汽輪機(jī)組協(xié)調(diào)控制中典型問(wèn)題分析和改進(jìn)

摘 要： 本文主要介紹國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組在DCS改造后，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)組態(tài)，由日立H5000M系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的原MAX1000+PLUS系統(tǒng)中DEB控制方式時(shí)，重要參數(shù)的整定辦法。分析機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)品質(zhì)影響因素和解決方案，通過(guò)試驗(yàn)整定機(jī)組協(xié)調(diào)控制參數(shù)，提升鍋爐主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的要求。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制 鍋爐前饋 能量信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）03-0294-02

一、協(xié)調(diào)控制的設(shè)計(jì)和鍋爐蓄熱系數(shù)的整定

張家口發(fā)電廠各臺(tái)機(jī)組經(jīng)DCS改造后使用的是日立H5000M，協(xié)調(diào)制采用的是直接能量平衡算法。在參數(shù)設(shè)定過(guò)程中，鍋爐的蓄熱系數(shù)是最難確定的也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它的準(zhǔn)確性決定了能量平衡控制方式的穩(wěn)定性。選取能量平衡信號(hào)作為鍋爐側(cè)的負(fù)荷指令，以熱量信號(hào)作為發(fā)饋，直接按汽輪機(jī)的能量需求來(lái)控制鍋爐的能量輸入。系統(tǒng)無(wú)需機(jī)前壓力的反饋控制，能量平衡信號(hào)公式中的 來(lái)表示：

—機(jī)前壓力設(shè)定值 —調(diào)節(jié)級(jí)壓力 —機(jī)前壓力

鍋爐燃燒自動(dòng)控制的目的是控制燃燒過(guò)程，使燃燒說(shuō)提供的熱量適應(yīng)外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求，同時(shí)保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

鍋爐熱量信號(hào)是測(cè)量進(jìn)入爐膛的燃料燃燒后的發(fā)熱量，是間接測(cè)量進(jìn)入爐膛的燃料量的一種方法。進(jìn)入爐膛的燃料量可用公式中Q的來(lái)表示。

—蓄熱系數(shù) —汽包壓力 D —蒸汽流量

蓄熱系數(shù) 代表著鍋爐的蓄熱能力

通常用試驗(yàn)的方法求得。在燃燒率不變的情況下，改變汽機(jī)調(diào)門(mén)的開(kāi)度，蒸汽流量和主汽壓力變化曲線如圖

根據(jù)調(diào)門(mén)開(kāi)度改變時(shí)蒸汽流量和汽包壓力的變化曲線，量取面積A，

由此可以計(jì)算出鍋爐的蓄熱系數(shù) 。Q可以近似的代表計(jì)入鍋爐燃燒的燃料量。此外，用熱量信號(hào)還能反映燃料熱值的變化。鍋爐指令主控采用的是變參數(shù)調(diào)節(jié)，分為負(fù)荷變化過(guò)程和負(fù)荷維持過(guò)程。

1.協(xié)調(diào)控制的修改和調(diào)整

在電網(wǎng)公司實(shí)施“兩個(gè)細(xì)則”考核辦法后，電網(wǎng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)提出了更高的要求，單純的DEB控制方式還是無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)組負(fù)荷快速頻繁變化的要求，所以在鍋爐燃燒控制環(huán)節(jié)中增加了鍋爐燃料量的前饋，以提高鍋爐的響應(yīng)速度。

1.1鍋爐主控前饋的作用

鍋爐前饋主要有四部分構(gòu)成：1、負(fù)荷對(duì)應(yīng)煤量前饋；2、負(fù)荷指令變化對(duì)應(yīng)煤量前饋；3、機(jī)前壓力設(shè)定值變化對(duì)應(yīng)煤量前饋。

1.2負(fù)荷對(duì)應(yīng)煤量前饋

鍋爐前饋部分中的負(fù)荷對(duì)應(yīng)煤量前饋是給鍋爐主控制器一個(gè)粗略的工作區(qū)間，它的量值份額最大。它的作用對(duì)于機(jī)組在負(fù)荷變化工況時(shí)煤量的調(diào)節(jié)作用相對(duì)較弱，在鍋爐汽壓響應(yīng)遲延大、慣性大的特性下，這個(gè)環(huán)節(jié)的煤量變化特性是不能滿(mǎn)足機(jī)組需求的。對(duì)于鍋爐燃煤發(fā)熱量不出現(xiàn)頻繁變化的工況下，它主要的作用是維持鍋爐的負(fù)荷，若一段時(shí)期內(nèi)鍋爐燃煤發(fā)熱量較前一時(shí)段有明顯穩(wěn)定的加大或減少，這個(gè)負(fù)荷對(duì)應(yīng)煤量前饋，也是需要進(jìn)行修改的。修改過(guò)程需鍋爐控制處于手動(dòng)狀態(tài)下，這點(diǎn)十分重要，因?yàn)樵诖饲梆伷鹱饔脮r(shí)的修改，會(huì)引起鍋爐煤量的大幅波動(dòng)，影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.3負(fù)荷指令變化對(duì)應(yīng)煤量前饋

負(fù)荷指令變化對(duì)應(yīng)的煤量變化量是使鍋爐能夠快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的最直接手段。它由兩部分構(gòu)成：1、負(fù)荷指令的變化趨勢(shì)；2、AGC指令與機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令的偏差對(duì)應(yīng)的煤量。

因?yàn)殄仩t主控采用的是DEB控制方式，從能量指令公式

可知 與 的比值代表汽機(jī)調(diào)門(mén)的實(shí)際開(kāi)度，在機(jī)組接到負(fù)荷變化的指令后，調(diào)門(mén)迅速響應(yīng)，這樣機(jī)組負(fù)荷指令變化趨勢(shì)的前饋量與能量指令 的計(jì)算量的匹配，是此前饋分量中的控制關(guān)鍵，一般的解決方法是給負(fù)荷指令變比趨勢(shì)的前饋量增加限幅。電網(wǎng)下達(dá)機(jī)組的AGC指令是階躍信號(hào)，機(jī)組的實(shí)際指令是增加了變化速率的，這兩部分的差值經(jīng)一定的作用強(qiáng)度作為一個(gè)煤量前饋，能更直接的彌補(bǔ)鍋爐汽壓響應(yīng)的大慣性。

1.4機(jī)前壓力設(shè)定值變化對(duì)應(yīng)煤量前饋

機(jī)前壓力定值的變化也代表著鍋爐蓄熱能力的變化，同時(shí)對(duì)應(yīng)鍋爐煤量也是要求變化的。這正是在鍋爐指令前饋中設(shè)置機(jī)前壓力設(shè)定值變化對(duì)應(yīng)煤量前饋這一項(xiàng)的意義所在。不管是在機(jī)組負(fù)荷變化過(guò)程改變機(jī)前壓力定值還是機(jī)組穩(wěn)定工況下改變壓力定值，對(duì)于此項(xiàng)前饋?zhàn)饔猛瑯討?yīng)設(shè)置幅值的限制。

2.控制參數(shù)的調(diào)整

2.1鍋爐煤量控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)

在設(shè)定好鍋爐指令前饋的基礎(chǔ)上，鍋爐主控制器的調(diào)試可以遵循“弱變化、強(qiáng)穩(wěn)態(tài)”的原則，在機(jī)組負(fù)荷變化過(guò)程中，鍋爐主控制器PID的比例增益設(shè)置在0.1到0.3之間，積分時(shí)間設(shè)置在500秒以上，在機(jī)組負(fù)荷變化結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)工況下，針對(duì)鍋爐汽壓的大慣性大遲延特性，鍋爐主控制器PID的比例增益設(shè)置在1.2至2.2之間，積分時(shí)間設(shè)置在300秒左右。

2.2鍋爐風(fēng)量調(diào)節(jié)的影響

鍋爐風(fēng)量的調(diào)節(jié)品質(zhì)也對(duì)鍋爐汽壓調(diào)節(jié)品質(zhì)有重要的影響。鍋爐原來(lái)的風(fēng)量控制邏輯中，風(fēng)量指令取得是鍋爐煤量，這在指令的變化上就存在著一定滯后，現(xiàn)將鍋爐一次風(fēng)壓力和鍋爐送風(fēng)量的的指令均改為機(jī)組負(fù)荷指令，這樣就使得機(jī)組的負(fù)荷變化時(shí)一次風(fēng)壓和鍋爐風(fēng)量控制以最快的速度做出響應(yīng)，以配合鍋爐燃煤變化。

二、汽機(jī)負(fù)荷控制的影響因素

1.功能設(shè)計(jì)的優(yōu)化

機(jī)組負(fù)荷控制中原設(shè)計(jì)有壓力校驗(yàn)功能，是為了讓汽機(jī)調(diào)門(mén)控制做到機(jī)組負(fù)荷和機(jī)前壓力兼顧，但也正是這樣，使機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)大為下降。電網(wǎng)要求的汽輪機(jī)組實(shí)發(fā)功率要正確、快速、穩(wěn)定，這就勢(shì)必使機(jī)組在協(xié)調(diào)控制中要犧牲一部分的機(jī)前壓力來(lái)保證機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)。所以在提高鍋爐汽壓調(diào)節(jié)品質(zhì)的前提下，弱化機(jī)前壓力偏差對(duì)汽機(jī)負(fù)荷修正作用，改用其他的方式來(lái)保證緊急狀態(tài)下的機(jī)組安全。

附圖機(jī)前壓力偏差修正負(fù)荷指令示意圖

此項(xiàng)功能的作用是在機(jī)組變負(fù)荷過(guò)程中機(jī)前壓力偏大時(shí)，抑制調(diào)門(mén)向加大機(jī)前壓力偏差方向動(dòng)作的趨勢(shì)。為方便描述，這個(gè)功能簡(jiǎn)稱(chēng)壓力拉回。因?yàn)閴毫氐淖饔?，機(jī)—爐汽壓特性導(dǎo)致了機(jī)組負(fù)荷還未達(dá)到AGC指令目標(biāo)值就出現(xiàn)了“反調(diào)”的情況。針對(duì)這中情況，減弱壓力拉回的作用強(qiáng)度，使壓力拉回的修正系數(shù)減少到±0.01。同時(shí)在汽機(jī)調(diào)門(mén)指令出口前增加一個(gè)調(diào)門(mén)禁增、禁減功能。當(dāng)機(jī)前壓力高設(shè)定值1.2MPa時(shí)汽機(jī)調(diào)門(mén)禁減，機(jī)前壓力低于設(shè)定值1.2MPa時(shí)汽機(jī)調(diào)門(mén)禁增，這樣就在最大程度上兼顧機(jī)組安全和機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.汽機(jī)調(diào)門(mén)的流量特性和機(jī)組的運(yùn)行方式也是機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)的重要保證

在冬季機(jī)組供熱的運(yùn)行方式下的變負(fù)荷過(guò)程，由于運(yùn)行人員把機(jī)前壓力定值設(shè)定的偏低（在變負(fù)荷初期，壓力定值低于規(guī)定的滑壓定值1MPa）從而導(dǎo)致了機(jī)組調(diào)門(mén)開(kāi)度過(guò)大，負(fù)荷上升后，調(diào)門(mén)迅速開(kāi)展，已失去對(duì)負(fù)荷的控制。

附圖汽機(jī)調(diào)門(mén)流量特性對(duì)變負(fù)荷的影響

圖中的變負(fù)荷過(guò)程，調(diào)門(mén)開(kāi)度增加9%，而機(jī)組負(fù)荷未有明顯上升，汽機(jī)調(diào)門(mén)在78%—87%之間已無(wú)截流特性所造成，這臺(tái)機(jī)組的汽機(jī)閥門(mén)曲線需要進(jìn)行重新整定。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)組的協(xié)調(diào)控制是一臺(tái)機(jī)組的最高層控制，它的調(diào)節(jié)品質(zhì)需要這臺(tái)機(jī)組的各底層自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)來(lái)保證，鍋爐的給水、送風(fēng)、煤量等各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)直接影響到鍋爐汽壓的調(diào)節(jié)品質(zhì)；汽機(jī)調(diào)門(mén)的流量特性，控制回路的邏輯參數(shù)設(shè)置等也會(huì)直接影響汽機(jī)負(fù)荷的調(diào)節(jié)品質(zhì)。協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)化需要考慮到機(jī)組的各方面因素，一次設(shè)備的調(diào)節(jié)裕量，執(zhí)行器環(huán)節(jié)的響應(yīng)特性等等，不同機(jī)組間并沒(méi)有固定的模式可借鑒。同時(shí)對(duì)機(jī)組協(xié)調(diào)品質(zhì)的影響因素是復(fù)雜多樣的，運(yùn)行人員的操作、鍋爐燃煤發(fā)熱量的變化等都是不可預(yù)測(cè)、不可避免的重要條件。只有通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索和大量擾動(dòng)試驗(yàn)，才能掌握一臺(tái)機(jī)組各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性。機(jī)組的每次檢修后各自動(dòng)調(diào)節(jié)回路都是需要進(jìn)行試驗(yàn)和參數(shù)整定的。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)， 自動(dòng)控制[M]火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)第三卷

作者簡(jiǎn)介：田曄（1979—）男，工程師，張家口發(fā)電廠。