對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行8421編碼的甩負(fù)荷控制優(yōu)化

岳 良，周 淼，黃 輝

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

現(xiàn)代電網(wǎng)容量越來越大，可靠性也越來越高，但仍存在因電網(wǎng)故障導(dǎo)致的城市大面積停電風(fēng)險(xiǎn)。近幾年來，國(guó)外累計(jì)發(fā)生多起此類停電事故，比如2003 年美國(guó)東部時(shí)間8 月14 日16：11，美國(guó)東北部和加拿大聯(lián)合電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故，3 min 內(nèi)，21座電廠停止運(yùn)行，隨后共計(jì)有100多座電廠跳閘，直到29 h后才全面恢復(fù)供電［1］。2008 年，我國(guó)大面積的冰雪災(zāi)害也造成了云貴地區(qū)電網(wǎng)事故大面積停電，受影響縣市90個(gè)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)1 579 個(gè)［2］。在這類事故中，區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)組解列停機(jī)，機(jī)組重新啟動(dòng)缺乏啟動(dòng)電源，恢復(fù)供電時(shí)間長(zhǎng)，因此，除了研究自然災(zāi)害如冰雪對(duì)電網(wǎng)的影響［3-12］外，提高并網(wǎng)機(jī)組事故后自恢復(fù)能力同樣具有重要意義。甩負(fù)荷（Fast Cut Back，F(xiàn)CB）控制就是在電網(wǎng)故障后并網(wǎng)機(jī)組能夠脫離電網(wǎng)切換到帶廠用電的方式運(yùn)行，避免停機(jī)，并隨時(shí)可恢復(fù)對(duì)外供電，大幅縮短停電時(shí)間，減小停電事故的影響。

FCB 事件發(fā)生后，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)，汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)、DEH（Digital Electric Hydraulic Control System）控制系統(tǒng)，電氣勵(lì)磁控制系統(tǒng)等均應(yīng)作出重大調(diào)整［13-27］，涉及系統(tǒng)和設(shè)備眾多，因此，良好的組態(tài)設(shè)計(jì)可以提高FCB 成功率。FCB 發(fā)生前，機(jī)組可能帶有高負(fù)荷，甚至滿負(fù)荷，F(xiàn)CB 發(fā)生后，一方面需要將DEH控制系統(tǒng)由遙控方式切換到本地轉(zhuǎn)速控制方式，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，另一方面需要執(zhí)行一系列控制，降低鍋爐蒸汽量并維持鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，主要包括：1）開啟旁路，釋放蒸汽至凝汽器；2）分次跳閘在運(yùn)磨煤機(jī)，保留合適臺(tái)數(shù)磨煤機(jī)運(yùn)行；3）啟動(dòng)等離子或燃油點(diǎn)火系統(tǒng)助燃，防止鍋爐熄火。一般DEH 控制系統(tǒng)可以通過瞬間關(guān)閉進(jìn)汽閥門和轉(zhuǎn)速PID控制將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min 附近避免超速，因此FCB 程序設(shè)計(jì)中最重要的工作是合理地分次跳閘磨煤機(jī)［28］，避免鍋爐燃燒不穩(wěn)觸發(fā)停爐停機(jī)。

1 傳統(tǒng)的跳閘磨煤機(jī)邏輯設(shè)計(jì)

每臺(tái)磨煤機(jī)負(fù)責(zé)爐膛特定區(qū)域的煤粉供應(yīng)，不同磨煤機(jī)跳閘對(duì)鍋爐燃燒影響不同，根據(jù)實(shí)際情況，F(xiàn)CB發(fā)生后有的機(jī)組保留中上間層磨煤機(jī)運(yùn)行［29］，也有保留下層燃燒器運(yùn)行［30］。為方便討論，選取“自上而下跳閘運(yùn)行中的磨煤機(jī)，保留底層一臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行”這種情況。以配備有4 臺(tái)磨煤機(jī)的機(jī)組為例，假設(shè)磨煤機(jī)安裝位置由上至下依次為磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)B和磨煤機(jī)A，根據(jù)選定的原則，傳統(tǒng)的跳閘磨煤機(jī)判據(jù)如表1所示。

表1 4臺(tái)磨煤機(jī)的FCB跳閘磨煤機(jī)判據(jù)Table 1 FCB trip criterion of 4 coal mills

由表1 可知，7 種情況可以觸發(fā)跳閘磨煤機(jī)D 指令，3 種情況可以觸發(fā)跳閘磨煤機(jī)C 指令，1 種情況可以觸發(fā)跳閘磨煤機(jī)B指令。這種跳閘磨煤機(jī)程序設(shè)計(jì)需要大量的邏輯來判斷不同的排列組合，現(xiàn)代大型燃煤機(jī)組磨煤機(jī)數(shù)量達(dá)5臺(tái)～6臺(tái)，需要處理的排列組合更多，這樣導(dǎo)致了FCB 程序復(fù)雜，出錯(cuò)率高，調(diào)試工作量大。尤其是機(jī)組運(yùn)行后期考慮不同磨煤機(jī)跳閘對(duì)主汽溫的影響，想要改變磨煤機(jī)跳閘的順序或者想要改變保留的磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)，邏輯需要重新搭建和調(diào)試。

2 改進(jìn)的跳閘磨煤機(jī)模型設(shè)計(jì)

8421編碼是BCD編碼的一種，四位二進(jìn)制數(shù)中每位“1”代表不同的十進(jìn)制數(shù)，從左到右依次為8、4、2、1。根據(jù)8421編碼的特性，任一位二進(jìn)制上的“1”所代表的十進(jìn)制數(shù)均大于它右邊所有位上的“1”所代表的十進(jìn)制數(shù)之和，例如8＞4+2+1。這為將通過開關(guān)量判斷磨煤機(jī)跳閘順序改為通過模擬量判斷磨煤機(jī)跳閘順序提供了可能，簡(jiǎn)化了判斷過程。于是根據(jù)跳閘優(yōu)先級(jí)對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行8421編碼，如圖1所示，以配備有4臺(tái)磨煤機(jī)的機(jī)組為例，假設(shè)由上至下依次為磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)A，首先對(duì)跳閘優(yōu)先級(jí)第一的磨煤機(jī)D進(jìn)行編碼，如果磨煤機(jī)D在運(yùn)行，則磨煤機(jī)D運(yùn)行信號(hào)1存在，磨煤機(jī)D編碼模塊5輸出Y通道的值8，如果磨煤機(jī)D 停運(yùn)，則磨煤機(jī)D 運(yùn)行信號(hào)1 不存在，磨煤機(jī)D 編碼模塊5 輸出N 通道的值0；其次對(duì)跳閘優(yōu)先級(jí)第二的磨煤機(jī)C 進(jìn)行編碼，如果磨煤機(jī)C 在運(yùn)行，則磨煤機(jī)C 運(yùn)行信號(hào)2存在，磨煤機(jī)C 編碼模塊6輸出Y通道的值4，如果磨煤機(jī)C停運(yùn)，則磨煤機(jī)C運(yùn)行信號(hào)2不存在，磨煤機(jī)C編碼模塊6輸出N通道的值0；再次對(duì)跳閘優(yōu)先級(jí)第三的磨煤機(jī)B 進(jìn)行編碼，如果磨煤機(jī)B 在運(yùn)行，則磨煤機(jī)B 運(yùn)行信號(hào)3存在，磨煤機(jī)B編碼模塊7輸出Y通道的值2，如果磨煤機(jī)B停運(yùn)，則磨煤機(jī)B運(yùn)行信號(hào)3不存在，磨煤機(jī)B編碼模塊7輸出N通道的值0；最后對(duì)跳閘優(yōu)先級(jí)第四的磨煤機(jī)A進(jìn)行編碼，如果磨煤機(jī)A在運(yùn)行，則磨煤機(jī)A運(yùn)行信號(hào)4存在，磨煤機(jī)A 編碼模塊8 輸出Y 通道的值1，如果磨煤機(jī)A停運(yùn)，則磨煤機(jī)A運(yùn)行信號(hào)4不存在，磨煤機(jī)A編碼模塊8輸出N通道的值0。編碼完成后，磨煤機(jī)D編碼、磨煤機(jī)C編碼、磨煤機(jī)B編碼和磨煤機(jī)A編碼通過編碼求和模塊9進(jìn)行求和，得到編碼代數(shù)和m。

圖1 對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行8421編碼的FCB跳磨模型Fig.1 FCB trip mill model with 8421 coding for coal mill

機(jī)組正常運(yùn)行期間，若電網(wǎng)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷開觸發(fā)FCB 事件，F(xiàn)CB 跳閘磨煤機(jī)脈沖輸出模塊10 則在60 s 內(nèi)從第0 s、20 s、40 s 開始3 次輸出脈沖，進(jìn)行跳閘磨煤機(jī)邏輯判斷，每次脈沖最多跳閘1臺(tái)磨煤機(jī)，達(dá)到磨煤機(jī)間隔跳閘的目的。第1 次脈沖時(shí)間為3 s，脈沖經(jīng)過反向延時(shí)模塊11 后連接自鎖模塊12，自鎖模塊12 接收到脈沖后，保持編碼代數(shù)和m 不變，然后對(duì)編碼代數(shù)和m 進(jìn)行特征值判斷，如果m＞8.5，說明磨煤機(jī)D 在運(yùn)行且還存在至少1 臺(tái)跳閘優(yōu)先級(jí)比磨煤機(jī)D 低的磨煤機(jī)在運(yùn)行，由于此時(shí)磨煤機(jī)D跳閘優(yōu)先級(jí)最高，因此觸發(fā)跳閘磨煤機(jī)D 指令；如果4.5＜m＜8.5，說明磨煤機(jī)D 已經(jīng)停止運(yùn)行且磨煤機(jī)C 在運(yùn)行且還存在至少1臺(tái)跳閘優(yōu)先級(jí)比磨煤機(jī)C低的磨煤機(jī)在運(yùn)行，由于此時(shí)磨煤機(jī)C跳閘優(yōu)先級(jí)最高，因此觸發(fā)跳閘磨煤機(jī)C 指令；如果2.5＜m＜3.5，說明磨煤機(jī)D 已經(jīng)停止運(yùn)行且磨煤機(jī)C 已經(jīng)停止運(yùn)行且磨煤機(jī)B和磨煤機(jī)A 同時(shí)在運(yùn)行，由于此時(shí)磨煤機(jī)B 跳閘優(yōu)先級(jí)最高，因此觸發(fā)跳閘磨煤機(jī)B指令。自鎖模塊12的作用是在本次判斷的過程中保持編碼代數(shù)和m 不變，形成最多一次的跳閘磨煤機(jī)指令，否則在一次跳閘脈沖過程中，隨著磨煤機(jī)跳閘，編碼代數(shù)和m發(fā)生變化并重新與低級(jí)別的跳閘特征值匹配上，造成多臺(tái)磨煤機(jī)同時(shí)跳閘，不利于爐膛穩(wěn)定燃燒，影響機(jī)組安全運(yùn)行。延時(shí)斷模塊11 的作用是在跳閘脈沖消失后仍將編碼代數(shù)和m自鎖1 s，防止因模塊掃描順序原因?qū)е戮幋a代數(shù)和m 提前釋放自鎖，提高安全裕度。第2 次脈沖和第3 次脈沖時(shí)間均為3 s，判斷過程與第1 次脈沖判斷過程完全相同。不論FCB 之前有幾臺(tái)磨煤機(jī)在運(yùn)行，通過3次對(duì)編碼代數(shù)和m進(jìn)行特征值判斷，依次跳閘優(yōu)先級(jí)最高的磨煤機(jī)，最終均能保留1 臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，達(dá)到了FCB過程中對(duì)燃料控制的要求。

使用此模型，通過單次的模擬量判斷就可以形成跳閘指令，邏輯結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，并且此模型具有良好的擴(kuò)展性，如磨煤機(jī)數(shù)量為5臺(tái)時(shí)，則按16、8、4、2、1進(jìn)行編碼，其他數(shù)目的磨煤機(jī)依此類推；當(dāng)需要改變跳閘磨煤機(jī)順序時(shí)，只需要改變對(duì)應(yīng)磨煤機(jī)的編碼值，不需要對(duì)邏輯結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)和調(diào)試；當(dāng)需要改變保留的磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)，只需要調(diào)整跳閘脈沖個(gè)數(shù)，不需要對(duì)邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)。

3 模型驗(yàn)證

在虛擬DPU 中搭建圖1 所示的模型，設(shè)定跳閘優(yōu)先級(jí)由高到低為磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)B、磨煤機(jī)A，并進(jìn)行相應(yīng)編碼。分別對(duì)FCB事件發(fā)生前4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行、3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行和2臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行的工況進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證模型的正確性。

3.1 4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行工況驗(yàn)證

FCB事件發(fā)生前，磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)B和磨煤機(jī)A 均在運(yùn)行，第4 s 人為觸發(fā)FCB 動(dòng)作信號(hào)，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機(jī)D 指令、跳閘磨煤機(jī)C指令、跳閘磨煤機(jī)B指令時(shí)序如圖2所示。

圖2 4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)FCB動(dòng)作時(shí)序圖Fig.2 FCB action sequence diagram when 4 coal mills are running

由時(shí)序圖可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機(jī)D立即跳閘，10 s后磨煤機(jī)C 跳閘，20 s后磨煤機(jī)B 跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級(jí)最低的磨煤機(jī)A 運(yùn)行，達(dá)到了FCB 跳閘磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行工況驗(yàn)證

FCB事件發(fā)生前，磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C和磨煤機(jī)B均在運(yùn)行，磨煤機(jī)A已停止。第10 s人為觸發(fā)FCB動(dòng)作信號(hào)，F(xiàn)CB跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機(jī)D指令、跳閘磨煤機(jī)C指令、跳閘磨煤機(jī)B指令時(shí)序如圖3所示。

圖3 3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)FCB動(dòng)作時(shí)序圖Fig.3 FCB action sequence diagram when 3 coal mills are running

由時(shí)序圖可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機(jī)D立即跳閘，10 s后磨煤機(jī)C跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級(jí)最低的磨煤機(jī)B運(yùn)行，達(dá)到了FCB跳閘磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

3.3 2臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行工況驗(yàn)證

FCB事件發(fā)生前，磨煤機(jī)C和磨煤機(jī)A均在運(yùn)行，磨煤機(jī)D和磨煤機(jī)B已停止。第12 s人為觸發(fā)FCB動(dòng)作信號(hào)，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機(jī)D指令、跳閘磨煤機(jī)C指令、跳閘磨煤機(jī)B指令時(shí)序如圖4所示。

圖4 2臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)FCB動(dòng)作時(shí)序圖Fig.4 FCB action sequence diagram when 2 coal mills are running

由時(shí)序圖可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機(jī)C立即跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級(jí)最低的磨煤機(jī)A 運(yùn)行，達(dá)到了FCB 跳閘磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

4 模型擴(kuò)展

4.1 改變跳閘順序的4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行工況驗(yàn)證

在圖1 的模型基礎(chǔ)上，將磨煤機(jī)跳閘優(yōu)先級(jí)由高到低改為磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)B和磨煤機(jī)A，即交換磨煤機(jī)D和磨煤機(jī)C的編碼值。對(duì)FCB事件發(fā)生前4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)試。

FCB 事件發(fā)生前，磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)B和磨煤機(jī)A 均在運(yùn)行，第10 s 人為觸發(fā)FCB 動(dòng)作信號(hào)，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機(jī)D 指令、跳閘磨煤機(jī)C 指令、跳閘磨煤機(jī)B 指令時(shí)序如圖5所示。

圖5 改變優(yōu)先級(jí)時(shí)FCB動(dòng)作時(shí)序圖Fig.5 FCB action sequence diagram when the priority is changed

由時(shí)序圖圖5可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機(jī)C立即跳閘，10 s后磨煤機(jī)D跳閘，20 s后磨煤機(jī)B跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級(jí)最低的磨煤機(jī)A運(yùn)行。通過交換編碼值改變跳閘優(yōu)先級(jí)后磨煤機(jī)跳閘指令輸出與預(yù)想一致。

4.2 改變保留磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)

在圖1 的模型基礎(chǔ)上，最終保留2 臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，即將跳閘脈沖個(gè)數(shù)由3個(gè)改為2個(gè)。對(duì)FCB 事件發(fā)生前4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)試。

FCB 事件發(fā)生前，磨煤機(jī)D、磨煤機(jī)C、磨煤機(jī)B和磨煤機(jī)A 均在運(yùn)行，第8 s 人為觸發(fā)FCB 動(dòng)作信號(hào)，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機(jī)D 指令、跳閘磨煤機(jī)C 指令、跳閘磨煤機(jī)B 指令時(shí)序如圖6所示。

圖6 改變保留磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)FCB動(dòng)作時(shí)序圖Fig.6 FCB action sequence diagram when the number of reserved coal mills are changed

由時(shí)序圖圖6可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機(jī)D立即跳閘，10 s后磨煤機(jī)C 跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級(jí)低的磨煤機(jī)B 和磨煤機(jī)A運(yùn)行。通過控制跳閘脈沖個(gè)數(shù)改變保留磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)后磨煤機(jī)跳閘指令輸出與預(yù)想一致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)傳統(tǒng)的甩負(fù)荷跳閘磨煤機(jī)邏輯進(jìn)行改進(jìn)，提出了對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行8421 編碼的甩負(fù)荷控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)跳閘優(yōu)先級(jí)高低對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行編碼，對(duì)編碼代數(shù)和進(jìn)行特征值判斷形成磨煤機(jī)跳閘指令，并利用虛擬DPU對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和擴(kuò)展，結(jié)果表明對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行8421 編碼的甩負(fù)荷控制模型簡(jiǎn)單可靠，擴(kuò)展性強(qiáng)，完全可以替換傳統(tǒng)的甩負(fù)荷跳閘磨煤機(jī)邏輯，節(jié)省組態(tài)和調(diào)試工作量。