直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

秦志明，　張欒英，　谷俊杰

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

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直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

秦志明，張欒英，谷俊杰

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

摘要：以1 000 MW超超臨界直流鍋爐單元機(jī)組為研究對象，通過機(jī)理分析建立其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的非線性模型，利用小偏差方法對模型進(jìn)行線性化，設(shè)計(jì)相應(yīng)的多變量解耦補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出變量的全解耦，建立了三輸入三輸出的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并通過煤質(zhì)和給水比焓擾動(dòng)以及升降負(fù)荷的仿真實(shí)驗(yàn)對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明：所提出的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能.

關(guān)鍵詞：直流鍋爐； 協(xié)調(diào)控制； 建模； 線性化； 解耦

為了節(jié)約能源和減輕環(huán)境污染，必須優(yōu)化發(fā)展煤電技術(shù)，因此單機(jī)容量大、發(fā)電效率高以及負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)的超(超)臨界直流鍋爐單元機(jī)組成為我國火力發(fā)電主力機(jī)組[1].隨著電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，電網(wǎng)綜合自動(dòng)化對單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求.

直流鍋爐單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對象結(jié)構(gòu)模型通?？珊喕癁橐粋€(gè)三輸入三輸出系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)的輸入量為給水質(zhì)量流量、燃料量和汽輪機(jī)調(diào)門開度，輸出量為中間點(diǎn)溫度(比焓)、主汽壓力和汽輪機(jī)輸出功率，在輸入與輸出變量間存在交叉的關(guān)聯(lián)和強(qiáng)耦合現(xiàn)象.

直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中最主要的是給水質(zhì)量流量調(diào)節(jié)和燃料量調(diào)節(jié)[3]，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正確協(xié)調(diào)動(dòng)作與配合，使鍋爐負(fù)荷達(dá)到要求，也使主蒸汽溫度保持穩(wěn)定.由于燃料量和給水質(zhì)量流量的變化都對輸出功率產(chǎn)生明顯影響，目前普遍采用調(diào)整燃水比系數(shù)來控制中間點(diǎn)溫度(比焓)，將三輸入三輸出的直流鍋爐單元機(jī)組模型簡化為雙輸入雙輸出的模型，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中存在2種不同的方案[4]：(1)以煤為基礎(chǔ)的水跟煤控制，通過燃料量調(diào)節(jié)負(fù)荷或主蒸汽壓力，通過給水質(zhì)量流量調(diào)節(jié)中間點(diǎn)溫度(比焓)；(2)以水為基礎(chǔ)的煤跟水控制，通過給水質(zhì)量流量調(diào)節(jié)負(fù)荷或主蒸汽壓力，通過燃料量調(diào)節(jié)微過熱段噴水減溫器前后溫差，保證燃水比，實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽溫度粗調(diào).然而這2種方案各有利弊，由于給水質(zhì)量流量比燃料量調(diào)節(jié)快得多，水跟煤的控制方案有利于主蒸汽溫度的控制，但是主蒸汽壓力的波動(dòng)會(huì)很大，而煤跟水的控制方案有利于主蒸汽壓力的控制，不利于主蒸汽溫度的保持.此外，由于煤質(zhì)頻繁變化時(shí)，燃水比系數(shù)很難保證，在機(jī)組運(yùn)行過程中往往出現(xiàn)參數(shù)波動(dòng)幅度大、機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性差等問題.

基于以上情況，筆者通過合理簡化，首先建立直流鍋爐單元機(jī)組的非線性機(jī)理模型，利用小偏差方法對模型進(jìn)行線性化，設(shè)計(jì)相應(yīng)的多變量解耦補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)側(cè)與鍋爐側(cè)、給水側(cè)與燃料側(cè)的完全解耦，提出了基于動(dòng)態(tài)解耦的直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方案.

1直流鍋爐單元機(jī)組簡化模型

汽水分離器是直流鍋爐工質(zhì)蒸發(fā)與過熱的分界點(diǎn)，其出口(中間點(diǎn))工質(zhì)溫度(比焓)反映了燃料和給水匹配的合理性，是表征直流鍋爐運(yùn)行的重要狀態(tài)參數(shù)之一.作為燃水比的反饋信號(hào)，負(fù)荷變化時(shí)中間點(diǎn)比焓在靈敏度和線性度方面具有明顯的優(yōu)勢[5].此外，由于焓的物理概念明確，用焓增來分析各受熱面的吸熱分布更為科學(xué).

以汽水分離器出口為界，將直流鍋爐分為大比熱容受熱段和過熱段分別進(jìn)行考慮.整個(gè)直流鍋爐單元機(jī)組分為制粉系統(tǒng)、鍋爐受熱系統(tǒng)、鍋爐過熱系統(tǒng)和汽輪機(jī)4部分，整個(gè)機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換與傳熱過程劃分為爐內(nèi)燃燒與傳熱、管道傳遞和汽輪機(jī)做功3段過程處理.簡化后的直流鍋爐單元機(jī)組構(gòu)造見圖1，其中uB為燃料量指令(%)，qm,ec為給水質(zhì)量流量(kg/s)，hm為中間點(diǎn)比焓(kJ/kg)，pt為主蒸汽壓力(MPa)，μt為汽輪機(jī)調(diào)門開度(%)，NE為汽輪機(jī)輸出功率(MW).

制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可描述為

圖1　直流鍋爐單元機(jī)組能量轉(zhuǎn)換過程示意圖

(1)

由于爐內(nèi)燃燒過程和水冷壁換熱動(dòng)態(tài)時(shí)間遠(yuǎn)比制粉動(dòng)態(tài)時(shí)間要短，故將其歸入制粉動(dòng)態(tài)中考慮.進(jìn)入鍋爐的燃料量rB與鍋爐的有效吸熱量Q存在確定的比例關(guān)系[6]：

Q=k1rB

(2)

直流鍋爐蒸發(fā)受熱面動(dòng)態(tài)特性[7]如下：

(3)

過熱器動(dòng)態(tài)特性如下：

(4)

進(jìn)入到汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量與主蒸汽壓力和汽輪機(jī)調(diào)門開度有關(guān)[8]：

(5)

在不考慮再熱器的情況下，汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與輸出功率NE之間可以用以下線性關(guān)系來表示：

(6)

式(1)～式(6)中：kf為制粉環(huán)節(jié)慣性時(shí)間，s；τ為制粉過程純延遲時(shí)間，s；k1、k2和k3分別為燃料環(huán)節(jié)、管道傳遞環(huán)節(jié)和汽輪機(jī)做功環(huán)節(jié)的增益系數(shù)，可通過機(jī)組穩(wěn)定工況下的測量數(shù)據(jù)計(jì)算得出[9]；qm,att、qm,t為減溫水質(zhì)量流量和主蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；hec和ht為省煤器入口給水比焓和主蒸汽比焓，kJ/kg；Qr、Qst為鍋爐蒸發(fā)受熱面和過熱系統(tǒng)的吸熱量，kJ/s；C1、C2為鍋爐蒸發(fā)受熱面和過熱系統(tǒng)的蓄熱系數(shù).

直流鍋爐蓄熱系數(shù)隨著壓力的升高而減小，其中金屬的蓄熱能遠(yuǎn)大于工質(zhì)的蓄熱能，鍋爐蓄熱能的變化趨勢和金屬蓄熱能的變化趨勢一致[9].在某一范圍內(nèi)為了方便分析鍋爐系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可以認(rèn)為蒸發(fā)受熱面的蓄熱系數(shù)C1是中間點(diǎn)比焓hm的函數(shù)，過熱系統(tǒng)蓄熱系數(shù)C2是主蒸汽壓力pt的函數(shù).經(jīng)擬合后的公式為

(7)

(8)

令n=(ht-hm)/(hm-hec)，即工質(zhì)在鍋爐過熱系統(tǒng)中的焓增與蒸發(fā)受熱面焓增的比值，表示鍋爐受熱過程中熱能的分配比.n與中間點(diǎn)比焓有很大的相關(guān)性，即n=-0.001 115hm+3.633，n呈單調(diào)遞減變化，取值范圍為0.45~0.66[10].在機(jī)組運(yùn)行過程中，qm,ec+qm,att=qm,t，其中減溫水質(zhì)量流量占鍋爐給水質(zhì)量流量的比例很小，穩(wěn)態(tài)工況下可以認(rèn)為qm,ec≈qm,t，因此減溫水對鍋爐蒸發(fā)受熱面和過熱器之間吸熱量分配的影響很小，可以忽略不計(jì).那么蒸發(fā)受熱面吸熱量為

(9)

綜上所述，對機(jī)組各個(gè)部分進(jìn)行匯總，可推導(dǎo)出直流鍋爐單元機(jī)組三輸入三輸出的動(dòng)態(tài)簡化模型(見式(10))，其輸入量為燃料量指令uB、給水質(zhì)量流量qm,ec和汽輪機(jī)調(diào)門開度μt，輸出量為中間點(diǎn)比焓hm、主蒸汽壓力pt和汽輪機(jī)輸出功率NE.

(10)

對于制粉系統(tǒng)而言，從協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)需要出發(fā)，不再考慮其純遲延環(huán)節(jié).通過上述模型可以采用小偏差方法得到其在不同工作點(diǎn)的線性化模型，對式(10)中各項(xiàng)兩端取增量后得到

(11)

(12)

Δpt(n+1)k2k3μthx

(13)

聯(lián)立式(11)~式(13)，可以得到以下傳遞函數(shù)矩陣：

(14)

其中，G0(s)為直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心部分；B(s)為燃料量動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié).

(15)

G0(s)=

(16)

2直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

火電機(jī)組大范圍變負(fù)荷時(shí)機(jī)爐控制對象表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特性，機(jī)爐控制回路間相互耦合.目前，機(jī)組協(xié)調(diào)控制的基本設(shè)計(jì)思想都是以機(jī)跟爐控制或爐跟機(jī)控制為基礎(chǔ)的單向或雙向補(bǔ)償解耦控制.工程上的解耦設(shè)計(jì)大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得，但從理論上分析也有規(guī)律可循[11].

根據(jù)解耦補(bǔ)償器可得到機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)側(cè)與鍋爐側(cè)、鍋爐內(nèi)給水側(cè)與燃料側(cè)的完全解耦.

(17)

(18)

圖2　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

(1)汽輪機(jī)側(cè)與鍋爐側(cè)的雙向補(bǔ)償.

汽輪機(jī)側(cè)的擾動(dòng)對中間點(diǎn)比焓的影響甚微，可以忽略不計(jì).將主蒸汽壓力偏差信號(hào)Δpt引入至汽輪機(jī)側(cè)，可以用來補(bǔ)償給水側(cè)和燃料側(cè)擾動(dòng)可能引起的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器動(dòng)作，由于主蒸汽壓力和汽輪機(jī)輸出功率對燃料和給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線形狀相似，Δpt的變化與汽輪機(jī)輸出功率偏差信號(hào)ΔNE的變化相互抵消，保證汽輪機(jī)調(diào)門開度在鍋爐側(cè)擾動(dòng)時(shí)保持不變.ΔNE作為汽輪機(jī)側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償信號(hào)引入給水側(cè)和燃料側(cè)，當(dāng)汽輪機(jī)側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，由于汽輪機(jī)輸出功率與中間點(diǎn)比焓的變化方向相反，保證燃料側(cè)燃料量指令不變的同時(shí)，加速給水側(cè)動(dòng)作來保證主蒸汽壓力pt的穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力.此外，當(dāng)改變汽輪機(jī)輸出功率定值時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器的變化很快，使得汽輪機(jī)調(diào)門動(dòng)作跟上負(fù)荷指令的需求，但是由于鍋爐的慣性很大，能量難以及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)造成主蒸汽壓力pt產(chǎn)生較大的波動(dòng)，甚至?xí)^允許的偏差范圍，將Δpt引入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器，能夠起到穩(wěn)定主蒸汽壓力的作用.

(2)給水側(cè)與燃料側(cè)的雙向補(bǔ)償.

當(dāng)燃料側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，中間點(diǎn)比焓與主蒸汽壓力的變化方向相同，而當(dāng)給水側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，中間點(diǎn)比焓與主蒸汽壓力的變化方向相反.將Δhm和Δpt微分信號(hào)同時(shí)引入給水側(cè)和燃料側(cè)，可以減弱或者消除給水側(cè)與燃料側(cè)之間的耦合，使系統(tǒng)的整定變得容易，同時(shí)也相當(dāng)于在鍋爐側(cè)增加了一個(gè)快速的反饋回路，可以補(bǔ)償汽輪機(jī)側(cè)的擾動(dòng)，提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力.

3仿真驗(yàn)證

直流鍋爐單元機(jī)組三輸入三輸出協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過在機(jī)組前添加解耦補(bǔ)償器，可以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出各變量間的完全解耦，u1、u2和u3為PI控制器輸出量，通過解耦補(bǔ)償器得到作用于被控對象的控制量qm,ec、rB和μt.

圖3　直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以1 000 MW超超臨界直流鍋爐單元機(jī)組為控制對象，輸入量為給水質(zhì)量流量、燃料量和汽輪機(jī)調(diào)門開度，輸出量為中間點(diǎn)比焓、主蒸汽壓力和汽輪機(jī)輸出功率.不同負(fù)荷下機(jī)組的主要參數(shù)見表1.

目前，直流鍋爐的中間點(diǎn)比焓都是通過調(diào)整燃水比來控制的，在實(shí)際運(yùn)行過程中，燃水比受到給水溫度、煤質(zhì)、負(fù)荷和風(fēng)量等因素的變化而不斷地調(diào)整，很難精確地控制燃水比系數(shù)，如果燃水比失調(diào)，將嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)行.在筆者設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，當(dāng)中間點(diǎn)比焓偏離設(shè)定值時(shí)，對給水質(zhì)量流量和燃料量同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，能夠使系統(tǒng)迅速保持穩(wěn)定.以燃料低位發(fā)熱量增量的階躍變化來反映煤質(zhì)變化，當(dāng)燃料低位發(fā)熱量增量階躍降低5%時(shí)，中間點(diǎn)比焓、主蒸汽壓力、汽輪機(jī)輸出功率和給水質(zhì)量流量經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)到初始狀態(tài)，燃料量升高以保證機(jī)組的正常運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線見圖4.當(dāng)給水比焓階躍下降10%時(shí)，中間點(diǎn)比焓、主蒸汽壓力、汽輪機(jī)輸出功率和燃料量經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)到原來的數(shù)值，給水質(zhì)量流量減小已經(jīng)能夠保證機(jī)組的正常運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線見圖5.

表1　1 000 MW超超臨界直流鍋爐單元機(jī)組典型工況點(diǎn)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)

(c)

(d)

(e)

(f)

為了驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制性能，對該系統(tǒng)進(jìn)行升降負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，工況1：機(jī)組由677 MW升負(fù)荷至802 MW；工況2：機(jī)組由934 MW降負(fù)荷至802 MW.圖6和圖7給出了2種工況下汽輪機(jī)輸出功率、中間點(diǎn)比焓和主蒸汽壓力3個(gè)輸出量的設(shè)定值和響應(yīng)曲線.由于給水質(zhì)量流量響應(yīng)速度快，以水為基礎(chǔ)的煤跟水控制，在汽輪機(jī)輸出功率和主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)上，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間均優(yōu)于水跟煤控制，但給水對中間點(diǎn)比焓的影響較大，使得中間點(diǎn)比焓的波動(dòng)范圍大、調(diào)節(jié)時(shí)間長，不利于主蒸汽溫度的保持.采用解耦補(bǔ)償器的三輸入三輸出的協(xié)調(diào)控制方式，3個(gè)輸出量的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的煤跟水和水跟煤2種調(diào)節(jié)方式，汽輪機(jī)輸出功率和主蒸汽壓力的動(dòng)態(tài)性能良好，中間點(diǎn)比焓在調(diào)整過程中有一定的動(dòng)態(tài)偏差，其波動(dòng)范圍和調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減小，有利于維持主蒸汽溫度的穩(wěn)定，整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制性能良好.

(a)汽輪機(jī)輸出功率響應(yīng)曲線

(b)主蒸汽壓力響應(yīng)曲線

(c)中間點(diǎn)比焓響應(yīng)曲線

4結(jié)論

針對直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，引入動(dòng)態(tài)解耦結(jié)構(gòu)，提出了一種單元機(jī)組三輸入三輸出控制策略，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)側(cè)與鍋爐側(cè)、給水側(cè)與燃料側(cè)的雙向補(bǔ)償解耦，有效解決了當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，燃水比系數(shù)很難保證、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)幅度大、機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性差等問題.仿真結(jié)果表明，該方法動(dòng)態(tài)解耦性能和負(fù)荷適應(yīng)性能良好，具有較好的實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值.

(a)汽輪機(jī)輸出功率響應(yīng)曲線

(b)主蒸汽壓力響應(yīng)曲線

(c)中間點(diǎn)比焓響應(yīng)曲線

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Research and Design on the Coordinate Control System of a Once-through Boiler Unit

QINZhiming,ZHANGLuanying,GUJunjie

(MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：Taking the 1 000 MW ultra supercritical once-through boiler unit as an object of study, a nonlinear model was built up for the coordinate control system (CCS) through mechanism analysis, which was linearized based on small deviation method, while corresponding multivariable decoupling controller was designed to achieve full decoupling of the input and output variables, thus the three-input-three-output coordinated control system was finally established and verified under disturbance of coal quality and specific enthalpy of feed water during load-up and load-down process. Results show that the CCS proposed has good control performance.

Key words：once-through boiler; coordinated control; modeling; linearization; decoupling

文章編號(hào)：1674-7607(2016)01-0016-06

中圖分類號(hào)：TK229.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.30

作者簡介：秦志明(1977-)，男，河北無極人，工程師，博士，主要從事火電機(jī)組建模與優(yōu)化控制方面的研究. 電話(Tel．)：15369252070；

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2015MS110)

收稿日期：2015-03-26

修訂日期：2015-06-26

E-mail：zmqin@ncepubd.edu.cn．