超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與改進

曹曉威，谷俊杰，王丕洲

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以間接能量平衡 (IEB)控制方案為主[1]，且部分超臨界機組配以雙進雙出鋼球磨煤機。與其他型式的磨煤機不同，雙進雙出磨煤機的磨煤出力不是靠直接調(diào)節(jié)給煤機轉(zhuǎn)速來控制的，而是借助調(diào)節(jié)進入磨煤機的一次風(fēng)量來控制的?？刂颇ソM的出力轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂瓶偟囊淮物L(fēng)量?？刂曝?fù)荷增長的快慢主要依賴于前饋對磨煤機一次風(fēng)擋板開度的調(diào)節(jié)。為改善協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)，引入了加快鍋爐動態(tài)響應(yīng)的并行前饋信號，通過對鍋爐主控制器變參數(shù)控制，實現(xiàn)在不同負(fù)荷下控制品質(zhì)優(yōu)化。

1 超臨界機組的動態(tài)特性與數(shù)學(xué)模型

從控制特性角度來分析，直流鍋爐與汽包鍋爐的主要不同點表現(xiàn)在燃水比例的變化，引起鍋爐工質(zhì)儲量的變化，從而改變各受熱面積比例。影響鍋爐內(nèi)工質(zhì)儲量的因素很多，主要有外界負(fù)荷、燃料流量和給水流量[2]。對于不同壓力等級的直流鍋爐，各段受熱面積比例不同。壓力越高，蒸發(fā)段的吸熱量比例越小，而加熱段與過熱段吸熱量比例越大。因而，不同壓力等級直流爐的動態(tài)特性通常存在一定差異。3種階躍擾動下輸出響應(yīng)曲線如圖1所示。圖中:W為給水流量;μT為汽機調(diào)門開度;μB為燃燒率;PT為蒸汽壓力;N為機組功率。

圖1 直流鍋爐動態(tài)特性曲線Fig.1 Dynamic characteristic curve of the concurrent boiler

超臨界單元機組可以簡化成一個三輸入三輸出的多變量調(diào)節(jié)對象，如圖2所示，考慮鍋爐主要調(diào)節(jié)量 (汽輪機調(diào)門開度、給煤量、給水流量)對功率N、主汽壓力PT、主汽溫T、中間點焓值H的影響。

在水煤比控制良好的情況下，給水流量控制擾動不再是考慮范圍，超臨界單元機組可看成一個兩輸入兩輸出的多變量調(diào)節(jié)對象，則其動態(tài)模型可以簡化成為如圖3所示。

圖2 超臨界機組控制系統(tǒng)輸入輸出信號示意圖Fig.2 Schematic diagram of supercritical unit control systems input and output signals

圖3 機組的輸入－輸出控制配對Fig.3 Input － output control paired of unit

建立控制系統(tǒng)模型的傳遞矩陣:

2 IEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和差法解耦分析

由上述式 (1)可得:

式 (3)兩邊同乘－k1與式 (2)相加得式(4):

式 (2)兩邊同乘k2與式 (3)相加得式(5):

利用超臨界機組的動態(tài)特性的圖形特點，由圖 1(a)可看出 WNμB和 WPTμB形狀相似，圖 1(b)中 WPTμT的微分與 WNμT的形狀相似。只要K1和K2值取的合適則有:

進而可對IEB系統(tǒng)進行和差法解耦如圖4所示。

簡化得圖5所示超臨界直流鍋爐控制系統(tǒng)原理方框圖。得到圖6所示實現(xiàn)雙向補償?shù)某R界協(xié)調(diào)系統(tǒng)原理方框圖。

圖6中函數(shù)發(fā)生器F1(x)，F(xiàn)2(x)為設(shè)置的拉回回路，F(xiàn)3(x)為將功率信號MW轉(zhuǎn)化為回路所需的百分?jǐn)?shù)信號。

圖4 解耦后控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block diagram of the decoupled control system

圖5 簡化后控制系統(tǒng)方框圖Fig.5 Block diagram of the simplified control system

圖6 雙向補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制原理方框圖Fig.6 Block diagram of the two －way compensated coordinated control system

采用機組給定負(fù)荷前饋使得燃燒系統(tǒng)提前加所需的95%煤量，有效地克服了鍋爐的大滯后特性。為了實現(xiàn)雙向補償，該系統(tǒng)中把功率偏差信號引入汽機調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對鍋爐側(cè)擾動的補償，同時，也把功率定值作為汽機調(diào)節(jié)器的前饋信號。提前給出一定的控制量，在機爐之間能量將要失去平衡或不平衡剛剛發(fā)生時，使能量供求關(guān)系的失衡限制在較小的范圍內(nèi) (包括幅值和時間上)。引入了前饋、補償?shù)瓤刂萍夹g(shù)使機、爐協(xié)調(diào)配合，提高控制品質(zhì)[2]。

3 600MW超臨界機組協(xié)調(diào)控制改進分析

某電廠2×600 MW超臨界機組采用鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。通過汽輪機調(diào)節(jié)閥的開度控制機組負(fù)荷，提高了機組的負(fù)荷響應(yīng)能力。單純地以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化或燃料擾動時主汽壓力波動很大，為提高其控制品質(zhì)引入了前饋調(diào)節(jié)。

該廠的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖7所示。圖8、圖9所示的協(xié)調(diào)控制方案下的鍋爐主控、汽機主控形成組態(tài)圖中引入的前饋信號包括:

鍋爐側(cè)前饋信號:

式中:K1～K8為增益系數(shù);PS為速率限制后壓力設(shè)定值;PT為機側(cè)壓力;ULD為機組負(fù)荷。

汽機側(cè)前饋信號:f5(ULD)

3.1 協(xié)調(diào)控制方式下的鍋爐主控

圖8中的鍋爐側(cè)4個前饋信號:前饋信號(1)～(4)，信號的具體含義及形成過程如下:

(1)K1f1(PS－PT)+K2f2(ΔULD):為壓力的動態(tài)偏差和負(fù)荷控制偏差的綜合前饋校正。運行時鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓+負(fù)荷控制偏差的前饋，相當(dāng)于是帶功率控制的鍋爐跟隨，這樣充分發(fā)揮了“鍋爐跟隨”的優(yōu)點[3]。

圖7 協(xié)調(diào)控制簡圖Fig.7 Diagram of the coordinated control system

圖8 協(xié)調(diào)控制方式下鍋爐主控指令形成組態(tài)圖Fig.8 The configuration diagram of the boiler main control directive in coordinated control system

圖9 協(xié)調(diào)控制方式下汽機主控指令形成組態(tài)圖Fig.9 Configuration diagram of the turbine main control directive in coordinated control system

F1(x)，F(xiàn)2(x)分別將壓力信號 (MPa)、負(fù)荷信號 (MW)轉(zhuǎn)化為子回路所需的百分?jǐn)?shù)信號。前饋信號 (1)使鍋爐燃燒系統(tǒng)提前加入調(diào)節(jié)偏差所需要的煤量。圖8中延時模塊可實現(xiàn)先長負(fù)荷，后長壓力。

圖10 函數(shù)發(fā)生器F3(x)圖像Fig.10 Image of function generator F3(x)

①K4f3(ULD)為機組負(fù)荷指令對鍋爐燃料量、送風(fēng)量、給水量的靜態(tài)前饋。在圖8中可看到機組負(fù)荷的靜態(tài)前饋的增益系數(shù)為0.95，即由鍋爐的靜態(tài)前饋使燃燒系統(tǒng)提前加入95%所需的煤量。因此在機組變負(fù)荷過程中，為使鍋爐主汽壓力快速跟上機組負(fù)荷的變化趨勢，首先要關(guān)注機組負(fù)荷指令對鍋爐燃料的靜態(tài)前饋的影響。函數(shù)發(fā)生器F3(x)是根據(jù)一定的負(fù)荷變化量對應(yīng)一定的燃料變化量的原則設(shè)計的，是對機組變負(fù)荷過程中鍋爐主控信號的粗調(diào)，為了加快鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度，必須使這部分煤量的變化速度合適，并且其變化率要快于機組負(fù)荷變化率[4]。

鍋爐主控指令的形成過程:在協(xié)調(diào)方式未投入時，輸出強制等于跟蹤參比信號TR值，即鍋爐主指令強制等于鍋爐主控輸出;當(dāng)投入?yún)f(xié)調(diào)方式時，主汽壓力設(shè)定值和機側(cè)壓力偏差經(jīng)PID控制器純積分和純微分后，由高/低限制器輸出在[0，105]范圍內(nèi)的指令，在速率限制器中積分和微分的速率限制在10/sec以內(nèi)，以保證平穩(wěn)的變化，形成了協(xié)調(diào)控制方式下的鍋爐主控指令。

3.2 協(xié)調(diào)控制方式下的汽機主控

汽機主控相較鍋爐主控而言比較簡單，只有機組負(fù)荷指令的前饋信號，使汽機快速響應(yīng)負(fù)荷的變化。當(dāng)機組負(fù)荷指令增大時，此前饋首先將汽輪機調(diào)節(jié)閥開度增大到一個比較大的定值，進行粗調(diào)。由PID調(diào)節(jié)器對 (pv－sp)的偏差進行細(xì)調(diào)，使輸出功率和負(fù)荷的偏差為0。

汽輪機主控回路主要負(fù)責(zé)機組負(fù)荷的調(diào)節(jié)，同時兼顧壓力的調(diào)節(jié)。負(fù)荷指令由機組給定負(fù)荷、主汽壓力偏差和實發(fā)功率3部分組成。主汽壓力控制偏差經(jīng)非線性函數(shù)發(fā)生器F4(x)校正后與機組給定負(fù)荷相加是為了讓汽機側(cè)在調(diào)功率的同時兼顧主汽壓力。若負(fù)荷變化速度或幅度過大;燃料擾動過大時，壓力控制偏差 (PS－PT)超過圖11中函數(shù)發(fā)生器F4(x)設(shè)定的死區(qū)，汽機側(cè)將轉(zhuǎn)入壓力拉回方式，即汽機側(cè)同時進行調(diào)功和調(diào)壓，從而保證壓力的波動限制在所設(shè)定的死區(qū)范圍之內(nèi)。但是加入汽壓死區(qū)限制、功率上下限幅等，在系統(tǒng)中引入了非線性，使系統(tǒng)復(fù)雜化[6]。

圖11 函數(shù)發(fā)生器F4(x)Fig.11 Image of function generator F4(x)

鍋爐是個大滯后環(huán)節(jié)，汽機是個快速環(huán)節(jié)。在協(xié)調(diào)方式下，應(yīng)先行控制鍋爐側(cè)，再動汽機側(cè)，因此對機組給定負(fù)荷設(shè)置一個延遲環(huán)節(jié)，經(jīng)一次調(diào)頻校正后，使機組指令包括調(diào)頻所需的附加功率指令。頻差校正只在協(xié)調(diào)控制方式投入，其他方式時自動切除。

4 結(jié)論

合理地設(shè)計與調(diào)整協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的并行前饋，可以使鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)、汽輪機的負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)在變負(fù)荷運行時及時動作，補償汽輪機調(diào)門變化所釋放的鍋爐蓄能，提高機組在滑壓運行時負(fù)荷響應(yīng)速度。