智慧电厂干货｜火电厂燃煤机组APS之锅炉风烟系统一键启停

我们看到的下面的图是一幅发电厂锅炉风烟系统启动趋势记录，显示的是送风机的启动过程，画面线条看似单调，背后热工自动控制系统的内涵却非常丰富。这是一套具有“一键启停”水准的锅炉风烟程序控制系统，由智能化的模拟量调节和顺序控制构成，运用了超驰控制、 “三态式”模拟量调节、本安型开关、智能选择器联锁、“自举纠偏”等现代的先进控制技术，由APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down）导引锅炉风烟系统一键启停，全面支持锅炉启动、停止、正常运行、RB甚至FCB工况，控制无忧。

（来源：北极星电力网 作者：王立地）

图1 锅炉风烟系统启动送风自动自举纠偏趋势

曲线注释：

① A送风机合闸

② 打开A送风机出口挡板

③ A送风机启动后开动叶

④ B送风机合闸

⑤ 打开B送风机出口挡板

⑥ B送风机启动后开动叶

⑦ 锅炉总风量25%ECR送风调节器由Stand-By转AUTO

⑧ 送风自动超驰调节

⑨ A、B送风机动叶开度一致，锅炉总风量30%

⑩ 锅炉总风量

一、 送引风机启动概述

在锅炉风烟系统启动前，作为APS启动的充要条件，引风、送风调节回路工作方式已经在自动伺服（Stand-By），锅炉总风量为零，与送风调节器的给定值存在最大偏差。

1. 首先启动锅炉A侧风烟系统。A引风机先于A送风机启动，引风机启动后，引风调节从自动伺服状态转为自动调节方式。

2. 启动A送风机①，打开A送风机出口挡板②，动叶开度初始为0％，也就是锅炉总风量等于零，送风调节最低给定为锅炉总风量的30.4％，则送风调节器入口偏差信号不为零。送风机合闸24秒后，自动纠偏指令发至送风调节纠偏定值切换器，开启A送风机动叶③。

3. 送风机动叶目标开度为75％，按25％/min的速率持续开启增加锅炉风量。

4. 同时，锅炉风烟系统顺序控制继续按步序启动B侧引风机、投B侧引风调节自动，再启动B送风机④，打开B送风机出口挡板⑤，发出自动纠偏指令打开B送风机的动叶⑥，目标开度和变化速率与A送风机相同。

5. 此时，两台送风机在同时增加风量，送风调节器输出跟踪B送风机动叶开度，当监测到总风量小于送风给定值5％时，高低限报警监视器发出“AIR FLOW DIV＝0”的信号，立刻断开送风调节器跟踪开关，送风调节器工作方式从Stand-By自举为AUTO⑦，入口偏差接入送风调节器进行PI运算，送风调节回路将自动形成闭环负反馈控制。

6. 不过，由于A送风机先于B送风机启动，在送风调节自动开始时刻， A送风机动叶已开至49％，大于30％风量下送风机调节器的输出，B送风机动叶的开度则为13％，小于30％风量下送风机调节器的输出，送风自动调节无扰纠偏控制还将继续完成平衡A、B两侧送风机的风量⑧。

7. 送风自动在Stand-By方式下，A和B送风机开度分别反馈到自动/跟踪切换器，送风自动从Stand-By转为AUTO方式0.5秒后，自动/跟踪切换器接收送风调节器发来的输出信号， A送风调节的自动/跟踪切换器输出降低，送风机动叶开度由原来49％按10％／min的速率趋向送风调节器的输出，B送风调节的自动/跟踪切换器输出升高，送风机动叶开度从13％按10％／min的速率趋向送风调节器的输出，最终两侧输出平衡相等⑨。在此过程中，送风调节器也消除了刚刚从Stand-By切至AUTO时5％的偏差，把总风量从25％提高的30％⑩，A、B送风机的开度相等，调节在23％。至此，在开关量顺序控制和模拟量调节自举纠偏功能协同控制下，完成了锅炉风烟系统全程自动启动。

可能看到文章开头的内容，让人觉得突兀，这没关系，重要的是先记住这个确实存在的过程，既有顺序控制又有模拟量调节，开关量和模拟量交互作用，实现了风烟系统的“一键启停”，更多细节后续逐步展开。

二、 锅炉风烟系统工艺系统与设备

图2 锅炉风烟系统

锅炉为单炉膛、四角喷燃、微负压运行、Π式结构、烟道双侧布置、平衡通风，双吸离心式一次风机，动叶可调轴流式送风机和引风机，容克式三分仓旋转空气预热器。锅炉风烟系统合计37台设备。详见图2。

三、 锅炉风烟系统的控制

1. 开关量控制

锅炉风烟系统设计有顺序控制、联锁自动、联锁保护和手动操作，控制分组见图3。

1） 顺序控制

系统级控制，直接纳入顺序控制的设备有31台，包括6套单元控制，① A送风机单元；② B送风机单元；③ A引风机单元；④ B引风机单元；⑤ A空气预热器单元；⑥ B空气预热器单元。还包括A/B空气预热器二次风出口挡板和A/B空气预热器烟气入口挡板等4台设备。

2） 智能选择器联锁自动

有8对一用一备的设备共计16台，① A1／A2送风机控制油泵、② A1／A2引风机冷却风机、③ B1／B2送风机控制油泵、④ A1／A2引风机控制油泵、⑤ B1／B2引风机冷却风机、⑥ B1／B2引风机控制油泵、⑦ A1／A2空预器润滑油泵、⑧ B1／B2空预器润滑油泵。这些联锁的最大特点是设备在静止状态，也就是设备或系统启动之前，联锁即可投入“自动”，由DCS逻辑全程控制，机组任何运行工况下都不需要人工操作。

3） 还有14台设备由自动联动控制。

图3 锅炉风烟系统控制分组

2. 模拟量调节

锅炉风烟系统启动以顺序控制为主线，不过，从某种意义上来说，风烟系统启动成功与否取决于模拟量自动调节而非顺序控制。从机组设备运转开始，模拟量调节就参与其中，自动调节回路“手动／自动”的投切、调节器“手动”投“自动”之前调节器入口偏差的纠正，一切都要由DCS智能化的逻辑自动完成。在机组启、停乃至正常运行过程中，模拟量自动调节始终贯穿全程，调控锅炉风烟系统参数，是自动启动、运行的重要支撑。模拟量自动调节必须具备全工况、全过程和全自动的控制水平，锅炉风烟系统才能真正实现“一键启停”。锅炉风烟系统模拟量自动调节主要由锅炉送风调节和引风调节回路组成，引风调节回路维持锅炉炉膛负压，送风调节控制入炉助燃风量。

图4 锅炉送风、引风自动调节原理框图

四、 引风自动调节工作原理

引风自动调节回路的工作方式采用“三态式”设计，控制功能符合APS系统对模拟量自动调节的要求。引风自动采用单级PI调节，一拖二方式控制A、B引风调节输出回路的M/A操作站，A、B两个引风自动调节回路共用一个引风PID调节器。

图5 引风自动PID调节原理

1. 引风自动信号流程

引风自动调节的输入偏差Δ＝锅炉炉膛负压（FURNACE DRAFT）－炉膛负压给定（IDF SET）。锅炉炉膛负压信号与炉膛负压给定信号的偏差顺序经过一个函数发生器和两个乘法器，作为引风PID调节器的输入信号。函数发生器把偏差值放大10倍，输出斜率＝Y／X＝10，并把偏差值限定为线性输出。函数输出作为第一个乘法器的乘数，被乘数来自另一个函数，这个函数输入来自经过热量修正后的锅炉总煤量，用于消除锅炉燃烧变化对引风调节产生的内部扰动。引风机自动投运台数的增益对偏差做进一步修正，两台引风机都投自动（A-IDF AUTO & B-IDF AUTO），比例系数为1，只有一台引风机投自动，比例系数选择2，用于维持引风PID调节回路自动调节品质，不因风机数量不同而改变引风调节的输出特性。引风机PID调节器后有一加法器，引入动态超前信号，由来自A、B送风调节输出指令反馈之和经函数（FX）转换后与引风自动调节器入口偏差的微分信号（D）相加得出。送风调节回路输出在引风调节回路动态超前信号中起到主导作用，引风调节可以看成与送风自动形成随动控制。

引风调节器（PIQ）应用了比例、积分运算，没有使用PID调节器内部的微分功能，而是采用了一个独立的微分器（D）与引风调节器（PIQ）并联，微分作用与调节器比例、积分输出相加，这样设计能够单独调整微分超前信号强度，而且微分和比例、积分参数整定互不影响，利于引风调节现场试验整定。

2. 引风自动伺服与调节

1） 自动伺服（Stand-By）

A引风机自动调节回路在伺服（A-IDF AUTO ST-BY），要同时满足以下4个条件：

(1) A引风自动调节回路输出控制正常（A-IDF DRV NOR）；

(2) 炉膛负压变送器工作正常（FURNACE DRAFT NOR）；

(3) A引风自动M／A站自动按键（A-IDF CD ATUO PB）已触发；

(4) A引风自动M／A站手动按键（A-IDF CD MANUAL PB）未触发。

图6 引风自动调节Stand-By & AUTO

1） 自动调节（AUTO）

A引风机自动调节回路已投自动工作方式，同时满足以下4个条件：

(1) A引风机自动调节回路已在伺服方式（A-IDF AUTO ST-BY）；

(2) A引风机合闸（A-IDF ON）已超过40秒；

(3) 无“A引风机动叶关闭到0％”（not，IDF-1 IN V/V CLS COM）的指令；

(4) 既无“B启A停，A引风机动叶关闭到0％”（A-IDF DMP INT CLOSE）的指令，也无“A、B全停两台引风机动叶全都开至100％保持130秒”（BOTH IDF DMP INT OPN）的指令。

注：B引风机的ST-BY、AUTO和MAN工作原理与A引风机相同，可参照A引风机的相关逻辑。

五、 送风自动调节工作原理

送风自动调节回路按照“三态式自举纠偏无扰投自动”的功能设计。回路由一个PID调节器和A、B两个送风机M/A站组成一拖二的单级送风自动调节系统。自举纠偏无扰投自动的回路设计在PID调节器和M/A站之间，送风调节自动实施无扰纠偏时，调节回路工作方式在Stand-By状态下，回路纠偏采用超驰控制，当调节器入口偏差被调节到小于规定值时，三态式控制逻辑自动地把送风调节回路从Stand-By状态自举到AUTO方式。PID调节器跟踪开关Ts被控制逻辑断开后，调节器的输入由跟踪值Tr转为送风调节器入口偏差，送风PID调节器开始闭环自动调节。不过，虽然调节器入口的偏差接近等于零，纠偏过程并未最后结束。这是因为调节器入口偏差是锅炉总风量与调节回路给定风量的代数和，而总风量主要由A、B两台送风机风量相加得出，由于A、B两侧送风机先后顺序启动，纠偏过程是开环控制，所以A、B送风机的风量并不相同，而且两者风量相差较大，这种A、B送风机风量不平衡的运行工况，送风自动是无法正常工作的。因此，在送风调节回路闭环调节的初始阶段，还要进行一次A、B送风机风量的自动平衡纠偏，控制先启动的送风机按一定速率向调节器输出值关小动叶，后启动的送风机按同样速率向调节器输出值开大动叶，最后实现两台送风机的风量基本相等，而送风调节器闭环控制维持总风量等于给定风量。

1. 送风自动回路结构

送风自动调节回路为单级自动PID调节器，自动调节回路的偏差由送风给定信号（FDF SV）和总风量信号（TOTAL AIR FLOW）的代数和得出，偏差信号先后经过两个乘法器修正，然后输入PID调节器。

图7 送风自动PID调节原理

2. 送风自动给定

送风自动调节给定值（FDF SV），源于锅炉的燃料量，按照风煤配比把燃料量转换成给定风量，当燃烧控制方式在自动时，选择锅炉目标燃料量进行转换，燃烧控制非自动工作方式时，选用入炉煤总燃料量进行转换。进入送风调节器作为给定值之前还要加入风量超前加速信号（BIR AIR），并且要经过氧量校正才能成为送风自动调节给定值（FDF SV）。在FDF SV形成过程中，锅炉最低风量被限定为总风量的30.4％。锅炉总风量（TOTAL AIR FLOW）＝A送风机出口风量（FDF-A DISCHARGE FLOW）＋B送风机出口风量（FDF-B DISCHARGE FLOW）。

3. 偏差监测（AIR FLOW DIV＝0）

送风自动调节偏差（AIR FLOW DIV）＝送风给定值（FDF SV）－锅炉总风量（TOTAL AIR FLOW）

1） 送风自动调节偏差（AIR FLOW DIV）至调节器入口，中间设计有两个乘法器对偏差信号进行修正。

2） 第一个乘法器根据送风调节自动投入的回路数来修正“传递系数”，当两个送风调节回路同时自动工作方式并列运行时，传递系数＝1.0，只有一个送风调节回路自动运行时，传递系数＝1.5。

3） 第二个乘法器修正执行器开度的非线性。修正系数由A、B送风调节“自动”（A/B-FDF AUTO）对应选择来自A、B送风机动叶开度反馈（FDF A/B CD RB）与送风调节偏置（FDF BIAS）的代数和，通过函数变换后与调节器偏差再次相乘。

4） 利用高／低限监报警视器对送风自动调节偏差进行监测，当总风量接近送风自动调节给定值偏差且小于5％，即发出信号：风量偏差等于零（AIR FLOW DIV＝0），触发自动无扰纠偏逻辑动作。

4. A送风自动伺服与调节

1） A送风自动伺服（A-FDF Stand-By）

同时满足以下6个条件：

(1) 模拟量系统自动调节不在手动方式（not MCS MANUAL MODE）；

(2) A送风自动调节输出控制正常（A-FDF DRV NOR）；

(3) 总风量信号正常（TOTAL AIR FLOW S.NOR）；

(4) 总燃料（煤＋油）信号正常（TFF SIGNAL NORMAL）；

(5) A送风自动M／A站自动按键（A-FDF DRIVE AUTO PB）已触发；

(6) A送风自动M／A站手动按键（A-FDF DRIVE MANUAL PB）未触发。

图8 送风调节Stand-By与AUTO

2） A送风自动调节（A-FDF AUTO）

同时满足以下5个条件：

(1) 既无“关闭A送风机动叶” （not，A-FDF DMP INT CLOSE）指令也无“全开两台送风机口动叶”指令（not，BOTH FDF INT OPEN）；

(2) A送风自动在伺服；（A-FDF AUTO ST-BY）

(3) 引风调节A或B已投“自动”；（（A-IDF AUTO）or（B-IDF AUTO））

(4) A送风机合闸已超过25秒；（A-FDF ON，T＝25.0）

(5) 既无“A送风机动叶开度X%”指令（not，A-FDF VAN X% CMD）也无“关闭A送风机动叶”指令（not，A-FDF IN V/V CLS COM）。