火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)平衡回路邏輯思路與設(shè)計(jì)

余小敏，祝廣場，張鍔

（華電電力科學(xué)研究院中南區(qū)域中心，湖北武漢430062）

火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)平衡回路邏輯思路與設(shè)計(jì)

余小敏，祝廣場，張鍔

（華電電力科學(xué)研究院中南區(qū)域中心，湖北武漢430062）

在電廠的熱工控制系統(tǒng)中，平衡回路被廣泛的采用。平衡回路的作用主要是針對像三大風(fēng)機(jī)及給水泵等成對出現(xiàn)的設(shè)備。由于在電廠的熱工設(shè)計(jì)中并沒有針對平衡回路的設(shè)計(jì)規(guī)范，所以各個電廠的控制邏輯中平衡回路的設(shè)計(jì)都不盡相同。總結(jié)了多個電廠熱工控制系統(tǒng)中關(guān)于平衡回路的設(shè)計(jì)，對各種不同的平衡回路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了歸納與總結(jié)，希望能對以后的熱工設(shè)計(jì)提供參考。

平衡回路；邏輯；設(shè)計(jì)思路；火力發(fā)電廠

0 引言

火電廠設(shè)備中，受設(shè)備容量的限制和機(jī)組安全性的考慮，有一些設(shè)備往往成對出現(xiàn)。最常見的如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等設(shè)備，俗稱六大風(fēng)機(jī)。還有一些設(shè)備則以更多的數(shù)量出現(xiàn)，例如給煤機(jī)和給水泵等。對于這些以成對或更多數(shù)量出現(xiàn)的設(shè)備，在熱工控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須有所考慮，即增加平衡回路系統(tǒng)，其主要的思路是:在兩個設(shè)備中有一個設(shè)備處于自動而另一個處于手動狀態(tài)時，當(dāng)手動調(diào)整一臺設(shè)備時，處于自動狀態(tài)的設(shè)備能夠自動調(diào)整，使得在整個過程中對系統(tǒng)的影響最?。划?dāng)兩臺設(shè)備都處于自動狀態(tài)時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)兩臺設(shè)備間的出力來自行調(diào)整，或者可以由操作員根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整各個設(shè)備間的出力。平衡回路的設(shè)計(jì)思路中還有一點(diǎn)就是消除設(shè)備在手動自動切換過程中的擾動，達(dá)到無擾切換的目的。在梳理眾多電廠熱工控制系統(tǒng)邏輯后，對平衡回路的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了總結(jié)。在對平衡回路進(jìn)行了分類之后，繼續(xù)分析了平衡回路與R B的關(guān)系，最后對給煤機(jī)與給水泵等特殊回路中的平衡回路進(jìn)行了分析。

圖1 輸出平衡回路邏輯

圖2 電流平衡回路邏輯

1 平衡回路的分類

平衡回路按照功能大致可以分成三類:輸出平衡回路、電流平衡回路和輸出與電流相結(jié)合的平衡回路。

1.1 輸出平衡

在較早的熱工控制系統(tǒng)中，平衡回路的設(shè)計(jì)大多只采用輸出平衡的平衡回路。以送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例，輸出平衡回路的邏輯示意圖如圖1所示[1]。

分析圖1可以看出輸出平衡回路具有以下特點(diǎn):

（1）假設(shè)兩臺送風(fēng)機(jī)中送風(fēng)機(jī)A在自動狀態(tài)而送風(fēng)機(jī)B在手動狀態(tài)，則這時平衡回路的輸出T塊選擇N路輸入，即等于送風(fēng)機(jī)A與送風(fēng)機(jī)B輸出指令之差的一半。而平衡回路輸出模塊T的輸出是分別與PID調(diào)節(jié)器的輸出相加和相減后作為送風(fēng)機(jī)A與送風(fēng)機(jī)B的輸出指令的。這時若操作員手動改變送風(fēng)機(jī)B的輸出，通過幾個掃描周期后，平衡回路輸出模塊T將送風(fēng)機(jī)B輸出的手動改變量以反方向疊加在送風(fēng)機(jī)A的輸出上，這樣處于自動狀態(tài)的送風(fēng)機(jī)就能夠自動進(jìn)行反方向同幅度調(diào)整。由于兩臺設(shè)備的調(diào)整量大小相同，方向相反，使得在整個過程中兩臺送風(fēng)機(jī)的出力各自做了調(diào)整而對系統(tǒng)則基本沒有影響。

（2）當(dāng)兩臺送風(fēng)機(jī)都處于自動狀態(tài)時，可以由操作員根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整各個設(shè)備間的出力:當(dāng)操作員在圖1中送風(fēng)機(jī)偏置手操站上設(shè)定偏置后，該偏置會分別作用于兩臺送風(fēng)機(jī)上，其大小相同而方向相反，這樣就使得一臺送風(fēng)機(jī)出力增加而另一臺送風(fēng)機(jī)出力減少，最終達(dá)到兩臺送風(fēng)機(jī)出力平衡的效果。

（3）輸出平衡回路的設(shè)計(jì)思路中還有一點(diǎn)就是消除設(shè)備在手動自動切換過程中的擾動，達(dá)到無擾切換的目的。如圖1中所示，當(dāng)兩臺風(fēng)機(jī)中只有一臺處于自動狀態(tài)時，送風(fēng)機(jī)偏置手操站跟蹤兩臺風(fēng)機(jī)輸出指令之差的一半；當(dāng)?shù)诙_風(fēng)機(jī)也投入自動時，則釋放偏置手操站，操作員可以在原有的偏置基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整從而保證了整個系統(tǒng)的無擾切換。

在系統(tǒng)的運(yùn)行中往往出現(xiàn)一臺風(fēng)機(jī)處于自動狀態(tài)而另一臺風(fēng)機(jī)因故障退出運(yùn)行進(jìn)行檢修的情況。在這種情況下，停運(yùn)風(fēng)機(jī)的輸出對系統(tǒng)不應(yīng)該產(chǎn)生影響。故如圖1中所示，若風(fēng)機(jī)跳閘則將其在平衡回路中的輸入切換為零，這樣即使在停運(yùn)風(fēng)機(jī)的檢修過程中風(fēng)機(jī)的輸出有所改變也不會對另一臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行造成影響。

1.2 電流平衡

電流平衡是現(xiàn)在最常用的平衡回路。以送風(fēng)機(jī)為例其原理圖如圖2所示。當(dāng)兩臺風(fēng)機(jī)同時在運(yùn)行時希望它們的出力盡量一致，而風(fēng)機(jī)的工作電流的大小則最能直接反映設(shè)備的出力情況。電流平衡回路的設(shè)計(jì)思想是當(dāng)兩臺風(fēng)機(jī)均處于自動控制時根據(jù)各自的工作電流的大小調(diào)整各自的出力，使得每臺風(fēng)機(jī)的工作電流基本一致從而達(dá)到出力一致的目的。值得注意的是電流平衡的調(diào)整量不宜過大，一般限定在5%的變化范圍內(nèi)，且其調(diào)節(jié)速率也比較緩慢，以免對系統(tǒng)造成大的擾動。

使用電流平衡回路必須注意的是平衡量引入退出時的切換問題。當(dāng)兩臺設(shè)備只有一臺處于自動控制狀態(tài)或兩臺均處于手動時電流平衡回路是不起作用的。當(dāng)兩臺設(shè)備均處于自動控制狀態(tài)時，電流平衡回路進(jìn)入工作狀態(tài)，電流平衡回路PID根據(jù)兩臺設(shè)備的電流大小自動調(diào)節(jié)兩臺設(shè)備的出力。這時若有任意一臺設(shè)備的電流變壞質(zhì)量，則電流平衡回路不再繼續(xù)計(jì)算，但是電流平衡回路偏置并不是歸零，而是保持在當(dāng)前值。如果有任意一臺設(shè)備退出自動狀態(tài)，則電流平衡回路的PID應(yīng)從當(dāng)前值以一定的速率緩慢變到零，這個速率一定不能設(shè)定的太快，否則會引起擾動。

1.3 輸出和電流平衡

輸出平衡回路與電流平衡回路分別有各自的特點(diǎn)，輸出平衡回路使得操作員能夠非常方便的對兩臺設(shè)備進(jìn)行調(diào)整而不對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響；而電流平衡回路則能夠在設(shè)備均處于自動的情況下對設(shè)備的出力進(jìn)行隨時的調(diào)整，使得兩臺設(shè)備之間的出力能夠始終保持大致的平衡。為了結(jié)合這兩種設(shè)計(jì)各自的優(yōu)點(diǎn)，有的電廠在熱工控制系統(tǒng)中采取了輸出平衡+電流平衡回路的設(shè)計(jì)，以送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例其原理圖如圖3所示。

圖3 輸出+電流平衡回路邏輯

2 平衡回路與R B的關(guān)系

當(dāng)機(jī)組由于某臺重要設(shè)備跳閘而快速減負(fù)荷時（RB），為了快速彌補(bǔ)跳閘設(shè)備對系統(tǒng)造成的影響，沒有發(fā)生跳閘的另一臺設(shè)備需要在最快的時間內(nèi)迅速翻轉(zhuǎn)至允許的最大開度。以送風(fēng)機(jī)為例，對于設(shè)計(jì)有輸出平衡回路的系統(tǒng)來說，當(dāng)一臺風(fēng)機(jī)跳閘時，其平衡回路會將該跳閘風(fēng)機(jī)在跳閘前瞬間的開度迅速疊加到另一臺設(shè)備上，從而使得另一臺風(fēng)機(jī)的輸出等于兩倍的PID調(diào)節(jié)器的輸出。然而由于在發(fā)生RB時，機(jī)組的負(fù)荷一般較高，風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)PID的輸出一般會大于50%，而風(fēng)機(jī)的最大開度不能超過100%，這樣就使得仍在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)開度會始終保持在100%的開度上，直到隨著機(jī)組負(fù)荷的下降，風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)PID的輸出降至小于50%后，運(yùn)行風(fēng)機(jī)的輸出才會從全開的位置逐漸關(guān)小。對整個系統(tǒng)而言，就產(chǎn)生了一種類似于積分飽和的問題，即在風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器PID的輸出小于50%之前，風(fēng)機(jī)由于始終被鉗制在全開的位置從而不能參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，這對整個系統(tǒng)而言是很不利的。針對這個問題，不同廠家的D CS其解決的方式有所不同。在ABBBA ILI的CO M POSER系統(tǒng)中，由于PID控制器的上下限是可以在線調(diào)整的，所以當(dāng)發(fā)生RB時，可以將其調(diào)節(jié)控制器PID的上限減少至RB前的50%，則上訴問題可以避免，其原理圖如圖4所示。

而在O VA TION的控制系統(tǒng)中，由于PID調(diào)節(jié)器的上下限不能在線調(diào)整，所以需要增加邏輯，以送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為例其原理圖如圖5所示。

從圖中可以看出，當(dāng)任一臺送風(fēng)機(jī)跳閘時，通過閥門產(chǎn)生一個脈沖，使得在短暫的脈沖時間內(nèi)，切換塊T塊的輸出切換為送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器PID輸出上限的一半（假使為A/2）。而這個輸出在經(jīng)過平衡模塊后，由于平衡模塊的作用會被還原為送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器PID的上限值（即A）。由于O VATION控制系統(tǒng)具有向上跟蹤的功能，所以在脈沖期間，送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器PID的輸出會自動跟蹤切換塊的輸出從而保持在送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器PID輸出上限的一半（即A/2），當(dāng)脈沖過后，則送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器PID被釋放，其輸出可以根據(jù)被調(diào)量的情況而改變，從而避免了積分飽和的情況。

圖4 平衡回路與R B-C O M PO SE R

圖5 平衡回路與R B-O V ATIO N

圖6 小機(jī)出力判斷條件

3 給煤機(jī)與給水泵等特殊回路的設(shè)計(jì)

給煤機(jī)采用主M A站跟蹤最大給煤機(jī)輸出的策略。由于給煤機(jī)的臺數(shù)多（一般4-6臺），所以不設(shè)置平衡回路，只有單臺設(shè)備的獨(dú)立偏置。這種只設(shè)偏置的回路與設(shè)有平衡回路的系統(tǒng)的最大不同在于當(dāng)加減一臺處于手動狀態(tài)的設(shè)備輸出或者是通過改變處于自動狀態(tài)的設(shè)備的偏置時，其他的設(shè)備并不會作反方向的調(diào)整從而使得對整個系統(tǒng)的影響最小，而是通過PID調(diào)節(jié)輸出來改變其他設(shè)備的輸出，最終達(dá)到總的輸出不變。對于給煤機(jī)系統(tǒng)之所以這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)榻o煤機(jī)臺數(shù)多，如果設(shè)計(jì)平衡回路將比較復(fù)雜，而且由于給煤系統(tǒng)調(diào)節(jié)十分迅速，在一臺給煤機(jī)改變出力后，在給煤量調(diào)節(jié)器PID的調(diào)節(jié)作用下，其它給煤機(jī)可以非?？焖俚倪M(jìn)行反方向調(diào)整，從而對系統(tǒng)不會造成大的影響。

現(xiàn)有的給水泵系統(tǒng)一般都設(shè)置有流量平衡回路，在兩臺小機(jī)都投入自動且出口流量都是好品質(zhì)的情況下對兩臺小機(jī)的出口流量自動調(diào)整。給水泵系統(tǒng)由于水的剛性一般不適合設(shè)計(jì)輸出平衡回路，因?yàn)槿魞膳_小機(jī)的輸出差別太大容易發(fā)生搶水現(xiàn)象。所以很多電廠的給水控制系統(tǒng)中都只在流量平衡回路的基礎(chǔ)上對每臺小機(jī)再增加一個獨(dú)立偏置，其作用與給煤機(jī)的獨(dú)立偏置類似，主要是為了防止在小機(jī)投入自動控制時產(chǎn)生擾動。該偏置在小機(jī)投入自動后可以保留，也可以按一定速度收為零。

不過也有個別電廠為了操作員調(diào)整方便對給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輸出平衡回路，但需對小機(jī)的出力條件進(jìn)行判斷，因?yàn)樾C(jī)運(yùn)行后并不代表其已經(jīng)對系統(tǒng)產(chǎn)生了影響。判斷條件如圖6所示[2]。

從圖6中可以看出，判斷小機(jī)是否真正并入系統(tǒng)的條件不僅是該小機(jī)在運(yùn)行，而是要求對應(yīng)小機(jī)的出口門打開且小機(jī)出口壓力要稍稍大于給水母管壓力。而只有在小機(jī)真正并入系統(tǒng)后，小機(jī)的輸出指令才能進(jìn)入平衡回路從而對另一臺小機(jī)產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

平衡回路的設(shè)計(jì)在熱工自動控制系統(tǒng)中具有重要的作用。縱觀各個電廠，各個電廠根據(jù)自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)有不同的回路。雖然平衡回路的設(shè)計(jì)種類很多且有一些變化的形式，但在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中卻很少有相關(guān)的報(bào)道。在總結(jié)各個不同型號的機(jī)組熱工控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對平衡回路的三種形式進(jìn)行了歸納與整理，即輸出平衡，電流平衡與輸出+電流平衡；然后對平衡回路如何與R B邏輯配合使用的問題進(jìn)行了總結(jié)。最后介紹了在給煤機(jī)與給水泵等特殊回路中如何使用平衡回路或偏置。希望能對熱工人員在以后的組態(tài)設(shè)計(jì)工作中有所參考。

[1]張建江.浙江嘉興電廠三期工程#7機(jī)組邏輯組態(tài)[R].杭州意能電力有限公司，2011.

[2]陳小強(qiáng).浙江北侖電廠三期工程#6機(jī)組邏輯組態(tài)[R].杭州意能電力有限公司，2009.

Logic and Design of the Balance Loop in the Control System of Power Plant

YU Xiao-min，ZHU Guang-chang，ZHANG e
（Huadian Electric Power Research Institute of Zhongnan Branch，Wuhan 430062，China）

Balance loop is widely used in the controlsystem of the power plant.The purpose of balance loop is to balance the outputofthe equipm entsin pairlike fansand feederwaterpum p.Asthe standard forbalance loop isnotavailable, so the design for itis variable.This article sorted allthe kinds ofdesign for balance loop which is used in differentpow er plants,sum m arized the charactersofdifferentdesignswith hope thatitcan provide som e reference forthe late design.

balance loop；logic；design；power plant

TM 621.6

B

2095-3429（2017）02-0026-04

2017-02-13

修回日期:2017-03-28

余小敏（1978-），男，湖北荊州人，碩士，高級工程師，主要從事火電廠熱工控制及保護(hù)方面的工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.006