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大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂（075133）齐俊虎 李 潜
华北电力大学（102206） 罗 毅
【摘 要】文章介绍了张家口发电厂五号锅炉改造摆动燃烧器的工程实践，通过实验建模的方法得出了摆动燃烧器调节再热汽温的对象特性，同时还介绍了该系统的控制策略和现场控制系统，并运用MATLAB软件对控制参数进行了优化。
【关键词】摆动燃烧器 试验模型 智能定位器
大唐张家口发电厂八台300MW机组均采用国产东方型亚临界一次中间再热自然循环汽包炉。该型锅炉引进美国GE公司的四角切圆燃烧技术，对再热汽温的控制可通过改变燃烧器倾角的方法来实现。然而，事实上由于再热汽温对象为大迟延、大滞后环节，控制难度大，再加上现场环境恶劣，摆动燃烧器易卡涩，以及原国产定位器性能不稳定，维护工作量大等原因，摆动燃烧器调节再热汽温自动控制系统一直未能投入。长期以来，再热汽温一直靠喷水减温来调节，由于喷水取自给水系统，这就使得机组的经济性大大降低。据统计，机组每增加1t喷水，机组发电煤耗会随之增加0.064克/KW.H[1].为了提高机组经济性，今年5号机组大修，我们采用进口西门子智能定位器对原控制系统加以改造，不仅恢复了再热汽温的自动调节，而且实现了系统的三断保护功能。
1 控制对象的试验模型
1.1 控制对象概况
再热汽温是锅炉的一项重要参数。在没有任何调节的情况下，机组负荷每降低1%，再热汽温会随之降低1°C左右，5号机组深度调峰运行时(120MW),再热汽温往往只能维持在525°C左右;300MW锅炉吹灰时，可下降到520°C，甚至510°C左右。摆动燃烧器调节再热汽温的原理就是通过改变炉膛火焰中心的位置来改变炉膛出口烟气温度，进而改变再热器出口汽温。此次5号炉改造，我们对1-4层燃烧器进行了恢复，使燃烧器摆角范围控制在±15°;，对应炉内理论火焰中心上下移动±3米；5，6层燃烧器则固定在水平位置。
1.2 控制对象模型的建立
2002年11月28日晚，我们对5号锅炉进行了试验，以通过试验建模的方法得出再热汽温随燃烧器倾角变化的模型。试验步骤如下：
(1)将机组负荷稳定在300MW，维持煤量，风量，蒸发量基本不变。再热喷水减温打手动，摆动燃烧器打手动，燃烧器在水平位置，倾角0°，对应DCS指令信号为50%。再热汽温533.9°C。
(2)手动改变指令信号到42%，观察再热汽温变化，直到汽温稳定，数值为543°C。
(3)继续维持机组稳定运行，手动改变指令信号回到50%，观察再热汽温变化，直到汽温稳定，数值为540°C。
(4)恢复喷水减温和摆动燃烧器自动。
(5)将上摆曲线和下摆曲线比较、拟合、修正，得出对象特性曲线（见图1）。
(6)用切线法得出对象的传递函数G（S）=51.3/{[（145S+1）^2）]（54S+1）}。
图1 再热汽温特性（摆角范围-15°---+15°）
1.3 控制对象特性
通过试验可以看出，再热汽温随燃烧器倾角变化的规律如下：
(1)再热汽温是有自平衡能力对象。火焰中心上摆，再热出口蒸汽温度升高，反之降低。
(2)摆动燃烧器能大幅度调节再热气温，幅值达51.3摄氏度。在水平位置附近，汽温变化幅度大约每上摆1°，汽温升高4.1°C；每下摆1°，汽温下降1.2°C，剔除吹灰后汽温回升0.21°C/MIN的影响。得出摆角每变化1°，汽温变化2.5°C。
(3)指令42%到50%之间变化时纯迟延时间为55~70秒（燃烧器摆动时间全行程19秒，所以从42%摆动到50%的时间可以忽略），容积迟延时间为7.6~8.2分钟，调整时间大约10.5分钟。
(4)过热汽温随燃烧器摆动的影响很小可以忽略不计。
(5)不同负荷的对象特性是不同的，但随着负荷的增加，汽温的惯性会越来越大，调节难度也越大，因此采用最大负荷的特性曲线，使整定出的控制参数能适应最不利工况的运行。
(6)在有吹灰后气温反弹的不利情况下，摆动燃烧器倾角也能使再热汽温很快下降，速度为0.31°C /MIN。
2 控制策略
摆动燃烧器作为再热汽温的调节手段之一，具有调温幅度大，经济性好，动作快速、准确等特点，因而应作为再热汽温的主要调节手段。
摆动燃烧器控制系统采用单回路调节系统（定位器与位置反馈器仍看作一体），将现场的反馈值与设定值比较得出偏差信号，经过PI运算后，DCS输出的指令信号被分别送到各层的定位执行机构。为了获得稳定良好的燃烧工况，在不加任何偏置的情况下，所有燃烧器都应是同时相向同幅摆动的；加入偏置后，各层摆动幅度则略有偏差。
各层燃烧器的反馈信号均可以显示，并经过算术平均得出PI控制器的反馈指令。指令设定值则由总能流（FTE）函数加上偏置信号得出。
图2 再热汽温与总能流函数关系
由于火焰中心的位置受火焰刚度的影响，因此摆动燃烧器控制系统引入总风量作为系统的前馈信号。当燃烧器倾角向下时，火焰中心因受到向上气流的支撑而上抬，再热汽温偏高，燃烧器继续下摆，使火焰中心下移。同时再热汽温的升高对负荷的修正，使负荷升高，风量随之增大，也使燃烧器继续下摆。当燃烧器倾角向上时，火焰中心因受到上层火焰的下压而下移，再热汽温偏低，燃烧器会继续上摆，使火焰中心上移。同时由于再热汽温的降低对负荷的修正，负荷降低，风量将减少，也使燃烧器继续上摆。
为了消除系统干扰带来的负面影响设置死区范围为-0.1到+0.1；为了防止燃烧器在摆动上下限卡涩，设置下限行程为6%。
系统投自动禁止条件包括：
(1)任何一层执行器指令与反馈偏差大。
(2)ID温度设定值与反馈偏差大。
(3)任一再热温度信号损坏。
(4)总能流信号失去。
3 现场执行装置
现场装执行置是燃烧器控制系统的关键。由于燃烧器的摆动对炉内燃烧工况影响较大，这就要求对燃烧器的控制不仅能够步调一致，调节灵敏，而且要做到安全可靠。与原有的系统比较，改造后的控制装置采用了西门子智能定位器，使系统的实现成为可能。
3.1 西门子SIPART PS2型智能电气阀门定位器
SIPART PS2型智能定位器[2]是一种采用高集成度微处理器的数字式现场设备，用于气动直行程和角行程执行机构的控制。它采用微处理器对给定值和位置反馈作比较。当微处理器检测到偏差，就用一个五步开关程序来控制压电阀，压电阀进而控制进入执行机构气室的空气量，驱动执行机构到达与给定值相对应的位置。定位器的电源可从4至20mA信号获取，无需另加电源。除此之外，它还具有许多独特而实用的优点。比如：
(1)可实现简捷的操作和编程，具有可选择或可编程的输出特性。
(2)具有在线自适应程序，即使在不利的工况下也能实现非常高的控制质量。
(3)具有零位和行程范围自动调整的功能，实现免维护运行。
(4)具有自诊断功能，报警模块和反馈模块。
3.2 现场控制系统
现场控制系统包括汽缸，定位器，位置发送器，锁气器，过滤阀，信号检测单元，隔离端子，变压器，压力开关及减压阀等元件。（见图3）。
图3 现场控制系统
其中减压阀，压力开关，变压器布置在各层总控制箱内，而定位器，过滤减压阀，信号检测单元，锁气器则布置在各角控制箱内。
信号隔离端子的作用是将4-20MA信号分成两路，分别送到锅炉对角燃烧器的执行器，以保证对角燃烧器摆动的一致性。隔离端子和信号检测单元均为有源器件，当24V直流电源失去时，4-20MA信号随之失去，定位器切断气路，起到了双重保位的作用。
定位器的反馈模块可与定位器分离，独立布置在汽缸上的位置发送器内，当汽缸活塞上下移动时，反馈杆将汽缸的直行程转化为角行程送给反馈模块，位置发送器通过三条反馈信号线将反馈信号送回定位器。
3.3 三断保护功能
机组的安全性要求该系统在断电，断气，断信号的情况下，必须能实现燃烧器的保位功能。三断保护的最终目的都是通过切断汽缸气源来实现燃烧器保位的。为了保证系统的安全可靠，应当设置多重保护。主要手段如下：
(1)当气源母管压力低于0.4MPa时，压力开关动作，使220V动力电源失去，24V电源随之失去，汽缸电磁阀动作，切断气源，汽缸保位。
(2)220V动力电源失去时，汽缸保位。
(3)当各角气源压力低时，闭锁阀动作，切断汽缸气源
(4)当各角4至20MA信号低于3.3MA时，信号检测元件切断24V电源，汽缸电磁阀动作，汽缸保位。
4 控制参数的优化
5号炉摆动燃烧器控制系统现已投入使用，并收到了较好的效果。但由于经验不足，在投用初期，系统也曾暴露出在设计，安装方面的许多问题，同时，由于控制对象的改动，原控制参数已不能满足控制的要求，因此应根据新的控制对象对原参数进行优化，并进一步完善系统功能。
运用MATLAB软件搭接系统的仿真模型，运用优化软件取得的新的PI控制器参数为Kp=0.05,Ki=0.000115。图3为加入0%到10%指令的阶跃扰动信号后，再热汽温的变化规律。0%到10%的干扰信号是现场定位器控制系统在受到强烈电磁波干扰后产生的。由图可知，在受到扰动后，系统的调整时间大约需要18.5分钟。再热汽温最大变化幅度为1.75°C。
图4a 受到10%阶跃扰动后的汽温响应特性
 图4b 受到10%阶跃扰动后的摆动燃烧器摆动特性
5 结束语
摆动燃烧器是控制再热汽温的一项重要手段。通过试验建模的方法可深入了解再热汽温随燃烧器倾角变化的规律，也是进行参数整定的基础。现场控制执行装置是系统的关键，也是系统投入自动的难点。采用西门子智能定位器使现场的控制执行装置大大简化，降低了系统的维护工作量，使系统的控制精度也有了很大的提高。摆动燃烧器控制系统对锅炉的安全运行尤为重要，增加多重保护，实现三断保护是机组运行对该系统的必然要求。
6 参考文献
[1] 王军,魏铁铮. 再热汽温喷水减温的热经济性[J], 华东电力2001,(1).
[2] 过程仪表-SIPART PS2 智能电气阀门定位器说明书[S]. | 
