協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控異常分析及優(yōu)化

李軍亮

摘 要：目前大容量、高參數(shù)單元機組負荷控制已普遍采用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)快速安全的調(diào)節(jié)機爐，以提高發(fā)電機組的深度調(diào)峰能力，并保證電力供應的穩(wěn)定性。因此對火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、快速性的要求越來越高，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對于火電廠來說至關重要，是衡量火電廠自動化水平的重要標志。文章針對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中一起鍋爐指令異常大幅度擺動事件，對鍋爐主控進行分析和計算，研究出擺動的原因并提出相關的優(yōu)化方案。不僅有助于提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證鍋爐安全運行，也對其余模擬量控制系統(tǒng)異常分析和優(yōu)化具有一定的參考意義。

關鍵詞：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；鍋爐主控；異常擺動；優(yōu)化

中圖分類號：TK229 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0069-02

引言

陽城電廠6×350MW機組鍋爐采用美國福斯特·惠勒（F&W）公司生產(chǎn)的“W“型火焰燃煤汽包鍋爐，配備四臺雙進雙出正壓直吹式鋼球磨煤機；汽機采用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的亞臨界，一次再熱，單軸，雙缸，雙排汽，凝汽式汽輪機；熱控設備采用SIEMENS公司生產(chǎn)的TELEPERM——XP分散控制系統(tǒng)。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制方案由德國SIEMENS公司提供，并在實際投運中結合以往同類型機組的成功經(jīng)驗進行了相應的改進；以提高機組的負荷響應能力。主要設計思想是將鍋爐和汽機作為一個整體，完成對機組負荷、鍋爐主汽壓力的控制，達到鍋爐風、水、煤的協(xié)調(diào)動作。

隨著火電廠裝機容量越來越大、電網(wǎng)對火電廠的要求也越來越高，火電廠人員數(shù)量配置有限，因此對火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性、快速性的要求越來越高。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)快速安全的調(diào)節(jié)機爐，以滿足電網(wǎng)對火電廠負荷快速調(diào)度的要求。因此，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是衡量火電廠自動化水平的重要標志。

下面就一起協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控不穩(wěn)定運行的案例分析，希望對大家有所幫助。

1 背景介紹

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可分為以下七個部分：

（1）單元負荷指令形成回路；（2）RUNBACK回路；（3）頻率校正回路；（4）壓力設定值回路；（5）鍋爐主控；（6）汽機控制接口回路；（7）熱值修正回路。

在本文中，是因鍋爐指令引起的鍋爐震蕩，故此主要分析鍋爐主控的相關問題。

鍋爐主控回路是負荷指令回路與燃燒控制系統(tǒng)之間的接口，即通過該回路將經(jīng)過修正的機組負荷指令發(fā)送到二次風量控制回路及燃料控制回路，以協(xié)調(diào)鍋爐出力與負荷指令之間的匹配關系。此回路既可以工作在自動方式，也可以工作在手動方式，能夠完成單元機組在各種工況下的控制功能。

鍋爐指令的產(chǎn)生：鍋爐指令由四部分組成（如圖1），分別為負荷設定值前饋PE：在負荷指令發(fā)生變化時，第一時間增大或減小鍋爐指令，減少不必要的計算環(huán)節(jié)，快速的指揮鍋爐；汽包壓力微分前饋：因汽包壓力較主汽壓力能提前反應鍋爐的能量的變化，此部分前饋能減小鍋爐在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的慣性；壓力設定值微分前饋：實現(xiàn)在升降負荷過程中過加煤或過減煤；壓力偏差的PID，Y=kpe（t）+e（t）dt+TD：根據(jù)主汽壓力和壓力設定值的偏差來調(diào)整鍋爐動作，最終使主汽壓力等于壓力設定值。

2 具體現(xiàn)象

指令擺動前工況：機組協(xié)調(diào)運行，增壓風機為停運狀態(tài)，最大允許負荷90%；三臺磨煤機自動運行最大允許負荷90%，負荷190MW（54.3%），主汽壓力10.8Mpa，汽包壓力11.5Mpa。在啟動第四臺磨煤機過程中出現(xiàn)鍋爐指令擺動情況，擺動范圍60%～90%之間，擺動幅值達30%，極大地威脅鍋爐安全運行。3min后運行人員將鍋爐主控切手動運行，機組切“機跟隨”方式運行，汽機控制主汽壓力，鍋爐由運行人員手動控制并維持穩(wěn)定。具體曲線如圖2所示。

3 原因分析

由圖2曲線中可以看到，影響鍋爐指令的四部分中，負荷設定值，壓力設定值，汽包壓力基本保持不變，排除了此三部分作用的影響，基本判斷問題出在PID部分。壓力偏差PID部分重點分析如圖3。

圖3中所有參數(shù)均為百分數(shù)，各部分介紹如下：

PID的參數(shù)設置為：kp=0.7，TI=120s，TD=60s

鍋爐最大允許負荷由機組RB回路完成，輔機全部運行時為120%，當輔機發(fā)生跳閘或停運時，鍋爐最大允許負荷將發(fā)生變化，其中每臺磨煤機最大負荷30%，增壓風機最大負荷90%，一次風機50%……。鍋爐擺動時鍋爐最大允許負荷為90%，當時增壓風機為停運狀態(tài)。

鍋爐最小允許負荷，能保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的最小負荷，此處為25%，數(shù)據(jù)由鍋爐廠家給出。

實際燃料量=在運行的磨煤機負荷平均值+鍋爐燃油換算值。

如圖3所示，主汽壓力的偏差首先和鍋爐當前的最大出力裕度取小再和當前允許最小出力裕度取大，結果送入PID進行運算。其中鍋爐的當前最大出力裕度為鍋爐最大允許負荷減去當前燃料量，當前允許最小出力裕度為當前燃料量減去鍋爐最小允許負荷。這樣設計是因為此PID中的積分不具備防止積分飽和功能。在鍋爐指令接近最大允許負荷時，限制PID壓力偏差增大，避免積分部分輸出持續(xù)增大；相反在鍋爐指令接近最小允許負荷時，限制PID偏差減小，避免積分部分持續(xù)減小，有效避免了積分飽和的影響。

出現(xiàn)鍋爐指令擺動的原因分析：運行人員啟動第四臺磨煤機，該磨煤機手動運行，運行人員手動增加燃料。總燃料量因第四臺磨煤機燃料的加入而增大，導致總燃料量大于鍋爐指令，在燃料主控的作用下將其余三臺自動運行的磨煤機燃料減小，維持燃料量等于鍋爐指令。由于剛啟動的磨煤機出口風粉溫度低，大量溫度較低的風粉混合物吹入鍋爐，不僅不能完全燃燒釋放熱量，而且降低了爐膛溫度。導致在總燃料量基本不變的情況下，爐膛發(fā)熱減少，主汽壓力降低。endprint

隨著主汽壓力的降低，在鍋爐主控PID部分的作用下，鍋爐指令持續(xù)上升，燃料量隨鍋爐指令持續(xù)增大。因當時鍋爐最大允許負荷為90%（增壓風機處于停運狀態(tài)），當鍋爐最大允許負荷與總燃料量的差小于壓力偏差時，圖3中小選功能塊起作用，壓力偏差被限制為鍋爐最大允許負荷減去實際燃料量，并隨著燃料量的增大，PID的入口偏差逐漸減??；當燃料量=90%時，送入PID的偏差被限制為0。在此過程中，壓力偏差PID接收到逐漸縮小的偏差，在PID中比例和微分的作用下鍋爐指令快速減小，控制鍋爐燃料量減小。隨著燃料量的減少，PID入口偏差被緩慢釋放出來，PID收到逐漸增大的偏差，控制鍋爐指令增大，鍋爐指令控制燃料量增大再次將壓力偏差限制住。如此周而復始導致鍋爐指令不斷擺動。

考慮當時實際工況，壓力設定值Ps=10.921 MPa，實際壓力P=9.556 MPa，額定壓力16.67MPa，死區(qū)0.1%。因此PID的輸入偏差最大為：{[（10.921-9.556）/16.67]*100%}-0.1%=0.72%，最小偏差為燃料量為90%時的0%。因偏差較小，比例造成的影響不大，主要考慮PID中微分部分。微分部分根據(jù)公式1計算， Dpart=0.7*60*0.72%=30.24%，和實際運行出現(xiàn)鍋爐的擺動幅度基本吻合，因此判斷此次事件是由運行的操作引起，控制系統(tǒng)參數(shù)設置不合理造成的

4 解決處理方案

（1）啟動磨煤機充分暖磨，確保入爐煤能完全燃燒并轉換為熱能。（2）優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控參數(shù)，減小鍋爐主控PID部分中微分的作用強度，增強比例和積分作用強度。適當增加汽包壓力微分部分強度，以替代PID中微分在穩(wěn)態(tài)時的作用?？紤]到汽包壓力的微分在機組升降負荷時會對鍋爐主控起到相反作用，在其強度增大后影響尤其明顯，因此在機組升降負荷時將汽包壓力的微分部分切除。（3）取消壓力偏差和鍋爐裕度取大取小的限制；增加鍋爐主控指令達到鍋爐最大允許負荷且主汽壓力仍偏低時，發(fā)鍋爐主控閉鎖增信號，同時切除PID部分積分的作用避免積分飽和。

5 結束語

微分具有超前作用，對于具有滯后的控制系統(tǒng)，引入微分控制，在微分項設置得當?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動態(tài)偏差減小。在微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的微分（即偏差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服偏差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或滯后的被控對象，具有抑制偏差的作用，其變化總是落后于偏差的變化。解決的辦法是使抑制偏差作用的變化“超前”，即在偏差接近零時，抑制偏差的作用就應該是零。微分項能預測偏差變化的趨勢，從而做到提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)，改善了系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。然而微分參數(shù)的設置不當將造成控制系統(tǒng)的震蕩和不穩(wěn)定。

總之，提高熱工自動化水平，可保護主設備的安全，減少跳閘和降負荷次數(shù)，提高電廠設備等效可用系數(shù)；參數(shù)在設計值附近優(yōu)質運行，可提高熱效率，減少廠用電?？偟膩碚f，目前我國熱工自動化水平不太高，因此努力提高電廠的熱工自動化水平對提高電廠的經(jīng)濟效益具有很大的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

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