摘要：: 結(jié)合內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責任公司已經(jīng)投運的#1、#2CFB機組,分析了機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu),并針對CFB 鍋爐的大遲延、高階慣性的控制難點介紹了協(xié)調(diào)回路下的一次調(diào)頻功能、汽機側(cè)的壓力偏差回拉功率回路,以及間接能量平衡加燃料前饋的控制策略。最后對協(xié)調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能進行了評價。

關(guān)鍵詞： CFB 鍋爐；CCS；間接能量平衡；前饋

中圖分類號： TP273     文獻表示碼：A     

Analysis of Coordinated Control System of 330MW CFB Boiler

SONG Ji-ye，XIN Yi-zhen，YANG Gui， XUE Da-yu

(Inner Monglia Jinghai Coal gangue Power Plante Co.,Ltd,Inner Monglia,Wuhai city 016000）

Abstract: Combining with the #1 and #2 CFB boiler already operated in Inner Monglia Jinghai Coal gangue Power Plante. This paper analyzes the structure of coordinated control system,and introduces the methods to deal with the challenging long delay and high order inertia control.The frequency regulation has been mentioned; The press deviation dragging load loop has been designed in order to limit the response speed of turbine valve; The Indirect Energy Balance ( IEB) strategy and Fuel feedforward has been used. At last,this paper evaluates the CCS system of regulation performance.

Key words: CFB boiler; CCS; Indirect Energy Balance ( IEB) ; feedforward

0 引言
      火電單元機組CCS ( 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng))在機組運行過程中 ,自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)持續(xù)不斷地對主要運行參數(shù)進行調(diào)節(jié),克服內(nèi)部和外部各種擾動,維持各項運行參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi),CCS系統(tǒng)的投入對機組的安全經(jīng)濟運行有著重要的意義。概括地說，CCS系統(tǒng)就是把鍋爐及汽機作為一個整體進行控制時所用的系統(tǒng)[1]。其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在:多變量的強耦合、多目標相關(guān)聯(lián)、非線性、時變及鍋爐側(cè)存在很大的遲延等，鍋爐從改變?nèi)剂狭?送風量和給水量到主蒸汽流量和主蒸汽壓力的慣性很大，而汽輪機從控制汽閥開度改變到汽輪發(fā)電機實發(fā)功率改變的慣性小，這就要求根據(jù)汽輪機、鍋爐動態(tài)特性上的差異組織一個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),將汽輪機、鍋爐從控制上聯(lián)系起來成為一個整體對象,最大限度地發(fā)揮機組的蓄熱能力,滿足電網(wǎng)供電要求。同時CFB鍋爐比普通煤粉鍋爐具有更多的輸入、輸出變量,耦合關(guān)系也更為復(fù)雜,其自動控制系統(tǒng)尤其是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計不成熟,投運一直是個難題[2]。隨著電網(wǎng)容量的擴大以及對電力工業(yè)自動化水平和電能質(zhì)量要求的提高,對電力系統(tǒng)AGC(自動發(fā)電控制)的要求日益迫切。圓滿解決AGC問題的基礎(chǔ)在于單元機組協(xié)調(diào)控制的投入,這也使得CFB鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究勢在必行。
      內(nèi)蒙古京海電廠#1、2機組為330MW循環(huán)流化床機組，鍋爐是由東方鍋爐股份有限公司制造的亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐[3]。最大連續(xù)蒸發(fā)量為1177t/h，額定蒸汽壓力為17.5Mpa，額定蒸汽溫度為540℃，再熱蒸汽溫度為540℃。汽輪機采用東方汽輪機廠生產(chǎn)的330MW亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機（全電調(diào)）。DCS采用上海美卓自動化公司提供MaxDNA控制系統(tǒng)。

1. 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行方式
協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)負荷運算可以分為以下幾種方式。
1.1手動控制方式
鍋爐主控在手動，汽機主控在就地，由DEH(數(shù)字電液調(diào)節(jié))控制。鍋爐及汽機負荷由操作員給定，功率控制回路和主汽壓力控制回路都被切除。這種方式用于機組的啟動、停止。
1.2鍋爐跟隨控制方式
當鍋爐運行正常、汽機部分工作異常時，機組功率受到限制，通過畫面選擇或自動切換到鍋爐跟隨控制方式。此時汽機側(cè)調(diào)負荷，鍋爐側(cè)調(diào)壓力。
(1) 當汽機主控手動時，機側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器和功率調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)，爐側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器投入自動狀態(tài)。負荷指令跟蹤實發(fā)功率，機組負荷由DEH控制。
(2) 當汽機主控自動時，機前壓力由爐側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)，機組負荷由汽機調(diào)功回路通過DEH控制，機組負荷最大值由汽機承受最大負荷的能力決定。
1.3汽輪機跟隨控制方式
當汽機運行正常、鍋爐部分工作異常時，機組功率受到限制，通過畫面選擇或自動切換到汽輪機跟隨方式。此時機側(cè)調(diào)壓力，爐側(cè)調(diào)負荷。
(1) 當鍋爐主控手動時，機前壓力由汽機壓力調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)，維持機組定壓運行，機組負荷由鍋爐主控手動調(diào)節(jié)，機側(cè)功率調(diào)節(jié)器和爐側(cè)的壓力調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)。
(2) 當鍋爐主控自動時，機前壓力由汽機壓力調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)來維持，機組負荷由鍋爐功率調(diào)節(jié)回路通過自動調(diào)整鍋爐燃燒來控制，機組負荷最大值由鍋爐能帶最大負荷的能力決定。
1.4機爐協(xié)調(diào)控制方式
      機組負荷信號由機組值班員指令、中心調(diào)度所指令和電網(wǎng)頻差信號組成。機組功率運算回路將負荷要求轉(zhuǎn)換為機組可能接受的功率指令。這個指令能否被接受，取決于機組允許的負荷能力，若負荷要求在機組所能承擔的允許范圍內(nèi)，則可按負荷要求發(fā)出機組功率指令，否則將以機組允許負荷能力作為機組功率指令。
      采用該方式時，鍋爐、汽機的各自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)都應(yīng)投入運行，機組功率指令分別送往鍋爐、汽機兩個主控制器，整個機組處于協(xié)調(diào)控制狀態(tài)。可分為以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制和以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。京海電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用的是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。
2. 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能組成
2.1 負荷指令形成回路
      機組的目標負荷可由運行人員設(shè)定,或接收電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)(ADS)發(fā)來的中調(diào)指令,同時配合相應(yīng)的頻差信號校正。與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相關(guān)的過程參數(shù)(如機前壓力、實發(fā)功率、燃料量、給水量、一次風壓等)的調(diào)節(jié)品質(zhì)與機組的負荷變化率及變化幅度有關(guān)。當某些參數(shù)偏差過大時，需要通過閉鎖增/減或迫升/降等措施，限制實際負荷指令的變化，或迫使負荷指令向相反的方向動作，從而避免機組調(diào)節(jié)品質(zhì)的進一步惡化。
      在負荷指令的處理過程中，當多種出力限制情況同時發(fā)生的時候，要根據(jù)事件的迫切程度，按照一定的優(yōu)先級，對負荷指令的幅值限制及變化速率限制進行快速修正，確保機組負荷向正確的方向變化。ADS輸入指令經(jīng)負荷限幅和速率限制后，送入機組主控M/A。

圖1.負荷控制指令的形成

      負荷控制指令的形成見圖1。其中，頻率校正信號加在經(jīng)速率限制后的功率指令上后作為機組負荷設(shè)定值輸入到PID調(diào)節(jié)器的SP端。采用這種方法的優(yōu)點: 頻率或轉(zhuǎn)速的偏差與機組功率指令的變化成一定線性關(guān)系。在機組運行的任何情況下,一定的頻率(或轉(zhuǎn)速)偏差理論上產(chǎn)生同樣幅度、速率的負荷變化, 有利于二次調(diào)頻功能的計算及運行。同時避免了，當機組正在處于變負荷階段時,同方向(加負荷過程中頻率偏低或者減負荷過程中頻率偏高)的一次調(diào)頻功能就被禁止了。
      同時應(yīng)注意，作為設(shè)定值的校正信號使得一次調(diào)頻功能必須在CCS系統(tǒng)的PID回路投入的情況下才能起作用。并且由于經(jīng)過調(diào)節(jié)器，一次調(diào)頻功能的響應(yīng)時間會受到功率調(diào)節(jié)器的參數(shù)限制。
2.2 汽機主控回路
      在鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式下，為了更好的投入?yún)f(xié)調(diào)控制設(shè)計了“壓力偏差回拉功率”回路，將爐側(cè)機前壓力偏差通過一死區(qū)非線性模塊負向加到汽機功率指令回路中。運算回路見圖2,目的是使汽機在鍋爐壓力允許的范圍內(nèi)利用鍋爐的蓄熱。

圖2.非線性運算回路

圖3.汽機主控指令形成圖

      汽機主控指令的形成見圖3.為克服機前壓力波動過大的不足,增加了死區(qū)非線性環(huán)節(jié)。汽機調(diào)節(jié)閥的開度是根據(jù)功率偏差的大小而改變的,增加負荷時功率設(shè)定值大于機組實際功率, 汽機調(diào)節(jié)閥開度增加, 而汽機調(diào)節(jié)閥的變化會引起機前壓力的下降, 從而使壓力設(shè)定與實際壓力偏差增大。壓力偏差信號通過一死區(qū)非線性環(huán)節(jié)負向加到汽機功率指令回路中作為補償。如果壓力偏差在死區(qū)范圍以內(nèi),則不對輸出進行校正, 以使實際功率盡快響應(yīng)功率設(shè)定值。如果壓力偏差大到越出死區(qū)范圍,輸出補償將起作用,限制汽輪機調(diào)節(jié)閥的進一步增大, 也就是限制過量利用鍋爐蓄熱,以維持機前壓力的穩(wěn)定。補償信號補償了鍋爐側(cè), 起到了防止汽機調(diào)門過開、穩(wěn)定機前壓力的作用。但同時這也會在一定程度上影響機組的負荷響應(yīng)速度。為此, 在對汽機功率調(diào)節(jié)器的輸出進行系數(shù)修正后又加了負荷參考, 從而提高了機組在變負荷條件下對負荷的響應(yīng)能力。
2.3 鍋爐主控回路
      保持運行參數(shù)穩(wěn)定是保證發(fā)電機組運行安全性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)措施，采用能量平衡方法是設(shè)計控制熊的主要途徑，而其實現(xiàn)方案可以在保持兩兩平衡的基礎(chǔ)上輔以校正信號或者漸衰信號[4]。
      對于普通煤粉爐來說,以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在快速適應(yīng)負荷要求以及克服系統(tǒng)內(nèi)部擾動方面都有比較大的優(yōu)勢,是目前諸多協(xié)調(diào)方案中比較好的一種[ 5]。但是由于循環(huán)流化床機組的特點，在運行實踐中卻發(fā)現(xiàn)“熱量信號”并不比主汽壓力的變化快多少，所以調(diào)節(jié)效果同采用壓力調(diào)節(jié)器沒有本質(zhì)區(qū)別[ 6]，故采用間接能量平衡加前饋的控制策略。

圖4.鍋爐主控

      主汽壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)( 如圖4所示)由主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器和A/M (自動/手動)操作站組成。主調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)PID，負荷目標實際負荷的偏差經(jīng)過不同的函數(shù)發(fā)生器分別作為主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分時間，這樣的設(shè)置有利于穩(wěn)定性和快速性的動態(tài)平衡。其中，主調(diào)節(jié)器接受鍋爐出口主蒸汽壓力信號作為測量值,根據(jù)運行人員給出的主蒸汽壓力設(shè)定值,計算出鍋爐所需的煤量值的一部分。給煤量的另一部分為鍋爐跟隨協(xié)調(diào)前饋信號，其中包括三部分：（1）功率給定值的比例信號，比例項使鍋爐給煤量指令與負荷要求相適應(yīng)；（2）功率給定值的微分信號，微分作用在動態(tài)過程中加強給煤量指令，以補償機爐對負荷的響應(yīng)速度的差異；（3）壓力的實際給定值隨功率的變化，當壓力的給定值改變時，通過微分作用動態(tài)的提前改變給煤量。這三部分前饋信號的功能就是實現(xiàn)給煤量前饋，含義是不等機主控的設(shè)定和實際負荷偏差引起的鍋爐側(cè)的能量需求發(fā)生變法時，預(yù)先加煤，有效的克服了CFB鍋爐側(cè)的慣性和延遲，提高了機組負荷的響應(yīng)速率。
      副調(diào)節(jié)器作為給煤量調(diào)節(jié)器,用于保證進入爐膛的給煤量滿足主調(diào)節(jié)器計算出的煤量值,并及時消除煤量擾動對主汽壓力的影響。它以鍋爐總?cè)剂狭繛闇y量值,以主調(diào)節(jié)器的輸出為煤量設(shè)定值,計算并向給煤機變頻器發(fā)出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令。切鍋爐主控為手動時,M/A站跟蹤給煤機指令平均值,副調(diào)節(jié)器跟蹤M/A 站輸出,主調(diào)節(jié)器跟蹤總?cè)剂狭?以便達到無擾切換的目的。
3 系統(tǒng)性能評價
      機組投入?yún)f(xié)調(diào)和接受AGC指令的負荷變動趨勢圖如圖5所示。由變負荷曲線可看出, 主汽壓力在全程中的表現(xiàn)較好，最大壓力波動為±0.46Mpa。而且總?cè)剂狭磕茌^好地跟隨負荷的變化而變化，這主要得益于協(xié)調(diào)控制中的前饋控制，尤其是給煤量前饋的加入比較符合CFB鍋爐的熱力特性。在此過程中升負荷的最大擾動值為78MW，平均升負荷速率為3.2MW/min。
      從運行數(shù)據(jù)和過程分析看，機組協(xié)調(diào)的穩(wěn)態(tài)特性和擾動性能較好，達到了熱工監(jiān)督規(guī)程的技術(shù)規(guī)范要求。機組自動化控制達到了較高的水平, 對機組的經(jīng)濟穩(wěn)定有著重要的意義，為AGC功能的投入創(chuàng)造了有利的條件。

圖5.負荷變動趨勢圖

4 結(jié)論

( 1) 頻差校正信號直接加在經(jīng)速率限制后的功率指令上，使機組在穩(wěn)定和變負荷工況下的一次調(diào)頻功能都可以起作用。

( 2)壓力偏差回拉功率回路的設(shè)計克服了機前壓力波動過大的不足,防止過度的利用鍋爐的需熱量。

( 3) 直接能量平衡控制策略從物理意義的角度出發(fā)，找到了機爐能量的平衡點，在實驗充分、參數(shù)計算和整定正確的情況下，不失為一種好的方法。但同時必須注意，這種策略只有在汽機能量需求改變后，才能作出反應(yīng)，對解決CFB 鍋爐的滯后還是存在問題，對CFB 鍋爐來說，采用間接能量平衡加前饋能起到較好的控制效果。

( 4) 負荷預(yù)加煤前饋和負荷定值前饋有效克服了CFB 鍋爐的慣性和遲延?，F(xiàn)場運行效果證明了系統(tǒng)的良好調(diào)節(jié)品質(zhì)。

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作者簡介：宋繼業(yè)（1981年10月—），男，山東濰坊人，碩士研究生，內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責任公司，從事電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。