热量信号在协调控制系统中的应用

工作提供参考。

关键词：热量信号；自动调节；燃料量；风煤比

中图分类号：TM621.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.075

随着科学技术的发展，热量信号被广泛应用于常规二型仪表搭接的协调控制系统中，它可以间接反映锅炉的热负荷。虽然热量信号是分散控制系统的基础，但它是以组态的形式出现在协调控制系统中的。

1 热量信号

在设计燃煤机组协调控制系统的过程中，瞬时给粉量是一个非常重要的过程变量。锅炉调节器的设置如图1所示。

因为瞬时给粉量很难测量到，所以，协调控制系统也很难正常运行。这时，设计者可用热量信号间接表示锅炉的热负荷。热量信号的计算公式为：

式（1）中：QD为热量信号；d为主蒸汽流量；Cb为锅炉蓄热系数；Pb为汽包压力；t为主蒸汽温度。

引入热量信号的主要目的是让其取代瞬时给粉量，保证在无法准确测量瞬时给粉量时，协调系统仍能正常运行。

2 热量信号与燃料量的关系

理想的热量信号只反映燃料量的变化，但是，它并不代表负荷的变化，锅炉蓄热系数的选取就是基于这一原则进行的。具体整定方式是，当锅炉在某一负荷下稳定运行时，给粉量不变，开大或关小主汽门，蒸汽流量d都会发生变化。这时，热量信号QD应不变，则主蒸汽流量变量Δd的计算公式为：

至此，锅炉汽包的蓄热量可以等效转换为蒸汽流量。这样，就可以在不同负荷段分别整定出Cb的值。试验证明，在不同的汽包压力下，Cb是个变量。这说明，在不同的汽包压力下，相同的汽包压力变化量所释放（或吸收）的热量并不相同，这是值得注意的问题，同时，也给热量信号的整定工作增加了一定的难度。在应用过程中，实际热量信号与理论热量信号是很难保持一致的，而热量信号可以反映蒸汽流量的变化。蒸汽流量与汽机的出力成正比，因此，热量信号也能反映汽机负荷的变化。这一特性使得热量信号的使用变得更加复杂。如果能充分利用这一特性，会在一定程度上提高协调控制系统的稳定性，但是，如果利用不当，则会引发很多问题。

3 热量信号的劣势

热量信号能够间接反映锅炉燃料量，在实际应用中，它基本上可以保证协调系统的正常运行，而且在稳态过程中，也能较好地反映锅炉的燃料量。但是，其中也存在一些问题：①无法快速反映燃料量的扰动情况。当进入炉膛的燃料量自发扰动时，热量信号无法感知到。只有燃料量变化导致主汽流量和汽包压力发生变化时，热量信号才会发生变化。由此可见，热量信号具有迟延性。因此，引入热量信号后，它在燃料量调节内回路中起不到快速消除燃料量内扰的作用。②不易整定。由于汽包蓄热系统是不变量，所以，在整定时，要多次反复实验。只有这样，才能测取本台锅炉的蓄热系数。而在实际应用中，常用汽包压力的函数是需要修正的。

常用汽包压力函数公式为：

式（3）中：f（p1）为汽机一级压力的函数，代表主汽流量；f（pt）

为汽机调节级压力的函数。

在大型火力发电厂中，主汽流量一般不用流量孔测量，因为它造成的节流损失是非常大的。通常情况下，可采用汽机调节级压力或高加缸排汽压力计算主汽流量，也就是所谓的“无孔板测量”。

实际热量信号与理论热量信号不同。在实际应用中，热量信号能够反映汽机负荷的变化。正是因为这一点，当调门开启或关闭时，热量信号也会发生变化。在自动调节的过程中，恬当地引用这一变化量能快速响应锅炉给粉量的变化。但是，要注意的是，如果作用不当，就会导致锅炉燃烧波动，自动调系统发生震荡，需要多个调节周期才能稳定下来。

3.1 BMS逻辑判断错误

在锅炉燃烧控制系统（以下简称“BMS”）中，炉膛瞬时给粉量是一个非常重要的过程变量，它关系着油层的投入、煤层的点火能量和煤层的跳闸等。在CCS中引入热量信号，让它取代瞬时给粉量，给锅炉的燃烧管理工作带来了许多不便，主要表现为以下2点：①热量信号与瞬时给粉量相比，其迟延性较强，推迟了油层的投入和煤层的跳闸时间，严重威胁着锅炉的运行安全。当进入炉膛的瞬时给粉量发生变化时，要等它完全燃烧使汽机一级压力发生变化后热量信号才会发生变化。比如，当某层或某几台给粉机出现故障时，瞬时给粉量会发生变化，使炉内燃烧受到冲击。这时，BMS应迅速投入油层稳定燃烧。但是，由于使用的是热量信号而不是给粉量，所以，BMS只会根据热量信号的变化决定是否投油稳燃，这时的热量信号不会发生太大的变化。即使炉内燃烧瞬间恶化，BMS也不会投油稳定燃烧。②热量信号受汽机负荷变化的影响，使用后常常会出现油层误投的问题。由相关分析可知，汽机调节门开度的变化可能是调节指令造成的，也可能是调节门自发扰动造成的。但这并不重要，重要的是当调节门开度发生变化时，会导致热量信号发生变化。例如，当汽机调节门发生扰动或作汽机阀门抖动试验时，锅炉负荷保持不变。由于高调门开度变小，所以，热量信号就会受弱。当热量信号低于某一值时（例如50%，视BMS内部的联锁定值而定），BMS就会发出投油稳定燃烧的指令。此时，锅炉燃烧未发生任何变化，当然也无需投油稳燃。这样做，一方面，会浪费燃油；另一方面，会增加锅炉的出力，导致主汽起压，甚至还会导致汽包水位发生剧烈的变化。这些都是热量信号取代瞬时给粉量造成的。

3.2 无法保证常使暂态下的风煤比

风煤比对于炉膛的燃烧十分重要，在设计调节系统时，要注意保持炉膛燃烧所需的风煤比。要想增加燃料，就要先增加风量；要想减小风量，就要看其是否受燃料量的制约；要想保证风煤比，就要保证富风燃烧，这也是大型锅炉防爆标准方案之一。受使用热量信号取代了给粉量后，原来的风煤比变成了风与热量信号的配比，使得原本不太好控制的风煤比更加复杂。

从图1中可以看出，当机组以投全协调方式运行时，送风机会接收锅炉主调的指令调节送风量，使送风量与锅炉指令相匹配，燃烧主调接收锅炉主调的指令，使燃烧量与锅炉指令相匹配。但是，热量信号与给粉量是相差很大的，比如，当机组负荷增加时，锅炉、汽机指令都会增加，汽机调门开大。锅炉指令增加会使送风主调输出增加，锅炉送风量增加。对于燃烧主调来说，这种情况是很复杂的。锅炉指令增加会增加燃料主调的设定点，但是，在汽机主调指令增加的同时也会增加热量信号，燃烧主调的控制变量也就相应增加了。如果汽机主调的动作比锅炉主调快，那么，燃料量不会增加，反而还会减少。这时，风量将比燃料量大，不利于锅炉的安全、经济运行。在实际工作中，汽机增负荷基本上没有延迟，热量信号比锅炉指令增加得快，尤其是当系统要求机组负荷快速增加时；相反，当机组减负荷时，会导致燃料量过剩。

3.3 加大调节系统的整定难度

当机组负荷增加时，在增加汽机主调的同时，热量信号的增加大于锅炉主调的增加，那么，燃料主调的输出反而会减小，进而降低锅炉出力，导致主汽压降低。这时，就要关小调门。当热量信号小于锅炉指令时，燃料量才能增加。这样做，虽然减缓了增负荷的速率，但会使系统产生不必要的振荡。如果调节系统使用的是给粉量，就不会发生这种问题。因此，使用热量信号的协调控制系统，其整定难度很大。这里的“难度大”是指在整定燃料主调时，要充分考虑汽机的调节特性；相反，在整定汽机调节参数时，要充分考虑它对燃料主调的影响。

4 热量信号应用方案

由上述分析可知，热量信号在CCS中发挥着巨大的作用，它能保证协调系统正常运行。尽管其在应用过程中还存在不足，但只要合理使用并辅以其他信号加以修正，就能保证CCS和BMS的正常运行。

4.1 热量信号有利于消除内扰

在CCS中，当机组负荷和主汽压力处于稳态，有利于消除热量信号的内扰。热量信号的形成如图2所示。

从图2中可以看出，从给粉特性到汽机特性的一系列传递函数，当某一传递函数发生变化即产生内扰时，热量信号都会发生变化，而且热量信号的变化是个负反馈环节。热量信号的变化会导致燃料调节器在主汽压和机组负荷未发生变化时就进行调节。这说明，引用热量信号后，协调系统消除内扰的能力会增强。

当给粉机的转速发生变化时，热量信号也会发生变化，只是这一变化比瞬时给粉量的变化晚。也就是说，热量信号对给粉量扰动消除能力的影响比较小。但是，对于汽机调节级和汽包压力的变化，热量信号的反映比较快，即热量信号在消除汽机调节级和汽包压力扰动方面的能力比较强。

4.2 热量信号在协调控制系统中的应用

一般来说，直吹式制粉系统中设有计量式电子皮带秤，用它可以测量磨煤机的给煤量。在设计协调控制系统的过程中，常常用给煤量来代替瞬时燃料量。由于给煤量与瞬时给粉量相比有一定的延迟性，而且动态特性又有较大的差别，所以，它的调节特性并不好。引入热量信号后，不仅能提高调节系统消除内扰的能力，还能提高系统稳态时的自平衡能力。热量信号在给粉量测量系统中的应用如图3所示。

图3设计了一个跟踪回路，当机组负荷变化率较小时，可投入热量信号调节回路。当给煤量发生扰动时，燃料调节器会快速调节相关参数；当调节级压力、汽包压力发生扰动时，热量信号调节器会快速消除扰动；当机组负荷变化率较大时，热量信号调节器处于跟踪状态，继而图3所示的控制系统就演变成了只使用燃料量的调节系统。

在整定过程中，如果单独使用热量信号调节系统，汽机调节器的作用强度会比较小。当汽机的动作速率过快，会导致燃料调节器作出与负荷变化相反方向的调节，进而影响系统的调节速度等。

5 结束语

总之，虽然热量信号的使用存在一些弊端，但是，只要使用合理，还是可以保证协调控制系统的正常运行。合理的参数配置在消除内扰、稳定负荷方面发挥着巨大的作用。

〔编辑：白洁〕

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