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1、浅谈电厂 300MW 机组协调控制系统的优化 摘摘 要要 火电机组热控自动化水平的高低高低，直接反映了企业的安全生产、技术管理水 平的高低。为满足电网资源优化配置的需要，机组 AGC 功能的投运也势在必行。作为 AGC 投运基础的 CCS 能长期稳定运行，不但可以实现机组的最优控制、提高机组的发电 效率及机组运行的可靠性和稳定性，而且可以降低运行人员的劳动强度。因此不断对 CCS 系统及各子系统控制策略进行优化完善，对各系统参数进行调整，可以使 CCS 系统长周期 稳定投运。本文重点介绍平凉电厂 300MW 机组 CCS 协调及子系统控制策略的优化和参数 调整的一些经验。 关键词关键词 300
2、MW 机组 控制策略 调节参数 优化 0 前言前言 随着单元机组容量的增加和发电厂上网竞争的日益激烈，发电厂对机组的安全稳定运行和 经济性要求越来越高，如何优化协调系统及各子系统调节品质，保证机组安全经济、稳定 运行越来越受到人们重视，笔者从事电厂自动控制工作多年，以华能平凉电厂 4*300MW 机组为例，浅谈 300MW 机组协调控制系统的优化的经验。1 平凉电厂设备介绍平凉电厂设备介绍 平凉电厂为 4300MW 燃煤凝汽式机组，锅炉为亚临界自然循环中间再热汽包炉，制粉系 统采用 6 台正压直吹式中速磨，四角切圆燃烧，六层煤粉，三层油。汽机为单轴，双缸双 排汽机组，投产以来，由于控制方式多、
3、调节参数配置不好、控制策略等原因，造成协调 控制系统无法长期稳定投入，经过更改控制方式、控制策略、调试系统参数，使得协调控 制系统能够长期稳定投入，并成功投入了 AGC 控制。 2 协调系统控制策略、参数优化协调系统控制策略、参数优化 2.1 原系统控制策略及存在的问题原系统控制策略及存在的问题 平凉电厂采用西屋早期的控制策略，分为：BASE（基本控制方式）、BF（锅炉跟随方式） 、TF（汽机跟随方式）、TF2（过度方式）、CCBF（以锅炉跟随为主的协调控制方式）、 CCTF（以汽机为主的协调控制方式），控制方式多，且各方式切换时设有两秒的保持，增 加了协调逻辑的复杂性。其中 TF2 方式为过
4、度方式，在投入锅炉和汽机主控自动后或机组 发生 RUNBACK 后进入 TF2 方式，在这种方式下汽机控制主汽压力，锅炉控制负荷，汽 机主控器和锅炉主控器之间无协调信号。投入 TF2 控制方式将会造成锅炉主控器只控制负 荷不考虑主汽压，汽机主控器只控制压力不考虑负荷的情况，在机组调节的过程中将出现 锅炉汽机不匹配，引起机组调节的恶化的现象，威胁机组的安全稳定运行。在正常运行时 投入 CCTF 方式，该方式下汽机控制压力，锅炉控制负荷，不能充分利用锅炉的蓄热能量， 负荷响应速度慢且控制效果不好， 图 1 不能满足 AGC 投入要求。2.2 优化优化协调控制协调控制策略策略 采用基于锅炉跟随的协调
5、方式采用基于锅炉跟随的协调方式随着电力体制的改革，各发电公司之间的竞争越来越激烈，电网对电厂的负荷响应速度 要求越来越高，平凉电厂机组自从 2001 年投产以来，一直采用汽机跟随方式的协调控制方 式。该方式汽机主控制主汽压力，锅炉控制负荷，负荷响应速度慢，为了提高机组的负荷 响应速度，取消原设计中的基于汽机跟随方式的协调控制方式，更改为基于锅炉跟随方式， 系统充分利用了汽包的出蓄热能力，大大的提高的机组符合的响应速度。在调节的过程中， 锅炉的响应速度慢，汽机响应速度快，汽机调门的动作势必会引起主汽压力的变化，主汽 压力稳定代表锅炉机组内部的能量平衡，功率代表电网能量的平衡，为了确保机组的稳定，
6、 引入主汽压力和其设定值的偏差信号通过 F（X）函数转化为相应的功率信号去修正汽机主 控器的功率信号，另外增加主汽压力设定值和实际主汽压力信号偏差大于 0.5Mpa 时闭锁 汽机主控器，防止主汽压力设定值和实际值偏差大时由于调整负荷引起主汽压力向恶化的 方向发展。做到了汽机在充分利用了汽包的蓄热能力，提高了机组的负荷响应的同时，又 兼顾了主汽压力的稳定，从而做到了电网和机组内部的能量平衡。 2.3 增加比例的作用，提高锅炉的反应速度，改善调节品质增加比例的作用，提高锅炉的反应速度，改善调节品质 比例-积分-微分（PID）算法是 DCS 系统控制中最常见的控制算法。在 PID 控制里，这个 算法
7、会计算比例，积分，微分的响应和这三者的和，以此来计算真实的输出。平凉发电电 厂采用 PID 算法为：比例的影响：比例的参数取决于误差 E，它是设置点和过程变量的差。比例增益(Kp)是输 出和误差的比值。比如，误差信号的幅值是 10，如果比例增益是 5，那么产生的输出就是 50。一般来说，增加控制系统的比例增益，可以提高系统的响应速度，同时也会降低稳定 误差（也就是设置点和过程变量的差）。尽管如此，如果比例增益太大，那么过程变量就 会开始震荡。如果 Kp 再进一步增加，震荡就会加大，系统就会变得不稳定。 积分的影响：积分参数稳定误差之前，误差和时间的积分。因此，积分响应连续增加时间 直到误差为零
8、。尽管如此，积分的过程有可能会影响系统的过冲，震荡。 微分的影响：PID 算法的微分参数预示了将要出现的误差，因为微分参数的响应是误差变 化的积分。因此，一般来说，微分过程减小了超调和降低了震荡。在另一方面，大部分的 实际控制系统里使用了非常小的微分增益(Td) ，因为微分响应对过程变量信号的噪声非常 敏感。如果反馈回来的过程变量代表的噪声，微分参数就会引起系统的不稳定。 由于锅炉燃烧系统是一个复杂的过程，很难建立一个准确、真实的表现锅炉燃烧特性的数 学模型，根据锅炉模型计算出调节器参数的理论方法有一定的难度，对于调节器来说，一般工程调试方法如下:对于比例控制来说，将增益调到比较小的位置，逐步
9、增大以得到满意 的曲线。 对于比例积分来说，先将积分时间无限大，按纯比例作用正定比例度。得到满意 曲线后，将比例度放大（1020）%，将积分时间由大到小加入，直到获得满意曲线。对于 PID 控制，先将微分时间置零，按照调比例积分控制方法得到满意取先后将比例度将到比 原值小（1020）%位置，适当减小积分时间后，将微分时间逐渐加大，直到获得满意的曲 线。当时对于当前电力市场竞争激烈的情况下,上述调试方法都有一定等风险。笔者从事电 厂现场自动控制多年，终结出了一个实用而且简单的参数调整方法：在机组负荷不变的情 况下，找出煤量和主汽压力的对应关系，即记录煤量的改变量和由于煤量改变引起的锅炉 主蒸汽压
10、力的改变量，同时记录煤量增到最大或下降为最小到主蒸汽压力上升为最大或下 降为最小时间，最为积分时间。根据式设定积分系数为无限大的情况下，即纯比例调节器的情况下，反计算出比例系数，考虑到 积分的作用，实际比例系数为计算出的比例系数的/3。下表 1 和图 2 为投入 AGC 和一次调频后的趋势和相应参数统计表。负荷响应时间设定负荷升速率 实际平均负荷升速率负荷超调量30 秒7MW/MIN4.1MW/MIN1.3MW表 1 图 2 3 系协调子系统控制策略和参数优化系协调子系统控制策略和参数优化 3.1 磨煤机入口风温控制策略和参数优化磨煤机入口风温控制策略和参数优化原平凉 300MW 磨煤机机组采
11、用单回路，由于磨煤机出口温度特性为大惯性控制对象，单 回路很难达到预期的控制效果。加上风量调节过程中，热风调门的动作，对磨出口温度控 制造成了一定的扰动。加大了风温控制的难度。为了克服风温迟后和惯性，采用了磨煤机 入口冷热风混合风温度作为导前温度 2，在热风调门或冷风调门扰动是能提前反映控制作 用。因此用磨煤机入口温度 2 信号构成的串级温度控制系统，可改善磨出口温度的控制质 量，提高控制的快速性，稳定性。如图所示为串级磨煤机出口温度控制系统，只要磨入口温度 2 发生变化，副调节器就去改 变冷风调节挡板的开度，初步维持磨入口温度在一定范围内，起粗调的作用。而磨入口温 度 1 的控制是通过主调节
12、器 PID1 来校正副调节器 PID2 设定值而工作的，只要 1 未达到 给定值，主调节器不断变化，使副调节器不断的去控制冷风调门的开度，直到 1 恢复到给 定值为止。在该串级系统中磨煤机入口温度为内环，作为副环调节器，其主要任务是快速 消除内扰，要求控制过程持续时间短，主调节器的任务是维持磨煤机出口温度 1 的稳定。3.2 在煤主控回路中引入热负荷信号在煤主控回路中引入热负荷信号 平凉发电公司 4 台 300MW 机组制粉系统均采用直吹式，煤主控器接受锅炉主控器的输出 作为指令信号，接受各台给煤机的给煤率总量为反馈信号。煤主控器的输出通过 BALANCE 控制各台给煤机的给煤量，对于直吹式磨
13、来说，进入磨煤机的煤量等于进入炉 膛的煤量。当负荷和主汽压力发生改变时，锅炉主控制输出发生变化，引起煤主控制指令 发生变化，从而改变进入磨煤机的煤量，改变锅炉燃烧率。煤主控器可有效克服煤量扰动， 却无法克服媒质变化引起的扰动，当煤质发生变化时，只有当主汽压变化后才能改变锅炉 主控器的输出，从而改变煤主控器的指令，改变进入炉膛的煤量。因为锅炉是大惯性、迟 滞性环节。造成媒质变化时锅炉主汽压力和负荷控制效果差的现象,为了克服质煤变化引起 的扰动,引入热负荷修正的方法. 锅炉主汽压力的被控对象可分为五个环节,其中环节 1 为燃料在炉膛内燃烧产生热量传给炉 膛受热面.燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理
14、过程,燃料改变后,首先将热量传给受热面 的金属管壁,然后将热量传给锅炉的汽水容积。而金属管壁的热容量及汽水热容量又是一个 有分布参数的容积。因此，简单而又准确地表达上述燃烧和传热的动态关系较为困难。一般可用一个迟滞环节来代表。环节 2：对于锅炉受热面，其流入热量是燃料燃烧后传给受 热面的热量 Q，并有一部分热量储存在锅炉中。汽包压力反映了流入热量与流出热量的平 衡关系。环节 2 的动态热平衡方程可表示为：Qrdt=(i-is)Ddt+Wbdib i过热汽焓值 is给水焓值 Ib给水焓值 D蒸汽流量 Wb汽包蓄水量 经推导，可得：(2)式中：蓄系数：用蒸汽流量单位表示锅炉汽水容积吸收的热量（Kg
15、/s）蓄系数代表了锅炉的蓄热能力，表示 当锅炉汽包压力每改变M时锅炉所 释放出的蒸汽量。根据式（）可组态图 4 一定的负荷指令变化对应变化一定的燃烧量，对于特定的煤种和然油，其发热量是固定的， 但是煤的发热量是随煤种的改变和气候条件的变化而变化，这就意味用设计煤种来工作， 就不可能得到对应设计煤种同等煤量发热量时锅炉指令的锅炉负荷。上图利用热量信号的 一个惯性环节对煤量进行修正，当机组的目标指令和主汽压力设定值不变时且煤质不变时， 煤量维持在一个较好的范围内波动，当煤质发生变化时，煤质的发热量发生变化，锅炉热 负荷发生变化，如当煤质变差时（平凉发电公司机组在 300的情况下，煤质变化引起的煤量变化可达到/），热负荷变小， PID输出将减小，使得热负荷的修正值减小，经热负荷修正值修正的总燃烧量减小，PID2 输出增大，增加进入炉膛的煤量来维持炉膛的热负荷，反之，当煤质变好时，热负荷增大，PID输出将增大，使得热负荷的修正值增大，经热负荷修正值修正的总燃烧量增大，PID2 输出减小，减小进入炉膛的 煤量来位置炉膛的热负荷。从而使实际燃料量的发热量和锅炉负荷相一致，有效的克制了 由于煤质发生变化引起的扰动,提高了锅炉的控制效果。图 4 4 结束语结束语通过不断的优化协调及各自系统的控制策略和调节参数，有效提高负荷响应速度，提高电 厂机组运行的稳定性，提升企业市场竞争力。
