火電機組直接能量平衡DEB控制策略分析及優化

祝建飛　葉穎俊　章　濤　王　煦　史嘯曦

(上海明華電力技術工程有限公司1，上海　200090；外高橋發電有限責任公司2，上海　200137)

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火電機組直接能量平衡DEB控制策略分析及優化

祝建飛1葉穎俊2章濤2王煦1史嘯曦2

(上海明華電力技術工程有限公司1，上海200090；外高橋發電有限責任公司2，上海200137)

摘要：火電機組直接能量平衡是建立在能量平衡概念基礎上的一種機、爐協調控制策略。隨著電網對機組變負荷性能的要求越來越高，以及鍋爐燃用的煤種變化較大、燃煤摻燒等因素，傳統DEB控制逐漸暴露出存在的一些不足。介紹了一種DEB控制策略改進方法，采用新的前饋方式和智能變負荷超調，引入燃煤熱值系數進行修正，并采用PID變參數控制。現場試驗表明，這些措施解決了原先煤量指令落后負荷指令、變負荷超調適應性不足、無法主動響應燃煤品質變化等問題，有效提高了機組整體負荷變化能力。

關鍵詞：能量平衡協調控制前饋控制優化改進智能超調火電機組修正PID控制

0引言

火電機組是一個多輸入、多輸出的強耦合多變量系統，其中鍋爐和汽輪機的動態對象特性差異較大。鍋爐具有明顯的大慣性、非線性和時變性等特點。機組負荷協調控制系統(coordinated control system,CCS)則要協調控制鍋爐煤量、給水量、風量和汽輪機調門開度等輸入參數，獲得機組負荷、主蒸汽壓力等主要輸出參數的良好控制品質，以滿足電網對機組變負荷性能和機組本身安全經濟運行的要求。直接能量平衡(direct energy balance,DEB)控制方法最早由美國L&N控制公司提出，是建立在直接能量平衡概念基礎上的一種機、爐協調控制策略，能克服鍋爐側的非線性和慣性大的影響，實現協調控制的單向解耦[1-5]。但隨著電網對機組變負荷性能的要求越來越高，加上鍋爐燃用的煤種變化較大、燃煤摻燒等因素，目前DEB控制逐漸暴露出存在的一些不足[6]，為此，必須對原先的DEB控制策略加以改進。本文通過分析DEB控制策略原理，指出了目前存在的一些問題，并介紹了一種DEB控制策略改進方法。現場試驗表明，該方法能有效解決這些問題，提高機組協調變負荷能力。

1DEB控制策略原理分析

某電廠320 MW亞臨界火電機組，其鍋爐為上海鍋爐廠引進美國CE公司技術設計制造的1 025 t/h亞臨界一次中間再熱強制循環汽包鍋爐；汽輪機為上海汽輪機廠引進美國西屋公司技術制造的中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、凝汽式汽輪機；控制系統采用美國METSO公司的MAX1000，后升級改造為MAX DNA系統；機組協調控制系統采用直接能量平衡DEB控制策略。

機組協調DEB控制策略是建立在直接能量平衡概念基礎上的一種機、爐協調控制方案。該方案的主要特點是：能快速地控制機組的發電負荷，使之與外界負荷要求相匹配；根據汽機對鍋爐的能量需求來控制鍋爐的出力，以維持能量平衡，保持主蒸汽壓力的穩定。

在實際應用中，DEB協調控制系統中還增加了一個“能量需求” 的微分信號,它是作為變負荷時的“動態補償”。負荷增加時,鍋爐蓄能也將增大,所以必須多增加一部分燃燒率，以滿足這種蓄能變化的需要。另外，還有壓力設定值的微分信號。當提高壓力設定值時，須多增加一部分燃煤；當降低壓力設定值時，須多減少一部分燃煤。DEB方式下能量需求信號和鍋爐側煤量控制示意圖如圖1所示。

圖1　DEB控制框圖Fig.1　Block diagram of DEB control

2DEB控制策略存在的不足

隨著電網對機組AGC變負荷性能要求的提高，加上燃用的煤種變化較大、煤質日益變差、燃煤摻燒等因素，目前DEB控制暴露出存在的一些不足，主要有：

①煤量變化滯后于汽機調門動作。在DEB方式下，當鍋爐能量需求BD發生變化后，煤量指令才會相應變化。而BD要在汽機調門動作引起調節級壓力和主蒸汽壓力改變后才會發生變化，故變負荷時煤量變化滯后于調門動作，容易導致汽壓偏差大而閉鎖負荷增減。

②煤量超調方式不合理。在DEB方式下變負荷時，BD指令本身有動態補償(即超調)，BD指令再經過“超前滯后”環節產生煤量超調。當發生汽壓閉鎖時，負荷指令停止變化，導致煤量超調復位，不利于主汽壓恢復,影響機組變負荷性能。

③對燃煤品質變化適應不夠。原先的控制策略中沒有引入燃煤熱值修正系數，無法主動根據煤質的變化改變控制指令，而只能根據能量需求和鍋爐熱量之間的偏差,被動地響應煤質的變化。

煤量調節PID沒有進行變參數控制，沒有根據相關參數的變化自適應地調整PID控制參數，因此不利于提高控制性能。

實際上，DEB控制回路中的參數整定也有一定難度，要調整的參數比常規的協調控制回路多，須通過物理概念來確定相關參量[7]。譬如鍋爐蓄熱系數CB的整定，要求在鍋爐煤量保持穩定的情況下，階躍改變汽機調門開度，調整系數CB使鍋爐熱量HR維持不變。由于整定CB時要多次較大幅度地改變汽機調門開度，帶來工況擾動，加之辨識方法的誤差、鍋爐非線性等因素，使得系數CB的精確整定存在一定困難。其實對于采用中速磨直吹式制粉系統的燃煤發電機組而言，由于入爐給煤量能夠實時測量，因此通過優化煤量前饋控制，完全能夠取得優于傳統DEB策略的控制效果。

3DEB控制策略優化改進

由于上述問題的存在，采用目前的DEB控制方式，較難進一步提高機組變負荷速率，故必須進行優化改進。考慮到實施工作量和可操作性，保留原先的DEB控制框架，這樣可暫對原有RB控制功能、汽機主控等回路不作修改，而主要改進現有DEB策略中存在的不足，即鍋爐側的煤量控制。通過改變其前饋生成方式，并采用新的超調控制，加入煤質熱值修正系數，以適應不同的煤質情況。改進后的控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2　改進后DEB方式鍋爐側控制框圖Fig.2　Block diagram of the boiler side control with improved DEB mode

優化改進的主要內容有以下幾方面：

①保留原先的燃料控制PID，改進PID前饋方式。前饋不再采用BD指令，BD指令只作為PID設定值，即BD指令只參與PID的反饋調節。新的前饋主要采用負荷指令的函數，并經過一定的速率限制，這樣能夠使得負荷指令變化的同時煤量立即發生變化。智能超調由變負荷信號觸發，區分加、減方向，并根據鍋爐蓄熱變化情況來智能復位超調。當變負荷消失時，如果鍋爐蓄熱沒有得到補充或者釋放，則超調仍會存在；再用汽壓偏差-煤量修正函數進行補充，以減少變負荷過程中的汽壓偏差。

②根據當前燃用煤質情況由運行人員輸入合適的熱值系數，煤量指令會根據該系數進行相應調整。參考目前機組常用煤種及摻燒情況，將燃煤熱值4 500大卡/kg設置為標準熱值。若煤質較好，燃煤平均熱值高于標準熱值，則邏輯計算出的熱值系數大于1，煤量前饋量相應變小；若煤質較差，燃煤平均熱值低于標準熱值，則邏輯計算出的修正系數小于1，煤量前饋量相應增大。

③另外對煤量PID進行變參數控制，以提高主汽壓及負荷的控制品質。按照負荷指令對應的函數自動調整燃料調節器的比例增益。根據汽壓偏差對應的函數，自動調整燃料調節器的積分作用,并區分變負荷和穩態工況，在動態變負荷過程中減弱積分作用，以免過度積分造成超調過多；在穩態調節過程中，恢復積分作用，以消除靜態控制偏差。

4熱態變負荷試驗

按照上述優化改進方案，在機組停機檢修時進行了控制邏輯修改，并進行了冷態功能測試；在機組正常運行后進行了熱態變負荷試驗。通過試驗來調試改進后的控制回路，驗證新的控制功能是否能正確實現。

通過試驗可以發現，新的前饋量要高于原先的前饋量，且更接近于實際的PID輸出，即更接近實際煤量，從而在變負荷時能夠更加精準地獲得前饋變化量，降低PID的工作強度，有利于負荷協調控制。另外，由于新的前饋直接由負荷指令的函數生成，煤量超調由變負荷信號觸發，故變負荷時煤量變化不再落后于汽機調門，超調量的變化也更加平穩，有利于給煤量的平穩控制。

某次DEB方式下加減負荷時的參數變化曲線如圖3所示。機組先以3 MW/min的變負荷速率減少20 MW負荷，再以4.5 MW/min的速率增加20 MW負荷。

圖3　改進后DEB方式下變負荷曲線Fig.3　The load change curve under improved DEB mode

減負荷剛開始時，由于工況尚未完全穩定，主蒸汽壓力下降且接近設定值，故減負荷超調預先復位；然后由于主蒸汽壓力開始回升，再次觸發減負荷超調；最后，主蒸汽壓力沒有跟隨負荷指令變化結束而馬上復位。加負荷時，由于主蒸汽壓力已經回升且接近設定

值，也是提前復位。這種變負荷超調根據當前機組蓄熱變化情況智能復位的控制方式，解決了原先DEB方式下超調不合理的問題，有效地改善了協調變負荷控制效果。

通過多次變負荷試驗不斷調整控制參數，負荷控制效果較好，變負荷速率能達到4.5MW/min，滿足了電網對機組的變負荷速率要求。經過DEB控制邏輯優化修改后，原先在DEB方式下存在的一些不足已基本得到解決，這為機組整體提高負荷響應能力、滿足電網AGC變負荷性能要求創造了有利條件。

5結束語

通過分析直接能量平衡法DEB控制策略工作原理和目前狀況下存在的不足，提出了一種改進方法。該方法保留DEB控制的基本框架，采用新的前饋方式和智能變負荷超調，引入燃煤熱值系數修正前饋指令，

并采用PID變參數控制。現場試驗表明，該方法解決了原先煤量指令落后調門汽機指令、變負荷超調適應性不足等問題，有效提高了機組整體負荷響應能力，滿足了電網AGC變負荷性能要求。

參考文獻：

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[6] 祝建飛，王煦.負荷協調控制DEB控制策略改進及優化試驗報告[R].上海明華電力技術工程有限公司，2015．

[7] 何同祥，張華磊，李亞軍.300MW機組DEB協調控制系統優化[J].熱力發電,2005(4):44-46.

中圖分類號：TH86;TP272

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607011

Analysis and Optimization of Direct Energy Balance Control Strategy for the Fossil-fired Power Unit

Abstract：Direct energy balance (DEB) of fossil-fired power unit is a kind of turbine and boiler coordinated control strategy based on the concept of energy balance.Along with the variable load performance of the unit is increasingly demanding by the grid,and the larger changes of the coal type and fired coal mixed blending,some of the deficiencies of traditional DEB control are exposed gradually.Thus an improved method of DEB control strategy is introduced.With this method,new feedforward pattern and intelligent variable load overshoot are adopted,and the heat value coefficient of coal is introduced for correction,PID varying parameter control is used.The field test shows that the problems of coal demand lag behind load demand,insufficient adaptability of variable load overshoot,and unable to take initiative response to the changes in coal quality,etc.,are resolved by these measures; therefore overall capability of the unit upon load changes is enhanced.

Keywords:Energy balanceCoordinated controlFeedforward controlOptimization and improvementIntelligent overshootFossil-fired power unitModificationPID control

修改稿收到日期：2015-11-29。

第一作者祝建飛(1972—)，男，1994年畢業于東南大學熱能動力專業，高級工程師；主要從事電廠熱工自動化及運行控制優化方向的研究和應用工作。