模式下,极易出现主汽温度超调现象。这种由对象滞后特性引起的超调问题,是主汽温度自动控制的主要难点。为克服上述滞后问题,在串级控制基础上对温度控制滞后的现状进行了优化:1)引入前馈控制:将主蒸汽流量作为前馈信号。当负荷变化时,前馈信号能提前作用于减温水调节阀,部分补偿因对象滞后造成的调节延迟。

2)加入输出补偿环节:该环节将计算得到的前馈补偿量叠加到控制器的输出信号上。优化后的控制算法可简要表示为:

MV=MV0+OK(OA+OB)

式中:MV为补偿后的输出值;MV0为补偿前的输出值;OK、OB为常数参数;OA为计算出的温度偏差量。

实施上述优化措施(引入前馈和输出补偿)后,主汽温度控制效果得到显著提升。在负荷波动较小时,温度控制平稳;即使负荷出现波动,也基本能将主汽温度控制在设定值±5℃范围内,如图5所示。

图5中,A直线代表主汽温度设定值,B曲线代表主汽温度实测值,C曲线代表主蒸汽流量实测值。优化后的控制效果基本满足了工艺需求。

2.4 主汽温度先进控制策略

除本文采用的优化方法外,相关文献还提出了多种用于主汽温度控制的先进策略。例如:王硕等人[4]提出了一种基于一阶线性自抗扰控制器(LADRC)的串级控制方案,研究表明该方案能提高系统响应速度并减小超调量;周扬[5]设计了结合惯性滤波的smith预估串级控制策略,仿真结果验证了其在克服系统大滞后方面的有效性;王永涛等人[6]则通过优化减温水控制系统,引入给粉机转速作为前馈信号,并增设超温保护控制逻辑,提升了主蒸汽温度控制的稳定性。值得强调的是,任何先进控制策略的实际应用都必须与现场设备条件和运行特性相匹配。

3结束语

本文结合某热电厂实际运行现状及其主汽温度控制方案,深入分析了影响主汽温度稳定性的关键因素,并在现有串级控制基础上对温度控制滞后的现状实施了优化(引入主蒸汽流量前馈及输出补偿)。优化后控制效果显著改善,有效提高了温度自动控制的平稳性,为生产安全稳定运行提供了保障。

未来,应致力于控制系统与锅炉设备及工艺的一体化优化设计,积极探索并应用更先进的智能控制策略,以最终实现主汽温度的精确、鲁棒控制。

[参考文献]

[1] 陈敏.余热锅炉蒸汽温度串级自动调节[J].自动化仪表,2013,34(8):86-88.

[2]何显富,万岩.*电厂锅炉主汽温度变化原因及控制方法分析[J].科技创新与应用,2013(31):159.

[3]张欣.基于*电厂锅炉主汽温度控制方法的分析[J].技术与市场,2014,21(10):69.

[4] 王硕,邹杰,曲娟娟,等.基于一阶LADRC的锅炉主蒸汽温度控制策略[J].工业锅炉,2024(2):12-16.

[5] 周扬.300 MW机组锅炉主蒸汽温度智能控制优化策略[J].自动化技术与应用,2020,39(11):18-23.

[6]王永涛,杨保,乔岩涛,等.锅炉汽温调节系统控制策略的优化应用 [J].南京工程学院学报 (自然科学版),2016,14(2):73-78.

《机电信息》2025年第18期第9篇