基于動(dòng)態(tài)前饋的鍋爐超前加速控制策略研究與應(yīng)用

葛 朋，柳春暉，李 明，李志偉

（1.國家能源集團(tuán)雙遼發(fā)電有限公司，吉林雙遼 136400；2.東北電力大學(xué)，吉林吉林 132012）

燃煤機(jī)組在協(xié)調(diào)控制方式下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)荷指令發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組的實(shí)際功率響應(yīng)較快，但鍋爐設(shè)備改變熱負(fù)荷需要經(jīng)歷燃料量變化、制粉、燃燒、熱交換等物理過程，相對(duì)于負(fù)荷指令變化存在較大滯后，而且各系統(tǒng)間耦合嚴(yán)重[1-2]。在動(dòng)態(tài)過程中，主汽壓、汽溫和給水控制系統(tǒng)會(huì)存在一定的波動(dòng)。同時(shí)，現(xiàn)階段全國各電廠煤源不固定，且廠內(nèi)混配難度較大，鍋爐燃料常年偏離設(shè)計(jì)煤種對(duì)燃燒控制造成不利影響[3]。在當(dāng)前機(jī)組必須投入AGC 方式運(yùn)行的背景下，滿足電網(wǎng)調(diào)度的負(fù)荷要求仍是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)。所以在設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時(shí)，幾乎均采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的控制方式。而鍋爐的燃燒系統(tǒng)延遲和慣性較大，因此提高鍋爐控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度在現(xiàn)階段的實(shí)際工程中仍具有重要意義[4-6]。

1 BIR控制的工作原理

BIR 控制策略就是機(jī)組負(fù)荷開始變化時(shí)，在上升或下降的初始時(shí)刻給出適當(dāng)?shù)奶崆翱刂屏?；?fù)荷變化過程中，全面加速鍋爐燃燒和給水調(diào)節(jié)；穩(wěn)定在新的負(fù)荷工況之前，適時(shí)降低調(diào)節(jié)強(qiáng)度，防止過調(diào)[7]。BIR 控制只能在協(xié)調(diào)控制方式下應(yīng)用，因此BIR 控制也可定義為“機(jī)爐協(xié)調(diào)鍋爐超前加速控制”。BIR的設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。

圖1 BIR的設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷變化時(shí)，鍋爐主控指令（Boiler Demand,BD）開始變化，以一定速率投入到燃料、送風(fēng)、給水等系統(tǒng)內(nèi)，BIR 控制信號(hào)隨著負(fù)荷目標(biāo)值和實(shí)際負(fù)荷之間的偏差產(chǎn)生，在機(jī)組出力即將到達(dá)目標(biāo)值時(shí)，BIR 信號(hào)以一定的速率迅速切除[8]。當(dāng)機(jī)組出力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，BIR控制信號(hào)歸0。BIR控制只在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)起作用，在穩(wěn)態(tài)時(shí)不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，作用的時(shí)間由鍋爐實(shí)際的預(yù)期響應(yīng)時(shí)間決定。

BIR 控制信號(hào)一般附加到各子系統(tǒng)的前饋值上，使各子系統(tǒng)迅速動(dòng)作。目的是合理、準(zhǔn)確地利用前饋控制技術(shù)，控制鍋爐輸入變化量，盡可能抵消擾動(dòng)所需要的控制量，使調(diào)節(jié)器始終處于小偏差調(diào)節(jié)狀態(tài)；同時(shí)盡可能減少反饋控制量，避免引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定或過度積分[9-10]。需要注意的是，由于鍋爐各子系統(tǒng)的延遲特性不同，因此BIR的生成程序在各子系統(tǒng)的作用方式應(yīng)具有可調(diào)整的參數(shù)。

BIR控制一般通過在DCS的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中增加BIR 控制邏輯實(shí)現(xiàn)，不對(duì)鍋爐設(shè)備以及其他硬件進(jìn)行任何改造，僅利用控制策略加快鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)以適應(yīng)不同工況，縮短鍋爐負(fù)荷、壓力和溫度反應(yīng)時(shí)間，使之與汽輪機(jī)工作更加協(xié)調(diào)，從而改善機(jī)組的控制品質(zhì)，是一種經(jīng)濟(jì)性較好的技術(shù)策略。早在1989年，BIR 控制已應(yīng)用在700 MW 直吹式制粉燃煤超臨界直流鍋爐上，參與電網(wǎng)AGC控制，機(jī)組在35%～100%的負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)每分鐘的負(fù)荷變化率能夠穩(wěn)定在4%。

2 基于動(dòng)態(tài)前饋的BIR控制策略

基于動(dòng)態(tài)前饋的BIR 策略主要是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷指令計(jì)算BIR 控制作用的投入、切除時(shí)間和投入、切除速率，通過控制參數(shù)和輔助邏輯實(shí)現(xiàn)BIR 控制作用的幅值與時(shí)序的修正，BIR 信號(hào)生成邏輯構(gòu)架如圖2 所示。

圖2 BIR信號(hào)生成邏輯構(gòu)架

超前滯后模塊（leadlag）的傳遞函數(shù)為：

其中，K為增益，T1為超前時(shí)間，T2為滯后時(shí)間，將所有的leadlag 模塊（模塊1、模塊2和模塊3）中T1設(shè)置為0。為了便于分析，將K設(shè)置為1。此時(shí)G(s)為一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即：

式中，1-G(s)為實(shí)際微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，具有超前特性，模塊2和模塊3 構(gòu)成負(fù)荷指令的二階微分信號(hào)，該信號(hào)與一階微分信號(hào)加權(quán)求和作為BIR 控制信號(hào)的投入速率。BIR 控制作用投入時(shí)刻的速率可由二階微分部分設(shè)置，過渡過程的變化速率可由一階微分部分設(shè)置，切除時(shí)刻與切除速率由一階微分和二階微分加權(quán)計(jì)算得出。加法模塊7（Σ）中有比例增益設(shè)置，可以調(diào)整BIR 信號(hào)的幅值和一階、二階微分作用的權(quán)重。在模塊4的上游程序中，負(fù)荷指令目標(biāo)值與當(dāng)前負(fù)荷指令的偏差除以負(fù)荷變化率，即為從當(dāng)前負(fù)荷指令達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷所需的時(shí)間。因?yàn)樨?fù)荷指令有增、減兩個(gè)過程，而時(shí)間從物理意義上不能為負(fù)值，所以比例模塊8（K）設(shè)置值為-1，再與自身代數(shù)值高選，即為取絕對(duì)值功能，也可直接使用絕對(duì)值模塊。函數(shù)發(fā)生器模塊4(f(x))為一個(gè)帶有死區(qū)的函數(shù)，其主要作用是準(zhǔn)確控制二階微分作用投切，以改變BIR 控制信號(hào)的投入、切除時(shí)間，f(x)的描述點(diǎn)如表1 所示。

表1 二階微分作用投切函數(shù)

在當(dāng)前負(fù)荷指令接近負(fù)荷目標(biāo)值時(shí)，BIR 控制的作用是切除二階微分，便于迅速切除BIR 信號(hào)，起到時(shí)序修正作用。兩個(gè)比例模塊5（K）、6（K）為BIR信號(hào)的限制值增益，BIR 信號(hào)限制值一般為變負(fù)荷率的倍數(shù)，模塊5（K）為正向增益，是該變負(fù)荷率下的加負(fù)荷方向的最大幅值；模塊6（K）為負(fù)向增益，是該變負(fù)荷率下的減負(fù)荷方向的最大幅值。模塊5（K）、6（K）的增益可以相同，也可以不同。BIR 信號(hào)在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行一段時(shí)間后開始生效。

3 試驗(yàn)與分析

將以上策略應(yīng)用于某600 MW 機(jī)組，圖3是對(duì)BIR控制參數(shù)調(diào)整后的試驗(yàn)情況。為保證安全對(duì)機(jī)組進(jìn)行小范圍擾動(dòng)，機(jī)組目標(biāo)值從600 MW 降至590 MW，穩(wěn)定后升至600 MW。通過對(duì)曲線分析，機(jī)組的實(shí)際功率幾乎和負(fù)荷指令保持一致，擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)BIR 能迅速動(dòng)作，并隨負(fù)荷指令偏差逐漸縮小，最終為0，主汽壓力變化控制不超過±0.2 MPa。BIR 信號(hào)產(chǎn)生初期，由于負(fù)荷指令變化，微分作用使BIR 控制投入時(shí)間縮短且投入速率增大，因工程實(shí)際的微分環(huán)節(jié)含有慣性，BIR 信號(hào)逐漸減弱。在負(fù)荷指令接近目標(biāo)值時(shí)，二階微分作用切為0，加快切除速率，最終BIR控制作用隨一階微分作用的逐漸減弱，緩慢下降為0，整體過程和曲線形狀達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 中BIR 信號(hào)動(dòng)態(tài)過程曲線和BIR 信號(hào)為0的直線所形成的面積，即為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償量。假設(shè)BIR各參數(shù)調(diào)整合適，理論上這部分動(dòng)態(tài)補(bǔ)償量就是在鍋爐變負(fù)荷時(shí)需要額外補(bǔ)充或釋放掉的蓄能。

圖3 BIR試驗(yàn)曲線

3.1 連續(xù)加負(fù)荷工況試驗(yàn)

圖4 為某600 MW 機(jī)組以變負(fù)荷率6 MW/min的速率從400 MW 逐漸增加負(fù)荷至600 MW的過渡過程曲線?？梢钥闯?，雖然每次負(fù)荷變化目標(biāo)值不同，但幾次較大幅度的負(fù)荷目標(biāo)值變化所產(chǎn)生BIR 信號(hào)的幅值相同。通過對(duì)圖2 所示控制策略的分析，變負(fù)荷率與兩個(gè)比例模塊5（K）、6（K）的乘積有關(guān)，K的增益一般設(shè)置在3～8 左右，所以BIR 信號(hào)的動(dòng)態(tài)幅值是由變負(fù)荷率決定，變負(fù)荷率越快，BIR 信號(hào)的動(dòng)態(tài)幅值越大。而從圖4 中還可以發(fā)現(xiàn)，BIR 信號(hào)的持續(xù)時(shí)間與負(fù)荷指令的變化時(shí)間有關(guān)，在負(fù)荷指令未達(dá)到新的負(fù)荷目標(biāo)值之前，BIR 信號(hào)會(huì)持續(xù)。當(dāng)負(fù)荷指令接近負(fù)荷目標(biāo)值時(shí)，BIR 信號(hào)提前切除。減負(fù)荷工況下，BIR 負(fù)方向工作原理與正方向相同。

圖4 鍋爐連續(xù)加負(fù)荷試驗(yàn)曲線

3.2 調(diào)整變負(fù)荷率試驗(yàn)

對(duì)某600 MW 機(jī)組加負(fù)荷過程進(jìn)行變負(fù)荷率調(diào)整試驗(yàn)，過渡過程曲線如圖5 所示。鍋爐負(fù)荷指令為從450 MW 逐漸加負(fù)荷至600 MW，3 次改變負(fù)荷目標(biāo)值的過程中進(jìn)行了變負(fù)荷速率的調(diào)整。初始變負(fù)荷率為3 MW/min，第一次加負(fù)荷過程中，首先將變負(fù)荷率設(shè)置為5 MW/min，升負(fù)荷過程中調(diào)整為7 MW/min。從BIR 信號(hào)的曲線可以看出，變負(fù)荷率變化的瞬間，BIR的幅值發(fā)生躍升，其目的是進(jìn)一步補(bǔ)償鍋爐各子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)前饋值，充分利用鍋爐蓄能，在新的變負(fù)荷速率下提升主汽壓和機(jī)組功率響應(yīng)幅度。第二次加負(fù)荷過程中，初始速率為3 MW/min，升負(fù)荷過程中調(diào)整為7 MW/min，最終穩(wěn)定在9 MW/min，BIR信號(hào)的幅值也對(duì)應(yīng)產(chǎn)生了3次躍升。試驗(yàn)期間，升負(fù)荷率從7 MW/min 調(diào)整到9 MW/min 之前，人為在協(xié)調(diào)系統(tǒng)中按下了“保持”按鈕，對(duì)升負(fù)荷過程進(jìn)行干預(yù)試驗(yàn)，從曲線中可看出負(fù)荷指令此時(shí)刻停止攀升，BIR 控制信號(hào)瞬間復(fù)位并出現(xiàn)負(fù)向值，加負(fù)荷過程迅速終止。BIR 信號(hào)出現(xiàn)負(fù)值有效地防止穩(wěn)態(tài)之后出現(xiàn)較大的過調(diào)，這是負(fù)荷指令微分產(chǎn)生的效果，實(shí)現(xiàn)將動(dòng)態(tài)前饋指令拉回的作用。

圖5 鍋爐調(diào)整變負(fù)荷速率試驗(yàn)曲線

3.3 連續(xù)投入試驗(yàn)

對(duì)某660 MW 機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行連續(xù)變負(fù)荷試驗(yàn)，以9 MW/min的變化速率將機(jī)組負(fù)荷從300 MW 增加至600 MW 再減少至300 MW，其過渡過程曲線如圖6 所示。

圖6 某660 MW機(jī)組連續(xù)變負(fù)荷試驗(yàn)曲線

從曲線中可以看出，動(dòng)態(tài)過程中負(fù)荷的最大超調(diào)量控制在±9 MW 以內(nèi)，主汽壓力最大超調(diào)量控制在±0.5 MPa 以內(nèi)，主汽溫度的最大動(dòng)態(tài)偏差控制在±6 ℃以內(nèi)，中間點(diǎn)溫度最大動(dòng)態(tài)偏差控制在±5 ℃以內(nèi)。從圖中BIR 控制作用的曲線可以看出，每一次負(fù)荷指令變化，BIR 信號(hào)雖持續(xù)時(shí)間和幅值不同，但對(duì)于給水指令和燃料主控指令優(yōu)化加速明顯。在負(fù)荷指令變化瞬間，給水和燃料指令均有不同幅度上升或下降，且汽壓和汽溫并未出現(xiàn)較大的波動(dòng)，控制效果較為理想。

4 參數(shù)設(shè)置與應(yīng)用

4.1 BIR控制信號(hào)的曲線

BIR 控制的任務(wù)是在鍋爐動(dòng)態(tài)過程中持續(xù)對(duì)鍋爐各子系統(tǒng)的目標(biāo)值加入前饋?zhàn)饔?，加速各子系統(tǒng)被調(diào)量的變化[11-13]。BIR 控制信號(hào)包含上升速率和幅值等信息，其動(dòng)態(tài)信號(hào)的大小是由3 個(gè)超前滯后模塊（leadlag）1、2、3的慣性時(shí)間決定的，這3 個(gè)慣性時(shí)間的設(shè)置一般為10 s 級(jí)。需要對(duì)機(jī)組各工況下的參數(shù)進(jìn)行觀察總結(jié)，合理設(shè)置一階慣性和二階慣性時(shí)間的滯后時(shí)間。某660 MW 機(jī)組試運(yùn)行期間曾進(jìn)行了鍋爐蓄能試驗(yàn)，在機(jī)組負(fù)荷480 MW 穩(wěn)定運(yùn)行的工況下，鍋爐側(cè)調(diào)節(jié)狀態(tài)維持不變，汽輪機(jī)各調(diào)節(jié)閥的開度從約40%快速開到100%，機(jī)組的負(fù)荷可以增加9 MW 左右，并維持約100 s，粗略計(jì)算大約有1.36%的瞬態(tài)超量輸出，這部分超量輸出即為鍋爐蓄熱釋放的作用。在鍋爐加減負(fù)荷時(shí)，需要額外的補(bǔ)充或者釋放掉該部分能量，此部分蓄熱量是BIR 控制參數(shù)調(diào)整的重要依據(jù)。由于燃煤機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、動(dòng)態(tài)的過程，所以不同負(fù)荷段下機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型也是不同的，可以通過分段函數(shù)設(shè)置不同負(fù)荷區(qū)間的BIR 參數(shù)，以保證BIR的控制品質(zhì)滿足機(jī)組在高、中、低負(fù)荷工況下均能滿足電網(wǎng)需求，具有自適應(yīng)能力。

4.2 BIR控制信號(hào)的投入、切除時(shí)間

為了充分利用鍋爐蓄熱，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，機(jī)組在變負(fù)荷初期動(dòng)態(tài)前饋一般不立即投入，但是直流鍋爐較汽包鍋爐蓄熱能力小，且隨著鍋爐容量的增大，鍋爐蓄熱量與鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的比值越來越小[14-16]，所以該文介紹的BIR控制信號(hào)在鍋爐負(fù)荷指令變化初期即投入，以提升響應(yīng)速度。另外，由于鍋爐燃燒、傳熱是個(gè)大慣性過程，為了避免動(dòng)態(tài)過程燃料指令由于積分作用積累較多，通過對(duì)帶有死區(qū)的函數(shù)f(x)進(jìn)行設(shè)置，可以提前切除動(dòng)態(tài)前饋?zhàn)饔?。通過以上方法對(duì)投入、切除時(shí)刻和投入、切除速率的合理分析與設(shè)置，使動(dòng)態(tài)前饋量與機(jī)組負(fù)荷變化需求相適應(yīng)，進(jìn)而提高變負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程精度。

4.3 BIR控制信號(hào)在各子系統(tǒng)的設(shè)置

由于燃料、風(fēng)量、給水各子系統(tǒng)在鍋爐工況變化時(shí)的響應(yīng)特性不盡相同，送往各回路的BIR 信號(hào)可根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)的響應(yīng)特性，以鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)獨(dú)立設(shè)計(jì)作用方式并調(diào)整控制參數(shù)。一般由于要維持鍋爐富氧燃燒，BIR 信號(hào)送往風(fēng)量控制系統(tǒng)的信號(hào)總是使其向增加的方向調(diào)整。BIR 信號(hào)送至給水系統(tǒng)的信號(hào)要經(jīng)過二階或三階慣性環(huán)節(jié)再作為流量PID的前饋，目的是適當(dāng)減緩響應(yīng)速度與給煤控制同步，保持汽溫穩(wěn)定。BIR 信號(hào)送至給煤控制系統(tǒng)的信號(hào)要經(jīng)過風(fēng)量和水量的限制之后再送至給煤PID。鍋爐負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)過程中，解決燃料、給水、風(fēng)量的匹配問題，提高鍋爐負(fù)荷變化速率是最終目標(biāo)，BIR 信號(hào)及其在不同系統(tǒng)作用方式可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的快慢調(diào)節(jié)。

5 結(jié)束語

該文介紹了BIR 控制作用的原理以及某600 MW機(jī)組的BIR 信號(hào)控制邏輯，對(duì)機(jī)組自身控制特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析研究，借鑒了同類型機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，在消化吸收的基礎(chǔ)上完成了設(shè)計(jì)。目前600 MW、1 000 MW 級(jí)機(jī)組的協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，均可使用鍋爐過程加速BIR 控制功能。文中介紹的方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，通過工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場技術(shù)人員可利用此方法在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中增加此項(xiàng)功能并不斷完善和優(yōu)化控制參數(shù)，以滿足不同機(jī)組的需求。雖然現(xiàn)階段控制系統(tǒng)外掛各類智能控制、優(yōu)化算法等產(chǎn)品較多，但對(duì)于現(xiàn)場維護(hù)人員基本上還是屬于黑箱控制，非專業(yè)技術(shù)人員無法直接進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。文中介紹的BIR 信號(hào)組態(tài)方法簡單，可調(diào)參數(shù)較少，便于熱工維護(hù)人員理解和調(diào)整。如果參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，能大幅改善鍋爐對(duì)負(fù)荷指令變化響應(yīng)較慢的情況，提高機(jī)組AGC 響應(yīng)的及時(shí)性。國外先進(jìn)工業(yè)國家對(duì)BIR的應(yīng)用研究已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，既有理論指導(dǎo)，又有現(xiàn)場實(shí)踐。雖然國內(nèi)各火力發(fā)電機(jī)組均采用DCS系統(tǒng)作為控制裝置，且國產(chǎn)DCS系統(tǒng)也已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但是在機(jī)組控制策略以及進(jìn)一步挖掘釋放DCS 控制邏輯功能方面仍需深入研究。文中BIR 控制策略和思想不僅局限于鍋爐控制，對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域中需要快、慢被控對(duì)象協(xié)同工作的控制系統(tǒng)也有一定的借鑒意義。