協(xié)凋控制系統(tǒng)直接能量平衡控制策略的優(yōu)化應(yīng)用

王永濤，楊保，張海濤，喬巖濤（河南華潤電力古城有限公司，河南 駐馬店 463021 ）

1 引言

河南華潤電力古城有限公司2×320MW機(jī)組熱控DCS采用美國美卓自動化公司生產(chǎn)的maxDNA分散控制系統(tǒng)，機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略采用直接能量平衡控制系統(tǒng)（DEB），機(jī)組制粉系統(tǒng)采用四臺鋼球磨中間倉儲式乏氣送粉系統(tǒng)。

兩臺機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)長期投入，不間斷參與電網(wǎng)調(diào)峰和電網(wǎng)一次調(diào)頻，負(fù)荷變動很頻繁，長期運行中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)適應(yīng)性變差，有進(jìn)一步完善和提高的空間，因此提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，對機(jī)組的穩(wěn)定、安全、可靠經(jīng)濟(jì)運行有著十分重要的意義。

2 直接能量平衡（DEB）協(xié)調(diào)控制策略的基本原理與特點

單元機(jī)組負(fù)荷控制——直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是MCS公司（即前L＆N公司）于1957年首次提出，經(jīng)20多年改進(jìn)和完善，于20世紀(jì)80年代初推出了DEB/400協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

2.1 DEB/400直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理

直接能量平衡（DEB）指鍋爐的熱量釋放應(yīng)該和機(jī)組的能量需求相平衡。熱量釋放即“熱量信號”由汽機(jī)調(diào)節(jié)級壓力（代表輸入汽機(jī)的能量）加上汽包壓力變化率（代表鍋爐儲能的改變）組成，能量需求即“能量需求信號”由汽機(jī)調(diào)節(jié)級壓力與機(jī)前壓力之比與機(jī)前壓力設(shè)定值的乘積。因此將能量需求信號和熱量信號直接引入到燃料調(diào)節(jié)器，減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器的控制偏差為：

上式中，PS—壓力設(shè)定值；P1—調(diào)節(jié)級壓力；PT—機(jī)前壓力；dPd/dt—汽包壓力微分。

燃料調(diào)節(jié)器的控制目的使調(diào)節(jié)器入口偏差△e為零，即使Ps-Pt=0。該計算式說明直接能量平衡（DEB）控制系統(tǒng)具有維持機(jī)前壓力等于設(shè)定值的能力，取消了機(jī)前壓力閉環(huán)校正回路，簡化了機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 DEB/400直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點

2.2.1 能量平衡

在機(jī)爐協(xié)調(diào)方式下，機(jī)組實際負(fù)荷指令（MWD）同時下達(dá)到爐主控和機(jī)主控回路，機(jī)主控直接控制電功率達(dá)到設(shè)定值。汽機(jī)的能量需要通過改變汽機(jī)控制閥的開度獲得，所需的儲能改變由動態(tài)補償提供，送入鍋爐的能量通過對鍋爐釋放熱量的連續(xù)計算確定，直接能量平衡由燃料調(diào)節(jié)器維持。

圖1 DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

圖2 機(jī)組負(fù)荷變動試驗（主汽壓參數(shù)）曲線圖

2.2.2 壓力比

壓力比即“P1/PT”，它代表了汽機(jī)調(diào)門的閥位反饋信號。

汽機(jī)的能量需要由兩個部分組成。第一部分是壓力比測定了調(diào)門的有效開度，在節(jié)流壓力設(shè)定值為常數(shù)時，壓力比正比于汽機(jī)需要的能量；第二部分是節(jié)流壓力設(shè)定值，壓力比乘以這個設(shè)定值提供了負(fù)荷與汽機(jī)調(diào)門位置之間正確的增益值。

2.2.3 動態(tài)補償

在定壓運行時，動態(tài)補償基于汽機(jī)能量需求的變化率。動態(tài)補償使燃料率的改變量與鍋爐儲能的改變量相等。這個鍋爐儲能的改變量是由于蒸汽流量變化引起的。

在負(fù)荷變動時，鍋爐儲能隨負(fù)荷增加而增加。如果當(dāng)負(fù)荷改變時，燃料率除適應(yīng)負(fù)荷改變外，再增加儲能改變所需的量，則蒸發(fā)量將更加緊密地適應(yīng)能量需求，而蒸汽壓力將更加緊密地趨近設(shè)定值。

3 DEB協(xié)調(diào)控制策略應(yīng)用過程中所遇到的問題

3.1 負(fù)荷變動時，主汽壓力參數(shù)控制超標(biāo)

筆者公司兩臺機(jī)組頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰，在機(jī)組升降負(fù)荷中，主蒸汽壓力參數(shù)超標(biāo)，控制偏差達(dá)到±1.1MPa，運行人員操作干預(yù)頻繁，影響機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，如圖2所示。

3.2 穩(wěn)定負(fù)荷時，主汽壓、主汽溫參數(shù)控制超標(biāo)

機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷時，鍋爐側(cè)的粉量或煤質(zhì)的變化，給粉機(jī)堵粉或斷粉，引起汽包壓力波動幅度大，當(dāng)減溫水系統(tǒng)因調(diào)整不及時，造成主蒸汽溫度超溫，調(diào)整過程結(jié)束后引起主蒸汽溫度下降并較長時間降低，運行人員操作干預(yù)頻繁，影響機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，如圖3所示。

圖3 機(jī)組變動/穩(wěn)定負(fù)荷—主汽溫參數(shù)曲線圖

3.3 穩(wěn)定負(fù)荷或負(fù)荷變動時，爐膛負(fù)壓參數(shù)控制超標(biāo)

機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷或負(fù)荷變動時，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)未能及時預(yù)測鍋爐側(cè)粉量或煤質(zhì)的變化，致使主蒸汽壓力控制很難得到理想的效果。為提高主蒸汽壓力響應(yīng)速度，運行人員手動加/減給粉，操作頻繁，易引起爐膛負(fù)壓波動，爐膛負(fù)壓參數(shù)控制超標(biāo)，造成油槍聯(lián)投，增加機(jī)組的耗油量，影響機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

4 DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

筆者所在工廠制粉系統(tǒng)采用四臺鋼球磨中間倉儲式乏氣送粉系統(tǒng)，給粉機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)。制粉系統(tǒng)本身響應(yīng)相對較快，遲延時間較短，主汽壓相對容易控制，根據(jù)現(xiàn)場一次設(shè)備可控性情況，主汽壓可選擇相應(yīng)的控制方案。

4.1 變負(fù)荷過程中，“智能滑壓”的應(yīng)用

為解決機(jī)組頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰，升降負(fù)荷中，運行人員操作干預(yù)頻繁，主蒸汽壓力參數(shù)超標(biāo)等問題，提出了“智能滑壓”的控制策略，并取得了滿意的效果，如圖4、圖5所示。

圖4 “智能滑壓”之自動升壓/降壓判斷控制邏輯框圖

4.2 直接能量平衡系統(tǒng)的前饋優(yōu)化

為了解決協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)未能及時預(yù)測粉量或煤質(zhì)的變化，給粉機(jī)堵粉或斷粉，引起汽包壓力波動幅度大，運行人員操作干預(yù)頻繁，主汽溫、主汽壓、爐膛負(fù)壓等參數(shù)超標(biāo)等穩(wěn)定，提出了增加“直接能量平衡系統(tǒng)的前饋優(yōu)化”的控制策略，并取得了滿意的效果，如圖6所示。該系統(tǒng)具有以下特點：

（1）為了加快鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)速度，增加“機(jī)組實際負(fù)荷指令”前饋。

（2）為了加快鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)速度，增加“壓力設(shè)定值微分”前饋。

（3）為了加快鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)速度和維持主汽壓力的穩(wěn)定，增加“鍋爐指令微分”前饋。

（4）為了加快鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)速度和維持主汽壓力的穩(wěn)定，增加“鍋爐燃燒需求微分”前饋。

（5）為了維持主汽壓力的穩(wěn)定，同時防止超壓，增加“防止超壓快速拉回回路”。

圖5 “智能滑壓”之變壓速率控制邏輯框圖

4.3 送風(fēng)量控制優(yōu)化

為了保證鍋爐的富氧燃燒，遵循“加煤先加風(fēng)，減煤再減風(fēng)”的原則，解決負(fù)荷變動時，鍋爐送風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)滯后的問題，提出送風(fēng)指令由下列信號產(chǎn)生，“送風(fēng)指令”生成邏輯框圖如圖7 所示。該系統(tǒng)具有以下特點：

（1）限速后的功率指令函數(shù)滯后/濾波值、限速后的功率指令函數(shù)、吹掃風(fēng)量或最小風(fēng)量指令，對上述三個信號經(jīng)過大選運算。

（2）在負(fù)荷變動時，根據(jù)升/降速率的不同計算出需要加/減風(fēng)的風(fēng)量，經(jīng)過速率限制后生成“升降負(fù)荷時送風(fēng)量修正值”。

（3）對上述兩個信號進(jìn)行“求和”運算，生成“送風(fēng)指令”。

圖6 DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)前饋邏輯框圖

圖7 “送風(fēng)指令”生成邏輯框圖

圖8 系統(tǒng)優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制曲線圖

5 結(jié)語

采用上述優(yōu)化控制策略后，機(jī)組負(fù)荷變動時，投入?yún)f(xié)調(diào)控制后，機(jī)組主汽壓、主汽溫、爐膛負(fù)壓波動能夠滿足規(guī)程指標(biāo)的范圍要求，控制效果如圖8所示。

通過對圖8的分析，對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，取得了以下顯著效果：

（1）改善了主汽壓、主汽溫的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）改善了鍋爐燃燒的狀況，爐膛負(fù)壓波動幅度及次數(shù)明顯減少，大大減少了為穩(wěn)定燃燒投油助燃的次數(shù)，節(jié)省了燃油。

（3）減少了運行人員的鍵盤及操作干預(yù)的強度，使運行人員從繁忙的操作中解放出來。

（4）對于保持設(shè)備健康水平、延長機(jī)組壽命和保持最佳運行工況，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性都十分有利，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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