火電機(jī)組直接能量平衡DEB控制策略分析及優(yōu)化

祝建飛　葉穎俊　章　濤　王　煦　史嘯曦

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司1，上海　200090；外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司2，上?！?00137)

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火電機(jī)組直接能量平衡DEB控制策略分析及優(yōu)化

祝建飛1葉穎俊2章濤2王煦1史嘯曦2

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司1，上海200090；外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司2，上海200137)

摘要：火電機(jī)組直接能量平衡是建立在能量平衡概念基礎(chǔ)上的一種機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制策略。隨著電網(wǎng)對機(jī)組變負(fù)荷性能的要求越來越高，以及鍋爐燃用的煤種變化較大、燃煤摻燒等因素，傳統(tǒng)DEB控制逐漸暴露出存在的一些不足。介紹了一種DEB控制策略改進(jìn)方法，采用新的前饋方式和智能變負(fù)荷超調(diào)，引入燃煤熱值系數(shù)進(jìn)行修正，并采用PID變參數(shù)控制。現(xiàn)場試驗表明，這些措施解決了原先煤量指令落后負(fù)荷指令、變負(fù)荷超調(diào)適應(yīng)性不足、無法主動響應(yīng)燃煤品質(zhì)變化等問題，有效提高了機(jī)組整體負(fù)荷變化能力。

關(guān)鍵詞：能量平衡協(xié)調(diào)控制前饋控制優(yōu)化改進(jìn)智能超調(diào)火電機(jī)組修正PID控制

0引言

火電機(jī)組是一個多輸入、多輸出的強(qiáng)耦合多變量系統(tǒng)，其中鍋爐和汽輪機(jī)的動態(tài)對象特性差異較大。鍋爐具有明顯的大慣性、非線性和時變性等特點(diǎn)。機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordinated control system,CCS)則要協(xié)調(diào)控制鍋爐煤量、給水量、風(fēng)量和汽輪機(jī)調(diào)門開度等輸入?yún)?shù)，獲得機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽壓力等主要輸出參數(shù)的良好控制品質(zhì)，以滿足電網(wǎng)對機(jī)組變負(fù)荷性能和機(jī)組本身安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。直接能量平衡(direct energy balance,DEB)控制方法最早由美國L&N控制公司提出，是建立在直接能量平衡概念基礎(chǔ)上的一種機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制策略，能克服鍋爐側(cè)的非線性和慣性大的影響，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的單向解耦[1-5]。但隨著電網(wǎng)對機(jī)組變負(fù)荷性能的要求越來越高，加上鍋爐燃用的煤種變化較大、燃煤摻燒等因素，目前DEB控制逐漸暴露出存在的一些不足[6]，為此，必須對原先的DEB控制策略加以改進(jìn)。本文通過分析DEB控制策略原理，指出了目前存在的一些問題，并介紹了一種DEB控制策略改進(jìn)方法?，F(xiàn)場試驗表明，該方法能有效解決這些問題，提高機(jī)組協(xié)調(diào)變負(fù)荷能力。

1DEB控制策略原理分析

某電廠320 MW亞臨界火電機(jī)組，其鍋爐為上海鍋爐廠引進(jìn)美國CE公司技術(shù)設(shè)計制造的1 025 t/h亞臨界一次中間再熱強(qiáng)制循環(huán)汽包鍋爐；汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)制造的中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)；控制系統(tǒng)采用美國METSO公司的MAX1000，后升級改造為MAX DNA系統(tǒng)；機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用直接能量平衡DEB控制策略。

機(jī)組協(xié)調(diào)DEB控制策略是建立在直接能量平衡概念基礎(chǔ)上的一種機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制方案。該方案的主要特點(diǎn)是：能快速地控制機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷，使之與外界負(fù)荷要求相匹配；根據(jù)汽機(jī)對鍋爐的能量需求來控制鍋爐的出力，以維持能量平衡，保持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。

在實(shí)際應(yīng)用中，DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中還增加了一個“能量需求” 的微分信號,它是作為變負(fù)荷時的“動態(tài)補(bǔ)償”。負(fù)荷增加時,鍋爐蓄能也將增大,所以必須多增加一部分燃燒率，以滿足這種蓄能變化的需要。另外，還有壓力設(shè)定值的微分信號。當(dāng)提高壓力設(shè)定值時，須多增加一部分燃煤；當(dāng)降低壓力設(shè)定值時，須多減少一部分燃煤。DEB方式下能量需求信號和鍋爐側(cè)煤量控制示意圖如圖1所示。

圖1　DEB控制框圖Fig.1　Block diagram of DEB control

2DEB控制策略存在的不足

隨著電網(wǎng)對機(jī)組AGC變負(fù)荷性能要求的提高，加上燃用的煤種變化較大、煤質(zhì)日益變差、燃煤摻燒等因素，目前DEB控制暴露出存在的一些不足，主要有：

①煤量變化滯后于汽機(jī)調(diào)門動作。在DEB方式下，當(dāng)鍋爐能量需求BD發(fā)生變化后，煤量指令才會相應(yīng)變化。而BD要在汽機(jī)調(diào)門動作引起調(diào)節(jié)級壓力和主蒸汽壓力改變后才會發(fā)生變化，故變負(fù)荷時煤量變化滯后于調(diào)門動作，容易導(dǎo)致汽壓偏差大而閉鎖負(fù)荷增減。

②煤量超調(diào)方式不合理。在DEB方式下變負(fù)荷時，BD指令本身有動態(tài)補(bǔ)償(即超調(diào))，BD指令再經(jīng)過“超前滯后”環(huán)節(jié)產(chǎn)生煤量超調(diào)。當(dāng)發(fā)生汽壓閉鎖時，負(fù)荷指令停止變化，導(dǎo)致煤量超調(diào)復(fù)位，不利于主汽壓恢復(fù),影響機(jī)組變負(fù)荷性能。

③對燃煤品質(zhì)變化適應(yīng)不夠。原先的控制策略中沒有引入燃煤熱值修正系數(shù)，無法主動根據(jù)煤質(zhì)的變化改變控制指令，而只能根據(jù)能量需求和鍋爐熱量之間的偏差,被動地響應(yīng)煤質(zhì)的變化。

煤量調(diào)節(jié)PID沒有進(jìn)行變參數(shù)控制，沒有根據(jù)相關(guān)參數(shù)的變化自適應(yīng)地調(diào)整PID控制參數(shù)，因此不利于提高控制性能。

實(shí)際上，DEB控制回路中的參數(shù)整定也有一定難度，要調(diào)整的參數(shù)比常規(guī)的協(xié)調(diào)控制回路多，須通過物理概念來確定相關(guān)參量[7]。譬如鍋爐蓄熱系數(shù)CB的整定，要求在鍋爐煤量保持穩(wěn)定的情況下，階躍改變汽機(jī)調(diào)門開度，調(diào)整系數(shù)CB使鍋爐熱量HR維持不變。由于整定CB時要多次較大幅度地改變汽機(jī)調(diào)門開度，帶來工況擾動，加之辨識方法的誤差、鍋爐非線性等因素，使得系數(shù)CB的精確整定存在一定困難。其實(shí)對于采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的燃煤發(fā)電機(jī)組而言，由于入爐給煤量能夠?qū)崟r測量，因此通過優(yōu)化煤量前饋控制，完全能夠取得優(yōu)于傳統(tǒng)DEB策略的控制效果。

3DEB控制策略優(yōu)化改進(jìn)

由于上述問題的存在，采用目前的DEB控制方式，較難進(jìn)一步提高機(jī)組變負(fù)荷速率，故必須進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)?？紤]到實(shí)施工作量和可操作性，保留原先的DEB控制框架，這樣可暫對原有RB控制功能、汽機(jī)主控等回路不作修改，而主要改進(jìn)現(xiàn)有DEB策略中存在的不足，即鍋爐側(cè)的煤量控制。通過改變其前饋生成方式，并采用新的超調(diào)控制，加入煤質(zhì)熱值修正系數(shù)，以適應(yīng)不同的煤質(zhì)情況。改進(jìn)后的控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2　改進(jìn)后DEB方式鍋爐側(cè)控制框圖Fig.2　Block diagram of the boiler side control with improved DEB mode

優(yōu)化改進(jìn)的主要內(nèi)容有以下幾方面：

①保留原先的燃料控制PID，改進(jìn)PID前饋方式。前饋不再采用BD指令，BD指令只作為PID設(shè)定值，即BD指令只參與PID的反饋調(diào)節(jié)。新的前饋主要采用負(fù)荷指令的函數(shù)，并經(jīng)過一定的速率限制，這樣能夠使得負(fù)荷指令變化的同時煤量立即發(fā)生變化。智能超調(diào)由變負(fù)荷信號觸發(fā)，區(qū)分加、減方向，并根據(jù)鍋爐蓄熱變化情況來智能復(fù)位超調(diào)。當(dāng)變負(fù)荷消失時，如果鍋爐蓄熱沒有得到補(bǔ)充或者釋放，則超調(diào)仍會存在；再用汽壓偏差-煤量修正函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，以減少變負(fù)荷過程中的汽壓偏差。

②根據(jù)當(dāng)前燃用煤質(zhì)情況由運(yùn)行人員輸入合適的熱值系數(shù)，煤量指令會根據(jù)該系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。參考目前機(jī)組常用煤種及摻燒情況，將燃煤熱值4 500大卡/kg設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)熱值。若煤質(zhì)較好，燃煤平均熱值高于標(biāo)準(zhǔn)熱值，則邏輯計算出的熱值系數(shù)大于1，煤量前饋量相應(yīng)變??；若煤質(zhì)較差，燃煤平均熱值低于標(biāo)準(zhǔn)熱值，則邏輯計算出的修正系數(shù)小于1，煤量前饋量相應(yīng)增大。

③另外對煤量PID進(jìn)行變參數(shù)控制，以提高主汽壓及負(fù)荷的控制品質(zhì)。按照負(fù)荷指令對應(yīng)的函數(shù)自動調(diào)整燃料調(diào)節(jié)器的比例增益。根據(jù)汽壓偏差對應(yīng)的函數(shù)，自動調(diào)整燃料調(diào)節(jié)器的積分作用,并區(qū)分變負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)工況，在動態(tài)變負(fù)荷過程中減弱積分作用，以免過度積分造成超調(diào)過多；在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，恢復(fù)積分作用，以消除靜態(tài)控制偏差。

4熱態(tài)變負(fù)荷試驗

按照上述優(yōu)化改進(jìn)方案，在機(jī)組停機(jī)檢修時進(jìn)行了控制邏輯修改，并進(jìn)行了冷態(tài)功能測試；在機(jī)組正常運(yùn)行后進(jìn)行了熱態(tài)變負(fù)荷試驗。通過試驗來調(diào)試改進(jìn)后的控制回路，驗證新的控制功能是否能正確實(shí)現(xiàn)。

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，新的前饋量要高于原先的前饋量，且更接近于實(shí)際的PID輸出，即更接近實(shí)際煤量，從而在變負(fù)荷時能夠更加精準(zhǔn)地獲得前饋?zhàn)兓浚档蚉ID的工作強(qiáng)度，有利于負(fù)荷協(xié)調(diào)控制。另外，由于新的前饋直接由負(fù)荷指令的函數(shù)生成，煤量超調(diào)由變負(fù)荷信號觸發(fā)，故變負(fù)荷時煤量變化不再落后于汽機(jī)調(diào)門，超調(diào)量的變化也更加平穩(wěn)，有利于給煤量的平穩(wěn)控制。

某次DEB方式下加減負(fù)荷時的參數(shù)變化曲線如圖3所示。機(jī)組先以3 MW/min的變負(fù)荷速率減少20 MW負(fù)荷，再以4.5 MW/min的速率增加20 MW負(fù)荷。

圖3　改進(jìn)后DEB方式下變負(fù)荷曲線Fig.3　The load change curve under improved DEB mode

減負(fù)荷剛開始時，由于工況尚未完全穩(wěn)定，主蒸汽壓力下降且接近設(shè)定值，故減負(fù)荷超調(diào)預(yù)先復(fù)位；然后由于主蒸汽壓力開始回升，再次觸發(fā)減負(fù)荷超調(diào)；最后，主蒸汽壓力沒有跟隨負(fù)荷指令變化結(jié)束而馬上復(fù)位。加負(fù)荷時，由于主蒸汽壓力已經(jīng)回升且接近設(shè)定

值，也是提前復(fù)位。這種變負(fù)荷超調(diào)根據(jù)當(dāng)前機(jī)組蓄熱變化情況智能復(fù)位的控制方式，解決了原先DEB方式下超調(diào)不合理的問題，有效地改善了協(xié)調(diào)變負(fù)荷控制效果。

通過多次變負(fù)荷試驗不斷調(diào)整控制參數(shù)，負(fù)荷控制效果較好，變負(fù)荷速率能達(dá)到4.5MW/min，滿足了電網(wǎng)對機(jī)組的變負(fù)荷速率要求。經(jīng)過DEB控制邏輯優(yōu)化修改后，原先在DEB方式下存在的一些不足已基本得到解決，這為機(jī)組整體提高負(fù)荷響應(yīng)能力、滿足電網(wǎng)AGC變負(fù)荷性能要求創(chuàng)造了有利條件。

5結(jié)束語

通過分析直接能量平衡法DEB控制策略工作原理和目前狀況下存在的不足，提出了一種改進(jìn)方法。該方法保留DEB控制的基本框架，采用新的前饋方式和智能變負(fù)荷超調(diào)，引入燃煤熱值系數(shù)修正前饋指令，

并采用PID變參數(shù)控制?，F(xiàn)場試驗表明，該方法解決了原先煤量指令落后調(diào)門汽機(jī)指令、變負(fù)荷超調(diào)適應(yīng)性不足等問題，有效提高了機(jī)組整體負(fù)荷響應(yīng)能力，滿足了電網(wǎng)AGC變負(fù)荷性能要求。

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中圖分類號：TH86;TP272

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607011

Analysis and Optimization of Direct Energy Balance Control Strategy for the Fossil-fired Power Unit

Abstract：Direct energy balance (DEB) of fossil-fired power unit is a kind of turbine and boiler coordinated control strategy based on the concept of energy balance.Along with the variable load performance of the unit is increasingly demanding by the grid,and the larger changes of the coal type and fired coal mixed blending,some of the deficiencies of traditional DEB control are exposed gradually.Thus an improved method of DEB control strategy is introduced.With this method,new feedforward pattern and intelligent variable load overshoot are adopted,and the heat value coefficient of coal is introduced for correction,PID varying parameter control is used.The field test shows that the problems of coal demand lag behind load demand,insufficient adaptability of variable load overshoot,and unable to take initiative response to the changes in coal quality,etc.,are resolved by these measures; therefore overall capability of the unit upon load changes is enhanced.

Keywords:Energy balanceCoordinated controlFeedforward controlOptimization and improvementIntelligent overshootFossil-fired power unitModificationPID control

修改稿收到日期：2015-11-29。

第一作者祝建飛(1972—)，男，1994年畢業(yè)于東南大學(xué)熱能動力專業(yè)，高級工程師；主要從事電廠熱工自動化及運(yùn)行控制優(yōu)化方向的研究和應(yīng)用工作。