對磨煤機進行8421編碼的甩負荷控制優(yōu)化

岳 良，周 淼，黃 輝

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

現(xiàn)代電網(wǎng)容量越來越大，可靠性也越來越高，但仍存在因電網(wǎng)故障導(dǎo)致的城市大面積停電風(fēng)險。近幾年來，國外累計發(fā)生多起此類停電事故，比如2003 年美國東部時間8 月14 日16：11，美國東北部和加拿大聯(lián)合電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故，3 min 內(nèi)，21座電廠停止運行，隨后共計有100多座電廠跳閘，直到29 h后才全面恢復(fù)供電［1］。2008 年，我國大面積的冰雪災(zāi)害也造成了云貴地區(qū)電網(wǎng)事故大面積停電，受影響縣市90個，鄉(xiāng)鎮(zhèn)1 579 個［2］。在這類事故中，區(qū)域內(nèi)發(fā)電機組解列停機，機組重新啟動缺乏啟動電源，恢復(fù)供電時間長，因此，除了研究自然災(zāi)害如冰雪對電網(wǎng)的影響［3-12］外，提高并網(wǎng)機組事故后自恢復(fù)能力同樣具有重要意義。甩負荷（Fast Cut Back，F(xiàn)CB）控制就是在電網(wǎng)故障后并網(wǎng)機組能夠脫離電網(wǎng)切換到帶廠用電的方式運行，避免停機，并隨時可恢復(fù)對外供電，大幅縮短停電時間，減小停電事故的影響。

FCB 事件發(fā)生后，鍋爐燃燒控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)，汽輪機旁路控制系統(tǒng)、DEH（Digital Electric Hydraulic Control System）控制系統(tǒng)，電氣勵磁控制系統(tǒng)等均應(yīng)作出重大調(diào)整［13-27］，涉及系統(tǒng)和設(shè)備眾多，因此，良好的組態(tài)設(shè)計可以提高FCB 成功率。FCB 發(fā)生前，機組可能帶有高負荷，甚至滿負荷，F(xiàn)CB 發(fā)生后，一方面需要將DEH控制系統(tǒng)由遙控方式切換到本地轉(zhuǎn)速控制方式，設(shè)定目標轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，另一方面需要執(zhí)行一系列控制，降低鍋爐蒸汽量并維持鍋爐低負荷運行，主要包括：1）開啟旁路，釋放蒸汽至凝汽器；2）分次跳閘在運磨煤機，保留合適臺數(shù)磨煤機運行；3）啟動等離子或燃油點火系統(tǒng)助燃，防止鍋爐熄火。一般DEH 控制系統(tǒng)可以通過瞬間關(guān)閉進汽閥門和轉(zhuǎn)速PID控制將汽輪機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min 附近避免超速，因此FCB 程序設(shè)計中最重要的工作是合理地分次跳閘磨煤機［28］，避免鍋爐燃燒不穩(wěn)觸發(fā)停爐停機。

1 傳統(tǒng)的跳閘磨煤機邏輯設(shè)計

每臺磨煤機負責(zé)爐膛特定區(qū)域的煤粉供應(yīng)，不同磨煤機跳閘對鍋爐燃燒影響不同，根據(jù)實際情況，F(xiàn)CB發(fā)生后有的機組保留中上間層磨煤機運行［29］，也有保留下層燃燒器運行［30］。為方便討論，選取“自上而下跳閘運行中的磨煤機，保留底層一臺磨煤機運行”這種情況。以配備有4 臺磨煤機的機組為例，假設(shè)磨煤機安裝位置由上至下依次為磨煤機D、磨煤機C、磨煤機B和磨煤機A，根據(jù)選定的原則，傳統(tǒng)的跳閘磨煤機判據(jù)如表1所示。

表1 4臺磨煤機的FCB跳閘磨煤機判據(jù)Table 1 FCB trip criterion of 4 coal mills

由表1 可知，7 種情況可以觸發(fā)跳閘磨煤機D 指令，3 種情況可以觸發(fā)跳閘磨煤機C 指令，1 種情況可以觸發(fā)跳閘磨煤機B指令。這種跳閘磨煤機程序設(shè)計需要大量的邏輯來判斷不同的排列組合，現(xiàn)代大型燃煤機組磨煤機數(shù)量達5臺～6臺，需要處理的排列組合更多，這樣導(dǎo)致了FCB 程序復(fù)雜，出錯率高，調(diào)試工作量大。尤其是機組運行后期考慮不同磨煤機跳閘對主汽溫的影響，想要改變磨煤機跳閘的順序或者想要改變保留的磨煤機臺數(shù)時，邏輯需要重新搭建和調(diào)試。

2 改進的跳閘磨煤機模型設(shè)計

8421編碼是BCD編碼的一種，四位二進制數(shù)中每位“1”代表不同的十進制數(shù)，從左到右依次為8、4、2、1。根據(jù)8421編碼的特性，任一位二進制上的“1”所代表的十進制數(shù)均大于它右邊所有位上的“1”所代表的十進制數(shù)之和，例如8＞4+2+1。這為將通過開關(guān)量判斷磨煤機跳閘順序改為通過模擬量判斷磨煤機跳閘順序提供了可能，簡化了判斷過程。于是根據(jù)跳閘優(yōu)先級對磨煤機進行8421編碼，如圖1所示，以配備有4臺磨煤機的機組為例，假設(shè)由上至下依次為磨煤機D、磨煤機C、磨煤機B 和磨煤機A，首先對跳閘優(yōu)先級第一的磨煤機D進行編碼，如果磨煤機D在運行，則磨煤機D運行信號1存在，磨煤機D編碼模塊5輸出Y通道的值8，如果磨煤機D 停運，則磨煤機D 運行信號1 不存在，磨煤機D 編碼模塊5 輸出N 通道的值0；其次對跳閘優(yōu)先級第二的磨煤機C 進行編碼，如果磨煤機C 在運行，則磨煤機C 運行信號2存在，磨煤機C 編碼模塊6輸出Y通道的值4，如果磨煤機C停運，則磨煤機C運行信號2不存在，磨煤機C編碼模塊6輸出N通道的值0；再次對跳閘優(yōu)先級第三的磨煤機B 進行編碼，如果磨煤機B 在運行，則磨煤機B 運行信號3存在，磨煤機B編碼模塊7輸出Y通道的值2，如果磨煤機B停運，則磨煤機B運行信號3不存在，磨煤機B編碼模塊7輸出N通道的值0；最后對跳閘優(yōu)先級第四的磨煤機A進行編碼，如果磨煤機A在運行，則磨煤機A運行信號4存在，磨煤機A 編碼模塊8 輸出Y 通道的值1，如果磨煤機A停運，則磨煤機A運行信號4不存在，磨煤機A編碼模塊8輸出N通道的值0。編碼完成后，磨煤機D編碼、磨煤機C編碼、磨煤機B編碼和磨煤機A編碼通過編碼求和模塊9進行求和，得到編碼代數(shù)和m。

圖1 對磨煤機進行8421編碼的FCB跳磨模型Fig.1 FCB trip mill model with 8421 coding for coal mill

機組正常運行期間，若電網(wǎng)故障導(dǎo)致發(fā)電機出口開關(guān)斷開觸發(fā)FCB 事件，F(xiàn)CB 跳閘磨煤機脈沖輸出模塊10 則在60 s 內(nèi)從第0 s、20 s、40 s 開始3 次輸出脈沖，進行跳閘磨煤機邏輯判斷，每次脈沖最多跳閘1臺磨煤機，達到磨煤機間隔跳閘的目的。第1 次脈沖時間為3 s，脈沖經(jīng)過反向延時模塊11 后連接自鎖模塊12，自鎖模塊12 接收到脈沖后，保持編碼代數(shù)和m 不變，然后對編碼代數(shù)和m 進行特征值判斷，如果m＞8.5，說明磨煤機D 在運行且還存在至少1 臺跳閘優(yōu)先級比磨煤機D 低的磨煤機在運行，由于此時磨煤機D跳閘優(yōu)先級最高，因此觸發(fā)跳閘磨煤機D 指令；如果4.5＜m＜8.5，說明磨煤機D 已經(jīng)停止運行且磨煤機C 在運行且還存在至少1臺跳閘優(yōu)先級比磨煤機C低的磨煤機在運行，由于此時磨煤機C跳閘優(yōu)先級最高，因此觸發(fā)跳閘磨煤機C 指令；如果2.5＜m＜3.5，說明磨煤機D 已經(jīng)停止運行且磨煤機C 已經(jīng)停止運行且磨煤機B和磨煤機A 同時在運行，由于此時磨煤機B 跳閘優(yōu)先級最高，因此觸發(fā)跳閘磨煤機B指令。自鎖模塊12的作用是在本次判斷的過程中保持編碼代數(shù)和m 不變，形成最多一次的跳閘磨煤機指令，否則在一次跳閘脈沖過程中，隨著磨煤機跳閘，編碼代數(shù)和m發(fā)生變化并重新與低級別的跳閘特征值匹配上，造成多臺磨煤機同時跳閘，不利于爐膛穩(wěn)定燃燒，影響機組安全運行。延時斷模塊11 的作用是在跳閘脈沖消失后仍將編碼代數(shù)和m自鎖1 s，防止因模塊掃描順序原因?qū)е戮幋a代數(shù)和m 提前釋放自鎖，提高安全裕度。第2 次脈沖和第3 次脈沖時間均為3 s，判斷過程與第1 次脈沖判斷過程完全相同。不論FCB 之前有幾臺磨煤機在運行，通過3次對編碼代數(shù)和m進行特征值判斷，依次跳閘優(yōu)先級最高的磨煤機，最終均能保留1 臺磨煤機運行，達到了FCB過程中對燃料控制的要求。

使用此模型，通過單次的模擬量判斷就可以形成跳閘指令，邏輯結(jié)構(gòu)非常簡單，并且此模型具有良好的擴展性，如磨煤機數(shù)量為5臺時，則按16、8、4、2、1進行編碼，其他數(shù)目的磨煤機依此類推；當需要改變跳閘磨煤機順序時，只需要改變對應(yīng)磨煤機的編碼值，不需要對邏輯結(jié)構(gòu)重新設(shè)計和調(diào)試；當需要改變保留的磨煤機臺數(shù)時，只需要調(diào)整跳閘脈沖個數(shù)，不需要對邏輯結(jié)構(gòu)進行大的改動。

3 模型驗證

在虛擬DPU 中搭建圖1 所示的模型，設(shè)定跳閘優(yōu)先級由高到低為磨煤機D、磨煤機C、磨煤機B、磨煤機A，并進行相應(yīng)編碼。分別對FCB事件發(fā)生前4臺磨煤機運行、3臺磨煤機運行和2臺磨煤機運行的工況進行測試，驗證模型的正確性。

3.1 4臺磨煤機運行工況驗證

FCB事件發(fā)生前，磨煤機D、磨煤機C、磨煤機B和磨煤機A 均在運行，第4 s 人為觸發(fā)FCB 動作信號，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機D 指令、跳閘磨煤機C指令、跳閘磨煤機B指令時序如圖2所示。

圖2 4臺磨煤機運行時FCB動作時序圖Fig.2 FCB action sequence diagram when 4 coal mills are running

由時序圖可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機D立即跳閘，10 s后磨煤機C 跳閘，20 s后磨煤機B 跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級最低的磨煤機A 運行，達到了FCB 跳閘磨煤機的設(shè)計要求。

3.2 3臺磨煤機運行工況驗證

FCB事件發(fā)生前，磨煤機D、磨煤機C和磨煤機B均在運行，磨煤機A已停止。第10 s人為觸發(fā)FCB動作信號，F(xiàn)CB跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機D指令、跳閘磨煤機C指令、跳閘磨煤機B指令時序如圖3所示。

圖3 3臺磨煤機運行時FCB動作時序圖Fig.3 FCB action sequence diagram when 3 coal mills are running

由時序圖可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機D立即跳閘，10 s后磨煤機C跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級最低的磨煤機B運行，達到了FCB跳閘磨煤機的設(shè)計要求。

3.3 2臺磨煤機運行工況驗證

FCB事件發(fā)生前，磨煤機C和磨煤機A均在運行，磨煤機D和磨煤機B已停止。第12 s人為觸發(fā)FCB動作信號，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機D指令、跳閘磨煤機C指令、跳閘磨煤機B指令時序如圖4所示。

圖4 2臺磨煤機運行時FCB動作時序圖Fig.4 FCB action sequence diagram when 2 coal mills are running

由時序圖可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機C立即跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級最低的磨煤機A 運行，達到了FCB 跳閘磨煤機的設(shè)計要求。

4 模型擴展

4.1 改變跳閘順序的4臺磨煤機運行工況驗證

在圖1 的模型基礎(chǔ)上，將磨煤機跳閘優(yōu)先級由高到低改為磨煤機C、磨煤機D、磨煤機B和磨煤機A，即交換磨煤機D和磨煤機C的編碼值。對FCB事件發(fā)生前4臺磨煤機運行工況進行測試。

FCB 事件發(fā)生前，磨煤機D、磨煤機C、磨煤機B和磨煤機A 均在運行，第10 s 人為觸發(fā)FCB 動作信號，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機D 指令、跳閘磨煤機C 指令、跳閘磨煤機B 指令時序如圖5所示。

圖5 改變優(yōu)先級時FCB動作時序圖Fig.5 FCB action sequence diagram when the priority is changed

由時序圖圖5可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機C立即跳閘，10 s后磨煤機D跳閘，20 s后磨煤機B跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級最低的磨煤機A運行。通過交換編碼值改變跳閘優(yōu)先級后磨煤機跳閘指令輸出與預(yù)想一致。

4.2 改變保留磨煤機臺數(shù)

在圖1 的模型基礎(chǔ)上，最終保留2 臺磨煤機運行，即將跳閘脈沖個數(shù)由3個改為2個。對FCB 事件發(fā)生前4臺磨煤機運行工況進行測試。

FCB 事件發(fā)生前，磨煤機D、磨煤機C、磨煤機B和磨煤機A 均在運行，第8 s 人為觸發(fā)FCB 動作信號，F(xiàn)CB 跳磨脈沖、編碼代數(shù)和m、跳閘磨煤機D 指令、跳閘磨煤機C 指令、跳閘磨煤機B 指令時序如圖6所示。

圖6 改變保留磨煤機臺數(shù)時FCB動作時序圖Fig.6 FCB action sequence diagram when the number of reserved coal mills are changed

由時序圖圖6可以看出，F(xiàn)CB事件發(fā)生后，根據(jù)編碼代數(shù)和m的特征值判斷，磨煤機D立即跳閘，10 s后磨煤機C 跳閘，最終保留跳閘優(yōu)先級低的磨煤機B 和磨煤機A運行。通過控制跳閘脈沖個數(shù)改變保留磨煤機臺數(shù)后磨煤機跳閘指令輸出與預(yù)想一致。

5 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)的甩負荷跳閘磨煤機邏輯進行改進，提出了對磨煤機進行8421 編碼的甩負荷控制優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)跳閘優(yōu)先級高低對磨煤機進行編碼，對編碼代數(shù)和進行特征值判斷形成磨煤機跳閘指令，并利用虛擬DPU對模型進行了驗證和擴展，結(jié)果表明對磨煤機進行8421 編碼的甩負荷控制模型簡單可靠，擴展性強，完全可以替換傳統(tǒng)的甩負荷跳閘磨煤機邏輯，節(jié)省組態(tài)和調(diào)試工作量。