基于PLC技術(shù)的機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

姚儀遵

（桂林電子科技大學(xué) 廣西桂林 536000）

機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是熱電廠機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞系統(tǒng)，在熱電廠的運(yùn)作過程中發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前隨著國內(nèi)電力需求的變化，熱電廠的機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也需要進(jìn)行整體的運(yùn)作優(yōu)化，才能夠日益增長的電力需求。本文基于筆者的實際工作調(diào)查，對某熱電廠的實際機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，幫助系統(tǒng)進(jìn)一步滿足機(jī)組啟動和停止時的滑壓運(yùn)行和定壓運(yùn)行的需求。

一、案例分析

某熱電廠隸屬某油田電力集團(tuán)，該集團(tuán)下轄若干油田電力廠、熱電廠、燃機(jī)電廠、設(shè)計院等企業(yè)，該集團(tuán)年供電能力100億kW·h，年發(fā)電能力30億千瓦時，年供電能力1800萬GJ，是當(dāng)?shù)氐凝堫^企業(yè)。某熱電廠隸屬該集團(tuán)四座發(fā)電場之一，負(fù)責(zé)周邊區(qū)域居民的熱電需求，總裝機(jī)容量150MW，供熱能力達(dá)1100萬GJ。某熱電廠150MW機(jī)組機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，是該熱電廠整體運(yùn)行的關(guān)鍵，能夠確保在準(zhǔn)確滿足負(fù)荷的前提下提高機(jī)組機(jī)爐的穩(wěn)定性，但該機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的適用情況是滿負(fù)荷穩(wěn)定工況。如果相關(guān)工況發(fā)生了變化，機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)就無法做到快速滿足需求。該問題已經(jīng)為某熱電廠的機(jī)組運(yùn)行帶來了一定的經(jīng)濟(jì)問題。基于某熱電廠的實際需求，筆者計劃從兩個方面來對已有系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

（一）送風(fēng)量測量方面

在送風(fēng)量測量方面，筆者計劃利用網(wǎng)格法提高氣體流量測量的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的氣體流量測量方法往往需要光滑的內(nèi)壁和較長的直管段才能最大程度地提高其準(zhǔn)確性，這在電廠鍋爐的風(fēng)煙道中無法做到。因此，傳統(tǒng)氣體流量測量的結(jié)果有著一定程度的誤差。而網(wǎng)格法能夠很好地減小這類誤差。網(wǎng)格法顧名思義就是在堤岸廠鍋爐的風(fēng)煙道內(nèi)設(shè)置多個測量點，進(jìn)而得到風(fēng)煙道內(nèi)的氣體平均流速，基于次數(shù)據(jù)來對氣體流量測量結(jié)果加以修正。當(dāng)前利用網(wǎng)格法的相關(guān)技術(shù)有防堵陣列式風(fēng)量測量技術(shù)，能夠很好地實現(xiàn)上述構(gòu)想，在防粉塵阻塞的同時提高測量準(zhǔn)確度。同時，應(yīng)用于該技術(shù)的測量裝置能夠?qū)ψ陨淼幕覊m情況進(jìn)行快速清除，最大程度減小因壓損而出現(xiàn)的誤差。筆者依據(jù)該熱電廠的實際經(jīng)濟(jì)情況，計劃采用防堵陣列式風(fēng)量測量技術(shù)來對現(xiàn)有的測量結(jié)果加以優(yōu)化；同時加裝配套的硬件和軟件設(shè)施，對該裝置進(jìn)行智能化設(shè)置，進(jìn)而滿足某熱電廠的實際需求。[1]

（二）熱值方面

傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略針對煤質(zhì)的不同沒有進(jìn)行有效的區(qū)別，進(jìn)而對熱值沒有進(jìn)行精準(zhǔn)性的測量，降低了系統(tǒng)的適用性。針對不同的煤質(zhì)來對現(xiàn)有的煤種進(jìn)行智能化處理，其原理在于通過鍋爐主控指令，來對給煤量反饋信號進(jìn)行智能化的識別，進(jìn)而對后續(xù)的鍋爐出力進(jìn)行選擇。如果鍋爐主控指令檢測到實際的蒸發(fā)量比設(shè)計蒸發(fā)量小，說明鍋爐內(nèi)的實際煤種其發(fā)熱量低于設(shè)計煤種；如果鍋爐主控指令檢測到實際的蒸發(fā)量比設(shè)計蒸發(fā)量大，說明鍋爐內(nèi)的實際煤種其發(fā)熱量高于設(shè)計煤種。筆者針對實際結(jié)果來建立相關(guān)的模型，進(jìn)而得出相應(yīng)熱值校正模型，對測量結(jié)果加以修正。

（三）窄間隙氣機(jī)控制

窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)顧名思義，是指在窄間隙環(huán)境下所使用的一種特殊控制技術(shù)。當(dāng)前，很多行業(yè)領(lǐng)域的控制環(huán)境相對狹窄，傳統(tǒng)的控制技術(shù)在其中施展不開。而運(yùn)用窄間隙氣機(jī)控制接技術(shù)就能夠很好地解決上述問題。窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的具體步驟如下：首先是控制前的準(zhǔn)備，控制前需要將被焊工件進(jìn)行相應(yīng)的坡口加工，同時確保坡口符合整體窄間隙的應(yīng)用范圍；然后是在控制過程中把母材和熱絲電源的負(fù)極相連，把送絲管和氣機(jī)與正極相連并加熱；這時氣機(jī)會出現(xiàn)相應(yīng)的融化現(xiàn)象，利用融化的氣機(jī)將母材進(jìn)行部分熔化，最后完成控制。需要注意的是，在控制過程中母材的融化是通過激光光束進(jìn)行，因此需要對熔池和焊縫進(jìn)行惰性氣體防護(hù)工作，確保窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的順利進(jìn)行。[2]

1.窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)優(yōu)勢

通過對上述窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的過程研究，我們可以看出窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)具有如下優(yōu)點：

第一是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)能夠有效減少傳統(tǒng)熱絲焊過程中的浪費(fèi)情況，一方面基于控制材料設(shè)計了相應(yīng)的窄間隙坡口，能夠根據(jù)材料的填充自由進(jìn)行尺寸設(shè)計，另一方面此類設(shè)備還配備專門的送絲機(jī)構(gòu)，在提高控制效率的同時能夠有效地降低控制過程中的變形風(fēng)險；第二是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)采用了非激光加熱的方式，而是采取電阻加熱的模式，相對傳統(tǒng)的激光加熱能夠明顯提高整體控制工作的效率；第三是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)中的激光應(yīng)用能量密度較大，能夠快速完成控制，從而減小實際的影響區(qū)域，提升整體控制過程的質(zhì)量；第四是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)能夠針對不同情況來調(diào)整不同成分的氣機(jī)，進(jìn)而提升整體的控制質(zhì)量；第五是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)能夠有效地降低控制過程的精度要求。因為傳統(tǒng)激光熱熔焊作用的工件和裝配間隙較大，而激光整體的作用范圍較小，所以很容易出現(xiàn)激光能量溢出的情況，對于操作者有著一定程度的精度要求。而窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)在控制過程中能夠加入相應(yīng)的氣機(jī)，有效地減小激光能量的使用頻率，進(jìn)而降低了相應(yīng)的精度要求；第六是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)整體采用的激光器高達(dá)千瓦級，就算是厚板也能夠進(jìn)行作業(yè)，同時不需要擴(kuò)大焊縫的熔深就能夠直接進(jìn)行控制，對于我國激光控制技術(shù)的進(jìn)一步推廣有著積極意義。

2.窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)缺點

窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)在我國的應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模，但也暴露出了不少的問題，具體可以分為如下幾個方面：

首先是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的溫度控制問題。基于氣機(jī)的實際作用尺寸，窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)采用了電阻加熱的方式對氣機(jī)進(jìn)行加熱，但是對于電阻加熱的溫度控制就成為了該技術(shù)的主要問題。如果溫度過高會使氣機(jī)直接失去原有特性，而溫度較低則會導(dǎo)致氣機(jī)無法進(jìn)行能量的合理分配，進(jìn)而降低整體控制質(zhì)量。

其次是坡口的側(cè)壁和層間的融合問題。窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的參數(shù)一旦不符合世紀(jì)控制的標(biāo)準(zhǔn)，或者是坡口的尺寸和層面清潔出現(xiàn)問題，就很容易導(dǎo)致破口的側(cè)壁和層間出現(xiàn)融合問題。因此，在實際控制過程中需要反復(fù)校對破口的尺寸、清潔度和相應(yīng)的工藝參數(shù)，才能保證整體控制結(jié)果的質(zhì)量。

再次是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的控制氣孔問題。窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的控制氣孔只能通過改變離焦量進(jìn)行減小，但如果將此類技術(shù)應(yīng)用到氣機(jī)填接或者深熔焊方面，控制氣孔就很容易出現(xiàn)問題。

最后是窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)的送絲送氣問題。窄間隙氣機(jī)控制技術(shù)在控制過程中需要持續(xù)進(jìn)行氣機(jī)和保護(hù)氣體的送入，這就對坡口的尺寸提出了考驗。同時，坡口的尺寸還決定了層面清理的難度，如果破口尺寸較小，就很容易出現(xiàn)清理難度較大的情況。[3]

二、機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

（一）氣機(jī)系統(tǒng)分析及主控邏輯優(yōu)化

汽機(jī)主控是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與數(shù)字電液控制系統(tǒng)的連接部分，可手動增減數(shù)字電液控制系統(tǒng)指令改變汽輪機(jī)負(fù)荷。為了增加機(jī)組的穩(wěn)定性，筆者在汽機(jī)主控程序中新設(shè)計了主汽壓力拉回回路，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，推薦壓力偏差輔助調(diào)節(jié)功能塊F（X）參數(shù)，參考該參數(shù)制定F（X）功能塊曲線函數(shù)規(guī)則。即主汽壓力控制偏差超過±0.4MPa時，汽機(jī)主控在控制機(jī)組負(fù)荷的同時會協(xié)助鍋爐主控控制主汽壓力，根據(jù)壓力偏差對應(yīng)修正負(fù)荷偏差的函數(shù)關(guān)系，利用汽機(jī)主控對鍋爐側(cè)進(jìn)行輔助調(diào)壓。

F（X）的功能邏輯表現(xiàn)為：輸入主蒸汽壓力偏差信號，在慣性環(huán)節(jié)對信號進(jìn)行處理，然后通過F（X）功能塊來對處理過的信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，得出負(fù)荷偏差信號，進(jìn)而輸入汽機(jī)主控控制功能塊中進(jìn)行調(diào)整，最后利用來數(shù)據(jù)來輔助調(diào)壓。

依據(jù)系統(tǒng)特性曲線及歷史數(shù)據(jù)，推薦負(fù)荷指令與汽機(jī)主控輸出參數(shù)。其中，汽機(jī)主控輸出為汽機(jī)主控程序依據(jù)負(fù)荷指令向數(shù)字電液控制系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，控制汽機(jī)側(cè)設(shè)備。負(fù)荷指令為0MW時，汽機(jī)主控輸出為0%，負(fù)荷指令為330MW時，汽機(jī)主控輸出為100%。

基于上述測量結(jié)果，筆者認(rèn)為應(yīng)該在PID模塊的設(shè)定值上增加慣性環(huán)節(jié)，進(jìn)入PID負(fù)荷指令信號增加慣性處理回路；同時，在3個功率實測信號的中值選擇信號處，增加慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波處理，降低干擾。

（二）鍋爐系統(tǒng)分析及主控邏輯優(yōu)化，

在鍋爐系統(tǒng)分析及主控邏輯優(yōu)化方面，首先需要依據(jù)相關(guān)符合，在鍋爐主控針對壓力偏差的積分和比例部分給出測定的基本值。然后主蒸汽壓力偏差變化率對鍋爐主控修正，主蒸汽壓力偏差的變化率乘以一個系數(shù)加入鍋爐主控修正量，減小鍋爐的主蒸汽壓力波動，使控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。最后需要機(jī)組負(fù)荷指令對鍋爐主控輸出的前饋控制，對此作用進(jìn)行加強(qiáng)，同時加強(qiáng)鍋爐變負(fù)荷過程中對鍋爐主控的動態(tài)增加量。

（三）燃料系統(tǒng)分析及主控邏輯優(yōu)化

燃料主控接收來自鍋爐主控的輸出指令，其下游帶有偏置功能塊對六層給煤機(jī)進(jìn)行控制。查詢機(jī)組常用煤種相關(guān)參數(shù)，了解實際燃燒狀況，并針對問題將燃料主控控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。新增熱值校正回路可以改善由于煤質(zhì)變化帶來的對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)的不適應(yīng)。新增的熱值校正回路，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方式下可以實時、在線、閉環(huán)、后臺運(yùn)行，不需要運(yùn)行人員人工干預(yù)。此外，熱值校正可以克服當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組燃燒煤種的發(fā)熱量擾動對機(jī)組運(yùn)行的干擾。

（四）調(diào)節(jié)方式

由于機(jī)組的直接能量平衡調(diào)節(jié)方式并不能完全補(bǔ)償單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的全部非線性特性，因此，在大范圍變負(fù)荷時，其自適應(yīng)能力不強(qiáng)，主汽壓力跟蹤差。針對以上問題，筆者將原有的直接能量平衡調(diào)節(jié)方式更換為間接能量平衡控制，同時增加其他必要的調(diào)節(jié)手段如自適應(yīng)參數(shù)等先進(jìn)控制策略，增強(qiáng)機(jī)組控制系統(tǒng)在不同工況下、在同一工況下不同煤質(zhì)狀況的適應(yīng)性。[4]

三、總結(jié)

筆者依照后續(xù)的試驗情況，在對機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化之后，該機(jī)組的變得更加的智能化和自動化，負(fù)荷相應(yīng)的速度在加快的同時減小了功率波動，大幅度降低了工作人員的操作量。本次所設(shè)計的相關(guān)方案還需要結(jié)合更多的變量進(jìn)行調(diào)整，筆者在以后的工作生活中也將繼續(xù)深入此方面的研究，為我國當(dāng)前的能源領(lǐng)域發(fā)展做出貢獻(xiàn)。