实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法
【专利摘要】一种实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，所述方法是在代表锅炉燃料量指令的锅炉主控制器输出信号与理论给水流量指令之间增加给水流量滞后补偿环节，以延迟给水流量的变化时间，所述给水流量滞后补偿环节包括多点折线函数模块？“^和四阶惯性环节，多点折线函数模块Fi(x)的输入信号为锅炉主控制器输出信号，其输出端通过四阶惯性环节给出理论给水流量指令信号。本发明可以在50%-100%负荷范围内，维持直流锅炉高速率变负荷运行期间水燃比稳定，减少中间点焓(或温度）的波动，进而降低锅炉出口蒸汽温度及高温受热面的金属温度的变化幅度，提高锅炉运行安全性和经济性。
【专利说明】实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够在直流锅炉变负荷工况下，使给水流量与燃料量维持适当比例的方法，属于锅炉【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在锅炉运行过程中，给水流量与燃料量必须维持适当比例。对于汽包锅炉，由于汽包内具有较大的水容积，水处于相对过量的状态，锅炉蒸发量主要随燃料量变化而变化，当给水流量与燃料量失配时，首先表现为汽包水位的变化，汽包水位没有超过危险值时，蒸汽温度变化量相对较小。但对于直流锅炉，由于其内部水容积很小，给水流量和燃料量时刻处于动态平衡中，锅炉蒸发量主要取决于给水流量，当给水流量与燃料量失配时，将导致锅炉出口蒸汽温度以及高温受热面的金属温度发生大幅度变化，严重影响锅炉运行安全性和经济性。
[0003]直流锅炉通过控制中间点焓(或中间点温度)维持水燃比稳定，中间点焓控制系统通常采用前馈比例加反馈校正控制的方案，即整体上给水流量和燃料量采用比例控制，当两者出现小幅度失配时会导致中间点焓发生变化，由中间点焓反馈控制器输出对给水流量或燃料量进行校正，最终维持水燃比稳定。锅炉在稳态或负荷缓慢变化工况下，这一控制方案能够发挥有效作用。但在锅炉处于高速率变负荷的动态工况时，前馈比例控制不能保证给水流量与燃料量动态时间上配比的准确性，反馈回路难以进行及时调节，会导致中间点焓出现大幅变化。因此，在直流锅炉变负荷工况下保持给水流量与燃料量的动态精确配比至关重要。
[0004]给水流量与燃料量配比包括静态幅值上的配比和动态时间上的配比。确定不同静态负荷下给水流量与燃料量的比例关系相对容易，因此实现静态幅值上的精确配比也相对容易，而分析燃料量及给水流量变化影响中间点焓的动态过程、对此进行补偿使两者保持时间上的同步、以实现动态时间上的精确配比则相对困难。
[0005]这一问题可以从对象动态特性的角度进行分析。在锅炉运行中，当其他参数不变而增加锅炉燃料量时，原煤首先经过给煤机送入磨煤机，在磨煤机内磨制成煤粉后再经过一次风粉管道送入锅炉炉膛，煤粉迅速燃烧释放热量，热量被锅炉汽水系统各个部分吸收，单位质量的水和水蒸汽吸热量增加，引起中间点焓及锅炉出口蒸汽温度升高。与此相对，当其他参数不变增加锅炉给水流量时，在压力推挤作用下，锅炉内汽水系统各个部分流量几乎同时增加，单位质量的水和水蒸汽吸热量减少，中间点焓及锅炉出口蒸汽温度降低。从整体过程上看，在影响中间点焓变化时，锅炉燃料量变化与给水流量变化之间相差一个制粉环节的动态过程，这意味着燃料量变化要滞后一个制粉环节的动态过程才能与给水流量的变化同步，而制粉过程为一大惯性大迟延环节。这样，当锅炉同时增加燃料量和给水流量时，由于燃料量存在滞后，给水流量变化的作用首先显现出来，中间点焓先大幅度下降，之后随着进入锅炉炉膛实际燃料量的逐渐增加，中间点焓再逐渐回升。
[0006]由此，为了保证直流锅炉给水流量与燃料量动态配比关系的稳定，必须考虑给水流量、燃料量与中间点焓之间动态特性的差异。由于中间点焓对给水流量的响应速度快于中间点焓对燃料量的响应速度，所以在设计控制逻辑时，理论上可以采用燃料量超前补偿或给水流量滞后补偿的方式以实现两者的同步。但是，燃料量超前补偿将导致机组高速率变负荷时锅炉燃料量变化的幅度和速率增加，容易发生磨煤机“堵煤”及锅炉燃烧不稳定现象，并且纯迟延特性的超前补偿在理论上无法实现。所以，比较适合的方法是给水流量滞后补偿。可以在代表锅炉燃料量指令的锅炉主控制器输出到理论给水流量指令(即未经过中间点焓控制器输出校正的给水流量指令)之间增加一个具有滞后特性的动态补偿环节，延迟给水流量变化发挥作用的时间，达到燃料量和给水流量协调同步的效果。而准确设置滞后补偿环节的参数，成为实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的关键和难点。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，保证给水流量与燃料量维持适当比例，提高锅炉运行安全性和经济性。
[0008]本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
一种实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，对于直流锅炉控制系统，锅炉主控制器输出信号一方面送至燃料量控制系统成为燃料指令信号；另一方面经过折算处理后送至给水控制系统形成理论给水流量指令，所述方法是在代表锅炉燃料量指令的锅炉主控制器输出信号与理论给水流量指令之间增加给水流量滞后补偿环节，以延迟给水流量的变化时间，所述给水流量滞后补偿环节包括多点折线函数模块F1(X)和四阶惯性环节，多点折线函数模块F1(X)的输入信号为锅炉主控制器输出信号，其输出端通过四阶惯性环节给出理论给水流量指令信号。
[0009]上述实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，所述多点折线函数模块F1(X)利用5个工况点确定锅炉主控制器输出与给水流量之间的静态对应关系，包括:锅炉最小连续出力、50%、75%、100%额定负荷、锅炉最大连续出力工况点。
[0010]上述实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，所述四阶惯性环节由四个一阶惯性环节Fi(t)串联构成，其一阶惯性环节F1U)的惯性时间7；的计算方法为:
7 _ Tc — T0
l— 4
其中'Tc为辨识得到的制粉过程的惯性时间，单位s -J0为氧量测量的惯性时间，单位
So
[0011]上述实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，所述氧量测量的惯性时间r。通过锅炉二次风量扰动实验确定，具体方法为:
在锅炉50%-100%负荷范围内的稳定负荷点，退出氧量校正自动控制并手动设置校正风量值，保持二次风量控制系统投入自动，待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改校正风量，使二次风量定值发生阶跃变化，记录二次风量定值、氧量信号变化过程直至其稳定，然后根据响应曲线辨识氧量测量的惯性时间T0，为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
[0012]上述实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，所述制粉过程的惯性时间r。通过燃料量扰动实验确定，具体方法为:
在锅炉50%-100%负荷范围内的稳定负荷点，锅炉中间点焓及给水控制系统投入自动，锅炉氧量及二次风量控制系统投入自动，锅炉主控制器切为手动，待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改锅炉燃料量偏置值，使锅炉总燃料定值发生阶跃变化，记录锅炉总燃料定值、燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号的变化过程直至其稳定，根据响应曲线辨识制粉系统的惯性时间Tc,为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
[0013]上述实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号通过以下逻辑计算:
由常数模块C减锅炉烟气氧量信号后再经增益模块Kvq处理后的信号，与锅炉总风量信号经二阶惯性环节补偿后的信号相乘，得到燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号，所述二阶惯性环节由两个一阶惯性环节F2 (t)串联构成，其一阶惯性环节F2 (t)的惯性时间T2的计算公式为:Γ2 = 增益模块Kvq增益值为0.0503，常数模块C的数值为21。
[0014]本发明综合考虑锅炉制粉系统及汽水系统的动态特性，在锅炉主控制器输出到理论给水流量指令之间的控制逻辑中增加一个滞后特性的动态补偿环节，并通过设计热量信号计算逻辑和二次风量、燃料量扰动实验，确定滞后动态补偿环节的参数，从而实现给水流量与燃料量动态时间上的精确配比。
[0015]本发明可以在50%_100%负荷范围内，维持直流锅炉高速率变负荷运行期间水燃比稳定，减少中间点焓(或温度)的波动，进而降低锅炉出口蒸汽温度及高温受热面的金属温度的变化幅度，提高锅炉运行安全性和经济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图对本发明作进一步详述。
[0017]图1是直流锅炉给水流量滞后补偿逻辑；
图2是热量信号计算逻辑。
[0018]文中各符号清单为=F1 (X)、多点折线函数模块；Fi(t)、四阶惯性环节中的一阶惯性环节A、一阶惯性环节F1U)的惯性时间；/；、制粉过程的惯性时间；/；、氧量测量的惯性时间；F2(t)、二阶惯性环节中的一阶惯性环节'T2、一阶惯性环fF2(t)的惯性时间。
【具体实施方式】
[0019](I)给水流量滞后补偿
在代表锅炉燃料量指令的锅炉主控制器输出至理论给水流量指令之间增加直流锅炉给水流量滞后补偿逻辑，见图1。逻辑输入信号为锅炉主控制器输出信号，单位t/h ;逻辑输出信号为理论给水流量指令信号，单位t/h，此信号再经过中间点焓(温度)控制器输出修正后，得到锅炉实际给水流量指令信号。逻辑中=F1(X)为多点折线函数模块，利用5个工况点确定锅炉主控制器输出与给水流量之间的静态对应关系，包括:锅炉最小连续出力、50%、75%、100%额定负荷、锅炉最大连续出力工况点。F1U)为一阶惯性环节传递函数模块，用于增加给水流量滞后时间以补偿制粉过程动态时间。由于制粉环节呈现高阶惯性特性，所以采用4个一阶惯性环节串联构成四阶惯性环节进行补偿。
[0020]图1逻辑中，F1(X)模块中的各个工况点参数可以根据锅炉设计数据确定，也可以根据锅炉实际运行数据确定。需要现场调试的参数为F1U)模块中的惯性时间。
[0021](2)热量信号计算
为了便于F1U)模块中的惯性时间参数的调试，设计热量信号计算逻辑，如图2所示。逻辑输入信号为:锅炉总风量信号，单位t/h ;锅炉烟气氧量信号，单位％。逻辑输出信号为锅炉计算热量信号，单位丽。逻辑中:C为常数模块，数值为21 ;Kvq为增益模块，增益值为0.0503。F2 (t)为一阶惯性环节传递函数模块，用于增加总风量的滞后时间以补偿氧量传感器测量的滞后时间，这里采用二阶惯性环节进行补偿。
[0022]图2逻辑中，需要现场调试的参数为F2 (t)模块的惯性时间。
[0023](3)锅炉二次风量扰动实验
通过二次风量扰动实验确定氧量测量的滞后时间。
[0024]在锅炉50%_100%负荷范围内的稳定负荷工况点进行锅炉二次风量扰动实验。实验时退出氧量校正自动控制并手动设置校正风量值，保持二次风量控制系统投入自动。待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改校正风量，使二次风量定值发生阶跃变化，这时锅炉二次风量实际值将跟随二次风量定值变化，氧量将缓慢变化，记录二次风量定值、氧量信号变化过程直至其稳定。根据响应曲线辨识氧量测量的惯性时间，为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
[0025]热量信号计算逻辑中一阶惯性环节F2 (t)的惯性时间的计算方法为:
T
T _ 0/ I Λ
22
其中'T2为热量信号计算逻辑中一阶惯性环节F2(t)的惯性时间，单位s 'T0为辨识得到的氧量测量的惯性时间，单位S。
[0026]设置热量信号计算逻辑中一阶惯性环节F2 (t)的惯性时间。
[0027](4)锅炉燃料量扰动实验
通过燃料量扰动实验确定锅炉制粉系统的惯性时间。锅炉制粉环节的输入为锅炉燃料量信号，输出为燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号。由于热量信号无法直接测量，所以通过设计热量信号计算逻辑计算热量信号。
[0028]在锅炉50%_100%负荷范围内的稳定负荷工况点进行燃料量扰动实验。实验时锅炉中间点焓及给水控制系统投入自动，锅炉氧量及二次风量控制系统投入自动，锅炉主控制器切为手动。待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改锅炉燃料量偏置值，使锅炉总燃料定值发生阶跃变化，这时锅炉总燃料实际值将跟随总燃料定值变化，计算热量信号将缓慢变化，记录锅炉总燃料定值、计算热量信号变化过程直至其稳定。根据响应曲线辨识制粉系统的惯性时间，为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
[0029]补偿逻辑中一阶惯性环节F1⑴的惯性时间计算方法为:
FTf FTf
= (2)
1 4
其中为补偿逻辑中一阶惯性环节F1U)的惯性时间，单位s ;/；为辨识得到的制粉过程的惯性时间，单位S。
[0030]设置补偿逻辑中一阶惯性环节F1⑴的惯性时间，系统可以投入正常工作。
[0031]本发明的实施步骤:
(I)现场控制系统及原始信号确认
实施本发明前需要在机组DCS (分散控制系统)中确认以下信号及控制系统工作正常，包括:
Ca) 二次风量及总风量信号。二次风量为锅炉各燃烧器二次风、炉底风、燃尽风风量之和，或者为锅炉左、右侧空气预热器出口送风量之和。所涉及的各个风量测量装置工作正常，二次风量随送风机动叶角度变化趋势正确。总风量信号采用二次风量和一次风量求和计算得到，一次风量为各磨煤机一次风量之和，或者为锅炉左、右侧空气预热器出口热一次风之和加左、右侧冷一次风之和，所涉及的各个风量测量装置工作正常，一次风量随一次风机动叶角度变化趋势正确。
[0032](b)氧量信号。氧量信号取空气预热器前左右侧烟道内氧化锆氧量计测量氧量的平均值。各个氧化锆氧量计无故障，并且经过标准气体标定。
[0033](c)锅炉燃料量控制系统。能够投入自动，锅炉总燃料量跟随燃料量指令变化，锅炉总燃料信号正常。
[0034](d)锅炉给水流量控制系统。能够投入自动，锅炉给水流量跟随给水流量指令变化，锅炉给水流量信号正常。
[0035](2)设计热量信号计算逻辑
在机组DCS中以组态方式实现热量信号计算逻辑，如图2所示。
[0036](3)锅炉二次风量扰动实验
在锅炉50%-100%负荷范围内的稳定负荷工况点进行锅炉二次风量扰动实验。实验时退出氧量校正控制自动并手动设置校正风量值，保持二次风量控制系统投入自动。待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改校正风量，使二次风量定值发生变化，这时锅炉二次风量实际值将跟随二次风量定值变化，氧量将缓慢变化，记录二次风量实际值、氧量信号变化过程直至其稳定。采用响应曲线法辨识氧量测量的惯性时间，为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
[0037]利用辨识得到的氧量测量的惯性时间，通过式(I)计算热量信号计算逻辑中一阶惯性环fF2(t)的惯性时间，并设置到DCS中。
[0038](4)锅炉燃料量扰动实验
在锅炉50%-100%负荷范围内的稳定负荷工况点进行燃料量扰动实验。实验时锅炉中间点焓及给水控制系统投入自动，锅炉氧量及二次风量控制系统投入自动，锅炉协调控制系统切为手动。待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改锅炉燃料量偏置值，使锅炉总燃料定值发生变化，这时锅炉总燃料实际值将跟随总燃料定值变化，计算热量信号将缓慢变化，记录锅炉总燃料实际值、计算热量信号变化过程直至其稳定。采用响应曲线法辨识制粉系统的惯性时间，为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
[0039]利用辨识得到的制粉过程的惯性时间，通过式(2)计算补偿逻辑中一阶惯性环节F1U)的惯性时间。
[0040]( 5 )滞后补偿环节逻辑设计及调试
在机组DCS中以组态方式实现给水流量滞后补偿逻辑，如图1。F1(X)模块中的各个工况点参数可以根据锅炉设计数据确定，也可以根据锅炉实际运行数据确定。设置补偿逻辑中一阶惯性环节F1U)的惯性时间，调试完毕，系统可以投入正常工作。
[0041]本发明优点:
(I)补偿效果好。应用本方法可以实现直流锅炉给水流量与燃料量的动态精确配比。在锅炉高速率变负荷运行时，能够保证中间点焓(或温度)稳定，有效降低锅炉蒸汽温度和高温受热面金属温度的波动幅度，提高机组运行安全性和经济性。
[0042](2)参数设置准确。准确地确定锅炉制粉系统滞后时间对补偿给水流量与燃料量动态时间的差异至关重要。本方法利用二次风量扰动实验确定氧量测量的滞后时间，再设计热量信号计算逻辑构造出锅炉热量信号，通过燃料量扰动实验确定制粉系统滞后时间。整体方案具有物理意义明确、参数辨识准确的优点；同时，实验对机组正常运行影响小，方案可行性好。
【权利要求】
1.一种实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，其特征是，对于直流锅炉控制系统，锅炉主控制器输出信号一方面送至燃料量控制系统成为燃料指令信号；另一方面经过折算处理后送至给水控制系统形成理论给水流量指令，所述方法是在代表锅炉燃料量指令的锅炉主控制器输出信号与理论给水流量指令之间增加给水流量滞后补偿环节，以延迟给水流量的变化时间，所述给水流量滞后补偿环节包括多点折线函数模块F1(X)和四阶惯性环节，多点折线函数模块F1(X)的输入信号为锅炉主控制器输出信号，其输出端通过四阶惯性环节给出理论给水流量指令信号。
2.根据权利要求1所述的实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，其特征是，所述多点折线函数模块F1(X)利用5个工况点确定锅炉主控制器输出与给水流量之间的静态对应关系，包括:锅炉最小连续出力、50%、75%、100%额定负荷、锅炉最大连续出力工况点。
3.根据权利要求1或2所述的实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，其特征是，所述四阶惯性环节由四个一阶惯性环节F1 (t)串联构成，其中，一阶惯性环节F1 (t)的惯性时间?\的按下式计算:
T-T 14 式中:r。为辨识得到的锅炉制粉过程惯性时间，单位S ;/；为氧量测量的惯性时间，单位So
4.根据权利要求3所述的实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，其特征是，所述氧量测量的惯性时间r。通过锅炉二次风量扰动实验确定，具体方法为: 在锅炉50%-100%负荷范围内的稳定负荷点，退出氧量校正自动控制并手动设置校正风量值，保持二次风量控制系统投入自动，待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改校正风量，使二次风量定值发生阶跃变化，记录二次风量定值、氧量信号变化过程直至其稳定，然后根据阶跃响应曲线辨识氧量测量的惯性时间T0，为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
5.根据权利要求3所述的实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，其特征是，所述制粉过程的惯性时间r。通过燃料量扰动实验确定，具体方法为: 在锅炉50%-100%负荷范围内的稳定负荷点，锅炉中间点焓及给水控制系统投入自动，锅炉氧量及二次风量控制系统投入自动，锅炉主控制器切为手动，待锅炉燃料量、二次风量、氧量稳定后，手动修改锅炉燃料量偏置值，使锅炉总燃料定值发生阶跃变化，记录锅炉总燃料定值、燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号的变化过程直至其稳定，然后根据阶跃响应曲线辨识制粉系统的惯性时间Tc,为简化辨识过程，按照一阶惯性对象辨识。
6.根据权利要求5所述的实现直流锅炉给水流量与燃料量动态精确配比的补偿方法，其特征是，燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号通过以下逻辑计算: 由常数模块C减锅炉烟气氧量信号后再经增益模块Kvq处理后的信号，与锅炉总风量信号经二阶惯性环节补偿后的信号相乘，得到燃料在锅炉炉膛内燃烧产生的热量信号，所述二阶惯性环节由两个一阶惯性环节F2 (t)串联构成，其一阶惯性环节F2 (t)的惯性时间T2的
—Γ计算公式为:? =!,增益模块Kvq增益值为0.0503，常数模块C的数值为21。
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【文档编号】F23N1/08GK104214792SQ201410435425
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月31日 优先权日:2014年8月31日
【发明者】张锐锋, 田亮, 李小军, 刘鑫屏, 潘华, 赵雯文, 安波, 陈宇, 柏毅辉, 李前敏 申请人:贵州电力试验研究院, 华北电力大学（保定）