摘要：: 結(jié)合內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司已經(jīng)投運(yùn)的#1、#2CFB機(jī)組,分析了機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu),并針對(duì)CFB 鍋爐的大遲延、高階慣性的控制難點(diǎn)介紹了協(xié)調(diào)回路下的一次調(diào)頻功能、汽機(jī)側(cè)的壓力偏差回拉功率回路,以及間接能量平衡加燃料前饋的控制策略。最后對(duì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞： CFB 鍋爐；CCS；間接能量平衡；前饋

中圖分類號(hào)： TP273     文獻(xiàn)表示碼：A     

Analysis of Coordinated Control System of 330MW CFB Boiler

SONG Ji-ye，XIN Yi-zhen，YANG Gui， XUE Da-yu

(Inner Monglia Jinghai Coal gangue Power Plante Co.,Ltd,Inner Monglia,Wuhai city 016000）

Abstract: Combining with the #1 and #2 CFB boiler already operated in Inner Monglia Jinghai Coal gangue Power Plante. This paper analyzes the structure of coordinated control system,and introduces the methods to deal with the challenging long delay and high order inertia control.The frequency regulation has been mentioned; The press deviation dragging load loop has been designed in order to limit the response speed of turbine valve; The Indirect Energy Balance ( IEB) strategy and Fuel feedforward has been used. At last,this paper evaluates the CCS system of regulation performance.

Key words: CFB boiler; CCS; Indirect Energy Balance ( IEB) ; feedforward

0 引言
      火電單元機(jī)組CCS ( 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng))在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中 ,自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)持續(xù)不斷地對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),克服內(nèi)部和外部各種擾動(dòng),維持各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi),CCS系統(tǒng)的投入對(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。概括地說(shuō)，CCS系統(tǒng)就是把鍋爐及汽機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行控制時(shí)所用的系統(tǒng)[1]。其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在:多變量的強(qiáng)耦合、多目標(biāo)相關(guān)聯(lián)、非線性、時(shí)變及鍋爐側(cè)存在很大的遲延等，鍋爐從改變?nèi)剂狭?送風(fēng)量和給水量到主蒸汽流量和主蒸汽壓力的慣性很大，而汽輪機(jī)從控制汽閥開(kāi)度改變到汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率改變的慣性小，這就要求根據(jù)汽輪機(jī)、鍋爐動(dòng)態(tài)特性上的差異組織一個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),將汽輪機(jī)、鍋爐從控制上聯(lián)系起來(lái)成為一個(gè)整體對(duì)象,最大限度地發(fā)揮機(jī)組的蓄熱能力,滿足電網(wǎng)供電要求。同時(shí)CFB鍋爐比普通煤粉鍋爐具有更多的輸入、輸出變量,耦合關(guān)系也更為復(fù)雜,其自動(dòng)控制系統(tǒng)尤其是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不成熟,投運(yùn)一直是個(gè)難題[2]。隨著電網(wǎng)容量的擴(kuò)大以及對(duì)電力工業(yè)自動(dòng)化水平和電能質(zhì)量要求的提高,對(duì)電力系統(tǒng)AGC(自動(dòng)發(fā)電控制)的要求日益迫切。圓滿解決AGC問(wèn)題的基礎(chǔ)在于單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制的投入,這也使得CFB鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究勢(shì)在必行。
      內(nèi)蒙古京海電廠#1、2機(jī)組為330MW循環(huán)流化床機(jī)組，鍋爐是由東方鍋爐股份有限公司制造的亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐[3]。最大連續(xù)蒸發(fā)量為1177t/h，額定蒸汽壓力為17.5Mpa，額定蒸汽溫度為540℃，再熱蒸汽溫度為540℃。汽輪機(jī)采用東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的330MW亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)（全電調(diào)）。DCS采用上海美卓自動(dòng)化公司提供MaxDNA控制系統(tǒng)。

1. 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式
協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷運(yùn)算可以分為以下幾種方式。
1.1手動(dòng)控制方式
鍋爐主控在手動(dòng)，汽機(jī)主控在就地，由DEH(數(shù)字電液調(diào)節(jié))控制。鍋爐及汽機(jī)負(fù)荷由操作員給定，功率控制回路和主汽壓力控制回路都被切除。這種方式用于機(jī)組的啟動(dòng)、停止。
1.2鍋爐跟隨控制方式
當(dāng)鍋爐運(yùn)行正常、汽機(jī)部分工作異常時(shí)，機(jī)組功率受到限制，通過(guò)畫(huà)面選擇或自動(dòng)切換到鍋爐跟隨控制方式。此時(shí)汽機(jī)側(cè)調(diào)負(fù)荷，鍋爐側(cè)調(diào)壓力。
(1) 當(dāng)汽機(jī)主控手動(dòng)時(shí)，機(jī)側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器和功率調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)，爐側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器投入自動(dòng)狀態(tài)。負(fù)荷指令跟蹤實(shí)發(fā)功率，機(jī)組負(fù)荷由DEH控制。
(2) 當(dāng)汽機(jī)主控自動(dòng)時(shí)，機(jī)前壓力由爐側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)，機(jī)組負(fù)荷由汽機(jī)調(diào)功回路通過(guò)DEH控制，機(jī)組負(fù)荷最大值由汽機(jī)承受最大負(fù)荷的能力決定。
1.3汽輪機(jī)跟隨控制方式
當(dāng)汽機(jī)運(yùn)行正常、鍋爐部分工作異常時(shí)，機(jī)組功率受到限制，通過(guò)畫(huà)面選擇或自動(dòng)切換到汽輪機(jī)跟隨方式。此時(shí)機(jī)側(cè)調(diào)壓力，爐側(cè)調(diào)負(fù)荷。
(1) 當(dāng)鍋爐主控手動(dòng)時(shí)，機(jī)前壓力由汽機(jī)壓力調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)，維持機(jī)組定壓運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷由鍋爐主控手動(dòng)調(diào)節(jié)，機(jī)側(cè)功率調(diào)節(jié)器和爐側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)。
(2) 當(dāng)鍋爐主控自動(dòng)時(shí)，機(jī)前壓力由汽機(jī)壓力調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)維持，機(jī)組負(fù)荷由鍋爐功率調(diào)節(jié)回路通過(guò)自動(dòng)調(diào)整鍋爐燃燒來(lái)控制，機(jī)組負(fù)荷最大值由鍋爐能帶最大負(fù)荷的能力決定。
1.4機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式
      機(jī)組負(fù)荷信號(hào)由機(jī)組值班員指令、中心調(diào)度所指令和電網(wǎng)頻差信號(hào)組成。機(jī)組功率運(yùn)算回路將負(fù)荷要求轉(zhuǎn)換為機(jī)組可能接受的功率指令。這個(gè)指令能否被接受，取決于機(jī)組允許的負(fù)荷能力，若負(fù)荷要求在機(jī)組所能承擔(dān)的允許范圍內(nèi)，則可按負(fù)荷要求發(fā)出機(jī)組功率指令，否則將以機(jī)組允許負(fù)荷能力作為機(jī)組功率指令。
      采用該方式時(shí)，鍋爐、汽機(jī)的各自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)都應(yīng)投入運(yùn)行，機(jī)組功率指令分別送往鍋爐、汽機(jī)兩個(gè)主控制器，整個(gè)機(jī)組處于協(xié)調(diào)控制狀態(tài)。可分為以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制和以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。京海電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用的是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。
2. 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能組成
2.1 負(fù)荷指令形成回路
      機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷可由運(yùn)行人員設(shè)定,或接收電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)(ADS)發(fā)來(lái)的中調(diào)指令,同時(shí)配合相應(yīng)的頻差信號(hào)校正。與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相關(guān)的過(guò)程參數(shù)(如機(jī)前壓力、實(shí)發(fā)功率、燃料量、給水量、一次風(fēng)壓等)的調(diào)節(jié)品質(zhì)與機(jī)組的負(fù)荷變化率及變化幅度有關(guān)。當(dāng)某些參數(shù)偏差過(guò)大時(shí)，需要通過(guò)閉鎖增/減或迫升/降等措施，限制實(shí)際負(fù)荷指令的變化，或迫使負(fù)荷指令向相反的方向動(dòng)作，從而避免機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)的進(jìn)一步惡化。
      在負(fù)荷指令的處理過(guò)程中，當(dāng)多種出力限制情況同時(shí)發(fā)生的時(shí)候，要根據(jù)事件的迫切程度，按照一定的優(yōu)先級(jí)，對(duì)負(fù)荷指令的幅值限制及變化速率限制進(jìn)行快速修正，確保機(jī)組負(fù)荷向正確的方向變化。ADS輸入指令經(jīng)負(fù)荷限幅和速率限制后，送入機(jī)組主控M/A。

圖1.負(fù)荷控制指令的形成

      負(fù)荷控制指令的形成見(jiàn)圖1。其中，頻率校正信號(hào)加在經(jīng)速率限制后的功率指令上后作為機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值輸入到PID調(diào)節(jié)器的SP端。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn): 頻率或轉(zhuǎn)速的偏差與機(jī)組功率指令的變化成一定線性關(guān)系。在機(jī)組運(yùn)行的任何情況下,一定的頻率(或轉(zhuǎn)速)偏差理論上產(chǎn)生同樣幅度、速率的負(fù)荷變化, 有利于二次調(diào)頻功能的計(jì)算及運(yùn)行。同時(shí)避免了，當(dāng)機(jī)組正在處于變負(fù)荷階段時(shí),同方向(加負(fù)荷過(guò)程中頻率偏低或者減負(fù)荷過(guò)程中頻率偏高)的一次調(diào)頻功能就被禁止了。
      同時(shí)應(yīng)注意，作為設(shè)定值的校正信號(hào)使得一次調(diào)頻功能必須在CCS系統(tǒng)的PID回路投入的情況下才能起作用。并且由于經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器，一次調(diào)頻功能的響應(yīng)時(shí)間會(huì)受到功率調(diào)節(jié)器的參數(shù)限制。
2.2 汽機(jī)主控回路
      在鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式下，為了更好的投入?yún)f(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)了“壓力偏差回拉功率”回路，將爐側(cè)機(jī)前壓力偏差通過(guò)一死區(qū)非線性模塊負(fù)向加到汽機(jī)功率指令回路中。運(yùn)算回路見(jiàn)圖2,目的是使汽機(jī)在鍋爐壓力允許的范圍內(nèi)利用鍋爐的蓄熱。

圖2.非線性運(yùn)算回路

圖3.汽機(jī)主控指令形成圖

      汽機(jī)主控指令的形成見(jiàn)圖3.為克服機(jī)前壓力波動(dòng)過(guò)大的不足,增加了死區(qū)非線性環(huán)節(jié)。汽機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度是根據(jù)功率偏差的大小而改變的,增加負(fù)荷時(shí)功率設(shè)定值大于機(jī)組實(shí)際功率, 汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加, 而汽機(jī)調(diào)節(jié)閥的變化會(huì)引起機(jī)前壓力的下降, 從而使壓力設(shè)定與實(shí)際壓力偏差增大。壓力偏差信號(hào)通過(guò)一死區(qū)非線性環(huán)節(jié)負(fù)向加到汽機(jī)功率指令回路中作為補(bǔ)償。如果壓力偏差在死區(qū)范圍以內(nèi),則不對(duì)輸出進(jìn)行校正, 以使實(shí)際功率盡快響應(yīng)功率設(shè)定值。如果壓力偏差大到越出死區(qū)范圍,輸出補(bǔ)償將起作用,限制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)一步增大, 也就是限制過(guò)量利用鍋爐蓄熱,以維持機(jī)前壓力的穩(wěn)定。補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償了鍋爐側(cè), 起到了防止汽機(jī)調(diào)門過(guò)開(kāi)、穩(wěn)定機(jī)前壓力的作用。但同時(shí)這也會(huì)在一定程度上影響機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度。為此, 在對(duì)汽機(jī)功率調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行系數(shù)修正后又加了負(fù)荷參考, 從而提高了機(jī)組在變負(fù)荷條件下對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)能力。
2.3 鍋爐主控回路
      保持運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定是保證發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)措施，采用能量平衡方法是設(shè)計(jì)控制熊的主要途徑，而其實(shí)現(xiàn)方案可以在保持兩兩平衡的基礎(chǔ)上輔以校正信號(hào)或者漸衰信號(hào)[4]。
      對(duì)于普通煤粉爐來(lái)說(shuō),以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在快速適應(yīng)負(fù)荷要求以及克服系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)方面都有比較大的優(yōu)勢(shì),是目前諸多協(xié)調(diào)方案中比較好的一種[ 5]。但是由于循環(huán)流化床機(jī)組的特點(diǎn)，在運(yùn)行實(shí)踐中卻發(fā)現(xiàn)“熱量信號(hào)”并不比主汽壓力的變化快多少，所以調(diào)節(jié)效果同采用壓力調(diào)節(jié)器沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別[ 6]，故采用間接能量平衡加前饋的控制策略。

圖4.鍋爐主控

      主汽壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)( 如圖4所示)由主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器和A/M (自動(dòng)/手動(dòng))操作站組成。主調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)PID，負(fù)荷目標(biāo)實(shí)際負(fù)荷的偏差經(jīng)過(guò)不同的函數(shù)發(fā)生器分別作為主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分時(shí)間，這樣的設(shè)置有利于穩(wěn)定性和快速性的動(dòng)態(tài)平衡。其中，主調(diào)節(jié)器接受鍋爐出口主蒸汽壓力信號(hào)作為測(cè)量值,根據(jù)運(yùn)行人員給出的主蒸汽壓力設(shè)定值,計(jì)算出鍋爐所需的煤量值的一部分。給煤量的另一部分為鍋爐跟隨協(xié)調(diào)前饋信號(hào)，其中包括三部分：（1）功率給定值的比例信號(hào)，比例項(xiàng)使鍋爐給煤量指令與負(fù)荷要求相適應(yīng)；（2）功率給定值的微分信號(hào)，微分作用在動(dòng)態(tài)過(guò)程中加強(qiáng)給煤量指令，以補(bǔ)償機(jī)爐對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)速度的差異；（3）壓力的實(shí)際給定值隨功率的變化，當(dāng)壓力的給定值改變時(shí)，通過(guò)微分作用動(dòng)態(tài)的提前改變給煤量。這三部分前饋信號(hào)的功能就是實(shí)現(xiàn)給煤量前饋，含義是不等機(jī)主控的設(shè)定和實(shí)際負(fù)荷偏差引起的鍋爐側(cè)的能量需求發(fā)生變法時(shí)，預(yù)先加煤，有效的克服了CFB鍋爐側(cè)的慣性和延遲，提高了機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)速率。
      副調(diào)節(jié)器作為給煤量調(diào)節(jié)器,用于保證進(jìn)入爐膛的給煤量滿足主調(diào)節(jié)器計(jì)算出的煤量值,并及時(shí)消除煤量擾動(dòng)對(duì)主汽壓力的影響。它以鍋爐總?cè)剂狭繛闇y(cè)量值,以主調(diào)節(jié)器的輸出為煤量設(shè)定值,計(jì)算并向給煤機(jī)變頻器發(fā)出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令。切鍋爐主控為手動(dòng)時(shí),M/A站跟蹤給煤機(jī)指令平均值,副調(diào)節(jié)器跟蹤M/A 站輸出,主調(diào)節(jié)器跟蹤總?cè)剂狭?以便達(dá)到無(wú)擾切換的目的。
3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)
      機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)和接受AGC指令的負(fù)荷變動(dòng)趨勢(shì)圖如圖5所示。由變負(fù)荷曲線可看出, 主汽壓力在全程中的表現(xiàn)較好，最大壓力波動(dòng)為±0.46Mpa。而且總?cè)剂狭磕茌^好地跟隨負(fù)荷的變化而變化，這主要得益于協(xié)調(diào)控制中的前饋控制，尤其是給煤量前饋的加入比較符合CFB鍋爐的熱力特性。在此過(guò)程中升負(fù)荷的最大擾動(dòng)值為78MW，平均升負(fù)荷速率為3.2MW/min。
      從運(yùn)行數(shù)據(jù)和過(guò)程分析看，機(jī)組協(xié)調(diào)的穩(wěn)態(tài)特性和擾動(dòng)性能較好，達(dá)到了熱工監(jiān)督規(guī)程的技術(shù)規(guī)范要求。機(jī)組自動(dòng)化控制達(dá)到了較高的水平, 對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定有著重要的意義，為AGC功能的投入創(chuàng)造了有利的條件。

圖5.負(fù)荷變動(dòng)趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

( 1) 頻差校正信號(hào)直接加在經(jīng)速率限制后的功率指令上，使機(jī)組在穩(wěn)定和變負(fù)荷工況下的一次調(diào)頻功能都可以起作用。

( 2)壓力偏差回拉功率回路的設(shè)計(jì)克服了機(jī)前壓力波動(dòng)過(guò)大的不足,防止過(guò)度的利用鍋爐的需熱量。

( 3) 直接能量平衡控制策略從物理意義的角度出發(fā)，找到了機(jī)爐能量的平衡點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)充分、參數(shù)計(jì)算和整定正確的情況下，不失為一種好的方法。但同時(shí)必須注意，這種策略只有在汽機(jī)能量需求改變后，才能作出反應(yīng)，對(duì)解決CFB 鍋爐的滯后還是存在問(wèn)題，對(duì)CFB 鍋爐來(lái)說(shuō)，采用間接能量平衡加前饋能起到較好的控制效果。

( 4) 負(fù)荷預(yù)加煤前饋和負(fù)荷定值前饋有效克服了CFB 鍋爐的慣性和遲延?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果證明了系統(tǒng)的良好調(diào)節(jié)品質(zhì)。

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作者簡(jiǎn)介：宋繼業(yè)（1981年10月—），男，山東濰坊人，碩士研究生，內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，從事電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。