330MW循環流化床機組CCS控制系統分析與應用

摘 要：結合內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司已經投運的#1、#2CFB機組，分析機爐協調控制系統的控制結構， 介紹相關的控制策略和邏輯關系，并針對CFB 鍋爐的大遲延、高階慣性的控制難點介紹協調回路下的一次調頻功能、汽機側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。現場實驗結果表明，所設計的控制邏輯工作是有效的，協調系統控制效果比較理想。

關鍵詞： CFB 鍋爐；CCS；間接能量平衡；前饋

中圖分類號： TP273 文獻標識碼：A

1 引 言

火電單元機組CCS ( 協調控制系統)在機組運行過程中 ，自動調節系統持續不斷地對主要運行參數進行調節，克服內部和外部各種擾動，維持各項運行參數在規定的范圍內，CCS系統的投入對機組的安全經濟運行有著重要的意義。概括地說，CCS系統就是把鍋爐及汽機作為一個整體進行控制時所用的系統［1］。其復雜性主要體現在:多變量的強耦合、多目標相關聯、非線性、時變及鍋爐側存在很大的遲延等，鍋爐從改變燃料量，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電機實發功率改變的慣性小，這就要求根據汽輪機、鍋爐動態特性上的差異組織一個協調控制系統，將汽輪機、鍋爐從控制上聯系起來成為一個整體對象，最大限度地發揮機組的蓄熱能力，滿足電網供電要求。同時CFB鍋爐比普通煤粉鍋爐具有更多的輸入、輸出變量，耦合關系也更為復雜，其自動控制系統尤其是協調控制系統設計不成熟，投運一直是個難題［2］。隨著電網容量的擴大以及對電力工業自動化水平和電能質量要求的提高，對電力系統AGC(自動發電控制)的要求日益迫切。圓滿解決AGC問題的基礎在于單元機組協調控制的投入，這也使得CFB鍋爐協調控制系統的研究勢在必行。

內蒙古京海電廠#1、2機組為330 MW循環流化床機組，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汽包爐［3］。最大連續蒸發量為1177 t/h，額定蒸汽壓力為17.5 Mpa，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)。DCS采用上海美卓自動化公司提供MaxDNA控制系統。

2 協調控制系統的運行方式

協調控制系統根據負荷運算可以分為以下幾種方式。

2.1 手動控制方式

鍋爐主控在手動，汽機主控在就地，由DEH(數字電液調節)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。

2.2 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。此時汽機側調負荷，鍋爐側調壓力。

1) 當汽機主控手動時，機側的壓力調節器和功率調節器處于跟蹤狀態，爐側的壓力調節器投入自動狀態。負荷指令跟蹤實發功率，機組負荷由DEH控制。

2) 當汽機主控自動時，機前壓力由爐側的壓力調節器自動調節，機組負荷由汽機調功回路通過DEH控制，機組負荷最大值由汽機承受最大負荷的能力決定。

2.3 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。此時機側調壓力，爐側調負荷。

1) 當鍋爐主控手動時，機前壓力由汽機壓力調節器自動調節，維持機組定壓運行，機組負荷由鍋爐主控手動調節，機側功率調節器和爐側的壓力調節器處于跟蹤狀態。

2) 當鍋爐主控自動時，機前壓力由汽機壓力調節器自動調節來維持，機組負荷由鍋爐功率調節回路通過自動調整鍋爐燃燒來控制，機組負荷最大值由鍋爐能帶最大負荷的能力決定。2.4 機爐協調控制方式

機組負荷信號由機組值班員指令、中心調度所指令和電網頻差信號組成。機組功率運算回路將負荷要求轉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，則可按負荷要求發出機組功率指令，否則將以機組允許負荷能力作為機組功率指令。

計算技術與自動化2011年9月

第30卷第3期宋繼業等：330MW循環流化床機組CCS控制系統分析與應用

采用該方式時，鍋爐、汽機的各自動調節系統都應投入運行，機組功率指令分別送往鍋爐、汽機兩個主控制器，整個機組處于協調控制狀態。可分為以汽機跟隨為基礎的協調控制和以鍋爐跟隨為基礎的協調控制。京海電廠協調控制系統采用的是以鍋爐跟隨為基礎的協調控制。

3 協調控制系統的功能組成

3.1 負荷指令形成回路

機組的目標負荷可由運行人員設定，或接收電網調度系統(ADS)發來的中調指令，同時配合相應的頻差信號校正。與協調控制系統相關的過程參數(如機前壓力、實發功率、燃料量、給水量、一次風壓等)的調節品質與機組的負荷變化率及變化幅度有關。當某些參數偏差過大時，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，從而避免機組調節品質的進一步惡化。

在負荷指令的處理過程中，當多種出力限制情況同時發生的時候，要根據事件的迫切程度，按照一定的優先級，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輸入指令經負荷限幅和速率限制后，送入機組主控M/A。

負荷控制指令的形成見圖1。其中，頻率校正信號加在經速率限制后的功率指令上后作為機組負荷設定值輸入到PID調節器的SP端。采用這種方法的優點: 頻率或轉速的偏差與機組功率指令的變化成一定線性關系。在機組運行的任何情況下，一定的頻率(或轉速)偏差理論上產生同樣幅度、速率的負荷變化， 有利于二次調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)的一次調頻功能就被禁止了。

同時應注意，作為設定值的校正信號使得一次調頻功能必須在CCS系統的PID回路投入的情況下才能起作用。并且由于經過調節器，一次調頻功能的響應時間會受到功率調節器的參數限制。

3.2 汽機主控回路

在鍋爐跟隨為基礎的協調控制方式下，為了更好的投入協調控制設計了“壓力偏差回拉功率”回路，將爐側機前壓力偏差通過一死區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利用鍋爐的蓄熱。

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，增加了死區非線性環節。汽機調節閥的開度是根據功率偏差的大小而改變的，增加負荷時功率設定值大于機組實際功率， 汽機調節閥開度增加， 而汽機調節閥的變化會引起機前壓力的下降， 從而使壓力設定與實際壓力偏差增大。壓力偏差信號通過一死區非線性環節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范圍以內，則不對輸出進行校正， 以使實際功率盡快響應功率設定值。如果壓力偏差大到越出死區范圍，輸出補償將起作用，限制汽輪機調節閥的進一步增大， 也就是限制過量利用鍋爐蓄熱，以維持機前壓力的穩定。補償信號補償了鍋爐側， 起到了防止汽機調門過開、穩定機前壓力的作用。但同時這也會在一定程度上影響機組的負荷響應速度。為此， 在對汽機功率調節器的輸出進行系數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能力。

3.3 鍋爐主控回路

保持運行參數穩定是保證發電機組運行安全性和經濟性的基礎措施，采用能量平衡方法是設計控制熊的主要途徑，而其實現方案可以在保持兩兩平衡的基礎上輔以校正信號或者漸衰信號［4］。

對于普通煤粉爐來說，以鍋爐跟隨為基礎的直接能量平衡協調控制系統在快速適應負荷要求以及克服系統內部擾動方面都有比較大的優勢，是目前諸多協調方案中比較好的一種［5］。但是由于循環流化床機組的特點，在運行實踐中卻發現“熱量信號”并不比主汽壓力的變化快多少，所以調節效果同采用壓力調節器沒有本質區別［6］，故采用間接能量平衡加前饋的控制策略。

主汽壓力自動調節系統( 如圖4所示)由主調節器、副調節器和A/M (自動/手動)操作站組成。主調節器采用變參數PID，負荷目標實際負荷的偏差經過不同的函數發生器分別作為主調節器的比例系數和積分時間，這樣的設置有利于穩定性和快速性的動態平衡。其中，主調節器接受鍋爐出口主蒸汽壓力信號作為測量值，根據運行人員給出的主蒸汽壓力設定值，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調前饋信號，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；②功率給定值的微分信號，微分作用在動態過程中加強給煤量指令，以補償機爐對負荷的響應速度的差異；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，通過微分作用動態的提前改變給煤量。這三部分前饋信號的功能就是實現給煤量前饋，含義是不等機主控的設定和實際負荷偏差引起的鍋爐側的能量需求發生變法時，預先加煤，有效的克服了CFB鍋爐側的慣性和延遲，提高了機組負荷的響應速率。

副調節器作為給煤量調節器，用于保證進入爐膛的給煤量滿足主調節器計算出的煤量值，并及時消除煤量擾動對主汽壓力的影響。它以鍋爐總燃料量為測量值，以主調節器的輸出為煤量設定值，計算并向給煤機變頻器發出轉速調節指令。切鍋爐主控為手動時，M/A站跟蹤給煤機指令平均值，副調節器跟蹤M/A 站輸出，主調節器跟蹤總燃料量，以便達到無擾切換的目的。

4 協調系統投入試驗

4.1 控制方式

在機組帶不同負荷下試投各種控制方式，順序為汽輪機跟蹤、鍋爐跟蹤、機爐協調，調整控制參數，使控制系統能在穩定負荷下滿意地運行。小幅改變負荷和主蒸汽壓力定值，觀察控制過程曲線，調整控制參數，使控制系統能兼顧穩定負荷和變動負荷。

4.2 負荷變動試驗

京海電廠機組投入協調和接受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較好，最大壓力波動為±0.46 Mpa。而且總燃料量能較好地跟隨負荷的變化而變化，這主要得益于協調控制中的前饋控制，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負荷變動值為79 MW，從圖5中可以看出負荷設定指令從211 MW經過29分鐘時間上升到290 MW，平均升負荷速率為3.2 MW/min。在負荷設定值的微分作用在AGC指令變化的初期開始起作用，并一直伴隨負荷設定值跟隨AGC指令的整個過程。在升負荷的過程中因為主汽壓力設定值的變化引起總燃料量變化的過程在圖中也有體現。當升負荷結束時，因為主汽壓力設定值變化，所以此時只有主汽壓力的前饋信號。

從運行數據和過程分析看，機組協調的穩態特性和擾動性能較好，達到了熱工監督規程的技術規范要求。機組自動化控制達到了較高的水平， 對機組的經濟穩定有著重要的意義，為AGC功能的投入創造了有利的條件。

5 結 論

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

2)壓力偏差回拉功率回路的設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，找到了機爐能量的平衡點，在實驗充分、參數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，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。現場運行效果證明了系統的良好調節品質。

參考文獻

［1］ 劉吉臻. 協調控制與給水全程控制［ M］.北京:水利電力出版社， 1995.

［2］ 施書建，翟焱.循環流化床鍋爐協調控制系統組態和投運［J］.河南電力，2005， (3):18- 19.

［3］ B2-104 內蒙古京海發電有限責任公司鍋爐說明書［S］．東方鍋爐(集團)股份有限公司．

［4］ 李希武. 直接能量平衡閥協調控制系統分析［J］ .中國電力，2000，(33):65- 69.

［5］ 王付生. 電廠熱工自動控制與保護［ M］. 北京:水利電力出版社， 2005.

［6］ 牛培峰.大型國產循環流化床鍋爐燃燒過程智能控制系統應用研究［J］.