引言
為充分利用鍋爐蓄熱，盡量滿足電網需求，普通煤粉爐往往采用爐跟機協調控制(以下簡稱CCSl)模式。在CCSl模式下，汽輪機控制機組有功功率" title="有功功率">有功功率，鍋爐控制主汽壓力，當主汽壓力測量值與設定值偏差過大時(一般為0.5－0.8MPa)，壓力拉回控制回路動作，犧牲一點機組功率來穩定主汽壓力，達到機爐協調控制的目的。由于CFB鍋爐燃煤顆粒比普通煤粉爐大得多，其燃燒過程滯后時間相對較長，特別是在煤質大幅波動時，鍋爐控制主汽壓力難度很大。實際運行中，壓力拉回控制回路經常動作，引起機組負荷波動，并且隨著壓力的波動，汽包水位、主蒸汽和再熱蒸汽溫度等主要參數也不容易維持，對鍋爐安全、經濟運行不利。
為在煤質大幅波動時維持鍋爐穩定運行" title="穩定運行">穩定運行，白馬示范電站30OMW CFB鍋爐機組嘗試采用以機跟爐為主的協調控制(以下簡稱CCS2)方案。在CCS2模式下，汽輪機控制主汽壓力，鍋爐控制機組有功功率，當機組實際功率與功率設定值相差過大時，功率拉回控制回路動作，通過改變主汽壓力設定值，控制汽輪機調門開度，利用鍋爐蓄熱，穩定機組功率。在CCS2模式下，由于主汽壓力穩定，汽包水位、主蒸汽和再熱蒸汽溫度等主要參數也相對穩定，鍋爐工作在相對穩定的工況下。
為克服煤質波動的影響，在CCS控制回路中設計了煤質修正及氧量校正計算。在CCS2模式下，經加入煤質修正及氧量校正計算邏輯，機組負荷基本能控制在上網負荷的±2%以內，滿足了電網要求，CCS能長期穩定投入。
一、CCS2控制方案
在CCS2模式下，鍋爐主控控制機組功率，汽輪機主控控制主汽壓力，并設計有功率拉回控制回路。
l.1 鍋爐主控
鍋爐主控原理見圖1。
圖1中，協調控制來的鍋爐負荷指令經輔機故障減負荷(RB)計算后與爐膛總風量進行低選，計算出鍋爐所需的熱負荷;給煤量測量值經煤質修正和氧量校正后得出鍋爐實際輸入的熱值，二者比較后送入PI調節器控制給煤量。同時，RB計算值通過3個函數塊直接計算出燃燒所需的一次風量、下二次風量和總風量，去控制一次風量、下二次風量和上二次風量調門的開度。鍋爐主控中的2個關鍵點是煤質修正和氧量校正。
1.1.1 煤質修正
因鍋爐燃煤來源廣泛，各煤礦煤質差別很大，如果不對煤質進行修正，只按設計煤種進行調整，將導致輸入熱量過多或太少，引起機組負荷大幅波動，CCS調節品質惡化，甚至無法投入自動運行。所以必須對燃煤煤質進行在線修正，克服煤質的波動，改善CCS調節品質，使CCS能穩定可靠地投入自動運行。
(1)煤質修正原理:煤質修正見圖1上部藍色虛線框所示。其中蒸汽吸熱量計算公式為:
蒸汽吸熱量(MW)＝0.001338F[(2.867THP＋1847)－(5.021TFW－80.2)＋173.9]
式中:F為主蒸汽流量，kg/s；THP為主蒸汽溫度，℃; TFW為給水溫度，℃。
煤質修正原理:操作員根據經驗通過手操器M/A手動預置一個k值(此值為當前入爐煤的煤質和設計煤質的比值)，然后將手操器投入自動運行。此時，由當前總給煤量轉換(kg/s×18.495MJ/kg)來的熱值(MW)，乘上預置的k值，計算出送入爐膛的燃料側熱量，和計算出的蒸汽吸熱量作比較，二者的差值進入純積分塊進行運算。若蒸汽吸熱量大于燃料側熱量，則積分器輸出將增加，即k值增加;反之則減小。積分器運算輸出值為618.00-973.15MW(設計煤種熱值為18.495MJ/kg，額定負荷熱值為824.7MW)，經過手操器換算成0.75-1.18。
煤質修正原理可理解為當煤量一定時，若煤質突然變好，則爐膛放熱將增加，從蒸汽側算出的熱量將增加，積分塊的輸出將增加，即k值增加，此系數乘以總給煤量后導致修正后的熱量增加。這樣，鍋爐主控制器測得的熱量增加后，若超過其設定的熱量，PI控制器的輸出值將減小，去減少給煤量，以減小輸入的熱量，最終達到蒸汽側熱量和給煤側熱量相平衡。
(2)煤質修正方案修改:原設計方案中，蒸汽吸熱量計算只考慮了主汽流量、主汽溫度和給水溫度，沒有考慮主汽壓力，導致主汽壓力變化時計算出的熱量值不準確。經研究，引入了汽包壓力微分信號進行修正(見圖1):當主汽壓力升高時，通過微分作用增加熱量;當主汽壓力降低時，通過微分作用減少熱量;主汽壓力穩定時，微分器不起作用。修正后的方案可準確反映鍋爐產生的熱量。
(3)煤質修正參數整定" title="參數整定">參數整定:為了快速反映煤質的變化，熱值計算積分塊的積分時間應短一些；但由于煤質波動引起熱值的變化有一定時間的滯后，為避免產生虛假的煤質修正系數，熱值計算積分塊的積分時間又需要長一些。綜合這2個方面因素，積分器實際參數整定為Ti＝23min。
1.1.2 氧量校正
為加快CCS的反應速度，判斷給煤煤質發生的突然變化，及時對燃燒工況進行調整，在CCS中設計了氧量校正回路。當氧量變化時及時調整給煤量，快速改善燃燒工況，克服煤質的擾動。
(1)氧量校正方案修改:通常普通煤粉爐設計的氧量校正輸出是去改變風量，但由于CFB鍋爐燃料燃燒時間大大長于煤粉爐，再加上煤質時好時壞大幅波動，氧量輸出去改變風量實際效果不好。原設計方案為氧量輸出同時改變風量和煤量，但實際運行中，煤量和風量控制存在交叉干擾，參數不好整定，效果仍然不好。
分析CFB鍋爐的燃燒情況可知，在煤質波動時，風量已不是主要矛盾，煤才是主要矛盾(例如當氧量突然降低，則是煤質變好，此時應該減煤，不應該加風)。因此，最后修改的方案是氧量控制器的輸出只去改變煤量，而不改變風量。這樣修改還可減少風量頻繁波動對CFB鍋爐受熱面造成的磨損。
氧量校正控制回路的工作原理" title="工作原理">工作原理見圖1中部粉紅色虛線框部分。氧量控制采用單回路PI調節方案，設定值是鍋爐負荷指令的函數，操作員可根據實際情況進行調整。左、右側煙氣含氧量二者選小值作為測量值，設定值和測量值經比較后進行PI運算，運算輸出進入手操器，氧量控制輸出可由操作員手動進行調整，輸出限制在0.78-1.20。
(2)氧量校正參數整定:氧量校正PI調節器參數的整定原則是盡量加強比例作用，提高系統對煤質變化的響應速度" title="響應速度">響應速度;積分作用要弱一點，避免系統產生振蕩。實際參數為:Kp＝1.75,Ti＝30min。
煤質修正計算對煤質的判斷是一個較長的過程，而氧量校正對煤質的判斷是一個短時的過程。氧量校正可及時改變給煤量，有利于煤質修正的快速計算(見圖2、4)。煤質修正和氧量校正的配合使用，能及時克服給煤量的擾動，保證爐內良好的燃燒工況。
1.1.3 煤質修正和氧量校正實際控制曲線
圖2為煤質修正和氧量校正控制曲線，過程持續時間" title="持續時間">持續時間約為30min。圖2中各熱量的顯示量程為700-900MW;煤質修正系數和氧量校正系數顯示量程為0.85-1.10;給煤量顯示量程為120-200t/h。
從圖2可看出，很長一段時間蒸汽吸熱量低于給煤側輸入的熱量，積分器輸出不斷減小，k值也因此不斷減小，使測得的鍋爐輸入熱量不斷減少，鍋爐主控調節器輸出控制作用，去增加給煤量。一段時間后蒸汽吸熱量大于給煤側輸入的熱量，積分器輸出停止減小并開始緩慢增大。整個過程可明顯看出氧量校正的作用:剛開始氧量控制的輸出有一個明顯減小(氧量測量值增大)，導致給煤量有一個明顯增加;持續一段時間后，氧量控制的輸出又不斷增大，導致給煤量又有明顯的減少?？梢姡趿啃Ｕ芎芎玫貜浹a煤質修正調節速度慢的缺點。
1.2 汽輪機主控
汽輪機主控主要是維持主汽壓力穩定。為充分利用鍋爐蓄熱，減少機組功率的波動，在主汽壓力設定值回路中加入了功率拉回回路(見圖3)。
功率拉回控制回路工作原理和CCSl模式的壓力拉回控制回路相似。在機組功率測量值超過設定值一定限度時，增加主汽壓力設定值，汽輪機調門為提升主汽壓力將向關方向動作，降低主汽流量，將功率"拉回"設定值，此時主汽壓力增加，鍋爐蓄熱增加;相反，若機組功率測量值低于設定值一定限度，將減小主汽壓力設定值，汽輪機調門向開方向動作，增加主汽流量，利用鍋爐蓄熱，提升機組功率。具體整定參數如圖3所示。
1.3 控制實例
圖4為機組穩定運行的CCS2控制曲線。圖4中，機組負荷設定值為30OMW，主汽壓力設定值為16.7MPa，整個過程持續時間約9h。整個過程中煤質變化基本分為3個階段:第1階段(約4h)，煤質相對較好，給煤量在180t/h左右小幅波動;第2階段(約4h)，煤質逐漸變差，煤質修正系數逐漸減小(有一段時間滯后)，給煤量穩定在新水平(210t/h)附近;第3階段，煤質有一個突然變好的過程，引起機組負荷較大波動。
在圖4的第3階段可明顯看到氧量控制和煤質修正配合控制的作用:在煤質突然轉好時首先反映在氧量上，由于氧量突然下降，在氧量控制作用下立即減煤(l5min內煤量由212t/h減至187t/h);同時，煤質修正計算出的煤質修正系數緩慢增大，進一步去減少給煤量。30min后，氧量、負荷恢復正常,k值、煤量穩定在新的工況上。整個過程中k值變化范圍為0.75-0.87，對應的煤量為175-212t/h，主汽壓力很穩定(設定值和測量值基本重合)。第1、2階段機組有功功率基本滿足要求，第3階段，在煤質突然大幅波動時，負荷最高升至307MW，超過設定值7MW(超過了調度要求的±2%的目標)，但此時若在CCSl模式下，主汽壓力必然大幅升高，引起壓力拉回控制回路動作，功率同樣要超調，并且還會引起其他主要參數值波動。
綜上所述，CCS2模式下，在煤質波動相對穩定時，控制指標基本滿足要求;在煤質波動幅度大且變化快時，負荷最大超調量也可控制在l0MW內。
二、CCS2模式存在的問題
2.1 機組負荷響應速度
因為機組負荷由鍋爐控制，不能滿足調度對一次調頻控制指標的要求，主要表現在功率響應速度慢一些，另外，機組升負荷率也達不到常規煤粉爐的要求，所以，調度下達升降負荷速率指標時，有必要將CFB鍋爐和常規煤粉爐區別對待，經實測，300MW CFB鍋爐升負荷率基本能達到3MW/min，但達不到調度下達的4MW/min的要求。
2.2 CFB鍋爐的防磨
一次風從鍋爐布風板底部進入爐膛，因此對鍋爐燃燒影響特別大。為加快負荷響應速度，曾嘗試用改變一次風量來進行控制，即在機組負荷大于設定值時，減小一次風量，以減弱燃燒，達到快速降負荷的目的；在機組負荷小于設定值時，增加一次風量，以增強燃燒，達到快速加負荷的目的。這樣修改后確實能加快負荷響應速度，但因為CFB鍋爐存在受熱面磨損的問題，頻繁改變一次風量，將加快鍋爐的磨損，其結果很可能是得不償失，所以最后去掉了這個功能。鍋爐其他自動控制方案中也應盡可能采用一些手段來減輕對鍋爐受熱面的磨損。
三、結語
在相對較低的負荷時（112-240MW），為滿足電網需要，可使用CCS1,此時可將壓力拉回控制回路取消；高負荷時（超過240MW），為保證整個機組穩定運行，最好使用CCS2。
雖然CCS2能克服煤質大幅波動的惡劣工況，但也只能是基本可用。要真正提高CCS的調節品質，燃煤來源廣泛的電廠需要增加混煤設施，盡量保證燃煤煤質穩定。另外，選擇業績良好的碎煤機，保證燃煤粒徑滿足設計要求，使燃煤在爐內良好燃燒，也能在一定程度上提高CCS的調節品質。
