一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法

技术领域

本发明属于火电机组安全控制技术领域，尤其涉及一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法。

背景技术

目前以风力发电、太阳能发电、水力发电为主体的新能源装机容量逐年增加，为了加大新能源电力的消纳能力，传统的火力发电机组承担着主要的调峰、调频工作，甚至在一些地区，火力发电机组还经常运行在深度调峰工况，这种频繁且宽负荷的调峰运行对火力发电机组的设备状态、调节系统提出了更高的要求。

制约火力发电机组的调峰范围的因素较多，其中锅炉设备的调峰能力是多数火力发电机组提高深度调峰能力的主要制约因素。锅炉设备在偏离推荐运行负荷时，水动力和燃烧状态均会出现不利变化。特别是在机组低负荷运行时，较多切圆锅炉会出现垂直水冷壁超温现象。锅炉垂直水冷壁的超温极大程度上威胁机组的安全稳定运行，同时也间接影响区域电网的安全。

如何在提升火力发电机组调峰能力的同时，满足火力发电机组锅炉设备安全运行成为一段时期内急需解决的问题。近年众多国内的工程技术人员以及学者对锅炉金属壁温超温的相关问题进行了研究和探讨。例如中国专利“一种降低水冷壁高温腐蚀影响的锅炉运行控制方法”申请号为201910366592.1，提出了通过省煤器出口氧量以及磨煤机的运行方式进行调节的控制方法。论文“300MW墙式切圆锅炉水冷壁超温的数值模拟与燃烧优化”通过现场试验与数值模拟提出了相应的燃烧器改造与优化方案。

以上文献是从机组的运行状态调整和燃烧器改造的角度解决锅炉水冷壁超温的问题，未提出针对锅炉垂直水冷壁超温的控制策略。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法。其目的是为了解决现有切圆燃烧锅炉垂直水冷壁运行过程中常出现超温的安全问题。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法，是在DCS分散控制系统中执行，包括以下步骤：

步骤1：机组燃烧系统进行灵活性改造，燃烧器出口一次风流量可在DCS独立控制，燃烧器通过灵活性改造可提高机组低负荷燃烧稳定性；

步骤2：机组灵活性调峰过程中，DCS控制逻辑增加锅炉垂直水冷壁温度监视模块，判断锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势；

步骤3：根据锅炉垂直水冷壁局部超温趋势状态，独立控制对应燃烧器出口一次风流量，控制锅炉送风系统二次风流量，独立控制对应制粉系统给煤量，控制给水流量；

步骤4：根据独立控制对应燃烧器出口一次风流量、二次风流量、控制对应制粉系统给煤量、控制给水流量，实现控制切圆燃烧锅炉垂直水冷壁温度。

更进一步的，所述判断锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势，包括：

(1)壁温最高值达到报警值；

其最高值T

(2)壁温最高值变化速率超过设定阈值A；

其壁温最高值变化速率定义为垂直水冷壁温度最高值每分钟温度变化量ΔT，变化速率阈值由以下公式计算获得：

K＝T

T

式中，K为变化速率阈值；T

T

式中，T

(3)壁温预期值超过设定阈值B，其壁温预期值定义为:

a.计算垂直水冷壁温度最高值的一阶微分计算值、二阶微分计算值之和，此数值记为C；

b.再计算数值C与机组灵活性调峰系数之积，此数值记为D；

c.最后计算垂直水冷壁温度最高值与数值D之和。

更进一步的，所述燃烧器出口一次风流量在DCS独立控制，燃烧器本体具有调节机构或者磨煤机出口一次风粉管道具有调节机构，在DCS远程控制此调节机构，调整燃烧器出口一次风流量。

更进一步的，所述锅炉垂直水冷壁温度监视模块，包括：高值选择模块、微分模块、变化速率计算模块、阈值判断模块、折线函数模块，对垂直水冷壁温度进行高值选择计算、变化速率计算、一阶微分计算、二阶微分计算、阈值判断，确定垂直水冷壁温度高低、变化幅度和变化快慢，对机组灵活性调峰负荷进行折线函数计算，形成机组灵活性调峰系数。

更进一步的，所述独立控制对应燃烧器，是按照制粉系统划分，通过控制对应燃烧器的调节机构改变燃烧器出口一次风流量，改变炉膛内火焰的形态，调整对应垂直水冷壁辐射换热量，以此控制垂直水冷壁温度，同一制粉系统中的燃烧器控制对应的火焰形态。

更进一步的，所述独立控制对应燃烧器出口一次风流量还包括对应燃烧器的确定：

锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势，此区域迎面的燃烧器和此区域迎面的下层燃烧器，均为调节此区域垂直水冷壁超温趋势的燃烧器；

所述此区域迎面的燃烧器为逆着火焰切圆方向的本层的第二个燃烧器；

所述此区域迎面的下层燃烧器为逆着火焰切圆方向的下层第二个燃烧器。

更进一步的，所述独立控制对应燃烧器出口一次风流量限值的确定，对应燃烧器出口一次风流量调整限值为待调整一次风流量与同一制粉系统其它燃烧器出口一次风流量的中位数之差小于此制粉系统一次风流量的|±20％|；

差值计算公式如下：

F

式中，F

更进一步的，根据所述锅炉垂直水冷壁局部超温趋势状态，控制锅炉送风系统二次风流量：是指垂直水冷壁局部具有超温趋势时，控制锅炉送风系统增加二次风量，以调整燃烧器出口火焰形态，降低火焰对垂直水冷壁的冲刷；

还包括当锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势时，增加二次风流量的限值为实际总风量的3％。

更进一步的，根据所述锅炉垂直水冷壁局部超温趋势状态，独立控制对应制粉系统给煤量：是指垂直水冷壁局部具有超温趋势时，超温区域水平位置的制粉系统和超温区域水平位置下面临近的制粉系统减小给煤量，当对应的制粉系统达到给煤量下限时，禁止减少对应制粉系统给煤量。

更进一步的，根据所述锅炉垂直水冷壁局部超温趋势状态，控制给水流量：是指壁温预期值超过设定阈值B时，控制锅炉给水系统增加给水流量，提前调整锅炉垂直水冷壁吸热量，减缓壁温增加趋势，配合其它调整手段，保证机组灵活性调峰过程中垂直水冷壁温度控制在合理范围内。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明以锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势作为防止锅炉垂直水冷壁超温控制算法参与控制的触发条件。在超温趋势判断条件中加入壁温变化速率和壁温预期值条件，可以提前预判锅炉垂直水冷壁将要超温，早于超温前进行控制。

本发明通过单独控制对应制粉系统的给煤量、对应燃烧器出口一次风流量、送风系统的二次风量和给水流量，针对锅炉垂直水冷壁局部的超温趋势进行控制，精准施策，减少由于水冷壁局部的温度变化对整个控制系统的影响。

本发明通过以上制粉系统给煤量、燃烧器出口一次风量、送风系统二次风量和给水流量的综合控制方法，减少切圆燃烧锅炉垂直水冷壁超温的现象发生，保障锅炉垂直水冷壁安全运行。

本发明通过以上控制方法的实施，自动的监控切圆燃烧锅炉垂直水冷壁温度，减少了运行人员的手动干预量，减低了误操作的几率，减小了运行人员的工作强度。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法的流程图；

图2为本发明一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法的控制算法图；

图3为本发明又一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法的控制算法图；

图4为本发明切圆燃烧锅炉燃烧器布置示意图。

图中：温度报警值A算法块1，惯性时间算法块2，减法A算法块3，除法算法块4，高限值监视A算法块5，温度测点A算法块6，温度测点B算法块7，温度测点N算法块8，高选块9，纯迟延A算法块10，温度报警值B算法块11，高限值监视B算法块12，减法B算法块13，或门A算法块14，制粉系统给煤量下限模拟量算法块15，温度差设定值模拟量设定算法块16，PID调节控制算法块17，模拟量切换A算法块18，模拟量设定值A算法块19，模拟量切换B算法块20，制粉系统前馈控制算法块21，温度最高值模拟量算法块22，温度报警值C算法块23，减法C算法块24，函数A算法块25，温度变化率阈值模拟量算法块26，温度变化率模拟量算法块27，减法D算法块28，函数B算法块29，加法A算法块30，实际总风量模拟量算法块31，模拟量设定值B算法块32，乘法A算法块33，高限值算法块34，模拟量设定值C算法块35，模拟量切换C算法块36，送风系统前馈控制算法块37，超温控制算法参与调节信号算法块38，非门算法块39，SR触发器算法块40，模拟量设定值D算法块41，模拟量切换D算法块42，纯迟延B算法块43，纯迟延C算法块44，减法E算法块45，减法F算法块46，高限值监视C算法块47，高限值监视D算法块48，或门B算法块49，减法G算法块50，函数C算法块51，减法H算法块52，函数D算法块53，加法B算法块54，其它燃烧器流量A算法块55，其它燃烧器流量B算法块56，其它燃烧器流量C算法块57，待控制燃烧器流量模拟量算法块58，中值算法块59，减法I算法块60，对应制粉系统一次风流量模拟量算法块61，模拟量设定值E算法块62，乘法B算法块63，高限监视E算法块64，模拟量切换E算法块65，模拟量设定值F算法块66，模拟量切换F算法块67，对应燃烧器调节前馈控制算法68。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-图4描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明提供了一个实施例，是一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法。本发明从切圆燃烧锅炉垂直水冷壁超温控制为主要研究对象，如图1所示，图1为本发明一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法的流程图。

本发明基于DCS分散控制系统设计，算法的实现和参数的设置在DCS分散控制系统中完成，下面结合分DCS散控制系统对本发明的具体实施过程作如下说明。

本发明具体包括以下步骤：

第一步，检测切圆燃烧锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势，所述超温趋势包括垂直水冷壁局部温度最高值达到报警值，或垂直水冷壁局部温度最高值变化速率超过设定阈值A，或垂直水冷壁局部温度预期值超过设定阈值B。

第二步，当第一步判断切圆燃烧锅炉垂直水冷壁局部具有超温趋势时，根据所述垂直水冷壁局部超温趋势，独立控制对应燃烧器出口一次风流量、送风系统二次风量、对应制粉系统给煤量和给水流量。

第三步，当第二步进行二次风量、对应制粉系统给煤量和给水流量调整后，所述局部温度超温趋势没有被抑制的趋势，则进行对应燃烧器出口一次风流量的独立控制。

通过以上方法对所述切圆燃烧锅炉垂直水冷壁局部温度，进行主动控制。

实施例2

本发明又提供了一个实施例，是一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法。如图2所示，图2是本发明的控制原理图。主要包括超温控制判断逻辑、对应制粉系统控制逻辑和送风系统控制逻辑三部分。

超温控制判断逻辑包括温度变化速率判断和温度超温判断两部分，其所需算法块包括减法算法块、除法算法块、高选算法块、纯迟延算法块、高限监视算法块。

所述待控制区域所有温度最高值的变化速率报警控制原理如下：

选取待控制区域垂直水冷壁温度测点，将所述待控制区域的多个温度测点，包括温度测点A算法块6，温度测点B算法块7，一直到温度测点N算法块8等所有温度测点连接至高选块9，以选出所述具有温度测点的最高值。高选块9的输出端连接减法B算法块13的一输入端作为被减数，高选块9的输出端连接纯迟延A算法块10，纯迟延A算法块10的迟延时间设置为60s，纯迟延A算法块10的输出端连接减法B算法块13的另一输入端作为减数。以上算法完成所述待控制区域所有温度测点最高值的实际变化速率。减法B算法块13的输出端连接高限值监视A算法块5的一输入端，与温度变化率阈值进行比较。

温度变化率阈值计算，由以上所述高选块9输出端连接减法A算法块3的一输入端作为减数，减法A算法块3的另一输入端连接温度报警值A算法块1作为被减数，计算所述待控制区域温度最高值与此区域的温度报警值之差。此减法A算法块3的输出端连接除法算法块4的一个输入端作为被除数，惯性时间算法块2连接除法算法块4的另一端作为除数，除法算法块4的输出值为温度变化率阈值，其输出端连接高限值监视A算法块5的一端作为温度变化率阈值，高限值监视A算法块5的另一输入端连接减法B算法块13，进行实际温度变化率与温度变化率阈值高限值比较，当实际温度变化率达到或高于温度变化率阈值时高限值监视A算法块5输出为“1”。表示所述待控制区域温度具有超温趋势需要超温控制算法进行控制。

温度超温判断逻辑，温度报警值B算法块11输出端连接高限值监视B算法块12的一端，待控制区域温度高选算法块9的输出端连接高限值监视B算法块12的另一端，当待控制区域温度高选算法块9的输出温度值达到或高于温度报警值时，高限值监视B算法块12输出为“1”，表示所述待控制区域温度具有超温趋势需要超温控制算法进行控制。高限值监视A算法块5的输出端与高限值监视B算法块12的输出端连接或门A算法块14的两个输入端，或门A算法块14的输出端作为进行超温控制算法进行控制的使能信号。

制粉系统前馈控制，包括减法算法块、PID调节控制算法块、模拟量切换算法块、模拟量设定算法块。由温度最高值模拟量算法块22连接减法C算法块24的一输入端，温度报警值C算法块23连接减法C算法块24的另一输入端作为计算温度超过报警值的程度，减法C算法块24的输出端连接PID调节控制算法块17的被调量端，PID调节控制算法块17的设定值端连接温度差设定值模拟量设定算法块16作为设定值。PID调节控制算法块17的输出端连接模拟量切换A算法块18的“N”端，模拟量切换A算法块18的输出端连接自身的“Y”端，作用是当模拟量切换A算法块18的使能端为“1”时，本算法块的输出保持不变。对应制粉系统给煤量下限模拟量算法块15的输出连接PID调节控制算法块17的跟踪使能端，作为PID调节控制算法块17的跟踪状态触发信号，制粉系统给煤量下限模拟量算法块15的输出端另外连接模拟量切换A算法块18的使能端，当对应制粉系统给煤量到下限时，PID调节控制算法块转换为跟踪状态，模拟量切换A算法块18输出保持当前值不变。模拟量切换A算法块18的输出连接模拟量切换B算法块20的“Y”端，模拟量切换B算法块20的“N”端连接模拟量设定值A算法块19，模拟量切换B算法块20的使能端连接或门A算法块14的输出端，作用是当或门A算法块14输出为“1”时，制粉系统前馈控制算法块21起作用。当或门A算法块14输出为“0”时，制粉系统前馈控制算法块21不起作用，输出为“0”。

送风系统前馈控制，包括模拟量切换算法块、模拟量高限值算法块、加法算法块、函数算法块、减法算法块、模拟量设定值算法块组成。结合温度超限与温度变化速率超限对送风系统进行控制。温度最高值模拟量算法块22的输出端连接减法C算法块24的一输入端作为被减数，温度报警值C算法块23的输出端连接减法C算法块24的另一输入端作为减数，减法C算法块24的输出端连接函数A算法块25的输入端，函数A算法块25的输出端连接加法A算法块30的一输入端；温度变化率阈值模拟量算法块26的输出端连接减法D算法块28的一个输入端作为被减数，温度变化率模拟量算法块27的输出端连接减法D算法块28的另一输入端作为减数，减法D算法块28的输出端连接函数B算法块29的输入端，函数B算法块29的输出端连接加法A算法块30的另一输入端。加法A算法块30的输出端连接高限值算法块34的一输入端；实际总风量模拟量算法块31的输出端连接乘法A算法块33的一输入端，模拟量设定值B算法块32的输出端连接乘法A算法块33的另一输入端，乘法A算法块33的输出端连接高限值算法块34的另一输入端，完成高限值判断，当加法A算法块30输出超出乘法A算法块33的输出值时，高限值算法块34输出值为乘法A算法块33的输出值。高限值算法块34的输出端连接模拟量切换C算法块36的“Y”端，模拟量切换C算法块36的“N”端连接模拟量设定值C算法块35的输出端，模拟量切换C算法块36的使能端连接或门A算法块14的输出端。当或门A算法块14输出为“1”时，送风系统前馈控制算法块37起作用。当或门A算法块14输出为“0”时，送风系统前馈控制算法块37不起作用，输出为“0”。

实施例3

本发明又提供了一个实施例，是一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法。如图3所示，图3为本发明又一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法的控制算法图。

图3主要包括温度变化速率动态判断、温度最高值的动态判断、纯迟算法块的迟延时间设置、对应燃烧器前馈控制逻辑四部分。

图3是燃烧器独立调节控制系统，包括纯迟延算法块、减法算法块、高限监视算法块、SR触发器算法块、非门算法块、模拟量设定值算法块、模拟量切换算法块、中值算法块、函数算法块、或门算法块。具体实施如下：

第一部分，以温度变化速率的动态变化判断第二步的控制效果。温度变化率模拟量算法块27输出端连接纯迟延B算法块43的输入端，纯迟延B算法块43的输出端连接减法E算法块45的一输入端作为被减数，减法E算法块45的另一输入端连接温度变化速率算法块27的输出端，减法E算法块45的输出端连接高限值监视C算法块47的输入端，高限值监视C算法块47的输出端连接或门B算法块49的一输入端。此部分作用是通过温度变化速率的变化判断当第二步制粉系统控制与送风系统控制生效后，待控区域垂直水冷壁温度超温趋势是否有好转。

第二部分，以温度最高值的动态变化判断第二步的控制效果。温度最高值模拟量算法块22的输出端连接纯迟延C算法块44的输入端，纯迟延C算法块44的输出端接连减法F算法块46的一输入端作为被减数，减法F算法块46的另一输入端连接温度最高值模拟量算法块22的输出端作为减数，减法F算法块46的输出端连接高限值监视D算法块48的输入端，高限值监视D算法块48的输出端连接或门B算法块49的一输入端。此部分作用是通过温度最高值的变化判断当第二步制粉系统控制与送风系统控制生效后，待控区域垂直水冷壁温度超温趋势是否有好转。

第三部分，纯迟算法块的迟延时间设置。纯迟延B算法块43、纯迟延C算法块44的迟延时间设置来自模拟量切换D算法块42的输出值。模拟量切换D算法块42的“Y”端连接惯性时间算法块2，模拟量切换D算法块42的“N”端连接模拟量设定值D算法块41的输出端，此算法块41设置为“0”。模拟量切换D算法块42的使能端与SR触发器算法块40的置位输出端连接，SR触发器算法块40的置位输入端与超温控制算法参与调节信号算法块38连接。SR触发器算法块40的复位输入端经过非门算法块39与超温控制算法参与调节信号算法块38连接。此控制逻辑完成当超温控制算法参与调节时SR触发器置位，纯迟延B算法块43、纯迟延C算法块44的迟延时间为系统的惯性时间，当超温控制算法参与调节信号消失后，纯迟延B算法块43、纯迟延C算法块44的迟延时间为“0”。

第四部分，对应燃烧器前馈控制。温度最高值模拟量算法块22输出端连接减法G算法块50的一输入端作为被减数，温度报警值C算法块23的输出端连接减法G算法块50的另一输入端作为减数，减法G算法块50的输出端连接函数C算法块51的输入端，函数C算法块51的输出端连接加法B算法块54的一输入端；加法B算法块54的另一输入端连接函数D算法块53的输出端，函数D算法块53的输入端与减法H算法块52的输出端相连，减法H算法块52的一输入端与温度变化率阈值模拟量算法块26相连作为被减数，减法H算法块52的另一输入端与温度变化率模拟量算法块27相连作为减数。这部分的作用是通过温度最高值与温度报警值的偏差和温度变化率与温度变化率阈值的偏差决定增加多少前馈量对燃烧器出口一次风流量进行控制。

第五部分，对应燃烧器前馈控制的限制。其它燃烧器流量A算法块55、其它燃烧器流量B算法块56、其它燃烧器流量C算法块57的输出端连接中值算法块59的输入端，中值算法块59的输出端连接减法I算法块60的一输入端作为被减数，减法I算法块60的另一输入端连接待控制燃烧器流量模拟量算法块58的输出端作为减数，减法I算法块60的输出端连接高限监视E算法块64的一输入端，高限监视E算法块64的另一输入端连接乘法B算法块63的输出端，乘法B算法块63的一输入端连接模拟量设定值E算法块62的输出端，模拟量设定值E算法块62的设定值为“20％”。乘法B算法块63的另一输入端连接对应制粉系统一次风流量模拟量算法块61的输出端，高限监视E算法块64的输出端连接模拟量切换E算法块65的使能端，加法B算法块54的输出端与模拟量切换E算法块65的“N”端连接，模拟量切换E算法块65的“Y”端连接自身的输出端。这部分完成功能为待控制燃烧器的出口一次风流量与其同制粉系统的其它燃烧器出口一次风流量的中值进行比较，当偏差达到|±20％|时，燃烧器前馈控制输出保持。

模拟量切换E算法块65的输出端与模拟量切换F算法块67的“Y”端连接，模拟量切换F算法块67的“N”端与模拟量设定值F算法块66的输出端连接，模拟量设定值F算法块66的值设定为“0”，模拟量切换F算法块67的使能端连接或门B算法块49的输出端。这部分完成对应燃烧器调节前馈控制算法68的投入与切除。当或门B算法块49输出为“1”时，此对应燃烧器调节前馈控制算法68投入；当或门B算法块49输出为“0”时，此对应燃烧器调节前馈控制算法68切除。

实施例4

本发明又提供了一个实施例，是一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法，如图4所示，图4为本发明切圆燃烧锅炉燃烧器布置示意图。

在一种切圆锅炉机组灵活性调峰垂直水冷壁温度控制方法中，独立调整燃烧器出口一次风流量，所述待调整燃烧器的确定。图中A、B、C、D为锅炉炉膛的四面。a、b、c、d为四个燃烧器。例当A墙对应区域发生垂直水冷壁超温时，调整b燃烧器出口一次风流量，以及下面临近制粉系统的b燃烧器出口一次风流量。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。