火力发电厂自动控制系统中常见的积分饱和回路及其克服方法_张秋生

火力发电厂自动控制系统中常见的 积分饱和回路及其克服方法 Integral Saturation Commonly Found in Automatic Control Systems of Thermal Power Plant and Its Counter Measures 张秋生1 杜 辉1 周 雷2 1 河北省电力试验研究所 河北 石家庄 050021 2 新华控制工程有限公司 上海 200245 摘要 文章对火力发电厂自动调节系统中的协调控制系统 汽温控制系统 烟气氧量控制系统产生积分饱和的原因进行 了分析和研究 并介绍了简单可行的实用解决方法 关键词 火力发电厂 积分饱和 协调控制系统 自动控制系 统 Abstract This paper discusses the cause and solution of integral saturation in the thermal power plant automatic control system such as coordinated control system steam temperature control system and flue gas oxygen content control system It also intro duces some simple and applicable solutions Keywords thermal power plant integral saturation coordinated control system automatic control system 中图分类号 TK32 文献标识码 B 文章编号 1001 9898 2002 05 0040 02 1 积分饱和 在自动控制系统中采用的常规 PID 调节器中 调节器的算法如式 1 所示 O KP e 1 1 TiS KdTdS 1 式中 O 为调节器的输出 KP为比例放大倍 数 e 为测量值与给定值的偏差 Ti为积分时间 Kd 为微分放大倍数 Td为微分时间 从式 1 中可以看出 只要偏差不为零 由于积 分作用 调节器的输出就会一直增加或减小 直到上 限或下限值出现积分饱和 积分饱和的危害是 当 偏差量向相反方向变化时 调节器的输出需要足够 时间的反向调节输出 才能达到执行机构接受指令 的有效响应范围 从而影响了自动调节品质和生产 过程的安全 在火力发电厂自动调节系统中 容易出现积分 饱和的自动控制系统 大都是对象迟延比较大并且 容易受外界干扰影响的控制系统 如协调控制系 统 过热与再热汽温控制系统 烟气氧量控制系统 下面对这些系统的积分饱和产生原因和克服方法分 别加以阐述 2 火力发电厂容易出现积分饱和的控制系统分析 2 1 协调控制系统中汽轮机控制回路 2 1 1 产生积分饱和的原因 协调控制系统与 DEH 的接口指令原理如图 1 所示 图 1 协调控制系统与 DEH 的接口指令原理图 协调控制的汽轮机调节器输出为 DEH 负荷指 令 它与 DEH 负荷参考进行比较后 如果偏差为 正值且超过调节死区 则发出 CCS 增 指令 同样 如果偏差为负值且超过调节死区 则发出 CCS 减 指令 因为 DEH 的快速调节特性 DEH 调节阀门随 着 CCS 增减指令而快速动作 在正常调节工况下不 会存在积分饱和现象 但是如果燃料发热量低 会 使机前压力达不到额定值 从而使机组的有功功率 收稿日期 2002 06 24 作者简介 张秋生 1970 男 工程师 主要从事火电厂热工自动化调试及研究工作 40 2002 年第 5 期 河 北 电 力 技 术 第 21 卷 达不到负荷给定值 这种情况下协调控制系统会一 直给 DEH 发出 CCS 增 指令 使 DEH 的流量指令 不断增长 在 DEH 的阀门管理回路 各调节阀门 指令只能接受 0 100 的流量指令信号 超过 100 时 不仅对 DEH 调节阀门无效 而且在有功 功率上升时 从协调控制系统 CCS 减 到流量指令 低于 100 DEH 开始关调节门需要一定的时间 这个过程往往会导致机组过负荷 影响调节系统的 稳定性 2 1 2 解决方法 解决汽轮机控制回路积分饱和的方法是在协调 控制系统中引入 DEH 流量指令信号 FDEM 在流 量指令信号没有超过 99 时 才允许发 CCS 增 指 令 如图 2 所示 图 2 增加流量限制后的汽轮机控制回路 2 2 过热汽温与再热汽温控制系统 2 2 1 产生积分饱和的原因 过热汽温与再热汽温一般采用喷水减温的控制 方法 自动控制结构一般采用串级控制 结构如图 3 所示 喷水减温自动控制系统的积分饱和往往出现在 主调温度的测量值比设定值低时 在控制器手动状 态 主调节器 PID1 的输出跟踪副调节器 PID2 的输 入 副调节器的输出值跟踪手操器的输出值 这样能 够保证主调节器和副调节器的输入偏差为零 在切 换到自动时能够实现无扰切换 在主调温度的测量值长时间比设定值低并且超 过一定时间后 由于主调节器的积分作用 使它的输 出达到上限值 送至副调节器的给定端 结果是使副 调节器的输出指令达到最小值 使减温水门完全关 闭 当主调温度上升后 需要较长的一段时间后才 能使主调节器的输出降低 减温水门开启 积分饱和 在喷水减温自动控制系统中的危害往往是超温 图 3 过热汽温与再热汽温喷水减温串级控制结构图 2 2 2 解决方法 由于汽温低喷水减温门全部关闭时 防止产生 积分饱和的有效方法是先切除汽温自动 到汽温回 升时再投入 但是这样会增加运行人员的劳动强 度 投 切自动的时间也不好掌握 因此设计了如下 逻辑 副调节器输出指令达到上下限值时 使主 副 调节器的输入偏差自动清零 原理如图 4 所示 图 4 喷水减温串级控制积分饱和消除逻辑图 图 4 中 副调节器的输出达到上下限值时 触发 RS 触发器的置位信号 使主 副调节器瞬时处于跟 踪状态 导致偏差输入清零 跟踪完成后 调节器进 入正常调节状态 如果在设定后副调节器的输出仍 然在上限值或者下限值 则再次触发跟踪信号 否 则 RS 触发器复位 跟踪信号为零 2 3 烟气氧量校正回路 2 3 1 产生积分饱和的原因分析 烟气氧量校正结构如图 5 所示 烟气氧量调节器的校正作用是通过改变送风风 压设定值的修正量来实现的 因为送风机入口挡板 的开度变化 炉膛烟气氧量的响应是一个大延迟 的对象特性 再加上锅炉燃料量改变 炉膛漏风等影 响 经常发生炉膛烟气氧量测量值 下转第 46 页 41 2002 年第 5 期 河 北 电 力 技 术 第 21 卷 测试是按额定负荷和不投油最低稳燃负荷两个 工况下进行的 主要测取空气预热器的阻力 漏风 烟温 风温 烟量 风量以及锅炉热效率等数据 表 1 改造前与改造后锅炉运行半年的测试结果比较 参数名称改造前改造后 过热蒸汽流量 t h 15960 5 引风机电流 A2524 引风机挡板开度 10050 送风机电流 A23 524 送风机挡板开度 6060 热风温度 甲 281314 热风温度 乙 279297 排烟温度 150126 漏风系数 后烟道 4411 烟侧阻力 后烟道 Pa1 4151 268 飞灰可燃物 11 135 275 排烟损失 6 9145 62 锅炉热效率 80 44486 711 从上表所列数据可以看出 将光管式空气预热 器改成螺旋槽管空气预热器后 各项技术参数均有 明显好转 其中 后部烟道漏风系数降低 33 后 部烟道烟气侧的阻力下降 147 Pa 热风温度提高 18 33 排烟温度下降24 锅炉效率提高 3 91 已扣除锅炉大修因素使效率提高 2 357 3 2 2 停炉检查 空气预热器改造后 经半年的实际运行停炉检 查得知 管子内壁干净 无积灰 无堵灰 管件亦未发 现有明显磨损现象 3 3 应用效果 上述情况充分说明 将空气预热器改造为螺旋 槽管的方案是很成功的 达到了预期目的 取得了显 著的经济技术效益 a 降低了排烟温度 提高了锅炉热效益 以锅 炉热效率提高 3 91 计算 仅此一年就可节约标煤 165 t b 提高了热风温度 为锅炉的稳定燃烧创造了 条件 c 提高了壁温 从而减轻了管壁低温腐蚀 d 解决了漏风 积灰和堵灰问题 保证了管道畅 通 使炉膛经常维持负压运行 既减轻了粉尘污染 又减少了维护工作量 e 改善了管道磨损 使用寿命得到大幅度提高 f 受热面积比改前减少了 607 m2 节约钢材近 6 t 4 结束语 螺旋槽管较之光管 具有传热系数高 抗积灰性 好 能减轻管壁低温腐蚀以及轧制工艺简单等优点 因此 用螺旋槽管空气预热器替代光管式空气预热 器 可收到改善锅炉燃烧条件 提高锅炉热效率 降 低能耗和减少检修维护工作量等一系列经济技术效 益 需要指出的是 螺旋槽管空气预热器在运行中 烟侧阻力稍有增加 在采用这一节能技术时可根据 具体要求 如不更换风机等 进行设计 既达到预期 目的 又尽量减少改造工作量和改造费用 参考文献 1 李恩辰 火力发电厂锅炉计算知识 M 北京 水利电力出版 社 1991 2 徐奇焕 锅炉排烟温度偏高对机组热经济性的影响 J 贵州能 源 1999 4 上接第 41 页 图 5 烟气氧量校正结构图 长时间偏离设定值而使氧量调节器的输出达到最大 或最小值 使送风风压的设定值与测量值偏差过大 而导致自动切除 2 3