風機自平衡回路在RB過程中出現的問題分析

楊 玲，王海濤，洪 軍

（皖能馬鞍山發電有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

在火力發電廠的自動控制系統中，存在著許多由同一個被調量，其執行單元為兩臺出力完全相同的設備組成的調節系統，如鍋爐引風機、送風機、一次風機控制系統等。此類控制系統均要考慮單臺設備運行和兩臺設備均運行時不同工況的調節變增益問題，還要考慮一臺設備投入自動或兩臺設備均在自動方式運行時的設備總出力自動平衡問題，此類功能一般由輸出自動平衡回路來實現。此種平衡控制功能因組態簡單、功能完善而廣泛應用于電力生產熱工控制過程，但該平衡回路存在特殊工況（如RB）時易發生控制飽和且相應的解決方法不完善等問題，造成實際的RB 動作過程異常，嚴重時危及機組運行安全，必須對該自平衡控制功能進行進一步的完善優化，使其適應各種工況下的控制要求。

1 自動平衡回路原理分析

目前，在發電廠自動控制系統中廣泛應用的兩設備自平衡輸出環節，其典型控制原理圖如圖1。

圖1 典型自平衡控制原理圖Fig.1 The typical self balancing control principle diagram

該平衡回路需要實現的功能有：當兩臺設備操作器都在自動控制方式時，如果出現了兩側出力不平衡的情況（如電機、擋板特性差異造成的風壓、電流不平衡等），操作員可通過設置BIAS 對兩臺設備出力進行偏置。當一側設備出力增加時，另一側設備出力會對應地減小，通過兩側設備同時反向動作，在調整兩側出力平衡的同時，保持兩臺設備的總出力始終不變，以避免給被調量帶來擾動[1]；當只有一臺設備在自動方式運行時，平衡回路能自動增大調節器的增益以適應執行單元數量的變化。同時，當手動設備出力改變時，自動設備能對應變化以保持總出力不變，避免給被調量帶來擾動[2]。處于手動的控制站，其調節指令能跟蹤該設備操作輸出，以保證控制系統實現手自動之間的雙向無擾切換。

下面通過計算分析不同工況下平衡回路實現上述功能的工作原理：

1）當兩臺風機均在手動時，甲執行器輸出指令A 和乙操作器輸出指令B 均由操作員通過手操器進行手動操作。此時，調節器處于跟蹤狀態。

甲執行器調節指令：

乙執行器調節指令：

可以得出，此時兩臺設備的調節指令均跟蹤實際操作輸出指令。

2）當一側執行器投入自動運行而另一側執行器手動運行時（如甲側執行器自動，乙側執行器手動），此時A 指令即為調節指令a，既A=a，B 指令仍由操作員操作。此時調節器處于正常調節狀態，調節指令Y 控制被調量跟蹤設定值。

此時，甲側輸出指令A 為兩倍的調節指令減去乙側輸出指令B。由于單側投自動，其自動執行環節出力減半，調節增益變為兩設備均投入自動時的兩倍，實現了自動變增益功能。由式（3）還可以看出，當操作員手動改變乙側執行器開度時，甲側執行器會反向動作，以保持設備總出力不變，避免給被調量帶來擾動。

而此時乙執行器調節指令：

可以看出，此時乙側調節指令b 仍然跟蹤操作指令B，保證了手自動切換時的無擾。

3）當兩臺風機均在自動時：

此時兩側執行器均作為調節系統的執行環節，共同控制被調量跟蹤設定值，其增益恢復為1 倍。當兩側設備出現出力不平衡時，操作員可以通過增加偏置BIAS，來增加甲執行器輸出減小乙執行器輸出。反之亦然，以平衡兩側設備的出力水平。

兩設備平衡回路解決了調節過程增益自適應問題，可以在各種運行工況下提供操作手段使兩測設備出力平衡，并實現了各種運行工況下的無擾動切換，結構簡單直觀，在電力工程中得到了廣泛的應用。隨著DCS 系統的不斷升級，很多DCS 系統針對兩設備甚至多設備并列運行的工況開發出了專門的平衡功能塊，使用戶在使用上更加便利，其內部運算機理均與圖1平衡回路相似。

2 RB過程中自平衡回路出現的飽和問題及解決方法

在發電廠的自動控制系統調試和試驗過程中，也發現了該平衡回路本身存在特殊工況下的控制飽和問題，如送風機、引風機、一次風機RB 發生故障時，平衡回路出現調節飽和將會使調節過程變得十分遲緩，控制參數嚴重超調，給機組的安全運行帶來隱患。

在國內某超臨界火力發電機組調試中，在對引風機進行RB 試驗時，當一側風機跳閘后，運行側風機靜葉快速開至最大限位（90%開度）[3]，同時爐膛壓力快速上升至530Pa。隨著鍋爐燃料量快速下降至50%負荷對應燃料量，爐膛壓力也快速下降，但負壓調節變化十分遲緩，運行側引風機靜葉始終保持在90%，爐膛壓力持續下降至-730Pa后，靜葉才逐漸關閉，爐膛壓力也逐漸恢復至正常值。試驗后，分析造成調節動作遲緩的原因，發現正是由于風機自平衡回路出現飽和造成了上述現象。具體分析計算如下（以乙側引風機跳閘為例）：

當機組正常滿出力運行時，甲、乙側引風機均在自動調節狀態運行，此時甲側引風機靜葉輸出指令A=Y +BIAS，乙側引風機靜葉輸出指令B=Y-BIAS。當乙側引風機跳閘后，乙側靜葉擋板超馳全關且切為手動。由式（3）可知，此時甲側靜葉擋板指令A=2Y-B，由于B 迅速下降為零，則A=2Y。由于機組在滿負荷運行狀態時，調節指令Y 基本都會遠大于50（具體與引風機出力相關），風機跳閘瞬間調節指令Y=50+Δ（Δ 區間為0～50），則A=2Y=100+2Δ，超出了引風機靜葉上限（為了便于分析，假設風機擋板上限為100）2Δ，則引風機靜葉飽和區間=2Δ，此區間最大可以達到100（在實際運行中，由于需要預防引風機電機過流[4]，一般靜葉上限會設定得更小，但飽和區間仍保持不變），必造成調節恢復過程的遲緩。具體過程為：乙側風機跳閘，其靜葉擋板全關，則甲側靜葉擋板快速開啟至上限。由于此時調節指令為50+Δ，則甲側靜葉的實際調節指令為100+2Δ，已處于過飽和狀態。隨著負荷下降，爐膛負壓逐漸恢復，調節指令也逐漸下降，但由于此時指令仍在飽和區，所以甲側靜葉仍將保持全開位，一直要等到調節指令下降幅度超過Δ 后，擋板才能脫離飽和區間進入正常調節過程，靜葉才能逐漸關閉，控制爐膛負壓至設定值。至于飽和時間的長短和飽和區間的大小，具體的風機運行工況和調節參數有關。該飽和過程極大地影響了系統的調節品質，延長了系統的調節過程，造成了系統的不穩定，嚴重時甚至引起調節系統的振蕩，對機組的安全運行十分不利，必須找到相應的解決辦法。經過分析，造成該飽和現象的根本原因是由于平衡回路的存在。當RB 發生時，自動調節指令已和設備實際出力產生了很大的偏差，只要能在出現該偏差時讓調節指令快速和設備出力相匹配，就能解決該問題。本文設計了在RB 剛發生時讓調節指令快速跟蹤實際的操作指令（實際設備出力水平），實現讓飽和區快速降為零，通過增加在RB 發生后調節器自動跟蹤脈沖回路，能夠解決上述問題。具體邏輯如圖2。

圖2 自平衡回路抗飽和功能組態圖Fig.2 Configurartion diagram of anti-saturation function of self balancing circuit

當引風機RB 發生后，運行引風機擋板指令到上限且跳閘引風機擋板指令到零。此時發出1s 脈沖讓調節器跟蹤輸出指令，跟蹤脈沖觸發前甲側靜葉調節指令a=2Y=100+2Δ，此時實際操作指令A 為上限值，最大為100%。當跟蹤脈沖發出后，調節指令快速跟蹤實際的操作指令，則Y=。假設A 此時為90%，則Y 快速跟蹤為45%，做到了與實際運行擋板指令相匹配，完全脫離了飽和區間而進入正常調節過程。邏輯修改完成后，對該回路做了靜態試驗，過程如圖3。

圖3 自平衡回路抗飽和功能驗證試驗曲線Fig.3 Validation test curve of anti-saturation function of self balancing circuit

從圖3中可以看出，過程初始狀態3 個信號均為70%。當乙側引風機跳閘后，其靜葉輸出指令快速下降至零，甲側靜葉輸出指令快速上升至上限值90%（為了防止靜葉擋板過快的變化不利于爐膛負壓的穩定，在輸出回路增加了限速環節）。當圖3條件滿足后，發出調節跟蹤信號，調節輸出指令快速跟蹤為兩臺靜葉輸出指令之和的平均值45%。該過程說明增加的環節完全達到了設計目的，解決了RB工況時的調節飽和問題。

3 一次風機RB動作異常過程分析

風機自平衡回路的抗飽和功能可以有多種組態方法，但在實際應用中還是經常出現由于研究不充分、策略不完善等原因導致過分強調抗飽和功能而影響自平衡正常功能的實現，嚴重時危及機組異常工況時的運行安全性。

某超臨界660MW 機組配置兩臺50%Pe 出力動葉可調型一次風機，一次風機控制回路設計有風機自平衡功能，并加入了抗飽和邏輯，但由于邏輯組態不合理，造成了在RB 過程中風機動葉控制異常。

3.1 一次風機RB過程

圖4為該廠一次風機RB 動葉動作過程曲線。

圖4 某電廠一次風機RB動作過程曲線Fig.4 Action process curve of RB operation of power plant

從第1 章的敘述可以看出，具備自平衡調節功能的風機動葉在一側風機跳閘后，運行風機動葉應能迅速開啟至上限值（設置上限值是為防止風機過電流[5]），使運行風機出力至最大后，再進入正常的調節過程，確保機組運行安全的有效手段。

從圖4可以看出，當B 一次風機跳閘后，A 一次風機動葉卻由67%關小至39%（過程時間為14.5s）后，才逐漸開大至62%，進入正常的調節過程，導致一次風壓快速減小且持續時間較長。操作員及時將A 一次風機動葉切為手動，才沒有發生一次風壓過低而引發機組跳閘事故[6]。

3.2 過程分析

通過對一次風機控制邏輯檢查，繪制該廠一次風機自平衡功能組態圖如圖5。

圖5 某電廠一次風機自平衡回路組態圖Fig.5 Self-balancing configuration diagram of primary air blower in power plant

該平衡回路功能架構和第1 章所述基本相同，不同的是為了防止平衡回路的飽和問題，增加了調節器的動態上限功能，設置調節器上限為兩臺風機指令之和的平均值加5，目的是通過限制調節器指令始終在兩臺風機平均指令附近，以縮短飽和區間的方式防止出現控制深度飽和現象，但該策略不太完善，已經影響了平衡回路的正常功能。同時，為了操作便利在偏置功能輸出增加了速率限制功能。該速率塊由于觸發條件不完善，也影響了平衡回路的正常功能。具體分析如下：

設速率限制器V1（速率參數3/s）前調節指令為Y0，V1 后指令為Y；速率限制器V2（速率參數1/s）前偏置指令為BIAS0，V2 后指令為BIAS。

當RB 發生時，有A=67，B=0，BIAS=BIAS0=0，Y=Y0=67。

RB 發生第1s，有Y0=PID 上限=A/2+5=38.5，Y=67-3=64，BIAS0=(A+B)/2=33.5，BIAS=1，則A=Y+BIAS=64+1=65。

RB 發生第2s，Y0=65/2+5=37.5，Y=64-3=61，BIAS=2，則A=61+2=63。

可以看出，RB 發生后B 一次風機動葉全關，A 一次風機動葉指令并沒有快速開啟反而逐漸下降。下面通過計算，推導出A 一次風機動葉RB 后，先下降再上升的過程。

假設t 秒時，A 一次風機動葉停止下降過程，則有Y0=Y，即：

聯立式（6）、式（7），解二元方程，得t=14.25(S)，A=38.5（%）。

計算得出RB 發生14.25s 后，A 一次風機動葉指令最低下降至38.5%后，開始逐漸上升進入正常調節過程。理論計算過程和圖5實際動作過程相同，說明理論推導過程完全正確。

3.3 預防措施

從上述分析可以看出，由于風機自平衡功能存在缺陷，造成A 一次風機動葉RB 時動作異常，只是由于RB 發生時機組負荷還不是太高而且操作員及時干預將A 一次風機切為手動才沒有發生更嚴重的后果，必須對風機RB 及自平衡功能進行優化完善，按照第2 節闡述的組態方法對該機組相關邏輯優化后，并進行了靜態試驗驗證，一次風機自平衡功能動作正常，從根本上消除了機組隱患。

4 結論

風機出力自平衡功能由于結構簡單，具備各種工況下均能保持設備出力自動平衡以及無擾切換等特點在電力工程中應用廣泛，但在具體應用中必須針對其RB 工況容易發生調節飽和的問題進行完善優化，才能保證RB 動作過程正常穩定，爐膛負壓、送風量、一次風壓等受控變量調節反應快速，過程平穩可控，被調量偏差控制在允許的范圍內，確保機組在異常工況下的運行安全性。