作者：刘俊杰，侯伟军，程江涛（杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310000）

摘要：本文主要针对热电厂锅炉双引风机变频控制运行无法实现出力动态自动平衡调整的问题，提出了一种基于和利时DCS实现的实时动态自平衡的优化控制方法，解决了热电厂锅炉各种负荷情况下双引风机自动运行时同步控制出力的不同导致耗能增加，机组的整体运行效率受影响的问题。经过现场实际应用验证，双引风机动态出力不平衡的问题得到改善，此方案满足了现场优化节能的控制需求。

关键词：热电厂；双引风机；动态自平衡控制；和利时DCS；优化控制

Abstract: Aiming at the problem that the variable frequency control  operation of double induced draft fans in thermal power plant boiler can  not realize the dynamic automatic balance adjustment of output, this  paper puts forward a real-time dynamic automatic balance optimization  control method based on Hollysys DCS. This method solves the problem  that the energy consumption increases and the overall operation  efficiency of the unit is affected in the synchronous control but different  output of double induced draft fan under automatic operation in various  boiler loads. After practical application，the problem of double induced  draft fan dynamic output imbalance has been improved by the optimal  control method, and this scheme meets the control requirements of  field optimization and energy saving.

Key words:  self-balancing control; HollsSys DCS; Optimal control Thermal power plant; Double induced draf

1　引言

热电厂在运行期间不仅提供高品质蒸汽用于供热或工业生产使用，还需要将剩余的热能进行发电。锅炉作为主要产热设备，其运行的稳定性直接影响到供热品质和发电量，以及消耗的燃煤资源是否得到充分高效的利用[1,2]。因与火力发电厂不同，对外界需要供热能，但热能的需求量又不固定，导致锅炉负荷频繁调整，相应的运行控制难度增加，这就需要更高的自动化程度，适用范围更宽的控制系统和控制方案，才能实现系统的安全稳定运行、能源的高效利用[2]。热电机组为提高热源提供的稳定性及可靠性，其锅炉主要辅机，如引风 机、一次风机等通常均采用双列配置，即两台并列同幅度调节运行，保证单台辅机跳机后不至于引发停炉，但由于机组具体工况有所差异，经常出现两台辅机的出力不同而增加能耗。本文对锅炉在负荷频繁调整时双引风机变频控制过程中无法实现出力平衡动态自动调整的问题进行了分析研究，基于和利时DCS设计了一种可以实现出力动态自平衡调整的优化控制方案，为实现双辅机设备出力平衡运行的控制需求奠定了基础。

2　常规双引风机自动控制方案

引风机是维持锅炉燃烧系统稳定运行的重要辅机设备之一，主要用于排出炉膛内产生的烟气，并使炉膛内维持一定的负压，克服尾部烟道内的压力损失（包括除尘器）。锅炉炉膛负压的稳定直接影响锅炉的燃烧效率[2]。在热电机组选型设计时，对于主要辅机选型都遵循两台辅机是同厂同型号，但由于机组运行时具体工况或安装限制等状况有所差异，经常出现两台引风机的开度相同而出力不同，其中一个明显标志就是两台风机的工作电流值不同。出力偏差的存在，导致在自动调节过程中无法快速应对负荷波动，当接近满负荷时，无法满足工况运行控制的要求。

在锅炉正常生产运行中常规炉膛负压自动控制系统中通常采用一个PID同步控制2台风机变频手操器的控制方案[2,3]，为了确保两台风机出力平衡，在手操器上均设置了输出调整偏执，即当两台辅机都投入自动运行时，在调节过程中，若两台风机开度不一致时或出力（电流）不一致，运行监控人员可通过手操器调整偏执输出△OUT，将开度偏差反向叠加到两台风机的调节指令AV上，若一台辅机的出力小于两台风机出力的平均值，则增加这台辅机的调节指令，同时减小另一台风机开度指令值，最终使两台风机实际出力接近相等。如式（1）、（2）所示：

 AV1=PID（AV）+△OUT 　　　 　（1）

 AV2=PID（AV）-△OUT 　　　　　（2）

式中，AV1：1#引风机的变频手操输出指令。

          AV2：2#引风机的变频手操输出指令。

                      PID（AV）：炉膛负压控制PID自动控制输出。

    △OUT：变频器手操输出偏执指令。

虽然此种运行方式可以一定程度解决双辅机出力不平衡的问题，但这种运行模式下存在两个主要问题，一是运行监控人员需实时关注两台辅机的运行情况，并及时调整运行指令 ；二是运行监控人员手动调节偏差指令时，首先需要根据经验人为判断出调节偏差指令的大小，同时还需频繁手动将指令输入值手操器中。因此，这种操作模式劳动强度大，控制精度低，运行扰动大，同时还需要操作人员有相应运行经验，否则不仅影响到机组的稳定运行，而且使得机组无法快速响应负荷扰动或高负荷运行，不能满足机组高效稳定生产运行控制的需求[3,4]。

3　基于出力动态自平衡优化的双引风机控制方案

3.1　优化控制方案介绍

针对上文所述风机平衡出力运行问题，借助和利时在电力行业的项目经验，进行了多个项目现场实际 情况调研及用户生产运行的需求分析，采取了在常规 PID控制的基础上进行了双引风机动态自平衡控制方案 的优化设计，改进后的控制原理框图如图1所示。

图1 双引风机出力自平衡控制原理框图

整体炉膛负压双引风机自动控制原理框架仍与常规控制基本一致，不同的是在每台引风机的变频手操控制前单独增加出力平衡自调整优化功能块OPT_BAL，此功能块通过读取自身及对应并列风机的电流值、运行频率、运行状态等信号自行判断自身风机是否运行在最优的状况下，如果发现风机运行存在出力偏差，则可以在保证对机组运行状态扰动最小的情况下完成实时自动调整，降低操作人员劳动强度，提高运行稳定性，并且还可以根据不同机组、不同运行状态、不同场合需求进行参数调整，实现了双引风机的出力平衡的全程自动控制，且有较高适用性。

3.2　优化功能块功能和运行模式介绍

通过对双引风机出力平衡控制的需求及控制难点进行分析，借助和利时DCS的HOLLiAS MACS V6.5可自定义功能块功能，设计专门的平衡优化控制功能块OPT_BAL。通过这种自定义功能块的方式，可方便实现双引风机或其它双辅机自动平衡优化控制逻辑的组态设计与现场调试，便于同类工程的重复使用和操作，提高组态设计标准化及调试的效率，此功能块可实现双辅机设备的多种模式的优化自动平衡控制，以达到热电厂生产的多场景运行的使用需求。输入和输出信息如图2 所示。

图2 平衡优化控制功能块设计图

根据运行实际需求可以通过参数修改实现四种模式的控制方式，常见的控制输出可为变频器、液力耦合器和挡板门等可连续调节的双辅机设备。详细控制模式描述如下：

模式1，同步同调控制模式。在双引风机变频调节时，当投入自动时，每台风机频率控制输出，直接跟踪 PID输出值，即输出两台风机前一周期的频率输出值和的平均值。同步调节，即当设定值与被调量存在偏差时，无论大小均进行同步调节输出，两台风机变频器在控制输出时时刻保持输出一致，不考虑电流因素，默认频率信号一致、出力一致。此种模式主要是投入自动时风机频率调整导致扰动，使用场合受限，目前很少现场应用。

模式2，异步同调控制模式。在两台风机运行中，初步考虑了出力平衡，操作员根据风机实际运行状况，通过电流值反馈，手动偏执调节到两台风机出力接近平衡位置，投入自动，此时两台风机变频输出存在一定偏差。同步调节，当投入自动后，偏差不会消失，两台风机会跟踪PID输出的增量变化，同增或同减，并且操作员可以手动随时调整偏差大小。此种模式在投退自动时不会产生系统扰动，也是目前常规现场应用最多的控制方案。但锅炉不同负荷时风机的出力偏差通常是不固定 的，需要人工调整。

模式3，异步异调输出平衡控制模式。同样在两台风机运行中，操作员操作变频器或液偶过程中存在输出偏差，当投入自动时，两台风机不会如模式1直接调平导致系统产生扰动，而是自动判断PID输出，当输出增加时，自动将增加量仅加到输出频率小的设备上，输出减小时则相反，直到两台风机输出接近均值，再进行同步调节，跟踪PID的输出增量值。此种模式在投退自动时同样不会对系统产生扰动，逐渐将两台风机不平衡的输出调至接近平衡状态。可用于无电流反馈或电流反馈不准确的现场，根据两台风机的输出实现无扰平衡调节。

模式4，异步异调出力平衡控制模式。同样在两台风机运行中，操作员通过电流反馈考虑出力平衡，操作变频器或液偶存在输出偏差，当投入自动时，两台风 机输出变化如模式3，自动判断PID输出，当输出增加时，自动将增加量仅加到出力（电流）小的风机频率的设备上，当减小时则相反，直到两台风机出力接近均值，则再进行同步调节，跟踪PID的输出增量值。此种模式在投退自动时不会对系统产生扰动，逐渐将两台风机出力不平衡的状态调至接近平衡状态。此种模式目前在现场需求较多，电流比较准确，但是无法时刻保证出 力平衡。

另外本功能块还考虑了一些特殊情况，在模式3和模式4运行时，不会无限制地进行平衡调整，会增加一些条件，即当锅炉负荷变动PID运行SP与PV偏差超过限制值时则立刻转入同步调节模式，先保证系统稳定， 当偏差较小时再进行平衡调节。在模式4中也有多层调节，当两台风机因出力平衡调节输出频率偏差输出，当频率控制输出偏差超过限制值时则不再继续进行偏差调节，考虑到现场设备具体情况，即使是同种型号设备，也无法达到理想平衡输出，总会存在一定的出力偏差（如电流测量不准等因素），防止了调节出力平衡导致一台风机频率输出过大，一台输出过小，仍无法实现出力平衡的情况。

4　优化控制实际应用效果

本文将以上优化控制方案应用于陕西锦界某化工厂热电部2台480t/h直吹式煤粉炉（单台最大发电量为 125MW）炉膛负压双引风机自动调节回路中，采用的是模式4控制方式，调节曲线如图3所示。图中紫色和黄色分别为两台风机的电流，运行中同频率时最大偏差超 过10A，平均超过6A。在调试过程中因考虑出力平衡限 制条件苛刻，设置出力平衡为±1A以内，且对两台引风机输出偏差过大切除自平衡限制宽泛，导致两台风机输出因出力偏差大，不断进行调整，最终出力调整到满足出力平衡，但输出偏差过大（白色和蓝色为两台风机变频器输出指令），不符合现场运行要求。

图3 双引风机出力动态自平衡调节过程趋势图

 图4 双引风机动态自平衡调节运行趋势图

通过对现场情况实际分析，调整限制值，使得现场两台风机输出偏差在限制范围内实现出力，实时调整接 近平衡，从而满足系统运行稳定降低能耗的需求。经过多次调试，观察锅炉负荷波动中对出力及双引风机输出的影响，最终得到如图4的运行效果。图4为双引风机在优化双平衡自动控制情况下的9小时运行曲线，在双引风未投入自动双平衡前情况下负荷波动会导致炉膛负压波动经常超过±180Pa，投入优化自动平衡后炉膛负压波动维持在±80Pa。出力动态自平衡调节过程，原双引风机电流偏差为＞6A，经过优化控制调整后电流偏差＜3A，达到了炉膛负压稳定且引风机出力动态自平衡的功能，满足了现场的负荷变动且出力平衡的需求， 得到用户的认可和好评。

5　结束语

能源与环境问题已是全球关注的焦点问题，热电联产因蒸汽冷源损失低、热效率高的优势已成为国内外公认有利于环保、节能、增加电力供应的重大有效措施[4]。随着工业技术快速发展，机组容量增大，自动控制水平 提高，不仅要求减少运行成本，减轻运行人员的劳动强度，保证机组的安全运行，更要求实现更为先进智能、 适用范围更宽、功能更为完备的优化精细自动控制方案及系统[5]。本文通过分析双引风机在并列运行时出力不平衡的问题，进行了控制方案的优化，编写了专用功能块，实现了双辅机出力动态自平衡的控制功能，取得了一定的成果，希望能为今后实现锅炉或其它工艺双辅机设备出力动态自平衡自动控制提供参考。

作者简介：

刘俊杰（1986-），男，河北邢台人，工程师，硕士， 现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事电厂热控过程自动化控制、燃烧优化等方面工作。

侯伟军（1981-），男，河北石家庄人，工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事电厂热控过程自动化控制、燃烧优化等方面工作。

程江涛（1979-），男，河北石家庄人，工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事工业过程自动化控制、优化控制等方面工作。

参考文献：

[1] 文群英. 热工自动控制系统 (第三版) [M]. 北京: 中国电力出版社, 2019.02.

[2] 毕贞福, 等. 火力发电厂热工自动控制实用技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.11.

[3] 白志刚. 自动调节系统解析与PID整定[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.07.

[4] 吕剑虹, 王建武, 等. 电厂锅炉燃烧控制系统优化[J]. 中国电力, 2001, 034 (010) : 44 - 47.

[5] 刘强. 电厂锅炉的燃烧优化和运行调整探微[J]. 山东工业技术, 2016, (005) : 150.

摘自《自动化博览》2021年8月刊