超臨界機組協調控制系統的分析與改進

曹曉威，谷俊杰，王丕洲

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

當前國內超臨界機組協調控制系統以間接能量平衡 (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節給煤機轉速來控制的，而是借助調節進入磨煤機的一次風量來控制的。控制磨組的出力轉變為控制總的一次風量。控制負荷增長的快慢主要依賴于前饋對磨煤機一次風擋板開度的調節。為改善協調控制系統動態品質，引入了加快鍋爐動態響應的并行前饋信號，通過對鍋爐主控制器變參數控制，實現在不同負荷下控制品質優化。

1 超臨界機組的動態特性與數學模型

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在燃水比例的變化，引起鍋爐工質儲量的變化，從而改變各受熱面積比例。影響鍋爐內工質儲量的因素很多，主要有外界負荷、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特性通常存在一定差異。3種階躍擾動下輸出響應曲線如圖1所示。圖中:W為給水流量;μT為汽機調門開度;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節對象，如圖2所示，考慮鍋爐主要調節量 (汽輪機調門開度、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節對象，則其動態模型可以簡化成為如圖3所示。

圖2 超臨界機組控制系統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

建立控制系統模型的傳遞矩陣:

2 IEB協調控制系統和差法解耦分析

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原理方框圖。得到圖6所示實現雙向補償的超臨界協調系統原理方框圖。

圖6中函數發生器F1(x)，F2(x)為設置的拉回回路，F3(x)為將功率信號MW轉化為回路所需的百分數信號。

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

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

圖6 雙向補償的協調控制原理方框圖Fig.6 Block diagram of the two －way compensated coordinated control system

采用機組給定負荷前饋使得燃燒系統提前加所需的95%煤量，有效地克服了鍋爐的大滯后特性。為了實現雙向補償，該系統中把功率偏差信號引入汽機調節器，實現對鍋爐側擾動的補償，同時，也把功率定值作為汽機調節器的前饋信號。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生時，使能量供求關系的失衡限制在較小的范圍內 (包括幅值和時間上)。引入了前饋、補償等控制技術使機、爐協調配合，提高控制品質[2]。

3 600MW超臨界機組協調控制改進分析

某電廠2×600 MW超臨界機組采用鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統。通過汽輪機調節閥的開度控制機組負荷，提高了機組的負荷響應能力。單純地以鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統在負荷變化或燃料擾動時主汽壓力波動很大，為提高其控制品質引入了前饋調節。

該廠的協調控制系統如圖7所示。圖8、圖9所示的協調控制方案下的鍋爐主控、汽機主控形成組態圖中引入的前饋信號包括:

鍋爐側前饋信號:

式中:K1～K8為增益系數;PS為速率限制后壓力設定值;PT為機側壓力;ULD為機組負荷。

汽機側前饋信號:f5(ULD)

3.1 協調控制方式下的鍋爐主控

圖8中的鍋爐側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):為壓力的動態偏差和負荷控制偏差的綜合前饋校正。運行時鍋爐側閉環調壓+負荷控制偏差的前饋，相當于是帶功率控制的鍋爐跟隨，這樣充分發揮了“鍋爐跟隨”的優點[3]。

圖7 協調控制簡圖Fig.7 Diagram of the coordinated control system

圖8 協調控制方式下鍋爐主控指令形成組態圖Fig.8 The configuration diagram of the boiler main control directive in coordinated control system

圖9 協調控制方式下汽機主控指令形成組態圖Fig.9 Configuration diagram of the turbine main control directive in coordinated control system

F1(x)，F2(x)分別將壓力信號 (MPa)、負荷信號 (MW)轉化為子回路所需的百分數信號。前饋信號 (1)使鍋爐燃燒系統提前加入調節偏差所需要的煤量。圖8中延時模塊可實現先長負荷，后長壓力。

圖10 函數發生器F3(x)圖像Fig.10 Image of function generator F3(x)

①K4f3(ULD)為機組負荷指令對鍋爐燃料量、送風量、給水量的靜態前饋。在圖8中可看到機組負荷的靜態前饋的增益系數為0.95，即由鍋爐的靜態前饋使燃燒系統提前加入95%所需的煤量。因此在機組變負荷過程中，為使鍋爐主汽壓力快速跟上機組負荷的變化趨勢，首先要關注機組負荷指令對鍋爐燃料的靜態前饋的影響。函數發生器F3(x)是根據一定的負荷變化量對應一定的燃料變化量的原則設計的，是對機組變負荷過程中鍋爐主控信號的粗調，為了加快鍋爐側的響應速度，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荷變化率[4]。

鍋爐主控指令的形成過程:在協調方式未投入時，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;當投入協調方式時，主汽壓力設定值和機側壓力偏差經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，以保證平穩的變化，形成了協調控制方式下的鍋爐主控指令。

3.2 協調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，只有機組負荷指令的前饋信號，使汽機快速響應負荷的變化。當機組負荷指令增大時，此前饋首先將汽輪機調節閥開度增大到一個比較大的定值，進行粗調。由PID調節器對 (pv－sp)的偏差進行細調，使輸出功率和負荷的偏差為0。

汽輪機主控回路主要負責機組負荷的調節，同時兼顧壓力的調節。負荷指令由機組給定負荷、主汽壓力偏差和實發功率3部分組成。主汽壓力控制偏差經非線性函數發生器F4(x)校正后與機組給定負荷相加是為了讓汽機側在調功率的同時兼顧主汽壓力。若負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中函數發生器F4(x)設定的死區，汽機側將轉入壓力拉回方式，即汽機側同時進行調功和調壓，從而保證壓力的波動限制在所設定的死區范圍之內。但是加入汽壓死區限制、功率上下限幅等，在系統中引入了非線性，使系統復雜化[6]。

圖11 函數發生器F4(x)Fig.11 Image of function generator F4(x)

鍋爐是個大滯后環節，汽機是個快速環節。在協調方式下，應先行控制鍋爐側，再動汽機側，因此對機組給定負荷設置一個延遲環節，經一次調頻校正后，使機組指令包括調頻所需的附加功率指令。頻差校正只在協調控制方式投入，其他方式時自動切除。

4 結論

合理地設計與調整協調控制系統的并行前饋，可以使鍋爐的燃燒控制系統、給水控制系統、汽輪機的負荷調節系統在變負荷運行時及時動作，補償汽輪機調門變化所釋放的鍋爐蓄能，提高機組在滑壓運行時負荷響應速度。