机炉协调控制系统中的综合能量平衡策略

1、机炉协调控制系统中的综合能量平衡策略2007年7月第14卷第4期控制工程controlengineeringofchinaju 1.2007vol.l4,no.4文章编号:1671 7848(2oo7)o4-0346-04机炉协调控制系统中的综合能量平衡策略张丽香，段秋刚(1.山西大学工程学院，山西太原030013;2.山西电力科学研究院热工研究室，山西 太原 030001)摘要:针对火电机组负荷控制对象具有不确定性，复杂性及多变量相互耦合的特 点，以及火力发电厂单元机组的汽轮机和锅炉动态特性之间存在着较大差异的特点 将常规的反馈，前馈控制方法与模糊推理有机地融合在一起构成综合控制策略,将其综

2、合能量平衡策略应用于单元机组协调控制系统屮，以消除各种干扰引发的机炉能量不平衡现象，提 高单元机组的负荷适应性和机组稳定性.仿真研究及实际控制效果表明，单元机组协调系统 的控制品质得到了明显改善.关键词:协调控制;综合控制策略;能量平衡;单元机组中图分类号:tp273文献标识码:asyntheticenergybalancestrategyofboiler一turbineunitcoordinationcontrolsystemzhangh-xiang,duanqiu-gang(1 collegeofengineering,shanxiuniversity,taiyuan030013,chin

3、a;2.instituteofhatengineering,shanxielectricpowerresearchinstitute,taiyuan03000lc hina)abstr:totheproblemthatthecontrolledobjectofapowerunitwithmimoandcomplexprop erty.andthedynamicpropertyfortheler hasagreatdifferencewithitfortheturbineasyntheticenergybalancestrategyofcombiningth econventionalcontr

4、olmethodwithfuzzyinfer- enceisappliedtothecoordinationcontrolsystemofapowerunittheenergybalanceproblemi ssolved.andtheloadadaptivecapabilityand thestabilityofthepowerunitateimproved.simulationandrealnmningresultsshowthattheco ntrolsystemhasbetterperformancethanthecon-ventionalcontrolplan.keywords:co

5、ordinationcontrol;syntheticcontrolstrategy;energybala nce;powerunit1引言2能量平衡关系在火力发电生产过程中,要想保证单元机组在各种干扰下，既能快速适应负荷，又能稳定机组运行，其关键是汽轮机与锅炉负荷协调控制系统设计的好坏由于单元机组负荷控制对象具有不确定性,非线性，复杂和多变量的特点,且汽轮机与锅炉的动态特性存在较大差异，所以如何提高协调控制系统性能一直是火电生产过程自动化研究领域的个重要课题近年来，基于模糊推理自适应控制，参数自整定，模糊神经元控制和预测控制等的多种协调控制系统的研究论文大量出现，并取得了可喜的研究成果.本文

6、针对单元机组生产过程是一个能量连续转换过程的本质特性，将综合能量平衡策略应用于单元机组协调控制系统中，能够有效地克服各种干扰因素引发的汽轮机和锅炉能量不平衡 现象，提高单元机组的负荷适应性和机组稳定性. 汽轮机和锅炉生产过程中的参数如果处于稳定 工况（即机组实发功率与机组负荷指令p.相一 致，主蒸汽压力p与其设定值相一致）时，说 明能量转换处于平衡状态但平衡是相对的，机组 总是会受到外界负荷变化，燃料成分变化等干扰， 破坏原有的平衡状态.这时就需要及时对转换过程 进行控制，根据变化后的能量需求,控制机组的能 量输入，以便将过程从旧的被破坏了的能量平衡状 态再转换到新的能量平衡状态.如果以机前压

7、力作为锅炉能量平衡关系的标志，则控制锅炉的能量平衡任务实际上是保证汽轮 机的进汽量（即锅炉输出能量）与燃烧发热量（即锅 炉输入能量）之间的平衡.对汽轮机的控制则是以 保证机组实发功率（即实际具有的能量）与外界负荷 收稿日期:2007-4）4-06;收修定稿日期:2007-04-16 基金项目:山西省科技攻关基金资助项0（051167） 作者简介:张丽香（1958 一），女，山西原平人，研究生，教授，主要从事智能控制理论在 大型生产过程控制中的应用等方面的教学与科研工作.第4期张丽香等:机炉协调控制系统中的综合能量平衡策略?347? 需求或机组负荷指令（即能量指令信号）相平衡.3动态能量与静态能

8、量控制分量锅炉侧存在着很大的迟延和惯性，现有的控制 系统一般采用常规的pid控制器进行控制,很难解 决这个问题，尤其是积分作用常使系统产生过量的 能量累积和欠缺，导致调整过程中参数的大幅度波 动前馈补偿控制在实际中被广泛用来解决能量平 衡问题，并取得一定的效果前馈控制是以不变性 原理为理论依据的一种控制方法，它实现了系统对 全部干扰或部分干扰的不变性，实质上是一种按照 扰动进行补偿的开环控制系统.对汽机而言，就是 要保持进入汽机的蒸汽量与外界功率指令相平衡. 对锅炉來说，则要保持进入锅炉的能量与汽机对锅 炉的负荷要求相平衡因此，锅炉侧前馈控制信号 的引入要能够反应对锅炉的能量需求.机组在升,降

9、负荷过程中需补充或减少的能量 主要有两部分组成，一部分能量用来满足外界负荷 要求,另一部分用来满足锅炉自身蓄热的变化;在 不同的升,降负荷速率下，单位吋间里所需的能量 各不相同，升，降负荷速率越大，需改变的能量越 多，反之越小,显然采用同一模式和相同运算规律 的控制算法是不行的.控制系统从某一个稳定状态转移到另一个稳定 状态的过程是一个能量变化的过程如果将该能量 的变化分解成动态能量和静态能量的话，那么其中 动态能量用来改变系统状态的变化，而静态能量则 负责维持工作点位置的变化.也就是说，自动控制 器的输出应该包括动态控制分量和静态控制分量两 部分采用该能量的动态与静态分解方式设计的控 制器，

10、可以减少单纯地采用积分器获得动态控制分 量时所带来的滞后效应和能量堆积与欠缺现象.1）静态能量无论机组运行工况（即工作点位 置）如何变化,在稳定状态下，机组的实发功率总 是与锅炉的热量信号成一定的对应关系因此，机 组实际负荷指令p.实际上所代表的是机组运行工 况下的能量需求信号，可以作为静态能量信号. 理论和实践表明，汽机的第一级压力p.与主 蒸汽压力p的比值(p,/p)线性代表了汽轮机的有 效阀位，能灵敏反映阀位的细微变化，而見只对阀 门的开度变化有反映，不受燃料量变化的影响.将 (p,/p)乘以主汽压力的给定值p,即构成了能量 平衡信号(pxp,/p),它是机炉耦合的基本信号.它能够准确反

11、映定压运行方式和滑压运行方式时汽 机对锅炉的能量需求，协调机炉问的能量平衡而 且它只反映外扰，即只受汽机调节阀开度变化的影 响，而不受内扰如燃料量及煤质变化的影响因此,(pxp,/p)可以作为静态能量信号.2) 动态能量显然静态能量并未考虑在机组升降负荷，燃料量或煤质发牛变化等动态过程中锅 炉自身蓄热实现能阶转移所需要增加或减少的能 量,也没有考虑系统实现能阶转换的速率要求.对 于同样幅值而不同变化率或同样变化率而不同幅值 的机组功率偏差和主蒸汽压力偏差，要想达到指定 的机炉协调控制性能指标所需要改变的汽轮机调门 开度，需要增加或减少的燃料量是不同的.因此，动态能量不仅与机组功率偏差和主蒸汽压

12、力偏差的 幅度有关，也与汽轮机与锅炉z间的能量偏差有 关，还与其变化速度有关.3) 智能型的动态能量控制分量为了合理调 整升降负荷过程中动态能量的分配，试想在动态过 程初期，如若适当加大能量的变化，有助于机组负 荷响应速率的提高;在动态过程屮期，维持与负荷 和变化速率相一致的动态能量，使动态过程稳定； 在动态过程末期，动态能量的变化适当减小并逐渐 过渡到零显然这样一种控制策略只能靠智能型的 动态能量控制实现.智能型动态能量分量主要是基于机组负荷指令p.,或能量平衡信号（pxp./p）的微分运算后形 成,且采用变参数微分器.其中微分时间的大小由 机组实际负荷确定，假设150300mw对应100

13、40s,即机组实际负荷越高，微分时间越小.微分 增益的大小则根据机组功率偏差的幅度进行调整， 以便合理调整负荷升降过程中的能量分配，实现在 扰动过程初期加大动态能量调整力度，末期使动态 能量控制分量减小到零的目的.同理也可以根据主蒸汽压力的偏差和偏差变化 率的大小，采用模糊推理进行动态控制分量的决 策当然也可以根据主蒸汽压力设定值的微分对动 态能量控制分量进行调整，因为主蒸汽压力设定值 曲线斜率的不同也反映了汽轮机和锅炉对动态能量 需求的不同.4基于综合能量平衡策略的机组协调控制 系统根据静态能量平衡与动态能量平衡关系，并且 考虑锅炉动态特性与汽轮机动态特性之间存在着较 大差异的情况，所设计的

14、基于综合能量平衡策略的 单元机组负荷协调控制系统简图，如图1所示.1）锅炉主控制器由图1（a）得知，该锅炉主 控制器所输岀的是锅炉负荷指令,包括能量粗调 （即开环控制）信号和能量细调（即闭环控制）信号两 部分.当机组功率指令p.发生变化或需要进行一 次调频吋，锅炉所需要的静态能量与（p.+厂）成348?控制工程第14卷正比.但是由于锅炉从燃料量的变化到相应蒸汽量 的变化具有加大迟延和惯性，所以在调整负荷过程 的初期汽轮机对锅炉的能量需求与锅炉自身所具有 的能量之间偏差很大，需要采用动态能量来调整. 这里动态能量包括有:与（p.+厂）的变化速度成比 例的分量和与主蒸汽压力设定值的变化速度成比例

15、的分量，在不同负荷工况点和对于不同的机组功率 偏差条件下，这些动态分量的时间常数和权系数应 有所不同，故该系统设计了在线智能（即采用模糊 规则）调整微分器参数的功能.在开环控制信号中， 无论是静态能量控制分量还是动态能量控制分量均 属粗调能量控制信号，因为系统中存在着时变性， 未建模动态以及不确定干扰，还必须通过闭环控制 系统产生的细调能量控制信号，使锅炉从一种负荷 工况转换到另一种负荷工况时输入与输出能量平 衡，即p=p,保证机组稳定运行.2）汽轮机主控制器由图1（b）可知,该汽轮机主控制器所输出的是汽轮机负荷指令当机组功 率指令p.发生变化或需要进行一次调频时，汽轮 机所需要的能量也与（+

16、厂）成正比.但是由于 锅炉侧动态特性的迟延和惯性较大，所以即使可根 据负荷变化后的能量平衡关系，调整汽轮机主调门 f（）锅炉负荷指令 ）锅炉主控制器 开度，也只能利用有限的锅炉蓄热,而无法得到持 续稳定变化的蒸汽流量.所以考虑到汽轮机和锅炉 在响应负荷之间的差异,采用了三阶惯性环节pt3 来协调两者的能量平衡关系pf3的时间常数是负 荷变化后生成蒸汽所需要的实际响应时间，该时间 常数可以根据锅炉负荷指令的大小在线调整这样 在变负荷过程中，锅炉首先动作改变输入的能量， 而汽轮机则暂时延迟动作时间，等到相应的蒸汽牛 成后，汽轮机再进行调整，从而实现汽轮机和锅炉 协调动作，保证动态能量平衡.另外汽轮

17、机功率反 馈控制系统屮的被调量采用的是per/p信号，由 于该信号只反映机组负荷的实际变化和汽轮机侧的 扰动,而与锅炉侧扰动无关，所以基木上实现了 siso系统的完全解耦.为了保证机组运行稳定,该系统设计了根据主 蒸汽压力偏差运算所形成的a调整动态能量控制信 号,即当主蒸汽压力偏差超出允许变化范围时，通 过厂(p 円调整功率反馈控制系统的设定值，或 通过小值选择器将主蒸汽压力反馈控制系统的输出 信号直接作为汽轮机负荷指令，以限制汽轮机主调 门开度进一步变化，减小主蒸汽压力波动范围，保 证整个机组能量平衡.锅炉债荷指令汽轮机负荷指令(b)汽轮机主控制器p0功率指令;一实发功率;船一主蒸汽压力设定

18、值;pt主蒸汽压力测量值; _机组频率偏差信号;)一函数运算;pi3 三阶惯性环节;mix-小值选择器. 图1基于综合能量平衡策略的单元机组负荷协调控制系统rigthecoordinatedcontrolsystembasedonthesyntheticenergybalancestrategy 5仿真研究和应用实例为了验证本方案的控制性能，对某电厂300 mw机组的动态特性进行仿真.仿真实验中，单元机组协调控制系统分别采用常规以炉跟机为慕础的负荷协调控制系统和本文提 出的基于综合能量平衡策略的机炉负荷协调控制系 统对象的近似数学模型如式(1)6)=而丽g)二gnq 二g甩(书二而丽(1)对系

19、统进行升，降10%负荷试验，试验结果第4期张丽香等:机炉协调控制系统中的综合能量平衡策略?349? 如图2所示.图屮曲线1代表ads指令，曲线2是实际生成的机组负荷指令，曲线3代表负荷响应曲 线，曲线4是主汽压力设定值，曲线5是主汽压力 响应曲线.纵坐标p表示指令，表示系统响应， 司t/x10.(a)采用常规以锅炉跟随为基础的协调控制系统 横坐标t表示时间.从图中可以看出本文所提出的 采用综合能量平衡策略的协调控制系统具有良好的 控制效果，可以有效提高系统的响应速率和降低系 统的超调量.0.9507900.85司0.800.75 t/x103s(b)采用综合能量平衡策略的协调控制系统图210%

20、升降负荷时响应曲线对比.2simulation 伽艄.m!0%i 明 d 曲虫曲 ges将基于综合能量平衡策略的协调控制系统在某 电厂300rvlw机组负荷控制中实际应用，取得了良 好的控制效果.按照速率为3%mcr升，降负荷时 的实际运行曲线如图3所示.”a100806o40t/(a) 3%mcr升负荷4i,1 一 2,.i,1302004006008001000t/s(b) 3%mcr降负荷图3.3%mii升降负荷过程运行曲线3r 岫 a m3%10 口 d 曲蛆i ges图中各曲线的意义与图2中的相同.6结语在单元机组负荷协调控制中，只要抓住机组输出能量与输入能量z间的平衡关系，只要真正

21、解决了汽轮机和锅炉之间的静态能量，动态能量的平衡关系，就会将提高机组负荷响应速率和降低主蒸汽压力波动范围两件事情同时做好.1 柴天佑，刘洪波，等基于模糊推理和自适应的协调系统设计新 方法及应用j冲国电机工程,21100,2(k4):l 4-18.(chaitiany,iiuhongt ,d.noveldesiglirlethodfortheooc|inated controlsystemba8ed 00 flzzyreasoningatldadaptivecontrolatlditsap- phcali001jj.pro.eediroftllecsl ii ,21100,20(4):14-18

22、.)2 张建明，王宁，王树青.火力单元机组的前馈模糊神经非模型协 调控制j.动力工程,21100,20(3):664-668.(jj lining,v,rigning.vjigslting.fuzzyn 目 lmnmodel-freecoofdil ii iti°°oon- hdlwithfeed-forwardo.lq)eonforaunitpowerplmtljj.pv keengineering,? 1100,2o(3):664-668.)13s,h0 鹤 bw.f-edietivee'dinatedcontrolforlwer-phmtsteam press

23、ureandpoweroutputijj.control 明i pnmtiee, 1997,5(l):79.1t4.4张丽香，王琦大型火电机组控制技术丛书模拟量控制系统m.北京:中国电力岀版社,2006.(mg,wallgqi.m0dul-ingcontrolsystemlmj.beiilg:cililiaelectricpowerpli-hinggm,2006.)(上接第345页)4吴晓峰，李恩伟,赵乐牛，等神经元网络在加热炉自控系统中 的应用j.冶金自动化,1997,21 (4).3233.(wuxifeng,lieil wei,a0i.e eng.applicationofnralnetworkinrdle , mceautomaticcontrolsystemjj.metallul 帮 autlon, 1997,21 (4):32.33.)王中杰,柴天佑，邵诚基于bbf神经网络的加热炉钢温预报模型j 系统仿真,1999,11(3):181-183.(wallg