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1、直流炉协调控制系统的分析与设计直流炉协调控制系统的分析与设计发表时间:2002-1-18作者：杨景祺 章伟杰 蔡圣华摘要：一、概述一、概述直流锅炉汽轮机单元机组，是一个三输入三输出的多变量调节对象，在直流锅炉里，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热，根据水、湿蒸汽与过热蒸汽物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大部分。直流锅炉各个区段的边界与长度是不固定的，而是随着给水与燃料的比例变化而移动，无论从控制的角度还是从操作的角度，直流锅炉都与汽包锅炉有很大的区别，协调控制系统的设计比汽包锅炉更为复杂。我们在江苏省谏壁发电厂 7机组双炉膛直流锅炉控制系统、8机组双炉膛直流锅炉汽轮机控
2、制系统、10机组双炉膛直流锅炉汽轮机协调控制系统、江苏省常熟发电厂 1、2机组直流锅炉汽轮机协调控制系统设计、调试投运的基础上，总结了直流锅炉汽轮机单元机组对象的动态特性，协调控制系统的设计、调试的成功经验，在直流炉协调控制系统设计与应用方面获得了成功，谏壁电厂 10机组通过了国家机械工业局组织的鉴定，给予了很高的评价，获得了国家机械工业局科技进步二等奖，常熟电厂 1、2机组直流锅炉协调控制系统长期稳定运行，控制系统的投入率达到 100，稳定实现 AGC 控制。二、直流锅炉被控对象的分析二、直流锅炉被控对象的分析1被控对象特性的取得为了进一步了解直流锅炉被控对象的特性，我们进行了燃料、给水、调
3、门开度扰动对机组负荷、压力、温度的响应性能试验。试验方式为：(1)机组燃料控制、给水控制、压力控制系统切手动；(2)增加 45t/h 燃料量，不进行其他操作，稳定 58 分钟，观察机组功率、机组压力、炉顶温度变化。(3)减少 45t/h 燃料量，不进行其他操作，稳定 58 分钟，观察机组功率、机组压力、炉顶温度变化。(4)增加 30t/h 给水量，不进行其他操作，稳定 58 分钟，观察机组功率、机组压力、炉顶温度变化。(5)减少 30t/h 给水量，不进行其他操作，稳定 58 分钟，观察机组功率、机组压力、炉顶温度变化。(6)在汽机操作画面上，增加 3的汽机开度指令，不进行其他操作，稳定 5
4、分钟，观察机组功率、机组压力、炉顶温度变化。(7)在汽机操作画面上，减少 3的汽机开度指令，不进行其他操作，稳定 5 分钟，观察机组功率、机组压力、炉顶温度变化。在试验的基础上我们得到了机组负荷、压力、微过热温度对燃料、给水、汽机调门开度扰动的数据及特性的曲线：2直流炉被控对象的分析(1)燃料量的变化燃料发生变化时，由于加热段和蒸发段缩短，锅炉储水量减少，在燃烧率扰动后经过一个较短的延迟(50S)，蒸汽量会向增加的方向变化，当燃烧率增加时，一开始由于加热段蒸发段的缩短而使蒸发量增加，也使压力和功率增加，当这部分储水增加完后，锅炉又由于压力增加而增加蓄能时，压力和功率就上升的很慢，等到锅炉内蓄能
5、接受平衡时，增加的燃料才主要用于增加温度，于是压力、功率相应增加。由此也可说明温度的变化(90S)要延迟与压力的变化。在燃料扰动下给水流量会自动减少，这是因为在给水压力不变的情况下，燃料增加导致压力增加，促使给水流量自动减少。(2)给水流量扰动下的动态特性当给水流量扰动时，由于加热段、蒸发段延长而推出一部分蒸汽，因此开始压力和功率是增加的，但由于过热段缩短使汽温下降，最后虽然蒸汽流量增加但压力和功率还是下降，汽温经过一段时间的延迟后单调下降，最后稳定在一个较低的温度上。(3)汽机调门的开度扰动当汽机调门开大时，机组功率立即增大，但由于燃料和给水流量没变，所以随后又逐渐降低。压力则迅速降低，若给
6、水压力不变，给水流量会自动增加。通过以上的分析可以对直流炉控制系统做以下的估计：(1)直流炉控制系统是复杂化的三输入三输出的多变量控制系统，燃料量、给水量、汽机调门开度对机组的负荷、压力、温度均有影响。由于压力的变化，燃料量，汽机调门开度对给水流量也会产生交叉影响。(2)在汽机调门的开度扰动下，压力变化没有延迟，变化很快。(3)单独改变燃料量、压力反映较快，温度的变化具有较大的延迟，变化幅度很大。温度的变化将导致功率的变化。(4)单独改变给水量只能使压力、功率暂时变化，由于温度较大幅度的变化而使输出功率变化较小，温度的变化具有较长的延迟和较大的变化幅度。(5)若汽温已经变化而改变给水流量或者燃
7、料量调节，必然引起很大的温度变化，因此为了使温度变化小而又能有效的改变机组负荷，必须使燃料量和给水量保持适当的比例协调动作。三、协调控制系统的设计三、协调控制系统的设计机炉协调控制系统是电站控制中长期以来讨论的课题，基本上概括为：将汽机锅炉作为一个整体控制，使锅炉能够满足汽机的用汽要求，机组能够满足电网频率的要求。之所以这样主要是协调锅炉响应的慢特性与汽机响应快特性的关系。解决锅炉汽轮机多输入多输出相互之间偶合关系。在这里我们先以长期以来讨论并已趋于成熟的汽包炉协调控制系统为例，分析直流炉的特点，讨论直流炉协调控制系统的设计方案。从协调的角度看汽包炉汽轮机与锅炉的关系基本可以看成燃料与汽机调门
8、开度对应机组压力与负荷的双输入双输出多变量控制系统，给水控制是独立与机组负荷与压力的汽包水位控制系统，对汽包炉协调控制系统的设计方案最初采用的是锅炉调压、汽机调功调压，并考虑燃料对负荷、汽机调门开度对压力的双向解偶控制思路，后来尝试了汽机以调功率为主，压力偏差大汽机帮忙、锅炉以调压为主，引入机组负荷指令作前馈以增加锅炉的响应性。到八十年代中期，引入了直接能量平衡的控制思想，协调控制的基本思想以炉跟机为基础，汽机控制机组负荷、锅炉引入了 P1Ps/Pt 的直接能量平衡信号作为锅炉指令，热量信号 P1dPd/dt 作为燃料反馈，充分利用了在一定参数下直接反映汽机调门开度的 P1/Pt 信号代表了汽
9、机对锅炉的能量需求，且只反映汽机对锅炉的能量需求不反映燃料的变化，而 P1KdPd/dt 仅反映燃料的变化不反映汽机调门变化的特点，利用控制燃料间接控制了压力。这个控制方式大大提高了锅炉的响应性，同时又提高了锅炉的稳定性，目前已被大多数汽包炉协调控制系统所应用。分析直流锅炉我们可以看出三个主要特点：(1)直流锅炉是汽水一次性循环，不具有类似于汽包的储能元件，因此锅炉的储能比较小，很难找到类似于 P1KdPd/dt 仅反映燃料的变化不反映汽机调门变化及给水流量变化的信号。(2)从上面直流炉被控制对象的分析可以知道，直流锅炉汽轮机组是三输入三输出的被控制对象，然而不仅控制量燃料、给水、汽机调门开度
10、的任一变化会影响被控制量机组负荷、压力、微过热温度的变化，而且燃料、汽机调门的变化还会影响到给水流量的变化，其中的影响媒介就是压力的变化，因此对于直流锅炉协调控制系统来说，压力控制是最基本的控制。(3)直流锅炉是汽水一次性循环，汽水没有固定的分界点，它随着燃料、给水流量以及汽机调门的变化而前移或者后移，而汽水分界点的移动直接影响汽水流程中加热段、蒸发段、过热段的长度，影响新汽温度，导致机组压力、负荷的变化，因此控制微过热温度一直以来被认为是直流炉控制的主要环节。1控制量与被控量关系的选择：从上面的分析已经知道从协调控制的角度看直流锅炉汽轮机组是一个三输入三输出的多变量控制对象，如何选择控制量与
11、被控量关系，是协调控制系统控制方案的关键。(1)被控参数压力的控制在三个被控参数选择上我们首先选择汽机调门控制压力，从前面的分析已经看到，压力的变化不仅会影响到机组功率的变化，而且会影响到给水流量的变化，从而进一步影响机组的负荷和温度。若利用压力对汽机调门响应快的特点，可以足够好的控制机组压力，克服燃料、给水扰动对机前压力的影响，从而也大大减少了燃料扰动对给水流量的交叉影响。同时采用控制特性大大快于锅炉的汽机调门控制压力，不仅提高了机组的内特性，而且由于汽机对压力的调节作用，克服了燃料、给水对压力的影响，简化了直流锅炉的控制对象。使其变为燃料与给水对应机组负荷、温度的双输入双输出的控制对象。(
12、2)被控参数温度的控制在直流锅炉中影响中间点温度的主要因素是锅炉的燃水比，从温度对燃料的响应曲线及温度对给水的响应曲线可以看到，燃料增加时温度经过 90 秒左右的延迟随燃料的增加而升高，给水增加时温度经过 90 秒左右的时间减少，若在变负荷时燃料与给水按同一比例变化，可以在动态的过程中保持温度的基本稳定。在稳定工况下，可以在稳定燃料的前提下控制给水流量控制炉顶温度，也可以在稳定给水的前提下控制燃料量控制炉顶温度，但是对于一次循环的直流炉来说给水流量的变化直接影响锅炉出口蒸汽流量的变化，对机组负荷的影响比较大。同时从直流炉对象分析中也可以看到：给水流量的增加首先降低微过热温度。在加负荷时必须要增
13、加水，而水的增加却导致温度的降低，控制的作用将减少水的增加，只有在燃料增加反映到温度的变化才能使水流量满足负荷的要求，因此由给水控温度在变负荷时不但使温度的稳定性变差，而且使机组的响应性变慢，若由燃料控温度，在变负荷时给水和燃料与负荷的变化方向是一致的，燃料与温度要求的变化方向也是一致的，因此采用以燃烧控制微过热温度、给水控负荷、汽机调门控制机组压力的协调控制系统的控制方案对系统的稳定性及响应性都是合理的。2协调控制系统的设计图一显示了常熟电厂协调控制系统的基本框图，从图中可以看到常熟电厂协调控制系统是建立在机跟炉基础上的，基本设计思想是：(1)以汽机调节对压力响应快的特点稳定压力，克服燃料、
14、给水流量对压力的影响保证机组良好的内特性(2)以燃水比控制燃料稳定温度，风煤比控制风量稳定氧量是锅炉控制最主要的环节。(3)机组指令以特定的控制方式贯穿整个协调控制系统，切实实现了风、水、煤、及磨煤机的协调控制。协调控制系统的控制方式有：(1)机组手动；(2)汽机自动锅炉手动；(3)汽机自动、锅炉给水自动、燃烧手动；(4)汽机自动、燃烧定燃料自动、给水手动；(5)汽机自动、燃烧定燃料自动、给水自动；(6)汽机自动、锅炉给水自动、煤水比控燃料、炉顶温度自动；(7)协调控制方式、汽机主控自动、锅炉主控自动；(8)AGC 控制；控制方式的逻辑联锁关系见下表：A、给水设备的介绍和控制方案的选择机组给水
15、管路具有一台调速电动给水泵、两台汽动给水泵，一个流通量 100的主给水调节阀、一个流通量 30的旁路给水调节阀。在给水调节设备中，电动给水泵与汽动给水泵均是可调节，汽动给水泵是主要的调节设备，电动给水泵是汽动泵的备用设备。无论对于电动泵还是汽动泵均可以完成对机组给水的调节。但从给水控制器来看电动给水泵和汽动给水泵，两个设备具有不同的控制特性，电动泵控制的是勺管位置，汽动泵控制的是小机转速，给水控制器要同时调节汽动泵与电动泵，只有通过调整电动泵与汽动泵的流量才能实现，这样构成的系统是一个功率给水流量单泵流量的三环控制系统，系统其响应性及稳定性均不及功率给水流量构成的双环控制系统。考虑到系统的可用
16、性及电动泵的备用性，给水系统设计为汽动给水泵独立的控制，在汽动泵与电动泵并泵运行时调节主给水阀完成给水的自动控制。在实际应用中无论在调阀方式还是在调泵方式给水控制系统工作的都非常稳定。当然在今后工作中还是应该考虑电动泵与汽动泵并泵控制的运行方式。B、给水控制系统的设计给水控制系统具有给水定流量和给水调功率两种控制方式，无论在哪一种控制方式下，给水系统均接受锅炉指令信号。给水控制系统设计有给水调泵控制、给水调阀控制、给水调旁阀控制。给水调旁阀 控制主要应用在低负荷工况，采用的是单回路控流量。在负荷大于 30工况下主给水阀投自动时，为保证主给水阀的阀门特性，旁路给水调门自动逐渐关闭。机组负荷大于 30，主给水调节阀，汽动给水泵均可以接受系统锅炉指令完成给水控制，但同时只能有一个设备投自动，当主给水调节阀自动时，给水系统工作在“给水调阀方式”，汽动给水泵联锁切手动，当汽动给水泵自动时，给水控制系统工作在“给水调泵方式”，给水调节阀联锁切手动。对于协调控制系统的一个子系统，给水控制除完成对给水流量或负荷的控制外
