RB工況下“機跟爐”協調控制系統分析與仿真

解劍波，胡伯勇，何郁晟，王印松

(1. 浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 311121；2. 浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江 杭州310000；3. 浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州310000；4. 華北電力大學自動化系，河北 保定 071000)

1 引言

隨著我國清潔能源電力事業的迅速發展，可再生電力能源得到了不斷的利用[1]。為了確保電力系統能夠對清潔的電力能源做到正常消納，火電機組需要在40%額定負荷甚至更低負荷進行調峰任務，維持電力系統安全運行。

相比于高負荷段，低負荷段火電機組對象的特性有很大差別，機組主要運行參數的穩定性更低，輔機運行的狀況對機組的影響也更大。伴隨著火電機組在運行時存在諸多的不確定因素，機組自動處理問題的能力不足，現場運行人員的應急操作不及時，導致重要輔機在機組投入AGC的情況下易發生跳閘突發事件。

除制粉系統外，在低負荷下一旦單側的輔機發生故障，另一側的輔機仍然能夠保證機組的正常出力。當參與深度調峰的機組在低負荷下輔機跳閘，一般不會觸發RB控制，而是會將負荷響應速率更快的“爐跟機”協調運行方式切換為“機跟爐”的運行方式，以維持各運行參數的穩定。

目前，有關RB工況下“機跟爐”協調控制系統的機理分析與仿真研究還比較少。在RB工況下，如果機組在運行期間處理問題不合理，對該工況下系統對象的特性理解不深刻，將為機組運行甚至電力系統的負荷分配工作帶來不便。為了火電機組能夠安全運行，維持電力系統調度的正常工作，本文進行了RB工況下“機跟爐”負荷控制系統的分析與仿真工作。結合有關文獻內容，建立了350 MW超臨界單元機組對象模型，該模型根據機組低負荷滑壓運行的工作特點，利用蒸汽量方程實現了爐側與機側的分離，為系統的機理分析帶來了便利。同時，根據對象特性建立了 “機跟爐”仿真協調控制系統，通過仿真結果，對參與深度調峰的機組給出了系統調節措施建議。

2 系統模型的建立

有關協調控制系統對象的研究有很多成果，其中文獻[2]以文獻[3]給出的單元機組鍋爐側汽壓被控對象機理模型為基礎，提出了一種單元機組增量式機理模型，對系統機理做到了詳細的描述且得到了驗證。文獻[4]通過理論推導得到的“機跟爐”機側等效對象，能夠反應系統機側輸入輸出的特性，便于對單元機組對象進行爐、機側的分離。

本文考慮，機組在低負荷發生輔機跳閘事故后，以“機跟爐”的協調方式在RB工況下繼續進行發電任務，此時爐側是對機組負荷和主蒸汽壓力造成主要影響的一側(滑壓運行)。要對“機跟爐”協調控制系統的爐側做到詳細的分析與研究，需要做到爐側和機側的有效分離。保證爐側對機組重要參數造成影響的機理模型不變，將機側的擾動特性進行簡化。由此，本文以典型的汽包爐為例，得到了單元機組控制對象，如圖1所示。

圖1 單元機組控制對象

圖中相關參數說明：M-燃料量；KM-燃料量M變化引起爐膛熱負荷Qr變化的比例系數；τM-M變化到Qr變化的滯后時間；DQ-用蒸汽流量單位表示的鍋爐汽水容積吸熱量，是代表熱負荷Qr的信號，又稱為熱量信號；Cb-蓄熱系數，代表鍋爐的蓄熱能力(即鍋爐蒸汽壓力每改變1MPa時鍋爐所釋放出的蒸汽量)；Pb-汽包壓力；Rgr-過熱器的動態阻力；D-鍋爐蒸汽量；DT-汽機通汽量；CM-蒸汽管路的容量系數；PT-主蒸汽壓力；PTμ-汽機擾動后的主蒸汽壓力；RTr-汽機動態流通阻力系數；KT-汽機調節閥靜態放大系數；DTM-汽機通汽分量，接通2路時有效；μT-汽輪機進汽調節閥閥門開度；W1(s) -為變對象；W2(s) -為等效一階“負”對象；W3(s) -為等效二階對象。

圖1中，1通路是以鍋爐蒸汽量作為擾動變量的通路，2通路是以汽輪機進汽閥門開度作為擾動變量的通路。當接通1路時W1(s)為整體汽輪機通汽量至機組功率間的傳遞函數，當接通2路時該對象為爐側汽輪機通汽分量至機組功率間的傳遞函數。W2(s)在接通2路時有效，與文獻[4]中G12(s)環節相似(汽輪機調節閥門開度至主蒸汽壓力的擾動特性，“負”指主蒸汽壓力隨閥門開度呈反向變化，可等效通汽量至蒸汽壓力的環節)。W3(s)在接通2路時有效。與文獻[4]中G22(s)環節相似(汽輪機調節閥閥門開度至機組功率的擾動特性，可等效通汽量至機組功率的環節)。

“機跟爐”運行方式下的協調控制系統，當汽輪機調門開度不發生變化的情況下(滑壓運行)，系統各重要參數會取決于爐側。由于汽機流通蒸汽量DT是主蒸汽壓力PT、汽機背壓及汽機調節閥開度μT的函數，是系統爐側和機側重要的結合點。因此本控制對象主要依據汽機流通蒸汽量DT進行系統爐側和機側的拆分。通常汽機背壓變化很小，可假定汽機調節閥為線性，該環節的動態特性一般近似為

(1)

定義來源于爐側的汽機通汽分量DTM，該環節的動態特性為

(2)

如圖1所示，在滑壓運行下，汽輪機進汽調節閥門開度不變，將汽機流通蒸汽量進行分離后，控制對象能夠對爐側和機側進行拆分。接通1路時，系統模型即類似于文獻[2]中給出的機理模型，該模型爐側與機側為整體，可根據機理對整體系統的特性進行分析。接通2路時，由于機側利用了閥門擾動等效替代蒸汽量擾動，爐側機理模型不變，便于單獨對系統的爐側進行機理分析。

在RB工況下，該單元機組控制對象又主要呈現出以下幾個特點：

1)一般而言，主蒸汽母管容積容量系數Cm遠小于汽包爐汽水系統蓄熱系數Cb[5]。

2)輔機減少，鍋爐蓄熱系數會發生變化。燃燒不穩定，爐膛溫度低。要避免燃料量出現過大波動，防止爐膛滅火。

3)避免汽機進汽閥門開度出現過大波動，防止汽輪機振動、脹差、軸向位移增加。

4)負荷較低，避免進汽閥門開度激減，防止蒸汽壓損，應適當進行滑壓。

5)在低負荷段，機組各參數的穩定性下降，對外界擾動更加敏感。

6)AGC未投退，負荷需要跟隨調度指令。

根據以上特點，本文依據“機跟爐”協調控制的一般方式(爐側調節功率，機側調節蒸汽壓力)，針對圖1的控制對象建立了“機跟爐”負荷控制系統，如圖2所示。

圖2 “機跟爐”控制系統

控制系統在低負荷段發生跳閘時，除制粉系統外，不存在輔機出力不足的問題，其控制的重心應放在保證各項主要參數的穩定上。圖2建立的控制系統，爐側根據功率偏差進行PID運算，通過燃料量進行負荷調節。機側汽輪機閥門開度不變，適當滑壓，避免閥門開度出現大波動，防止蒸汽沖轉前由于節流帶來的能源損耗。由于該系統爐側對象為增量式對象，其內部主要反映了系統重要參數的波動特性。若給予主蒸汽壓力初值需要等待系統達到穩態，因此在仿真過程中蒸汽壓力主要以觀察波動范圍為主。

3 控制系統穩定性分析

對于圖1中的控制對象，主要有以下幾個環節構成：

1)燃料量對鍋爐的影響

(3)

燃燒和傳熱過程是一個復雜的化學過程，燃料量改變，首先將釋放的熱量傳給受熱面的鍋爐金屬管壁，再傳給鍋爐的汽水容積。式(3)為較為實用的一個關系式。

2)鍋爐受熱面

若利用蒸汽流量單位代表鍋爐汽水容積吸熱量，則流入熱量與流出熱量的動態熱平衡方程如下

(4)

對于鍋爐受熱面，流入熱量是燃燒后傳給受熱面的熱量，并有一部分儲存在鍋爐中；輸出量為蒸汽中的熱量。根據動態平衡方程可得

(5)

3)汽機動態流通阻力

(6)

該方程僅考慮了過熱器的流通特性，汽包壓力Pb為進口壓力，主蒸汽壓力PT為出口壓力。鍋爐蒸汽量與過熱器流通阻力及進、出口壓力差有關，其動態關系可近似為比例特性。

4)蒸汽管路的容量

(7)

蒸汽管道及汽機調節閥門組成的環節，其流入量是鍋爐的蒸汽量D，流出量是進入汽機的蒸汽量DT。主汽壓力PT可反映流入、流出蒸汽量的物質平衡關系。

5)汽輪機動態流通阻力

該環節關系式已給出，見式(1)、式(2)。

(8)

6)汽輪機做功環節：

①當接通1路時，根據文獻[2]、文獻[3]給出的機理模型可知，W1(s)為二階對象，假設

(9)

②當接通2路時，燃料量對蒸汽壓力和機組負荷的擾動特性極為相似，故W1(s)可近似為一比例環節，假設

W1(s)=K2

(10)

由于控制系統保持汽機調門開度不變，機組滑壓運行，負荷和主蒸汽壓力完全取決于爐側擾動，此時系統可視作SIMO控制系統。綜上，根據圖1可利用Mason公式[7]，得到燃料量M至機組負荷Ne的閉環傳遞函數

前向通道：

P=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)G5(s)W1(s)

三個回路

l1=-G2(s)G3(s)

l2=-G3(s)G4(s)

l3=-G4(s)G5(s)

其中，l1與l3不相交。

則特征式

Δ=1+G2(s)G3(s)+G3(s)G4(s)+G4(s)G5(s)+

G2(s)G3(s)G4(s)G5(s)

若按照1通路的模型進行系統分析，則系統的傳遞函數為

其中

M(s)=T1T2CbRgrCMRTrs4+

(T1T2(CMRTr+CbRgr)+(T1+T2)CbRgrCMRTr)s3+

(T1+T2)(CMRTr+CbRgr)s2+T1T2s2+CbRgrCMRTrs2+

(CMRTr+CbRgr)s+(T1+T2)s+1

若按照2通路的模型進行系統分析，則系統的傳遞函數為

(11)

經過相關運算，通過結果可知，在分析系統時，若采用1通路進行系統分析，得到的系統傳遞函數較為復雜，爐側和機側作為整體，為“機跟爐”協調控制系統進行機理分析帶來了較大困難。將系統機側利用等效環節替代后，爐側和機側能夠合理的分離，燃料量至機組功率的關系可得到極大的簡化。

結合工程實際，燃料量對機組負荷的擾動特性應當是自穩的。但是當系統是以1通路為機理模型的系統，得到的傳遞函數較為復雜，若使用相關系統理論進行分析時，如Routh[7]判據，則要利用復雜的Routh陣列，且當機組發生跳閘后，系統多個參數均會發生變化，機理分析十分困難。以2通路為模型的系統，由于系統各項參數均大于零，利用Routh判據可知系統始終穩定，結論與實際相吻合。

4 仿真研究

利用MatLab/Simulink進行系統仿真，機組參數參考了文獻[6]中給出的相應參數。

4.1 兩個通路的模型比對

試驗目的：分別搭建1、2通路模型，采用相同的控制器參數，觀察曲線結果是否接近以驗證等效模型的有效性。

本仿真過程：超臨界350 MW機組，機組投入AGC，功率跟隨調度指令。起始指令130 MW，50 s時目標負荷135 MW，400 s時目標負荷130 MW。仿真結果如圖3所示。

圖3 兩個通路模型的功率仿真結果對比圖

圖3中，A曲線為1通路模型，B曲線為2通路模型，Sp為擬調度功率指令。根據圖3仿真結果，可以計算系統相應的品質指標，結果列為表1。

表1 系統調節品質指標

由表1的結果可知，通路1和通路2的功率調節品質指標數值接近，在汽輪機調節閥門開度不變時(即機組滑壓運行)，通路2和原通路1的系統調節特性極為相似。由于2通路中，功率擾動將汽機側的通汽分量簡化，造成功率的超調更小。1、2通路的系統峰值相差的數值很小(0.03 MW)，各項調節品質指標接近，均在可接受范圍內。同時，2通路系統對象傳遞函數更為簡便，需要進行分析的系統參數更少，該模型可有效替代通路1模型。

通過系統分析和仿真的結果，均驗證了本文給出的機組等效機理模型的有效性。

4.2 RB工況仿真

試驗目的：爐主控制器參數不變，根據輔機跳閘情況改變系統參數。觀察系統調節品質變化，以提供RB工況下系統調節措施。

對于協調控制系統，可以針對不同的輔機跳閘情況給予相應的處理方法，一般的跳閘情況有三種：制粉系統跳閘、送引風機跳閘以及一次風機跳閘。

制粉系統跳閘，當某臺制粉系統停運后，燃料量迅速降低，但由于給煤機的出力會迅速上升，使得總煤量得到回升。當某側引風機跳閘時，同側送風機會聯鎖跳閘。因為單側輔機能夠帶載機組半額定負荷左右的能力，當單側風機跳閘后，另一側側送、引風機出力能夠迅速上升。當單臺一次風機跳閘后，相應的磨煤機會聯鎖跳閘，另一臺一次風機液耦開度會迅速提升。這三類輔機跳閘在低負荷下，機組依然能夠保持協調控制方式運行。

三種跳閘情況，會對機組的燃料量、爐膛壓力、汽包水位、一次風壓以及總風量造成影響，這些參數使得工況發生了變化，會使機組爐側對象參數相應改變。由此進行系統仿真，改變機組爐側的相應參數，控制器參數不發生變化，觀察控制過程是否會發生變化甚至出現失調情況。

仿真過程：超臨界350 MW機組，機組投入AGC，功率跟隨調度指令。處于低負荷130 MW，給煤量58 t/h，主蒸汽壓力為9.1 Mpa，滑壓運行，汽包壓力10.1 Mpa。調度起始指令130 MW，200 s時目標負荷135 MW，1500 s時目標負荷127 MW，1800 s時目標負荷137 MW。

仿真結果見圖4、圖5，仿真過程中機組相應的參數見表2。

圖4 機組功率仿真結果圖

圖5 機組主蒸汽壓力仿真波動圖

觀察圖4和圖5的仿真結果，可知在機組滑壓運行下，汽機調節閥門開度不變，機組功率和主蒸汽壓力的變化趨勢相似，且三組曲線功率均能夠跟隨指令數值，主蒸汽壓力波動在可接受范圍內。機組在“機跟爐”運行方式下，負荷調節速率較慢。

由結果可知，當機組發生輔機跳閘情況時，如若未采取跳閘應對措施，系統各參數的變化會對調節過程產生影響。若控制器參數不發生變化，輔機跳閘后，隨著各機組各參數的改變，系統始終接受外部調度指令，機組調節品質下降嚴重。

表2 單元機組仿真參數

5 RB工況下系統調節措施建議

在實際工程中，機組低負荷段運行時，由于輔機跳閘不會對機組的出力產生限制，因此一般不觸發RB控制，而是在這種RB工況下繼續進行發電任務，機組協調控制的運行方式切換為“機跟爐”方式，并在投入AGC的情況下繼續接受調度指令。根據仿真結果，可知輔機跳閘后低負荷段各參數的穩定性較差，繼續接收外部指令進行變負荷將對參數造成更大的擾動，不利于機組的運行安全。因此，在低負荷段，如發生輔機跳閘時，也應仿照高負荷段的RB控制策略，將鍋爐主控切為手動控制，并保持當前的出力；同時，汽機進入跟隨模式，穩定主汽壓力。采用該運行方式，鍋爐側輸出基本保持不變，有利于鍋爐參數的調整和穩定，可避免輔機跳閘時外部指令和信號對機組出力產生擾動，保障機組運行安全。

除制粉系統跳閘外，為應對單側輔機跳閘后造成的出力不足情況，控制回路中設計了相應的超馳回路。使得機組在單側輔機跳閘后，控制邏輯會自動將跳閘前輔機指令疊加至運行側輔機，以達到快速增加運行輔機出力的目標。在高負荷階段，由于單側輔機出力不足，發生輔機跳閘后采用該方法一般都將運行側輔機的出力提升至最大，以滿足RB過程中的參數控制要求。但對于低負荷工況來說，單側輔機運行時其出力依然有裕量，且單側輔機運行的工作點、效率都發生了變化，采用簡單的指令翻倍方法很可能造成出力過大，反而影響機組的運行安全。

在本次仿真中，使用相同的控制器參數，系統在低負荷段的調節性能對于機組參數的改變表現十分敏感。由于實際火電機組中，各調節系統的主要參數設置均主要考慮高負荷段的工況，對于低負荷段的自動調節品質，特別是在單側輔機運行時的調節參數方法調整并不多。低負荷段，各調節對象的特性和輔機工作點的變化，其控制參數與高負荷段有較大差別。因此，建議對相關PID控制器采用變參數設計，在參數賦值時考慮輔機運行工況、機組運行負荷等因素，根據不同的組合確定控制參數，以達到最佳的控制性能。

6 結論

本文針對工程實際中機組低負荷的RB工況，給出了一種RB工況下的“機跟爐”協調控制系統模型。根據機組滑壓運行的特點，通過蒸汽通汽量方程對系統進行爐側和機側的分離，從而實現了系統的簡化。并通過理論計算以及系統仿真，驗證了模型的有效性。同時，通過進行機組跳閘仿真，為RB工況下系統調節提出了改進措施建議，為工程實際中機組面臨的輔機跳閘問題提供建議性的解決方案。

限于篇幅，本文僅針對三種爐側機組參數進行了仿真對比。在工程實際中若利用本模型進行控制系統的分析，需要得到較為精確的機理模型參數，這類參數辨識方法可參考有關文獻。本文意在對低負荷RB工況的協調控制系統進行介紹和分析，從而對控制對象以及控制系統做到深入理解，對電廠安全運行、電力系統電力分配工作有重要的意義。