風(fēng)機(jī)自平衡回路在RB過程中出現(xiàn)的問題分析

楊 玲，王海濤，洪 軍

（皖能馬鞍山發(fā)電有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

在火力發(fā)電廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，存在著許多由同一個(gè)被調(diào)量，其執(zhí)行單元為兩臺(tái)出力完全相同的設(shè)備組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如鍋爐引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)等。此類控制系統(tǒng)均要考慮單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行和兩臺(tái)設(shè)備均運(yùn)行時(shí)不同工況的調(diào)節(jié)變增益問題，還要考慮一臺(tái)設(shè)備投入自動(dòng)或兩臺(tái)設(shè)備均在自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)的設(shè)備總出力自動(dòng)平衡問題，此類功能一般由輸出自動(dòng)平衡回路來實(shí)現(xiàn)。此種平衡控制功能因組態(tài)簡單、功能完善而廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)熱工控制過程，但該平衡回路存在特殊工況（如RB）時(shí)易發(fā)生控制飽和且相應(yīng)的解決方法不完善等問題，造成實(shí)際的RB 動(dòng)作過程異常，嚴(yán)重時(shí)危及機(jī)組運(yùn)行安全，必須對該自平衡控制功能進(jìn)行進(jìn)一步的完善優(yōu)化，使其適應(yīng)各種工況下的控制要求。

1 自動(dòng)平衡回路原理分析

目前，在發(fā)電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的兩設(shè)備自平衡輸出環(huán)節(jié)，其典型控制原理圖如圖1。

圖1 典型自平衡控制原理圖Fig.1 The typical self balancing control principle diagram

該平衡回路需要實(shí)現(xiàn)的功能有：當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備操作器都在自動(dòng)控制方式時(shí)，如果出現(xiàn)了兩側(cè)出力不平衡的情況（如電機(jī)、擋板特性差異造成的風(fēng)壓、電流不平衡等），操作員可通過設(shè)置BIAS 對兩臺(tái)設(shè)備出力進(jìn)行偏置。當(dāng)一側(cè)設(shè)備出力增加時(shí)，另一側(cè)設(shè)備出力會(huì)對應(yīng)地減小，通過兩側(cè)設(shè)備同時(shí)反向動(dòng)作，在調(diào)整兩側(cè)出力平衡的同時(shí)，保持兩臺(tái)設(shè)備的總出力始終不變，以避免給被調(diào)量帶來擾動(dòng)[1]；當(dāng)只有一臺(tái)設(shè)備在自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，平衡回路能自動(dòng)增大調(diào)節(jié)器的增益以適應(yīng)執(zhí)行單元數(shù)量的變化。同時(shí)，當(dāng)手動(dòng)設(shè)備出力改變時(shí)，自動(dòng)設(shè)備能對應(yīng)變化以保持總出力不變，避免給被調(diào)量帶來擾動(dòng)[2]。處于手動(dòng)的控制站，其調(diào)節(jié)指令能跟蹤該設(shè)備操作輸出，以保證控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)之間的雙向無擾切換。

下面通過計(jì)算分析不同工況下平衡回路實(shí)現(xiàn)上述功能的工作原理：

1）當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均在手動(dòng)時(shí)，甲執(zhí)行器輸出指令A(yù) 和乙操作器輸出指令B 均由操作員通過手操器進(jìn)行手動(dòng)操作。此時(shí)，調(diào)節(jié)器處于跟蹤狀態(tài)。

甲執(zhí)行器調(diào)節(jié)指令：

乙執(zhí)行器調(diào)節(jié)指令：

可以得出，此時(shí)兩臺(tái)設(shè)備的調(diào)節(jié)指令均跟蹤實(shí)際操作輸出指令。

2）當(dāng)一側(cè)執(zhí)行器投入自動(dòng)運(yùn)行而另一側(cè)執(zhí)行器手動(dòng)運(yùn)行時(shí)（如甲側(cè)執(zhí)行器自動(dòng)，乙側(cè)執(zhí)行器手動(dòng)），此時(shí)A 指令即為調(diào)節(jié)指令a，既A=a，B 指令仍由操作員操作。此時(shí)調(diào)節(jié)器處于正常調(diào)節(jié)狀態(tài)，調(diào)節(jié)指令Y 控制被調(diào)量跟蹤設(shè)定值。

此時(shí)，甲側(cè)輸出指令A(yù) 為兩倍的調(diào)節(jié)指令減去乙側(cè)輸出指令B。由于單側(cè)投自動(dòng)，其自動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)出力減半，調(diào)節(jié)增益變?yōu)閮稍O(shè)備均投入自動(dòng)時(shí)的兩倍，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)變增益功能。由式（3）還可以看出，當(dāng)操作員手動(dòng)改變乙側(cè)執(zhí)行器開度時(shí)，甲側(cè)執(zhí)行器會(huì)反向動(dòng)作，以保持設(shè)備總出力不變，避免給被調(diào)量帶來擾動(dòng)。

而此時(shí)乙執(zhí)行器調(diào)節(jié)指令：

可以看出，此時(shí)乙側(cè)調(diào)節(jié)指令b 仍然跟蹤操作指令B，保證了手自動(dòng)切換時(shí)的無擾。

3）當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均在自動(dòng)時(shí)：

此時(shí)兩側(cè)執(zhí)行器均作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)，共同控制被調(diào)量跟蹤設(shè)定值，其增益恢復(fù)為1 倍。當(dāng)兩側(cè)設(shè)備出現(xiàn)出力不平衡時(shí)，操作員可以通過增加偏置BIAS，來增加甲執(zhí)行器輸出減小乙執(zhí)行器輸出。反之亦然，以平衡兩側(cè)設(shè)備的出力水平。

兩設(shè)備平衡回路解決了調(diào)節(jié)過程增益自適應(yīng)問題，可以在各種運(yùn)行工況下提供操作手段使兩測設(shè)備出力平衡，并實(shí)現(xiàn)了各種運(yùn)行工況下的無擾動(dòng)切換，結(jié)構(gòu)簡單直觀，在電力工程中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著DCS 系統(tǒng)的不斷升級，很多DCS 系統(tǒng)針對兩設(shè)備甚至多設(shè)備并列運(yùn)行的工況開發(fā)出了專門的平衡功能塊，使用戶在使用上更加便利，其內(nèi)部運(yùn)算機(jī)理均與圖1平衡回路相似。

2 RB過程中自平衡回路出現(xiàn)的飽和問題及解決方法

在發(fā)電廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)試和試驗(yàn)過程中，也發(fā)現(xiàn)了該平衡回路本身存在特殊工況下的控制飽和問題，如送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)RB 發(fā)生故障時(shí)，平衡回路出現(xiàn)調(diào)節(jié)飽和將會(huì)使調(diào)節(jié)過程變得十分遲緩，控制參數(shù)嚴(yán)重超調(diào)，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來隱患。

在國內(nèi)某超臨界火力發(fā)電機(jī)組調(diào)試中，在對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行RB 試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)一側(cè)風(fēng)機(jī)跳閘后，運(yùn)行側(cè)風(fēng)機(jī)靜葉快速開至最大限位（90%開度）[3]，同時(shí)爐膛壓力快速上升至530Pa。隨著鍋爐燃料量快速下降至50%負(fù)荷對應(yīng)燃料量，爐膛壓力也快速下降，但負(fù)壓調(diào)節(jié)變化十分遲緩，運(yùn)行側(cè)引風(fēng)機(jī)靜葉始終保持在90%，爐膛壓力持續(xù)下降至-730Pa后，靜葉才逐漸關(guān)閉，爐膛壓力也逐漸恢復(fù)至正常值。試驗(yàn)后，分析造成調(diào)節(jié)動(dòng)作遲緩的原因，發(fā)現(xiàn)正是由于風(fēng)機(jī)自平衡回路出現(xiàn)飽和造成了上述現(xiàn)象。具體分析計(jì)算如下（以乙側(cè)引風(fēng)機(jī)跳閘為例）：

當(dāng)機(jī)組正常滿出力運(yùn)行時(shí)，甲、乙側(cè)引風(fēng)機(jī)均在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)甲側(cè)引風(fēng)機(jī)靜葉輸出指令A(yù)=Y +BIAS，乙側(cè)引風(fēng)機(jī)靜葉輸出指令B=Y-BIAS。當(dāng)乙側(cè)引風(fēng)機(jī)跳閘后，乙側(cè)靜葉擋板超馳全關(guān)且切為手動(dòng)。由式（3）可知，此時(shí)甲側(cè)靜葉擋板指令A(yù)=2Y-B，由于B 迅速下降為零，則A=2Y。由于機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)指令Y 基本都會(huì)遠(yuǎn)大于50（具體與引風(fēng)機(jī)出力相關(guān)），風(fēng)機(jī)跳閘瞬間調(diào)節(jié)指令Y=50+Δ（Δ 區(qū)間為0～50），則A=2Y=100+2Δ，超出了引風(fēng)機(jī)靜葉上限（為了便于分析，假設(shè)風(fēng)機(jī)擋板上限為100）2Δ，則引風(fēng)機(jī)靜葉飽和區(qū)間=2Δ，此區(qū)間最大可以達(dá)到100（在實(shí)際運(yùn)行中，由于需要預(yù)防引風(fēng)機(jī)電機(jī)過流[4]，一般靜葉上限會(huì)設(shè)定得更小，但飽和區(qū)間仍保持不變），必造成調(diào)節(jié)恢復(fù)過程的遲緩。具體過程為：乙側(cè)風(fēng)機(jī)跳閘，其靜葉擋板全關(guān)，則甲側(cè)靜葉擋板快速開啟至上限。由于此時(shí)調(diào)節(jié)指令為50+Δ，則甲側(cè)靜葉的實(shí)際調(diào)節(jié)指令為100+2Δ，已處于過飽和狀態(tài)。隨著負(fù)荷下降，爐膛負(fù)壓逐漸恢復(fù)，調(diào)節(jié)指令也逐漸下降，但由于此時(shí)指令仍在飽和區(qū)，所以甲側(cè)靜葉仍將保持全開位，一直要等到調(diào)節(jié)指令下降幅度超過Δ 后，擋板才能脫離飽和區(qū)間進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過程，靜葉才能逐漸關(guān)閉，控制爐膛負(fù)壓至設(shè)定值。至于飽和時(shí)間的長短和飽和區(qū)間的大小，具體的風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況和調(diào)節(jié)參數(shù)有關(guān)。該飽和過程極大地影響了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，延長了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，造成了系統(tǒng)的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)的振蕩，對機(jī)組的安全運(yùn)行十分不利，必須找到相應(yīng)的解決辦法。經(jīng)過分析，造成該飽和現(xiàn)象的根本原因是由于平衡回路的存在。當(dāng)RB 發(fā)生時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)指令已和設(shè)備實(shí)際出力產(chǎn)生了很大的偏差，只要能在出現(xiàn)該偏差時(shí)讓調(diào)節(jié)指令快速和設(shè)備出力相匹配，就能解決該問題。本文設(shè)計(jì)了在RB 剛發(fā)生時(shí)讓調(diào)節(jié)指令快速跟蹤實(shí)際的操作指令（實(shí)際設(shè)備出力水平），實(shí)現(xiàn)讓飽和區(qū)快速降為零，通過增加在RB 發(fā)生后調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤脈沖回路，能夠解決上述問題。具體邏輯如圖2。

圖2 自平衡回路抗飽和功能組態(tài)圖Fig.2 Configurartion diagram of anti-saturation function of self balancing circuit

當(dāng)引風(fēng)機(jī)RB 發(fā)生后，運(yùn)行引風(fēng)機(jī)擋板指令到上限且跳閘引風(fēng)機(jī)擋板指令到零。此時(shí)發(fā)出1s 脈沖讓調(diào)節(jié)器跟蹤輸出指令，跟蹤脈沖觸發(fā)前甲側(cè)靜葉調(diào)節(jié)指令a=2Y=100+2Δ，此時(shí)實(shí)際操作指令A(yù) 為上限值，最大為100%。當(dāng)跟蹤脈沖發(fā)出后，調(diào)節(jié)指令快速跟蹤實(shí)際的操作指令，則Y=。假設(shè)A 此時(shí)為90%，則Y 快速跟蹤為45%，做到了與實(shí)際運(yùn)行擋板指令相匹配，完全脫離了飽和區(qū)間而進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過程。邏輯修改完成后，對該回路做了靜態(tài)試驗(yàn)，過程如圖3。

圖3 自平衡回路抗飽和功能驗(yàn)證試驗(yàn)曲線Fig.3 Validation test curve of anti-saturation function of self balancing circuit

從圖3中可以看出，過程初始狀態(tài)3 個(gè)信號均為70%。當(dāng)乙側(cè)引風(fēng)機(jī)跳閘后，其靜葉輸出指令快速下降至零，甲側(cè)靜葉輸出指令快速上升至上限值90%（為了防止靜葉擋板過快的變化不利于爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定，在輸出回路增加了限速環(huán)節(jié)）。當(dāng)圖3條件滿足后，發(fā)出調(diào)節(jié)跟蹤信號，調(diào)節(jié)輸出指令快速跟蹤為兩臺(tái)靜葉輸出指令之和的平均值45%。該過程說明增加的環(huán)節(jié)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，解決了RB工況時(shí)的調(diào)節(jié)飽和問題。

3 一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作異常過程分析

風(fēng)機(jī)自平衡回路的抗飽和功能可以有多種組態(tài)方法，但在實(shí)際應(yīng)用中還是經(jīng)常出現(xiàn)由于研究不充分、策略不完善等原因?qū)е逻^分強(qiáng)調(diào)抗飽和功能而影響自平衡正常功能的實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)危及機(jī)組異常工況時(shí)的運(yùn)行安全性。

某超臨界660MW 機(jī)組配置兩臺(tái)50%Pe 出力動(dòng)葉可調(diào)型一次風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)控制回路設(shè)計(jì)有風(fēng)機(jī)自平衡功能，并加入了抗飽和邏輯，但由于邏輯組態(tài)不合理，造成了在RB 過程中風(fēng)機(jī)動(dòng)葉控制異常。

3.1 一次風(fēng)機(jī)RB過程

圖4為該廠一次風(fēng)機(jī)RB 動(dòng)葉動(dòng)作過程曲線。

圖4 某電廠一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作過程曲線Fig.4 Action process curve of RB operation of power plant

從第1 章的敘述可以看出，具備自平衡調(diào)節(jié)功能的風(fēng)機(jī)動(dòng)葉在一側(cè)風(fēng)機(jī)跳閘后，運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉應(yīng)能迅速開啟至上限值（設(shè)置上限值是為防止風(fēng)機(jī)過電流[5]），使運(yùn)行風(fēng)機(jī)出力至最大后，再進(jìn)入正常的調(diào)節(jié)過程，確保機(jī)組運(yùn)行安全的有效手段。

從圖4可以看出，當(dāng)B 一次風(fēng)機(jī)跳閘后，A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉卻由67%關(guān)小至39%（過程時(shí)間為14.5s）后，才逐漸開大至62%，進(jìn)入正常的調(diào)節(jié)過程，導(dǎo)致一次風(fēng)壓快速減小且持續(xù)時(shí)間較長。操作員及時(shí)將A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉切為手動(dòng)，才沒有發(fā)生一次風(fēng)壓過低而引發(fā)機(jī)組跳閘事故[6]。

3.2 過程分析

通過對一次風(fēng)機(jī)控制邏輯檢查，繪制該廠一次風(fēng)機(jī)自平衡功能組態(tài)圖如圖5。

圖5 某電廠一次風(fēng)機(jī)自平衡回路組態(tài)圖Fig.5 Self-balancing configuration diagram of primary air blower in power plant

該平衡回路功能架構(gòu)和第1 章所述基本相同，不同的是為了防止平衡回路的飽和問題，增加了調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)上限功能，設(shè)置調(diào)節(jié)器上限為兩臺(tái)風(fēng)機(jī)指令之和的平均值加5，目的是通過限制調(diào)節(jié)器指令始終在兩臺(tái)風(fēng)機(jī)平均指令附近，以縮短飽和區(qū)間的方式防止出現(xiàn)控制深度飽和現(xiàn)象，但該策略不太完善，已經(jīng)影響了平衡回路的正常功能。同時(shí)，為了操作便利在偏置功能輸出增加了速率限制功能。該速率塊由于觸發(fā)條件不完善，也影響了平衡回路的正常功能。具體分析如下：

設(shè)速率限制器V1（速率參數(shù)3/s）前調(diào)節(jié)指令為Y0，V1 后指令為Y；速率限制器V2（速率參數(shù)1/s）前偏置指令為BIAS0，V2 后指令為BIAS。

當(dāng)RB 發(fā)生時(shí)，有A=67，B=0，BIAS=BIAS0=0，Y=Y0=67。

RB 發(fā)生第1s，有Y0=PID 上限=A/2+5=38.5，Y=67-3=64，BIAS0=(A+B)/2=33.5，BIAS=1，則A=Y+BIAS=64+1=65。

RB 發(fā)生第2s，Y0=65/2+5=37.5，Y=64-3=61，BIAS=2，則A=61+2=63。

可以看出，RB 發(fā)生后B 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉全關(guān)，A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令并沒有快速開啟反而逐漸下降。下面通過計(jì)算，推導(dǎo)出A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉RB 后，先下降再上升的過程。

假設(shè)t 秒時(shí)，A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉停止下降過程，則有Y0=Y，即：

聯(lián)立式（6）、式（7），解二元方程，得t=14.25(S)，A=38.5（%）。

計(jì)算得出RB 發(fā)生14.25s 后，A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令最低下降至38.5%后，開始逐漸上升進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過程。理論計(jì)算過程和圖5實(shí)際動(dòng)作過程相同，說明理論推導(dǎo)過程完全正確。

3.3 預(yù)防措施

從上述分析可以看出，由于風(fēng)機(jī)自平衡功能存在缺陷，造成A 一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉RB 時(shí)動(dòng)作異常，只是由于RB 發(fā)生時(shí)機(jī)組負(fù)荷還不是太高而且操作員及時(shí)干預(yù)將A 一次風(fēng)機(jī)切為手動(dòng)才沒有發(fā)生更嚴(yán)重的后果，必須對風(fēng)機(jī)RB 及自平衡功能進(jìn)行優(yōu)化完善，按照第2 節(jié)闡述的組態(tài)方法對該機(jī)組相關(guān)邏輯優(yōu)化后，并進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，一次風(fēng)機(jī)自平衡功能動(dòng)作正常，從根本上消除了機(jī)組隱患。

4 結(jié)論

風(fēng)機(jī)出力自平衡功能由于結(jié)構(gòu)簡單，具備各種工況下均能保持設(shè)備出力自動(dòng)平衡以及無擾切換等特點(diǎn)在電力工程中應(yīng)用廣泛，但在具體應(yīng)用中必須針對其RB 工況容易發(fā)生調(diào)節(jié)飽和的問題進(jìn)行完善優(yōu)化，才能保證RB 動(dòng)作過程正常穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓、送風(fēng)量、一次風(fēng)壓等受控變量調(diào)節(jié)反應(yīng)快速，過程平穩(wěn)可控，被調(diào)量偏差控制在允許的范圍內(nèi)，確保機(jī)組在異常工況下的運(yùn)行安全性。