汽輪機組協調控制中典型問題分析和改進

摘 要： 本文主要介紹國產300MW機組在DCS改造后，協調控制系統重新設計組態，由日立H5000M系統軟件實現的原MAX1000+PLUS系統中DEB控制方式時，重要參數的整定辦法。分析機組運行過程中機組協調調節品質影響因素和解決方案，通過試驗整定機組協調控制參數，提升鍋爐主汽壓力調節品質，滿足電網對機組負荷變化的要求。

關鍵詞：協調控制 鍋爐前饋 能量信號

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）03-0294-02

一、協調控制的設計和鍋爐蓄熱系數的整定

張家口發電廠各臺機組經DCS改造后使用的是日立H5000M，協調制采用的是直接能量平衡算法。在參數設定過程中，鍋爐的蓄熱系數是最難確定的也是一個關鍵參數，它的準確性決定了能量平衡控制方式的穩定性。選取能量平衡信號作為鍋爐側的負荷指令，以熱量信號作為發饋，直接按汽輪機的能量需求來控制鍋爐的能量輸入。系統無需機前壓力的反饋控制，能量平衡信號公式中的 來表示：

—機前壓力設定值 —調節級壓力 —機前壓力

鍋爐燃燒自動控制的目的是控制燃燒過程，使燃燒說提供的熱量適應外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經濟運行。

鍋爐熱量信號是測量進入爐膛的燃料燃燒后的發熱量，是間接測量進入爐膛的燃料量的一種方法。進入爐膛的燃料量可用公式中Q的來表示。

—蓄熱系數 —汽包壓力 D —蒸汽流量

蓄熱系數 代表著鍋爐的蓄熱能力

通常用試驗的方法求得。在燃燒率不變的情況下，改變汽機調門的開度，蒸汽流量和主汽壓力變化曲線如圖

根據調門開度改變時蒸汽流量和汽包壓力的變化曲線，量取面積A，

由此可以計算出鍋爐的蓄熱系數 。Q可以近似的代表計入鍋爐燃燒的燃料量。此外，用熱量信號還能反映燃料熱值的變化。鍋爐指令主控采用的是變參數調節，分為負荷變化過程和負荷維持過程。

1.協調控制的修改和調整

在電網公司實施“兩個細則”考核辦法后，電網對機組負荷調節品質提出了更高的要求，單純的DEB控制方式還是無法滿足機組負荷快速頻繁變化的要求，所以在鍋爐燃燒控制環節中增加了鍋爐燃料量的前饋，以提高鍋爐的響應速度。

1.1鍋爐主控前饋的作用

鍋爐前饋主要有四部分構成：1、負荷對應煤量前饋；2、負荷指令變化對應煤量前饋；3、機前壓力設定值變化對應煤量前饋。

1.2負荷對應煤量前饋

鍋爐前饋部分中的負荷對應煤量前饋是給鍋爐主控制器一個粗略的工作區間，它的量值份額最大。它的作用對于機組在負荷變化工況時煤量的調節作用相對較弱，在鍋爐汽壓響應遲延大、慣性大的特性下，這個環節的煤量變化特性是不能滿足機組需求的。對于鍋爐燃煤發熱量不出現頻繁變化的工況下，它主要的作用是維持鍋爐的負荷，若一段時期內鍋爐燃煤發熱量較前一時段有明顯穩定的加大或減少，這個負荷對應煤量前饋，也是需要進行修改的。修改過程需鍋爐控制處于手動狀態下，這點十分重要，因為在此前饋起作用時的修改，會引起鍋爐煤量的大幅波動，影響到機組的安全運行。

1.3負荷指令變化對應煤量前饋

負荷指令變化對應的煤量變化量是使鍋爐能夠快速響應機組負荷的最直接手段。它由兩部分構成：1、負荷指令的變化趨勢；2、AGC指令與機組實際負荷指令的偏差對應的煤量。

因為鍋爐主控采用的是DEB控制方式，從能量指令公式

可知 與 的比值代表汽機調門的實際開度，在機組接到負荷變化的指令后，調門迅速響應，這樣機組負荷指令變化趨勢的前饋量與能量指令 的計算量的匹配，是此前饋分量中的控制關鍵，一般的解決方法是給負荷指令變比趨勢的前饋量增加限幅。電網下達機組的AGC指令是階躍信號，機組的實際指令是增加了變化速率的，這兩部分的差值經一定的作用強度作為一個煤量前饋，能更直接的彌補鍋爐汽壓響應的大慣性。

1.4機前壓力設定值變化對應煤量前饋

機前壓力定值的變化也代表著鍋爐蓄熱能力的變化，同時對應鍋爐煤量也是要求變化的。這正是在鍋爐指令前饋中設置機前壓力設定值變化對應煤量前饋這一項的意義所在。不管是在機組負荷變化過程改變機前壓力定值還是機組穩定工況下改變壓力定值，對于此項前饋作用同樣應設置幅值的限制。

2.控制參數的調整

2.1鍋爐煤量控制器參數的調節

在設定好鍋爐指令前饋的基礎上，鍋爐主控制器的調試可以遵循“弱變化、強穩態”的原則，在機組負荷變化過程中，鍋爐主控制器PID的比例增益設置在0.1到0.3之間，積分時間設置在500秒以上，在機組負荷變化結束后的穩態工況下，針對鍋爐汽壓的大慣性大遲延特性，鍋爐主控制器PID的比例增益設置在1.2至2.2之間，積分時間設置在300秒左右。

2.2鍋爐風量調節的影響

鍋爐風量的調節品質也對鍋爐汽壓調節品質有重要的影響。鍋爐原來的風量控制邏輯中，風量指令取得是鍋爐煤量，這在指令的變化上就存在著一定滯后，現將鍋爐一次風壓力和鍋爐送風量的的指令均改為機組負荷指令，這樣就使得機組的負荷變化時一次風壓和鍋爐風量控制以最快的速度做出響應，以配合鍋爐燃煤變化。

二、汽機負荷控制的影響因素

1.功能設計的優化

機組負荷控制中原設計有壓力校驗功能，是為了讓汽機調門控制做到機組負荷和機前壓力兼顧，但也正是這樣，使機組負荷調節品質大為下降。電網要求的汽輪機組實發功率要正確、快速、穩定，這就勢必使機組在協調控制中要犧牲一部分的機前壓力來保證機組負荷的響應。所以在提高鍋爐汽壓調節品質的前提下，弱化機前壓力偏差對汽機負荷修正作用，改用其他的方式來保證緊急狀態下的機組安全。

附圖機前壓力偏差修正負荷指令示意圖

此項功能的作用是在機組變負荷過程中機前壓力偏大時，抑制調門向加大機前壓力偏差方向動作的趨勢。為方便描述，這個功能簡稱壓力拉回。因為壓力拉回的作用，機—爐汽壓特性導致了機組負荷還未達到AGC指令目標值就出現了“反調”的情況。針對這中情況，減弱壓力拉回的作用強度，使壓力拉回的修正系數減少到±0.01。同時在汽機調門指令出口前增加一個調門禁增、禁減功能。當機前壓力高設定值1.2MPa時汽機調門禁減，機前壓力低于設定值1.2MPa時汽機調門禁增，這樣就在最大程度上兼顧機組安全和機組負荷的調節品質。

2.汽機調門的流量特性和機組的運行方式也是機組負荷調節品質的重要保證

在冬季機組供熱的運行方式下的變負荷過程，由于運行人員把機前壓力定值設定的偏低（在變負荷初期，壓力定值低于規定的滑壓定值1MPa）從而導致了機組調門開度過大，負荷上升后，調門迅速開展，已失去對負荷的控制。

附圖汽機調門流量特性對變負荷的影響

圖中的變負荷過程，調門開度增加9%，而機組負荷未有明顯上升，汽機調門在78%—87%之間已無截流特性所造成，這臺機組的汽機閥門曲線需要進行重新整定。

結束語

機組的協調控制是一臺機組的最高層控制，它的調節品質需要這臺機組的各底層自動調節品質來保證，鍋爐的給水、送風、煤量等各個環節都會直接影響到鍋爐汽壓的調節品質；汽機調門的流量特性，控制回路的邏輯參數設置等也會直接影響汽機負荷的調節品質。協調控制調節品質的優化需要考慮到機組的各方面因素，一次設備的調節裕量，執行器環節的響應特性等等，不同機組間并沒有固定的模式可借鑒。同時對機組協調品質的影響因素是復雜多樣的，運行人員的操作、鍋爐燃煤發熱量的變化等都是不可預測、不可避免的重要條件。只有通過長時間的摸索和大量擾動試驗，才能掌握一臺機組各環節的動態特性。機組的每次檢修后各自動調節回路都是需要進行試驗和參數整定的。

參考文獻

[1]中國動力工程學會， 自動控制[M]火力發電設備技術手冊第三卷

作者簡介：田曄（1979—）男，工程師，張家口發電廠。