火力發電廠控制系統平衡回路邏輯思路與設計

余小敏，祝廣場，張鍔

（華電電力科學研究院中南區域中心，湖北武漢430062）

火力發電廠控制系統平衡回路邏輯思路與設計

余小敏，祝廣場，張鍔

（華電電力科學研究院中南區域中心，湖北武漢430062）

在電廠的熱工控制系統中，平衡回路被廣泛的采用。平衡回路的作用主要是針對像三大風機及給水泵等成對出現的設備。由于在電廠的熱工設計中并沒有針對平衡回路的設計規范，所以各個電廠的控制邏輯中平衡回路的設計都不盡相同。總結了多個電廠熱工控制系統中關于平衡回路的設計，對各種不同的平衡回路的設計特點進行了歸納與總結，希望能對以后的熱工設計提供參考。

平衡回路；邏輯；設計思路；火力發電廠

0 引言

火電廠設備中，受設備容量的限制和機組安全性的考慮，有一些設備往往成對出現。最常見的如引風機、送風機、一次風機等設備，俗稱六大風機。還有一些設備則以更多的數量出現，例如給煤機和給水泵等。對于這些以成對或更多數量出現的設備，在熱工控制系統的設計中必須有所考慮，即增加平衡回路系統，其主要的思路是:在兩個設備中有一個設備處于自動而另一個處于手動狀態時，當手動調整一臺設備時，處于自動狀態的設備能夠自動調整，使得在整個過程中對系統的影響最小；當兩臺設備都處于自動狀態時，控制系統可以根據兩臺設備間的出力來自行調整，或者可以由操作員根據實際情況來調整各個設備間的出力。平衡回路的設計思路中還有一點就是消除設備在手動自動切換過程中的擾動，達到無擾切換的目的。在梳理眾多電廠熱工控制系統邏輯后，對平衡回路的設計思路進行了總結。在對平衡回路進行了分類之后，繼續分析了平衡回路與R B的關系，最后對給煤機與給水泵等特殊回路中的平衡回路進行了分析。

圖1 輸出平衡回路邏輯

圖2 電流平衡回路邏輯

1 平衡回路的分類

平衡回路按照功能大致可以分成三類:輸出平衡回路、電流平衡回路和輸出與電流相結合的平衡回路。

1.1 輸出平衡

在較早的熱工控制系統中，平衡回路的設計大多只采用輸出平衡的平衡回路。以送風機系統為例，輸出平衡回路的邏輯示意圖如圖1所示[1]。

分析圖1可以看出輸出平衡回路具有以下特點:

（1）假設兩臺送風機中送風機A在自動狀態而送風機B在手動狀態，則這時平衡回路的輸出T塊選擇N路輸入，即等于送風機A與送風機B輸出指令之差的一半。而平衡回路輸出模塊T的輸出是分別與PID調節器的輸出相加和相減后作為送風機A與送風機B的輸出指令的。這時若操作員手動改變送風機B的輸出，通過幾個掃描周期后，平衡回路輸出模塊T將送風機B輸出的手動改變量以反方向疊加在送風機A的輸出上，這樣處于自動狀態的送風機就能夠自動進行反方向同幅度調整。由于兩臺設備的調整量大小相同，方向相反，使得在整個過程中兩臺送風機的出力各自做了調整而對系統則基本沒有影響。

（2）當兩臺送風機都處于自動狀態時，可以由操作員根據實際情況來調整各個設備間的出力:當操作員在圖1中送風機偏置手操站上設定偏置后，該偏置會分別作用于兩臺送風機上，其大小相同而方向相反，這樣就使得一臺送風機出力增加而另一臺送風機出力減少，最終達到兩臺送風機出力平衡的效果。

（3）輸出平衡回路的設計思路中還有一點就是消除設備在手動自動切換過程中的擾動，達到無擾切換的目的。如圖1中所示，當兩臺風機中只有一臺處于自動狀態時，送風機偏置手操站跟蹤兩臺風機輸出指令之差的一半；當第二臺風機也投入自動時，則釋放偏置手操站，操作員可以在原有的偏置基礎上進行調整從而保證了整個系統的無擾切換。

在系統的運行中往往出現一臺風機處于自動狀態而另一臺風機因故障退出運行進行檢修的情況。在這種情況下，停運風機的輸出對系統不應該產生影響。故如圖1中所示，若風機跳閘則將其在平衡回路中的輸入切換為零，這樣即使在停運風機的檢修過程中風機的輸出有所改變也不會對另一臺風機的運行造成影響。

1.2 電流平衡

電流平衡是現在最常用的平衡回路。以送風機為例其原理圖如圖2所示。當兩臺風機同時在運行時希望它們的出力盡量一致，而風機的工作電流的大小則最能直接反映設備的出力情況。電流平衡回路的設計思想是當兩臺風機均處于自動控制時根據各自的工作電流的大小調整各自的出力，使得每臺風機的工作電流基本一致從而達到出力一致的目的。值得注意的是電流平衡的調整量不宜過大，一般限定在5%的變化范圍內，且其調節速率也比較緩慢，以免對系統造成大的擾動。

使用電流平衡回路必須注意的是平衡量引入退出時的切換問題。當兩臺設備只有一臺處于自動控制狀態或兩臺均處于手動時電流平衡回路是不起作用的。當兩臺設備均處于自動控制狀態時，電流平衡回路進入工作狀態，電流平衡回路PID根據兩臺設備的電流大小自動調節兩臺設備的出力。這時若有任意一臺設備的電流變壞質量，則電流平衡回路不再繼續計算，但是電流平衡回路偏置并不是歸零，而是保持在當前值。如果有任意一臺設備退出自動狀態，則電流平衡回路的PID應從當前值以一定的速率緩慢變到零，這個速率一定不能設定的太快，否則會引起擾動。

1.3 輸出和電流平衡

輸出平衡回路與電流平衡回路分別有各自的特點，輸出平衡回路使得操作員能夠非常方便的對兩臺設備進行調整而不對整個系統產生影響；而電流平衡回路則能夠在設備均處于自動的情況下對設備的出力進行隨時的調整，使得兩臺設備之間的出力能夠始終保持大致的平衡。為了結合這兩種設計各自的優點，有的電廠在熱工控制系統中采取了輸出平衡+電流平衡回路的設計，以送風機系統為例其原理圖如圖3所示。

圖3 輸出+電流平衡回路邏輯

2 平衡回路與R B的關系

當機組由于某臺重要設備跳閘而快速減負荷時（RB），為了快速彌補跳閘設備對系統造成的影響，沒有發生跳閘的另一臺設備需要在最快的時間內迅速翻轉至允許的最大開度。以送風機為例，對于設計有輸出平衡回路的系統來說，當一臺風機跳閘時，其平衡回路會將該跳閘風機在跳閘前瞬間的開度迅速疊加到另一臺設備上，從而使得另一臺風機的輸出等于兩倍的PID調節器的輸出。然而由于在發生RB時，機組的負荷一般較高，風機調節PID的輸出一般會大于50%，而風機的最大開度不能超過100%，這樣就使得仍在運行的風機開度會始終保持在100%的開度上，直到隨著機組負荷的下降，風機調節PID的輸出降至小于50%后，運行風機的輸出才會從全開的位置逐漸關小。對整個系統而言，就產生了一種類似于積分飽和的問題，即在風機調節器PID的輸出小于50%之前，風機由于始終被鉗制在全開的位置從而不能參與系統的調節，這對整個系統而言是很不利的。針對這個問題，不同廠家的D CS其解決的方式有所不同。在ABBBA ILI的CO M POSER系統中，由于PID控制器的上下限是可以在線調整的，所以當發生RB時，可以將其調節控制器PID的上限減少至RB前的50%，則上訴問題可以避免，其原理圖如圖4所示。

而在O VA TION的控制系統中，由于PID調節器的上下限不能在線調整，所以需要增加邏輯，以送風機系統為例其原理圖如圖5所示。

從圖中可以看出，當任一臺送風機跳閘時，通過閥門產生一個脈沖，使得在短暫的脈沖時間內，切換塊T塊的輸出切換為送風機調節器PID輸出上限的一半（假使為A/2）。而這個輸出在經過平衡模塊后，由于平衡模塊的作用會被還原為送風機調節器PID的上限值（即A）。由于O VATION控制系統具有向上跟蹤的功能，所以在脈沖期間，送風機調節器PID的輸出會自動跟蹤切換塊的輸出從而保持在送風機調節器PID輸出上限的一半（即A/2），當脈沖過后，則送風機調節器PID被釋放，其輸出可以根據被調量的情況而改變，從而避免了積分飽和的情況。

圖4 平衡回路與R B-C O M PO SE R

圖5 平衡回路與R B-O V ATIO N

圖6 小機出力判斷條件

3 給煤機與給水泵等特殊回路的設計

給煤機采用主M A站跟蹤最大給煤機輸出的策略。由于給煤機的臺數多（一般4-6臺），所以不設置平衡回路，只有單臺設備的獨立偏置。這種只設偏置的回路與設有平衡回路的系統的最大不同在于當加減一臺處于手動狀態的設備輸出或者是通過改變處于自動狀態的設備的偏置時，其他的設備并不會作反方向的調整從而使得對整個系統的影響最小，而是通過PID調節輸出來改變其他設備的輸出，最終達到總的輸出不變。對于給煤機系統之所以這樣設計是因為給煤機臺數多，如果設計平衡回路將比較復雜，而且由于給煤系統調節十分迅速，在一臺給煤機改變出力后，在給煤量調節器PID的調節作用下，其它給煤機可以非常快速的進行反方向調整，從而對系統不會造成大的影響。

現有的給水泵系統一般都設置有流量平衡回路，在兩臺小機都投入自動且出口流量都是好品質的情況下對兩臺小機的出口流量自動調整。給水泵系統由于水的剛性一般不適合設計輸出平衡回路，因為若兩臺小機的輸出差別太大容易發生搶水現象。所以很多電廠的給水控制系統中都只在流量平衡回路的基礎上對每臺小機再增加一個獨立偏置，其作用與給煤機的獨立偏置類似，主要是為了防止在小機投入自動控制時產生擾動。該偏置在小機投入自動后可以保留，也可以按一定速度收為零。

不過也有個別電廠為了操作員調整方便對給水系統設計了輸出平衡回路，但需對小機的出力條件進行判斷，因為小機運行后并不代表其已經對系統產生了影響。判斷條件如圖6所示[2]。

從圖6中可以看出，判斷小機是否真正并入系統的條件不僅是該小機在運行，而是要求對應小機的出口門打開且小機出口壓力要稍稍大于給水母管壓力。而只有在小機真正并入系統后，小機的輸出指令才能進入平衡回路從而對另一臺小機產生影響。

4 結語

平衡回路的設計在熱工自動控制系統中具有重要的作用。縱觀各個電廠，各個電廠根據自身的特點設計有不同的回路。雖然平衡回路的設計種類很多且有一些變化的形式，但在現有的文獻中卻很少有相關的報道。在總結各個不同型號的機組熱工控制系統的基礎上，對平衡回路的三種形式進行了歸納與整理，即輸出平衡，電流平衡與輸出+電流平衡；然后對平衡回路如何與R B邏輯配合使用的問題進行了總結。最后介紹了在給煤機與給水泵等特殊回路中如何使用平衡回路或偏置。希望能對熱工人員在以后的組態設計工作中有所參考。

[1]張建江.浙江嘉興電廠三期工程#7機組邏輯組態[R].杭州意能電力有限公司，2011.

[2]陳小強.浙江北侖電廠三期工程#6機組邏輯組態[R].杭州意能電力有限公司，2009.

Logic and Design of the Balance Loop in the Control System of Power Plant

YU Xiao-min，ZHU Guang-chang，ZHANG e
（Huadian Electric Power Research Institute of Zhongnan Branch，Wuhan 430062，China）

Balance loop is widely used in the controlsystem of the power plant.The purpose of balance loop is to balance the outputofthe equipm entsin pairlike fansand feederwaterpum p.Asthe standard forbalance loop isnotavailable, so the design for itis variable.This article sorted allthe kinds ofdesign for balance loop which is used in differentpow er plants,sum m arized the charactersofdifferentdesignswith hope thatitcan provide som e reference forthe late design.

balance loop；logic；design；power plant

TM 621.6

B

2095-3429（2017）02-0026-04

2017-02-13

修回日期:2017-03-28

余小敏（1978-），男，湖北荊州人，碩士，高級工程師，主要從事火電廠熱工控制及保護方面的工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.006