采用IMC解決在調(diào)頻火電機(jī)組下啟磨中遇到的問(wèn)題

劉鍇 劉海龍 李林 許立群 楊松濤

（華能武漢發(fā)電有限公司 湖北省武漢市 430403）

隨著電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的發(fā)電機(jī)組納入并網(wǎng)，受電網(wǎng)AGC 控制，并要求大型機(jī)組具備調(diào)頻能力。電網(wǎng)調(diào)控的頻繁反復(fù)變化，在啟停制粉系統(tǒng)時(shí)，易引起主汽壓力系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，對(duì)鍋爐水冷壁，過(guò)熱器管材的熱應(yīng)力、氧化皮脫落方面會(huì)造成不利影響，增加鍋爐爆管可能性。

我們已用這套方法處理了多臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)制粉系統(tǒng)過(guò)程中遇見的問(wèn)題，通過(guò)涉網(wǎng)試驗(yàn)中的各層磨煤機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)獲取模型辨識(shí)數(shù)據(jù)，利用軟件辨識(shí)出協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）中的鍋爐主控模型在啟動(dòng)制粉系統(tǒng)中水煤比關(guān)系，提前控制中間點(diǎn)溫度，使機(jī)組快速進(jìn)入穩(wěn)定商業(yè)運(yùn)行。

1 啟磨順序

啟動(dòng)制粉系統(tǒng)的油系統(tǒng)→開啟磨煤機(jī)出口門→開啟磨煤機(jī)冷風(fēng)關(guān)斷門→開啟磨煤機(jī)冷風(fēng)密封門→啟動(dòng)磨煤機(jī)密封風(fēng)門→啟動(dòng)磨煤機(jī)→啟動(dòng)磨煤機(jī)分離器→開啟磨煤機(jī)熱風(fēng)關(guān)斷門→開啟磨煤機(jī)熱風(fēng)密封門→暖磨→啟動(dòng)給煤機(jī)布煤。

2 啟磨中的前饋設(shè)計(jì)

現(xiàn)大型機(jī)組運(yùn)行操作人員和與運(yùn)行點(diǎn)檢人員較少,制粉系統(tǒng)的磨輥操作不在DCS 處，機(jī)組快速變負(fù)荷時(shí)運(yùn)行人員無(wú)法立即到就地現(xiàn)場(chǎng)操作磨輥進(jìn)行制粉系統(tǒng)吹空和鋪煤工作。因此在啟動(dòng)制粉系統(tǒng)時(shí)就會(huì)有大量煤粉未進(jìn)行計(jì)算，造成水煤比變化很大，使機(jī)組壓力和汽溫波動(dòng)很大。

火力發(fā)電過(guò)程的啟磨是復(fù)雜的，啟磨過(guò)程中鍋爐蓄熱及燃料系統(tǒng)滯后性所帶來(lái)的影響，其前饋上的幅度和慣性時(shí)間就按鍋爐的慣性時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，但它們的大部分卻可以相當(dāng)準(zhǔn)確地用二階慣性加純滯后模型來(lái)模擬。其廣義控制對(duì)象模型為：

其中： K 為模型的開環(huán)增益， τ1、τ2 為時(shí)間常數(shù)，θ 為滯后時(shí)間。

內(nèi)模控制系統(tǒng)是一種基于模型的設(shè)計(jì)方法，因此模型的精確性是影響系統(tǒng)的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素；但是由于被控對(duì)象的復(fù)雜性、不確定性和非線性，建立精確模型是非常困難的事情，因此把內(nèi)模控制和其他控制方法相結(jié)合進(jìn)行整合設(shè)計(jì)。

針對(duì)穩(wěn)定時(shí)不變二階大滯后對(duì)象，采用最小二乘法和性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

其中：K 為模型的開環(huán)增益，θ 為滯后時(shí)間。

假設(shè)Gm(s)=K/(as2+bs+1) （無(wú)純滯后時(shí)間），那么可以得到具有純滯后時(shí)間的G(s)：

圖1：內(nèi)模控制系統(tǒng)

因此，G(s)是閉環(huán)系統(tǒng)輸出階躍響應(yīng)Gm(s)向右平移θ 個(gè)時(shí)間得到的閉環(huán)系統(tǒng)。

內(nèi)模控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中：Gp(S)是被控對(duì)象，Gm(S)標(biāo)稱（參考）對(duì)象，G1c(S)是控制器，F(xiàn)（S）是濾波器，d 是外部干擾，r 是系統(tǒng)的給定值。

而內(nèi)模控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是：控制器G1c(S)= Gm(S)-1=(as2+bs+1)/K, 顯然這在工程是不可實(shí)現(xiàn)的，為了在工程上實(shí)現(xiàn)他，必須配置濾波器：

系統(tǒng)總的控制器

這是一個(gè)二階有理多項(xiàng)式。

假設(shè)啟動(dòng)磨煤機(jī)之前存有M 噸煤， 因此通過(guò)內(nèi)模控制器和最小二乘法可以推算出啟動(dòng)磨煤機(jī)后前饋增加的給水流量G 為：

其中：M 是煤量（單位t），k 是水煤比系數(shù)，Gc(S)是控制器，θ 為滯后時(shí)間。

3 啟磨前饋設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

此IMC+前饋在協(xié)調(diào)控制回路中引入了內(nèi)部參考模型匹配給水流量，用于預(yù)測(cè)啟磨時(shí)未計(jì)算的煤量變化的影響，使給水控制系統(tǒng)的反饋量由常見的輸出全反饋?zhàn)兂蓴_動(dòng)估計(jì)量的反饋。

當(dāng)參考模型存在建模誤差或干擾時(shí)，IMC 中的濾波器就發(fā)揮作用，抑制模型失配或干擾而引起的實(shí)際輸出與模型輸出之差，使系統(tǒng)達(dá)到一定的魯棒性。IMC 控制器，是按輸出跟蹤期望軌跡計(jì)算出所需的控制量。這樣，在啟磨過(guò)程中就很好地控制住中間點(diǎn)溫度，使水冷壁溫度變化較小，避免了主蒸汽溫度的變化和主蒸汽壓力的頻繁波動(dòng)。

圖2：?jiǎn)?dòng)F 層制粉系統(tǒng)各參數(shù)的曲線

4 基于IMC解決啟磨中的問(wèn)題

華能武漢發(fā)電有限責(zé)任公司5 號(hào)機(jī)組由于磨輥在就地操作，在要求快速升降負(fù)荷并且AGC 頻繁升降負(fù)荷和人員稀少的情況下，運(yùn)行人員無(wú)法去就地提升磨輥來(lái)吹空磨煤機(jī)里的煤粉，因此磨煤機(jī)存在大量的煤粉。通過(guò)幾次辨識(shí)啟磨模型得出：

其中：磨煤機(jī)存留的煤粉M ≈1.2 t，水煤比系數(shù)k ≈6.8，

假設(shè)啟動(dòng)磨煤機(jī)后前饋加水

圖2 為2019年8月23日8 點(diǎn)57 分左右啟動(dòng)F 層制粉系統(tǒng)后各參數(shù)的曲線。

其中：1-AGC 指令（300～650MW）；2-一次調(diào)頻后的負(fù)荷指令（300～650MW）；3-實(shí)際負(fù)荷（300～650MW）；4-壓力設(shè)定值（10～28MPa）；5-實(shí)際壓力（10～28MPa）；6 主蒸汽溫度（0～600℃）；8-給水指令（500～2500t/h）；9-給水流量（500～2500t/h）；10-中間點(diǎn)溫度設(shè)定值（0～450℃）；11-中間點(diǎn)溫度（0～450℃）；12-一次風(fēng)壓（0～12kPa）；13-總風(fēng)量（500～2500t/h）；16-再熱器溫度（0～600℃）；17-爐膛負(fù)壓（-300～3000Pa）。

從圖中可以看出主蒸汽壓力和中間點(diǎn)溫度在啟磨瞬間有個(gè)比較大波動(dòng)，一個(gè)回合能快速的跟隨設(shè)定變化而變化，避免了因?yàn)橹髡羝麎毫椭虚g點(diǎn)溫度控制不及時(shí)影響AGC 的負(fù)荷變化率和機(jī)組的安全穩(wěn)定性，使機(jī)組快速進(jìn)入安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

我們采用基于模型辨識(shí)IMC-前饋方法，實(shí)現(xiàn)了華能武漢發(fā)電有限責(zé)任公司5 號(hào)機(jī)組啟動(dòng)制粉系統(tǒng)的給水智能控制，解決了啟動(dòng)制粉系統(tǒng)帶來(lái)主蒸汽壓力和主蒸汽溫度波動(dòng)大并且難于穩(wěn)定等一系列問(wèn)題，保證機(jī)組既能快速響應(yīng)調(diào)頻、調(diào)峰發(fā)電指令的需求，又能安全穩(wěn)定運(yùn)行投入商業(yè)運(yùn)行。