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1、精选优质文档-倾情为你奉上 60OMW机组协调控制系统分析发表时间:2006-12-15作者：罗德柱1，马宪民1，卢文科2摘要： 国电大同第二发电厂二期26OOMW机组汽轮机由哈尔滨汽轮机有限责任公司制造，为亚临界、一次中间再热、四缸四排汽、直接空冷凝汽式，锅炉为东方锅炉股份有限公司与三井-巴布科克公司联合设计的亚临界、自然循环、一次中间再热的型汽包炉。锅炉制粉系统采用6台正压直吹式中速磨煤机，燃烧器前后墙对冲布置。机组热工控制设备采用北京ABB贝利控制有限公司的Symphony DCS。7号机于2005年4月完成168h试运行，协调控制系统投入良好。一、协调控制分析 直接能量平衡(DEB)是
2、大同第二发电厂二期2600MW机组协调控制系统设计的理论基础。DEB是炉跟机方式下的协调控制，其最大特点在于对锅炉系统的控制，并充分体现了机炉协调控制的原则。1.l DEB协调控制分析 在图1汽轮机主控输入信号中，没有引入通常DEB汽轮机一级压力P1或调节阀有效开度P1/PT反馈信号。在自动发电控制(AGC)运行方式下，无论增负荷或降负荷，P1(或P1/PT)信号对汽轮机调节阀开度的响应比实发功率响应快，汽轮机调节阀迅速变化响应负荷要求，但由于锅炉响应负荷慢，汽轮机调节阀迅速反应会引起汽压剧烈变化和波动，对运行不利。汽轮机主控实发功率输入信号加1个滞后环节，也是基于上述原因。 DEB的思想主要
3、体现在锅炉主控上，几个关键变量如下: (1)汽轮机一级压力P1; (2)汽轮机调节阀有效开度片P1/PT; (3)能量平衡信号(P1/PT)PT0; (4)热量信号HR=P1+C(dPd/dt); (5)热量指令BD=(P1/PT)PT0+(P1/PT)PT0K1d(P1/PT)PT0)/dz+K2dPT0/dt。 汽轮机一级压力P1的引入是DEB的关键。由于P1既线性地反映了蒸气流量D的变化，又线性地反映了功率PE的变化，这就为锅炉和汽轮机之间的能量变化建立了统一的量纲，即P1间接地反映了锅炉和汽轮机之间的能量平衡。 由图1可知，热量信号HR作为锅炉主控调节器的被调量，热量指令BD作为锅炉主
4、控调节器的设定值。锅炉的热量信号HR=P1+C(dPd/dt)，其中Pd是汽包压力，C是蓄热系数。热量信号表征了锅炉的能量总输入，任何锅炉侧的扰动，如煤质的变化、燃烧工况的变化或是其中某一种燃料的扰动(煤、油混合燃烧时)都将快速地反映到热量信号的变化。在负荷变动时，由于CdPd/dt项代表锅炉的蓄能变化量，热量释放信号是锅炉主蒸汽做功能力的综合指示信号，调节热量信号即准确地调节了工质带入汽轮机的能量流量。 DEB方案体现了锅炉快速响应负荷的思想，能量平衡信号(P1/PT)PT0是BD的主体，反映了汽轮机对锅炉的能量要求，这就为机炉动态过程中协调两个控制器回路的工作提供了一个比较直接的能量平衡信
5、号。P1/PT对调节阀开度微小的变化反应灵敏，(P1/PT)PT0进一步反映了汽轮机能量要求。在稳态时，PT=PT0，(P1/PT)PT=P1，它代表汽轮机的即时功率。在过渡过程中，PTPT0，(P1/PT)PT0等于未来达到稳定时的P1值，代表汽轮机的预期功率。(P1/PT)PT0K1d(P1/PT)PT0)/dz代表汽轮机功率的变化在单位时间内锅炉所需补充的蓄热。 K2dPT0/df代表压力定值变化在单位时间内锅炉所需补充的蓄热。汽轮机功率和压力定值的微分项作用是在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉间对负荷的响应速度的差异(协调)和压力定值变化所要调节的蓄热(保证汽压较小的变化率，补偿压
6、力损失)。由上述分析可知，热量指令BD完全代表了负荷变化所需的全部能量变化，反映了锅炉快速、准确地调节燃烧工况以适应负荷的变化。稳态时，调节器的被调量应等于设定值，各微分项为零。即BD=HR=P1。1.2 DEB动态分析 (1)汽轮机调节阀有效开度为P1/PT，其变化并不会导致热量信号HR=P1+C(dPd/dt)的变化，即热量信号HR=P1+C(dPd/dt)不受调节阀开度变化的影响，也就是在控制系统中解除了汽轮机调节阀对燃料量的影响。因此，DEB系统实现了解耦控制(单向解耦)，将机组的协调控制变成了一个类似以燃料控制为内环、以负荷控制为外环的串级控制。 (2)锅炉燃烧系统的增益系数具有较强
7、的非线性，其增益一般随负荷的升高而降低。由BD=-HR=P1/PT(PT0-PT)-C(dPd/dt)+(P1/PT)PT0K1d(P1/PT)PT0)/dt十K2dPT0/dt可以看出，DEB控制是在某种程度上的变比例调节，其变比例系数为P1/PT，它在变化方向上部分抵消了锅炉燃烧系统的非线性，对负荷的变化有一定的自适应能力。 (3)从锅炉内扰来看，当燃烧率自发增加时，C(dPd/dt)迅速增大，热量信号HR增大，而热量指令BD中的P1/PT只对阀门开度有反应，不受燃料量(内扰)的影响，(P1/PT)PT0不变，BD不变。当锅炉主控减少燃料量时，锅炉侧消除内扰的能力较强，且反应灵敏。从汽轮机
8、调节阀扰动来看，由于锅炉主控采用热量指令BD,(P1/PT)PT0及其微分项对汽轮机调节阀的开度响应灵敏，所以能够较快地消除调节阀自发扰动。二、协调控制回路分析2.1 控制组成及其控制方式 协调控制组成:(1)机组目标负荷指令回路:(2)RUNBACK(RB)回路;(3)主蒸汽压力设定回路;(4)锅炉主控;(5)汽轮机主控。 控制方式:(1)以锅炉跟随为基础的机炉协调方式1。在此方式下，汽轮机主控、锅炉主控全部投入自动，汽轮机调节机组功率，锅炉调节主汽蒸压力，是以DEB理论为基础的主协调方式。(2)以汽轮机跟随为基础的机炉协调方式2。此方式下，汽轮机主控、锅炉主控全部投入自动，锅炉调节机组功率
9、，汽轮机调节主蒸汽压力。当发生RB时，自动切到此方式，也可人为选择此方式。(3)锅炉跟随方式。汽轮机主控手动，锅炉主控自动，锅炉调节主蒸汽压力。(4)汽轮机跟随方式。汽轮机主控自动，锅炉主控手动，汽轮机调节主蒸汽压力。(5)基本方式。汽轮机主控、锅炉主控都手动。2.2 控制回路分析 2.2.1 机组目标负荷指令回路 机组目标负荷指令回路的作用是根据机炉运行状态，判断选择机组可能接受的内外部负荷指令，将机组的外部负荷指令(ADS、设定负荷、调频指令)处理成能够接收的机组目标负荷，以及RB工况、迫升和迫降状态下跟踪内部负荷指令。 为了保证机组及辅机平稳安全运行，指令回路中设有机组目标负荷高低限幅、
10、负荷变化速率限制和指令流量/减闭锁。 (1)负荷高低限幅:最小值限制是机炉及辅机最低安全运行工况下的目标值，最大值限制一般是额定负荷值，其意义是防止在AGC运行方式下电网负荷激增使机组出力大于额定负荷值而严重危及机炉及辅机安全运行。 (2)负荷变化速率限制:最大变负荷率受机组运行状况的限制，为了保证机组平稳运行，不允许变负荷的速率过大。 (3)指令增/减闭锁:根据机组运行时产生的某些故障，以运行参数的偏差大小和方向对实际负荷指令实施增/减方向的闭锁，防止故障的危害进一步扩大。2.2.2 RB回路 RB控制的基本思路是机组实际出力与各主要辅机允许出力进行比较，当机组实际出力大于任一主要辅机允许的
11、出力时，即发生RB工况，机组目标负荷由当前值按照引起RB的辅机所要求的速率进行减小。当机组目标负荷到达RB目标值即机组允许的最大出力后，RB结束。以下辅机故障将引发RB工况:(1)送风机，(2)引风机，(3)一次风机，(4)磨煤机，(5)给水泵，(6)空气预热器。在RB工况下，辅机故障对负荷迫降速率要求不同，送风机、引风机、一次风机、空气预热器、给水泵故障引起的负荷迫降是一个速率;磨煤机跳闸引起的负荷迫降则是另一个速率。 2.2.3 主蒸汽压力设定回路 机组运行方式分为定压及滑压两种方式，不同的运行方式，主蒸汽压力定值不同。 在滑压运行方式下，主蒸汽压力定值为机组目标负荷的函数。当发生RB工况
12、时，由汽轮机控制主蒸汽压力，主蒸汽压力定值变为滑压方式，但此时的滑压定值曲线不同于正常运行的滑压定值曲线。在定压运行方式下，定压定值由运行人员设定。主蒸汽压力控制未投自动时，设定值跟踪实际压力。在主蒸汽压力设定回路中(图2)，定/滑压控制方式选择:当机组负荷54OMW时，未投协调控制且无RB工况发生的情况下，为定压控制方式;当机组投入协调控制后，可由运行人员选择控制方式;当发生RB工况时，自动切换为滑压控制方式。 2.2.4 锅炉主控和汽轮机主控 在协调控制系统中，以炉跟机为基础的协调控制方式特点是能够比较快地适应电网负荷的要求，但汽压波动大;以机跟炉为基础的协调控制方式特点是适应电网负荷需求
13、能力较差但汽压波动小，不能充分利用锅炉蓄热。根据机炉运行状态，为了充分利用上述控制方式的优点，锅炉主控和汽轮机主控控制方式分为两路控制。一路为协调方式1:锅炉主控采用DEB控制方式调节主蒸汽压力，引入负荷PE微分前馈信号，以适应电网较快速的负荷要求。汽轮机主控输入信号为(P0-PE)，汽轮机调节机组功率，为防止汽压波动过大，引入汽压保护功能，当汽压偏差过大时，可将汽轮机调节阀适当打开或关小。机组AGC运行选择此方式。另一路为协调方式2:锅炉主控调节机组功率，选择输入信号为(P0-PE)。汽轮机主控调节主蒸汽压力，输入信号为(PT0-PT)。因汽轮机调节阀能够根据汽压偏差快速动作，所以汽压波动小
14、。在RB工况时，自动切到此方式，锅炉主控调节燃料量快速自动降低机组负荷，汽轮机主控根据滑压曲线参数调节主蒸汽压力平稳下降。 锅炉主控和汽轮机主控都采用单回路控制，取消了压力调节器。基于DEB控制策略，稳态时PT= PT0，主蒸汽压力测量值和给定值相等。由于采用了DEB控制策略，锅炉主控和汽轮机主控单回路控制相对于串级控制有相似的优点，即对扰动有较强的克服能力和一定的自适应能力等，同时简化了系统。三、控制系统优化3.1 负荷指令前馈优化 原负荷指令前馈为P0的微分。投入协调控制后，当负荷指令变化时，汽压波动大、协调响应速度低，其原因为负荷指令前馈过小，动态补偿差，拟采用负荷指令前馈(图3)。 优
15、化后的负荷指令前馈环节主要由两部分组成，一部分是负荷指令的微分环节与经速率限制后的负荷指令和未经速率限制的负荷指令之差的比例环节;另一部分是未经速率限制的负荷指令和经速率限制后的负荷指令之差的一阶和二阶惯性环节之和。采用惯性环节的目的一方面是为了防止该环节波动过于频繁，另一方面是为了用于系统的动态补偿。3.2 制粉系统给煤量优化 在协调控制方式下，启停1套制粉系统时，启停瞬间锅炉的总煤量相当于突然增加或减少一个初始煤量阶跃扰动。从启停给煤机到锅炉热负荷变化期间存在时间的迟延，但其它投自动的制粉系统已经减少或增加一个初始煤量指令，致使锅炉热负荷、机前压力波动过大。 在协调控制方式下，由计算分析得
16、出了在启停带初始煤量制粉系统时，锅炉热负荷的响应属于纯迟延，有自平衡能力的阶跃响应。启停制粉系统给煤量设计优化分两个方面:(1)针对启动1套制粉系统，设计了一套修正函数对初始煤量进行线性处理。由逻辑判断启动1套制粉系统，将此逻辑信号送到各个制粉系统(图4)。投自动的制粉系统实际输出为给煤量指令与其一阶惯性之和，其值缓慢增加，弥补了启动磨煤机迟延期间总煤量实际减少的量。在延迟时间过后，启动磨煤机的初始煤量对锅炉热负荷开始有影响，送入锅炉内的有效煤量按函数修正后的煤量计算，修正函数对初始煤量有效。(2)停1套制粉系统时，其它投自动的制粉系统已经发出增加煤量指令，但已停的制粉系统依然有存煤送入炉膛，
17、导致在延迟时间内实际送入炉膛的有效煤量增大。停磨煤机优化逻辑与图4相似，启动磨煤机判断改为停磨煤机判断，一阶惯性加减模块符号为减。投自动的制粉系统实际输出为给煤量指令与其一阶惯性环节之差，其值减少了迟延期间送入锅炉的有效煤量。 由于启停一套制粉系统对协调控制系统所产生的扰动得到了有效的控制，基本消除了机前压力和负荷大幅度波动。3.3 RB功能优化 当机组主要辅机发生故障而跳闸时，为维持锅炉允许出力，必须使机组快速自动降负荷，同时保证主要调节系统工作正常，维持机组主要参数在允许范围内。机组在进入168h考核前，通过RB试验，明确了机组在重要辅机失去下的控制特性。进一步对RB功能进行了分析和研究，
18、对以下问题进行了改进和优化: (1)给水泵跳闸引发RB工况，容易造成给水量不够导致汽包水位低，造成机组跳闸。任意给水泵跳闸时，置98%的满量程值与其一阶惯性的函数之差发出运行相应给水泵的控制指令，在瞬间快速增大给水量。同时给定的一阶惯性指令与主给水流量指令进行比较，在一定范围内自动切换到主给水流量信号回路。 (2)一次风机跳闸引发RB工况，一次风压瞬间降低而易造成一次风堵管甚至锅炉灭火。优化的目的也是瞬间快速增大一次风量，类同上述给水泵跳闸回路优化。 (3)任意RB工况发生，控制逻辑设计增加以下信号； l)RB工况时汽轮机调节阀的开闭锁信号; 2)RB工况时主蒸汽减温和再热蒸汽减温关超驰逻辑信号； 3)切除AGC方式信号。 通过上述优化，并经过试验和实际运行验证RB功能满足机组运行要求，保证了机组在重要辅机失去等事故工况下的安全稳定运行。四、结论 在600MW机组采用了一种新的DEB协调控制方案，简化了协调控制回路，较好地解决了单元机组中存在的耦合问题和非线性问题，提高了机组负荷响应的快速性和适应性。试运期间的调节效果表明，该协调控制方案使得压力的控制过程更平稳，功率控制更直接、更快速，是一个简单又实用的方案，具有一定推广价值。 G-2006-4 专心-专注-专业