600WM亞臨界單元機組協調控制系統分析

摘 要:以某600MW亞臨界的機組為基礎，介紹了直接能量平衡DEB協調控制系統的特點，并分析了協調控制系統的主要控制方式和控制回路。

關鍵詞:協調控制系統;直接能量平衡;機爐

中圖分類號:TB 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)06-0303-02

1 機組概況

某電廠有2臺600MW亞臨界參數燃煤發電機組。汽機為亞臨界參數，機前主蒸汽壓力為16.7MPa，機前主汽溫度和再熱汽溫度為540℃。鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、Π型布置、四角切圓燃燒、平衡通風、全封閉、固態排渣、強制循環汽包型燃煤鍋爐，燃料為煙煤。在額定工況下，過熱器出口溫度為540℃，再熱器的進、出口溫度為323℃、540℃。

2 DEB協調控制系統原理

從能量平衡的觀點，協調控制系統被分為直接能量平衡DEB協調控制系統和間接能量平衡IEB協調控制系統。機組采用的是直接能量平衡DEB協調控制系統。

2.1 直接能量平衡DEB的特點

直接能量平衡系統采用了一個代表汽輪機組能令需求的信號，這個信號作為機爐間的協調信號(能量平衡信號)，控制鍋爐的輸出能量，保證任何工況下機組內部能量供需的平衡。本機組應用以(P1/PT)P0為前饋信號。協調控制系統結構原理圖如圖1。

圖1 直接能量平衡DEB原理圖P0—機前壓力定值 P1—汽輪機第一級壓力 Pb—汽包壓力 PT—機前壓力 Ne—機組輸出功率 N0—負荷指令

以(P1/PT)P0為前饋信號的DEB協調控制系統克服了以汽輪機第一級壓力P1變或調節閥開度P1/PT為前饋信號時，汽輪機調節閥開度能夠快速響應負荷要求，但鍋爐響應負荷慢，造成汽壓劇烈變化和波動的缺點。

2.2 DEB主要變量分析

DEB協調控制主要有以下幾個變量:

(1)汽輪機一級壓力P1;

(2)汽輪機調節閥有效開度P1/PT;

(3)能量平衡信號(P1/PT)P0;

(4)熱量信號HR=P1+Cbdpb/dt;

(5)熱量指令BD=(P1/PT)P0+(P1/PT)P0×K1×d((P1/PT)P0)/dt+K2×dpT/dt。

汽輪機一級壓力P1是DEB中的一個關鍵變量，既線性地反映了蒸氣流量D的變化，又線性地反映了功率Ne的變化，這就為鍋爐和汽輪機之間的能量變化建立了統一的量綱，即P1間接地反映了鍋爐和汽輪機之間的能量平衡。P1/PT可以很好的代表汽機調節汽門的開度。P1/PT信號用于檢測汽機閥門開度不僅具有響應快的特點，同時可克服直接測量閥位存在死區和非線性的影響。

能量平衡信號(P1/PT)P0是鍋爐控制系統的主要組成部分，能夠反映汽輪機對鍋爐能量的要求，這就為機爐動態過程中協調的兩個控制回路提供了一個可靠的能量平衡信號。在穩定工況下，由于PT=P0，且PT和P1/PT恒定，所以P1就代表了進入汽輪機的蒸汽量，即進入汽輪機蒸汽能量的大小。在動態過程中，由于汽輪機閥位的改變會使PT偏離給定值。(P1/PT)P0不能代表實際進入汽輪機的能量，而是代表了汽輪機所需的能量。

熱量信號HR由主蒸汽流量信號和汽包壓力的微分信號構成，其表達式是HR=P1+Cbdpb/dt(其中p1為汽輪機一級壓力，pb為汽包壓力，C1b為鍋爐蓄熱系數)。由公式可知熱量信號只反映燃燒率的變化，與汽機進汽量的變化無關，即當燃燒率發生變化時，熱量信號成比例地隨之變化，汽輪機進汽量發生變化時，只要燃燒率不變，熱量信號不發生變化。所以在各種工況下，熱量信號均能準確地表示鍋爐燃燒率(即實際能量)的大小。

熱量指令BD作為鍋爐主控調節器的設定值，公式中分為兩部分:(P1/PT)P0+(P1/PT)P0×K1×d((P1/PT)P0)/dt代表汽輪機功率的變化在單位時間內鍋爐所需補充的蓄熱;K2×dpT/dt代表壓力定值變化在單位時間內鍋爐所需補充的蓄熱。汽輪機功率和壓力定值的微分項作用是在動態過程中加強燃燒率指令，以補償機爐間對負荷的響應速度的差異(協調)和壓力定值變化所要調節的蓄熱(保證汽壓較小的變化率，補償壓力損失)。由上述分析可知，熱量指令BD完全代表了負荷變化所需的全部能量變化，反映了鍋爐快速、準確地調節燃燒工況以適應負荷的變化。穩態時，調節器的被調量應等于設定值，各微分項為零，即BD=HR=P1。

3 協調控制系統的分析

3.1 控制方式分析

基本方式(base):鍋爐主控和汽機主控均在手動方式下運行。鍋爐跟隨方式(BF):鍋爐主控投入自動調節機前壓力，汽機主控為手動方式。汽機跟隨方式(TF):汽機主控投入自動調節機前壓力，鍋爐主控為手動調節功率。以鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統(CCBF):汽機主控投入自動維持功率平衡，鍋爐主控投入自動主要維持壓力平衡，同時兩者協調配合用以維持機爐間的能量平衡。以汽機跟隨為基礎的協調控制系統(CCTF):汽機主控投入自動用于維持壓力平衡，鍋爐主控投入自動維持功率平衡，同時兩者協調配合，用以維持機爐間的能量平衡。

3.2 控制回路分析

3.2.1 機組負荷指令回路及負荷指令限制回路

機組目標負荷指令回路的作用是根據機爐運行狀態，判斷選擇機組可能接受的內外部負荷指令，將機組的外部負荷指令(ADS、設定負荷、調頻指令)處理成能夠接收的機組目標負荷，以及RB工況、迫升和迫降狀態下跟蹤內部負荷指令。

機組負荷指指令前饋中加入了LDC TARGET和實際負荷指令的偏差前饋，在負荷變化過程中適當對燃料和風量進行一定的過調，用以彌補制粉系統和鍋爐的純延遲導致的壓力大范圍波動。設計了HOLD/RUN回路，保證機組在負荷回調時，LDC TARGET和實際負荷指令的偏差不會出現過大的波動，避免了機前壓力的過大波動。

圖2 鍋爐前饋指令為保證機組的穩定安全的運行，機組指令回路中還包括負荷指令限制回路。負荷指令控制回路按其功能分成四部分:機組最大、最小負荷限值、甩負荷、負荷閉鎖增/減、負荷迫升/迫降。

(1)機組最大最小負荷限值:主要是保證機組實際負荷指令不超過最小值和最大值。最大值和最小值負荷限值由操作員通過顯示器上的控制面板來進行手動設置。

(2)甩負荷:主要作用是根據主要輔機的切投情況，在線識別并計算出機組當前的最大可能出力，當機組指令大于可能出力時，則甩負荷，將機組的實際負荷指令降至最大可能出力值。邏輯回路接受各輔機的切投狀態信號處理，當任何輔機停運或跳閘時，產生RB控制信號，進行甩負荷。甩負荷的原因是明確的，降低負荷的數量也是明確的。減少這一部分負荷后，機組仍能維持正常運行。

(3)負荷閉鎖增/減:當運行過程中產生某種故障時，使負荷增減受到限制，但不能立即識別，如送風機擋板卡住、輸煤管道和燃燒器堵塞、執行機構和調節機構故障等，此類故障會造成諸如燃料量、空氣量、給水量等運行參數偏差增大。負荷閉鎖增減回路主要針對這類故障設置，它可以對這些運行參數偏差的大小和方向進行監視。當任何一個超出規定值，就認為設備工作異常。這時回路根據偏差的大小和方向對實際負荷指令進行增減方面的閉鎖，以防止故障的進一步擴大，直至偏差回到規定值。

(4)負荷迫升/迫降:對于負荷閉鎖指令增減中提到的故障，通常還進一步采取迫升/迫降的措施。該回路的主要作用是對有關參數偏差的大小和方向進行監視，如果它們超越限值，同時有關的控制輸出已達到極限位置，不再有調節的余地，則該回路根據偏差的方向，將對實際負荷指令實施迫升/迫降，使偏差回到允許的范圍之內。

3.2.2 機爐主控制器回路

鍋爐主控信號中有兩個PID控制器(鍋爐壓力控制器、鍋爐功率控制器)，汽輪機主控信號有三個PID控制器(兩個汽機壓力控制器、一個汽機功率控制器)。在鍋爐和汽輪機主控制器回路中有幾個切換器，使機組在不同的控制方式時選擇不同的控制器進行控制，即在選擇不同的控制方式時，鍋爐主控指令和汽輪機主控指令的形成方式也不同。

在基本方式時，鍋爐和汽機都處于手動方式，則鍋爐的主控指令和汽機主控指令分別由機組的總燃料量和汽機調節閥開度形成;當處于鍋爐跟隨方式時，鍋爐主控指令由經過鍋爐壓力調節器的輸出，與鍋爐主控指令的前饋信號相加形成，汽機主控指令由汽機調節閥開度直接形成;在汽機跟隨方式，鍋爐主控指令即為機組的總燃料量，汽機主控指令由機組負荷與負荷指令經過汽機的功率調節器加上帶負荷修正的負荷指令的前饋直接控制調節閥門開度形成。在處于協調控制方式(協調控制下的鍋爐跟隨方式和協調控制下的汽機跟隨方式)時，鍋爐主控指令由經過鍋爐壓力調節器的輸出，與鍋爐主控指令的前饋信號相加形成，汽機主控指令由機組負荷與負荷指令經過汽機的功率調節器加上帶負荷修正的負荷指令的前饋直接控制調節閥門開度形成。

在CCBF方式下，將爐側主汽壓力偏差按一定比例負向加到汽機功率指令回路中，當壓力偏離設定值達到一定范圍時，壓力的負向偏差將按一定系數(或分段函數)修正機主控的功率指令。由于機側的電調響應較快，實發功率很快按要求改變，從而反向抑制壓力偏差的增大，起到輔助鍋爐調壓的作用。

圖3 功率指正信號同理，在CCTF方式下，將爐側調節功率偏差按一定比例負向加到機主控壓力指令回路中，當功率偏離設定值達到一定范圍時，功率的負向偏差將一定系數(或分段函數)修正機主控的壓力指令。由于機側的電調響應較快，實際功率偏差很快減少，從而反向抑制爐側功率偏差的增大，起到輔助鍋爐調功率的作用。圖4 壓力指令修正信號

參考文獻

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