直接能量平衡在协调控制中的应用及优化.doc

直接能量平衡在协调控制中的应用及优化作者：赵志丹，陈志刚，王晓勇，李文军，梁朝，张健摘要： 华能淮阴电厂二期2330MW机组(5号、6号)和华能新华电厂330MW机组(6号)配置相同，汽轮机为北京北重汽轮电机有限责任公司制造的N330-17.75/540/540亚临界、单轴、一次中间再热、三缸双排汽、凝汽式，并配同一公司制造的QFSN-330-2型水-氢-氢冷却发电机，自并励同步。锅炉为HG-1018/18，66-PMl9型一次再热、亚临界汽包炉，最大连续蒸发量为1018t/h，过热器、再热器出口蒸汽温度均为543，给水温度为258.8。 华能淮阴电厂330MW机组控制系统采用上海新华控制工程有限公司制造的XDPS-400+DCS，其协调控制采用DEB方式;华能新华电厂330MW机组独制系统采用华能新锐公司制造的PineControl DCS，该系统以PLC为核心，充分利用PLC的技术资源和分布式控制网络技术，构成技术开放、配置灵活、结构简捷、维护方便和安全可靠的DCS。2套控制系统均包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、顺序控制系统(SCS(含锅炉吹灰系统控制)、数字式电液控制系统(DEH)、旁路控制系统(BPC)等各项控制功能。一、DEB构成 DEB协调控制系统是以汽轮机的能量需求作为锅炉输入能量的设定值，其控制目的是在任何工况下均能保证锅炉能量的输入与汽轮机能量的需求相平衡。DEB信号构成形式为: 式中:P1为调节级压力;pT为主蒸汽压力测量值，Ps为主蒸汽压力设定值，Pd为汽包压力，k1为动态过程燃烧变化的增益。 DEB的特点: (1)通常采用以锅炉跟随为基础的协调控制方式，由汽轮机的调节阀控制功率。采用(p1PT)Ps表示汽轮机对锅炉的能量需求，控制锅炉的输入能量，保证机组内部能量的供需平衡。与间接能量平衡(IEB)控制不同的是机前压力PT并不代表真正的能量，只是表征能量平衡的参数。 (2)采用与汽轮机调节阀开度成正比的信号(P1PT)Ps及其微分量之和(式(1)作为锅炉负荷指令，式(1)的微分项在动态过程中加强燃烧指令，以补偿机、炉之间对负荷要求响应速度的差异。由于要求补偿的能量与负荷变化量成正比，与负荷大小为比例关系，所以微分项应乘以(P1PT)Ps。机组在滑压运行工况下，Ps是一个变量。对于定压运行的机组也可采用(P1PT)作为能量平衡信号。二、DEB的几种结构2.1 带压力调节回路修正的串级控制系统 通过调节汽轮机调节阀的开度实现功率控制，汽轮机侧可采用串级也可采用单回路控制，可按相关要求构成机跟炉或炉跟机等协调方式，其主要特点是在锅炉燃料量控制上采用个主蒸汽压力的闭环调节修正回路来改善动态过程的调节速度(图1)。华能新华电厂采用该控制结构。锅炉的能量反馈信号采用P1+C.(dPd/dt)(C为锅炉蓄热系数)，并与锅炉的负荷指令信号相平衡。汽包压力的微分提前反应锅炉能量的变化过程，即蓄热还是放热。P1在负荷变化过程中与机组输出功率成正比，同时代表汽轮机调节阀的开度不受其开度变化过程滞后和死区的影响，可以有效地克服锅炉扰动对机组输出功率的影响。(P1PT).Ps及其微分信号作为铸炉负荷指令与输入锅炉的热量信号相平衡，主蒸汽压力控制回路的引入可在稳态过程中消除主蒸汽压力的偏差，起细调作用。汽轮机主控制器的输出控制调节阀的开度，以维持设定功率的变化对调节级压力的需求，满足机组变负荷要求。2.2 以P1(1+k(Ps-pT)作为前馈信号的调节系统 以P1(1k(Ps-pT)作为锅炉调节系统前馈信号(图2)的关键在于:单独使用两信号在PT上升时P1随之增大，使燃料量进一步增加，形成正反馈。将P1.k(Ps-pT)作为前馈信号的一部分，在PT上升时，(Ps一PT)减小，克服正反馈的作用。函数发生器f(x)是将前馈信号转化为数值与子回路控制相匹配的信号，以适应机组动态过程的变化，通常为稳态时能量的30%。其中，动态过程燃烧变化增益和锅炉蓄热量变化增益K值的整定是整个前馈的关键点，应尽量选择大一些，以便有效地抑制角的正反馈作用。此种控制结构目前应用较少，也难于整定。 2.3 直接采用DEB信号作为锅炉负荷指令的控制系统 直接采用DEB信号作为锅炉负荷指令的控制系统将汽轮机能量需求信号(P1PT)Ps及其微分信号之和(即式(1)作为锅炉指令，其反馈信号为P1+C(dpd/dt)。P1代表了进入汽轮机的能量，汽包压力的微分量代表了锅炉蓄热的变化。在稳态工况下，dpd/dt=O。锅炉主控制器的积分作用使PTPs，从而使设定值与反馈相平衡(均为调节级压力P1)，满足机组负荷的要求。该方式结构简单，充分利用了汽包压力的微分，便控制过程更加平稳，实现动、静态工况下机炉能量的平衡(图3)。华能淮阴电厂5号、6号机组用此种控制方式。 三、DEB方式下控制系统的完善3.1 机炉能量平衡信号中K值的选择 在投入协调控制过程中，为了满足动态特性的需求，设定过程微分时间及微分增益，通过观察汽轮机和锅炉热量信号所包容面积的收敛过程，适当改变K1值和K2值，发现在不同的负荷段值K1值及比例关系的设置应不同。通常，K1值、K2值在高负荷阶段分别为10、6，在低负荷阶段分别为8、6。为了解决不同负荷阶段的增益值及比例关系问题，对原控制逻辑进行了修改，将K1值和K2值由固定量改为以一定比例关系为基础的随动量(K值)，取得了良好的控制效果。改前、改后的控制逻辑见图4、图5。 3.2 在锅炉燃料量控制中增加主蒸汽压力控制回路 华能新华电厂DEB方式下的协调控制投入后，在控制锅炉煤量的变化中出现上下波形波动，上下变化的过程表示机、炉能量偏差的正负交替的过程，所围绕的面积出现相等的周期变化，而实际的功率、压力与设定值的偏差很小，能够满足机组运行的要求。但是，为了减少给煤机、磨煤机等子系统控制的波动，在原控制系统上增加一个主蒸汽压力的闭环控制，以修正汽轮机的能量需求，改变其调节特性，其控制结构类似于图1。增加设定压力与实际压力的偏差，经调节后的输出可削弱DEB信号对锅炉主控输出的影响，增强整个调节系统的稳定性。3.3 采用主蒸汽压力拉回回路 为保证负荷变化过程中机、炉的能量平衡关系不发生严重失调，在汽轮机仅控制功率的前提下，在华能淮阴电厂5号、6号机组汽轮机主控制中增加压力拉回回路，以补偿锅炉的能量，其控制曲线见图6。在设定负荷改变时，主蒸汽压差通常很小，其偏差主要为功率偏差。汽轮机调节阀迅速改变以响应机组负荷变化的要求，锅炉随着调节级压力的变化迅速改变煤量，但燃烧调节存在一定的滞后，在主蒸汽压力偏差超过一定限值时，通过主蒸汽压差削弱功率差，在一定范围内补偿锅炉的能量，使功率及压力偏差均满足控制的要求。 3.4 AGC的优化 机组投入AGC后，AGC指令以三角波方式改变。为满足电网响应速率的要求，防止主蒸汽压差过大造成控制方向闭锁，增加了负荷设定指令的微分作为前馈，为负荷的变化提供一个加速煤量。此外，对主蒸汽压力设定点增加惯性环节，等待锅炉燃烧对主蒸汽压力响应的滞后，使机组实际负荷的变化达到2.5%，取得了很好的效果。四、DEB方式下相关子系统的控制4.1 引风控制 引风控制系统采用静叶控制，以维持炉膛压力的稳定，在控制逻辑中设计了防内爆、方向闭锁和联锁保护功能。在送风机跳闸、RB、起停磨煤机过程中具有前馈控制。4.2 送风控制4.2.1 风量指令 采用DEB信号静态表达式(P1PT)Ps作为风量指令。在控制逻辑上PT与Ps偏差大(大于0.8MPa)时，锅炉主控切换为手动方式;在高压加热器解列、单阀/多阀切换仍变化大时，对锅炉主控影响大，为克服这些工况下的大幅扰动，同时仍能满足锅炉风量要求，对风量指令保持20s;当机组发生RB，用P1作为风量指令，使系统稳定;设置预喘振功能及引风机跳闸前馈。4.2.2 引风机跳闸影响 在联锁逻辑上引风机跳闸不联跳送风机，对炉膛压力影响较大。对此，采用送、引风机动叶开度比例前馈适当减小送风量，可以有效地抑制炉膛压力波动。4.3 一次风控制 一次风压力与设定值作为单回路控制系统的输入，并具有一次风压力低执行机构减闭锁等功能。另外，因为制粉系统为正压系统，为了防止煤粉外冒，设有密封风系统，供制粉系统各处的密封。4.4 汽包水位控制 给水控制系统包括3台电动给水泵及旁路给水阀控制，为全程给水控制系统。为适应机组的各种运行方式，设计了多回路变结构的控制。 机组在起动和低负荷(小于30%额定负荷)时，由1台电动给水泵向锅炉供水，用出口旁路给水阀调节给水量。当旁路给水阀开度达到90%时，切换为电动给水泵转速控