直流鍋爐單元機組協調控制系統的研究與設計

秦志明，　張欒英，　谷俊杰

(華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北保定 071003)

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直流鍋爐單元機組協調控制系統的研究與設計

秦志明，張欒英，谷俊杰

(華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北保定 071003)

摘要：以1 000 MW超超臨界直流鍋爐單元機組為研究對象，通過機理分析建立其協調控制系統的非線性模型，利用小偏差方法對模型進行線性化，設計相應的多變量解耦補償器，實現了輸入、輸出變量的全解耦，建立了三輸入三輸出的協調控制系統，并通過煤質和給水比焓擾動以及升降負荷的仿真實驗對協調控制系統進行了驗證.結果表明：所提出的協調控制系統具有良好的控制性能.

關鍵詞：直流鍋爐； 協調控制； 建模； 線性化； 解耦

為了節約能源和減輕環境污染，必須優化發展煤電技術，因此單機容量大、發電效率高以及負荷適應能力強的超(超)臨界直流鍋爐單元機組成為我國火力發電主力機組[1].隨著電力工業可持續發展戰略的實施，電網綜合自動化對單元機組協調控制系統的性能提出了更高的要求.

直流鍋爐單元機組的協調控制系統對象結構模型通?？珊喕癁橐粋€三輸入三輸出系統[2]，該系統的輸入量為給水質量流量、燃料量和汽輪機調門開度，輸出量為中間點溫度(比焓)、主汽壓力和汽輪機輸出功率，在輸入與輸出變量間存在交叉的關聯和強耦合現象.

直流鍋爐單元機組協調控制系統中最主要的是給水質量流量調節和燃料量調節[3]，通過調節系統的正確協調動作與配合，使鍋爐負荷達到要求，也使主蒸汽溫度保持穩定.由于燃料量和給水質量流量的變化都對輸出功率產生明顯影響，目前普遍采用調整燃水比系數來控制中間點溫度(比焓)，將三輸入三輸出的直流鍋爐單元機組模型簡化為雙輸入雙輸出的模型，因此在實際工程應用中存在2種不同的方案[4]：(1)以煤為基礎的水跟煤控制，通過燃料量調節負荷或主蒸汽壓力，通過給水質量流量調節中間點溫度(比焓)；(2)以水為基礎的煤跟水控制，通過給水質量流量調節負荷或主蒸汽壓力，通過燃料量調節微過熱段噴水減溫器前后溫差，保證燃水比，實現過熱蒸汽溫度粗調.然而這2種方案各有利弊，由于給水質量流量比燃料量調節快得多，水跟煤的控制方案有利于主蒸汽溫度的控制，但是主蒸汽壓力的波動會很大，而煤跟水的控制方案有利于主蒸汽壓力的控制，不利于主蒸汽溫度的保持.此外，由于煤質頻繁變化時，燃水比系數很難保證，在機組運行過程中往往出現參數波動幅度大、機組負荷適應性差等問題.

基于以上情況，筆者通過合理簡化，首先建立直流鍋爐單元機組的非線性機理模型，利用小偏差方法對模型進行線性化，設計相應的多變量解耦補償器，實現了汽輪機側與鍋爐側、給水側與燃料側的完全解耦，提出了基于動態解耦的直流鍋爐單元機組協調控制系統的控制方案.

1直流鍋爐單元機組簡化模型

汽水分離器是直流鍋爐工質蒸發與過熱的分界點，其出口(中間點)工質溫度(比焓)反映了燃料和給水匹配的合理性，是表征直流鍋爐運行的重要狀態參數之一.作為燃水比的反饋信號，負荷變化時中間點比焓在靈敏度和線性度方面具有明顯的優勢[5].此外，由于焓的物理概念明確，用焓增來分析各受熱面的吸熱分布更為科學.

以汽水分離器出口為界，將直流鍋爐分為大比熱容受熱段和過熱段分別進行考慮.整個直流鍋爐單元機組分為制粉系統、鍋爐受熱系統、鍋爐過熱系統和汽輪機4部分，整個機組的能量轉換與傳熱過程劃分為爐內燃燒與傳熱、管道傳遞和汽輪機做功3段過程處理.簡化后的直流鍋爐單元機組構造見圖1，其中uB為燃料量指令(%)，qm,ec為給水質量流量(kg/s)，hm為中間點比焓(kJ/kg)，pt為主蒸汽壓力(MPa)，μt為汽輪機調門開度(%)，NE為汽輪機輸出功率(MW).

制粉系統的動態特性可描述為

圖1　直流鍋爐單元機組能量轉換過程示意圖

(1)

由于爐內燃燒過程和水冷壁換熱動態時間遠比制粉動態時間要短，故將其歸入制粉動態中考慮.進入鍋爐的燃料量rB與鍋爐的有效吸熱量Q存在確定的比例關系[6]：

Q=k1rB

(2)

直流鍋爐蒸發受熱面動態特性[7]如下：

(3)

過熱器動態特性如下：

(4)

進入到汽輪機的蒸汽質量流量與主蒸汽壓力和汽輪機調門開度有關[8]：

(5)

在不考慮再熱器的情況下，汽輪機的進汽量與輸出功率NE之間可以用以下線性關系來表示：

(6)

式(1)～式(6)中：kf為制粉環節慣性時間，s；τ為制粉過程純延遲時間，s；k1、k2和k3分別為燃料環節、管道傳遞環節和汽輪機做功環節的增益系數，可通過機組穩定工況下的測量數據計算得出[9]；qm,att、qm,t為減溫水質量流量和主蒸汽質量流量，kg/s；hec和ht為省煤器入口給水比焓和主蒸汽比焓，kJ/kg；Qr、Qst為鍋爐蒸發受熱面和過熱系統的吸熱量，kJ/s；C1、C2為鍋爐蒸發受熱面和過熱系統的蓄熱系數.

直流鍋爐蓄熱系數隨著壓力的升高而減小，其中金屬的蓄熱能遠大于工質的蓄熱能，鍋爐蓄熱能的變化趨勢和金屬蓄熱能的變化趨勢一致[9].在某一范圍內為了方便分析鍋爐系統的動態特性，可以認為蒸發受熱面的蓄熱系數C1是中間點比焓hm的函數，過熱系統蓄熱系數C2是主蒸汽壓力pt的函數.經擬合后的公式為

(7)

(8)

令n=(ht-hm)/(hm-hec)，即工質在鍋爐過熱系統中的焓增與蒸發受熱面焓增的比值，表示鍋爐受熱過程中熱能的分配比.n與中間點比焓有很大的相關性，即n=-0.001 115hm+3.633，n呈單調遞減變化，取值范圍為0.45~0.66[10].在機組運行過程中，qm,ec+qm,att=qm,t，其中減溫水質量流量占鍋爐給水質量流量的比例很小，穩態工況下可以認為qm,ec≈qm,t，因此減溫水對鍋爐蒸發受熱面和過熱器之間吸熱量分配的影響很小，可以忽略不計.那么蒸發受熱面吸熱量為

(9)

綜上所述，對機組各個部分進行匯總，可推導出直流鍋爐單元機組三輸入三輸出的動態簡化模型(見式(10))，其輸入量為燃料量指令uB、給水質量流量qm,ec和汽輪機調門開度μt，輸出量為中間點比焓hm、主蒸汽壓力pt和汽輪機輸出功率NE.

(10)

對于制粉系統而言，從協調控制器的設計需要出發，不再考慮其純遲延環節.通過上述模型可以采用小偏差方法得到其在不同工作點的線性化模型，對式(10)中各項兩端取增量后得到

(11)

(12)

Δpt(n+1)k2k3μthx

(13)

聯立式(11)~式(13)，可以得到以下傳遞函數矩陣：

(14)

其中，G0(s)為直流鍋爐單元機組協調控制系統的核心部分；B(s)為燃料量動態環節.

(15)

G0(s)=

(16)

2直流鍋爐單元機組協調控制設計

火電機組大范圍變負荷時機爐控制對象表現出較強的非線性特性，機爐控制回路間相互耦合.目前，機組協調控制的基本設計思想都是以機跟爐控制或爐跟機控制為基礎的單向或雙向補償解耦控制.工程上的解耦設計大多根據經驗獲得，但從理論上分析也有規律可循[11].

根據解耦補償器可得到機組協調控制系統結構，如圖2所示，可以實現汽輪機側與鍋爐側、鍋爐內給水側與燃料側的完全解耦.

(17)

(18)

圖2　協調控制系統框圖

(1)汽輪機側與鍋爐側的雙向補償.

汽輪機側的擾動對中間點比焓的影響甚微，可以忽略不計.將主蒸汽壓力偏差信號Δpt引入至汽輪機側，可以用來補償給水側和燃料側擾動可能引起的汽輪機調節器動作，由于主蒸汽壓力和汽輪機輸出功率對燃料和給水擾動響應曲線形狀相似，Δpt的變化與汽輪機輸出功率偏差信號ΔNE的變化相互抵消，保證汽輪機調門開度在鍋爐側擾動時保持不變.ΔNE作為汽輪機側擾動的補償信號引入給水側和燃料側，當汽輪機側發生擾動時，由于汽輪機輸出功率與中間點比焓的變化方向相反，保證燃料側燃料量指令不變的同時，加速給水側動作來保證主蒸汽壓力pt的穩定，提高了系統的響應能力.此外，當改變汽輪機輸出功率定值時，汽輪機調節器的變化很快，使得汽輪機調門動作跟上負荷指令的需求，但是由于鍋爐的慣性很大，能量難以及時補充，會造成主蒸汽壓力pt產生較大的波動，甚至會超過允許的偏差范圍，將Δpt引入汽輪機調節器，能夠起到穩定主蒸汽壓力的作用.

(2)給水側與燃料側的雙向補償.

當燃料側發生擾動時，中間點比焓與主蒸汽壓力的變化方向相同，而當給水側發生擾動時，中間點比焓與主蒸汽壓力的變化方向相反.將Δhm和Δpt微分信號同時引入給水側和燃料側，可以減弱或者消除給水側與燃料側之間的耦合，使系統的整定變得容易，同時也相當于在鍋爐側增加了一個快速的反饋回路，可以補償汽輪機側的擾動，提高了機組的負荷響應速度，增強了系統克服擾動的能力.

3仿真驗證

直流鍋爐單元機組三輸入三輸出協調控制系統結構如圖3所示，通過在機組前添加解耦補償器，可以實現輸入、輸出各變量間的完全解耦，u1、u2和u3為PI控制器輸出量，通過解耦補償器得到作用于被控對象的控制量qm,ec、rB和μt.

圖3　直流鍋爐單元機組協調控制系統結構圖

以1 000 MW超超臨界直流鍋爐單元機組為控制對象，輸入量為給水質量流量、燃料量和汽輪機調門開度，輸出量為中間點比焓、主蒸汽壓力和汽輪機輸出功率.不同負荷下機組的主要參數見表1.

目前，直流鍋爐的中間點比焓都是通過調整燃水比來控制的，在實際運行過程中，燃水比受到給水溫度、煤質、負荷和風量等因素的變化而不斷地調整，很難精確地控制燃水比系數，如果燃水比失調，將嚴重影響機組的正常運行.在筆者設計的協調控制系統中，當中間點比焓偏離設定值時，對給水質量流量和燃料量同時進行調整，能夠使系統迅速保持穩定.以燃料低位發熱量增量的階躍變化來反映煤質變化，當燃料低位發熱量增量階躍降低5%時，中間點比焓、主蒸汽壓力、汽輪機輸出功率和給水質量流量經調整后恢復到初始狀態，燃料量升高以保證機組的正常運行，協調控制系統的響應曲線見圖4.當給水比焓階躍下降10%時，中間點比焓、主蒸汽壓力、汽輪機輸出功率和燃料量經調整后恢復到原來的數值，給水質量流量減小已經能夠保證機組的正常運行，協調控制系統的響應曲線見圖5.

表1　1 000 MW超超臨界直流鍋爐單元機組典型工況點

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)

(c)

(d)

(e)

(f)

為了驗證協調控制系統的控制性能，對該系統進行升降負荷實驗，工況1：機組由677 MW升負荷至802 MW；工況2：機組由934 MW降負荷至802 MW.圖6和圖7給出了2種工況下汽輪機輸出功率、中間點比焓和主蒸汽壓力3個輸出量的設定值和響應曲線.由于給水質量流量響應速度快，以水為基礎的煤跟水控制，在汽輪機輸出功率和主蒸汽壓力的調節上，超調量和調節時間均優于水跟煤控制，但給水對中間點比焓的影響較大，使得中間點比焓的波動范圍大、調節時間長，不利于主蒸汽溫度的保持.采用解耦補償器的三輸入三輸出的協調控制方式，3個輸出量的超調量和調節時間均明顯優于傳統的煤跟水和水跟煤2種調節方式，汽輪機輸出功率和主蒸汽壓力的動態性能良好，中間點比焓在調整過程中有一定的動態偏差，其波動范圍和調節時間明顯減小，有利于維持主蒸汽溫度的穩定，整個協調控制系統的控制性能良好.

(a)汽輪機輸出功率響應曲線

(b)主蒸汽壓力響應曲線

(c)中間點比焓響應曲線

4結論

針對直流鍋爐單元機組協調控制系統，引入動態解耦結構，提出了一種單元機組三輸入三輸出控制策略，實現了汽輪機側與鍋爐側、給水側與燃料側的雙向補償解耦，有效解決了當擾動發生時，燃水比系數很難保證、機組運行參數波動幅度大、機組負荷適應性差等問題.仿真結果表明，該方法動態解耦性能和負荷適應性能良好，具有較好的實際應用推廣價值.

(a)汽輪機輸出功率響應曲線

(b)主蒸汽壓力響應曲線

(c)中間點比焓響應曲線

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Research and Design on the Coordinate Control System of a Once-through Boiler Unit

QINZhiming,ZHANGLuanying,GUJunjie

(MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：Taking the 1 000 MW ultra supercritical once-through boiler unit as an object of study, a nonlinear model was built up for the coordinate control system (CCS) through mechanism analysis, which was linearized based on small deviation method, while corresponding multivariable decoupling controller was designed to achieve full decoupling of the input and output variables, thus the three-input-three-output coordinated control system was finally established and verified under disturbance of coal quality and specific enthalpy of feed water during load-up and load-down process. Results show that the CCS proposed has good control performance.

Key words：once-through boiler; coordinated control; modeling; linearization; decoupling

文章編號：1674-7607(2016)01-0016-06

中圖分類號：TK229.2

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

作者簡介：秦志明(1977-)，男，河北無極人，工程師，博士，主要從事火電機組建模與優化控制方面的研究. 電話(Tel．)：15369252070；

基金項目：中央高?；究蒲袠I務費資助項目(2015MS110)

收稿日期：2015-03-26

修訂日期：2015-06-26

E-mail：zmqin@ncepubd.edu.cn．