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直接能量平衡在協調控制中的應用

   2011年09月09日 10:52  
  華能淮陰電廠二期2×330MW機組(5號、6號)和華能新華電廠330MW機組(6號)配置相同,汽輪機為北京北重汽輪電機有限責任公司制造的N330-17.75/540/540亞臨界、單軸、一次中間再熱、三缸雙排汽、凝汽式,并配同一公司制造的QFSN-330-2型水-氫-氫冷卻發電機,自并勵同步。鍋爐為HG-1018/18,66-PMl9型一次再熱、亞臨界汽包爐,zui大連續蒸發量為1018t/h,過熱器、再熱器出口蒸汽溫度均為543℃,給水溫度為258.8℃。
  
  華能淮陰電廠330MW機組控制系統采用上海新華控制工程有限公司制造的XDPS-400+DCS,其協調控制采用DEB方式;華能新華電廠330MW機組獨制系統采用華能新銳公司制造的PineControlDCS,該系統以PLC為核心,充分利用PLC的技術資源和分布式控制網絡技術,構成技術開放、配置靈活、結構簡捷、維護方便和安全可靠的DCS。2套控制系統均包括數據采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、
  
  爐膛安全監控系統(FSSS)、順序控制系統(SCS(含鍋爐吹灰系統控制))、數字式電液控制系統(DEH)、旁路控制系統(BPC)等各項控制功能。
  
  一、DEB構成
  
  DEB協調控制系統是以汽輪機的能量需求作為鍋爐輸入能量的設定值,其控制目的是在任何工況下均能保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求相平衡。DEB信號構成形式為:
  
  式中:P1為調節級壓力;pT為主蒸汽壓力測量值,Ps為主蒸汽壓力設定值,Pd為汽包壓力,k1為動態過程燃燒變化的增益。
  
  DEB的特點:
  
  (1)通常采用以鍋爐跟隨為基礎的協調控制方式,由汽輪機的調節閥控制功率。采用(p1÷PT)×Ps表示汽輪機對鍋爐的能量需求,控制鍋爐的輸入能量,保證機組內部能量的供需平衡。與間接能量平衡(IEB)控制不同的是機前壓力PT并不代表真正的能量,只是表征能量平衡的參數。
  
  (2)采用與汽輪機調節閥開度成正比的信號(P1÷PT)×Ps及其微分量之和(式(1))作為鍋爐負荷指令,式(1)的微分項在動態過程中加強燃燒指令,以補償機、爐之間對負荷要求響應速度的差異。由于要求補償的能量與負荷變化量成正比,與負荷大小為比例關系,所以微分項應乘以(P1÷PT)×Ps。機組在滑壓運行工況下,Ps是一個變量。對于定壓運行的機組也可采用(P1÷PT)作為能量平衡信號。
  
  二、DEB的幾種結構
  
  2.1帶壓力調節回路修正的串級控制系統
  
  通過調節汽輪機調節閥的開度實現功率控制,汽輪機側可采用串級也可采用單回路控制,可按相關要求構成機跟爐或爐跟機等協調方式,其主要特點是在鍋爐燃料量控制上采用個主蒸汽壓力的閉環調節修正回路來改善動態過程的調節速度(圖1)。華能新華電廠采用該控制結構。鍋爐的能量反饋信號采用P1+C.(dPd/dt)(C為鍋爐蓄熱系數),并與鍋爐的負荷指令信號相平衡。汽包壓力的微分提前反應鍋爐能量的變化過程,即蓄熱還是放熱。P1在負荷變化過程中與機組輸出功率成正比,同時代表汽輪機調節閥的開度不受其開度變化過程滯后和死區的影響,可以有效地克服鍋爐擾動對機組輸出功率的影響。(P1÷PT).Ps及其微分信號作為鑄爐負荷指令與輸入鍋爐的熱量信號相平衡,主蒸汽壓力控制回路的引入可在穩態過程中消除主蒸汽壓力的偏差,起細調作用。汽輪機主控制器的輸出控制調節閥的開度,以維持設定功率的變化對調節級壓力的需求,滿足機組變負荷要求。
  
  2.2以P1[(1+k(Ps-pT)]作為前饋信號的調節系統
  
  以P1[(1k(Ps-pT)]作為鍋爐調節系統前饋信號(圖2)的關鍵在于:單獨使用兩信號在PT上升時P1隨之增大,使燃料量進一步增加,形成正反饋。將P1.k(Ps-pT)作為前饋信號的一部分,在PT上升時,(Ps一PT)減小,克服正反饋的作用。函數發生器f(x)是將前饋信號轉化為數值與子回路控制相匹配的信號,以適應機組動態過程的變化,通常為穩態時能量的30%。其中,動態過程燃燒變化增益和鍋爐蓄熱量變化增益K值的整定是整個前饋的關鍵點,應盡量選擇大一些,以便有效地抑制角的正反饋作用。此種控制結構目前應用較少,也難于整定。

  
  2.3直接采用DEB信號作為鍋爐負荷指令的控制系統
  
  直接采用DEB信號作為鍋爐負荷指令的控制系統將汽輪機能量需求信號(P1÷PT)·Ps及其微分信號之和(即式(1))作為鍋爐指令,其反饋信號為P1+C·(dpd/dt)。P1代表了進入汽輪機的能量,汽包壓力的微分量代表了鍋爐蓄熱的變化。在穩態工況下,dpd/dt=O。鍋爐主控制器的積分作用使PT=Ps,從而使設定值與反饋相平衡(均為調節級壓力P1),滿足機組負荷的要求。該方式結構簡單,充分利用了汽包壓力的微分,便控制過程更加平穩,實現動、靜態工況下機爐能量的平衡(圖3)。華能淮陰電廠5號、6號機組用此種控制方式。
  
  三、DEB方式下控制系統的完善
  
  3.1機爐能量平衡信號中K值的選擇
  
  在投入協調控制過程中,為了滿足動態特性的需求,設定過程微分時間及微分增益,通過觀察汽輪機和鍋爐熱量信號所包容面積的收斂過程,適當改變K1值和K2值,發現在不同的負荷段值K1值及比例關系的設置應不同。通常,K1值、K2值在高負荷階段分別為10、6,在低負荷階段分別為8、6。為了解決不同負荷階段的增益值及比例關系問題,對原控制邏輯進行了修改,將K1值和K2值由固定量改為以一定比例關系為基礎的隨動量(K值),取得了良好的控制效果。改前、改后的控制邏輯見圖4、圖5。


  
  3.2在鍋爐燃料量控制中增加主蒸汽壓力控制回路
  
  華能新華電廠DEB方式下的協調控制投入后,在控制鍋爐煤量的變化中出現上下波形波動,上下變化的過程表示機、爐能量偏差的正負交替的過程,所圍繞的面積出現相等的周期變化,而實際的功率、壓力與設定值的偏差很小,能夠滿足機組運行的要求。但是,為了減少給煤機、磨煤機等子系統控制的波動,在原控制系統上增加一個主蒸汽壓力的閉環控制,以修正汽輪機的能量需求,改變其調節特性,其控制結構類似于圖1。增加設定壓力與實際壓力的偏差,經調節后的輸出可削弱DEB信號對鍋爐主控輸出的影響,增強整個調節系統的穩定性。
  
  3.3采用主蒸汽壓力拉回回路
  
  為保證負荷變化過程中機、爐的能量平衡關系不發生嚴重失調,在汽輪機僅控制功率的前提下,在華能淮陰電廠5號、6號機組汽輪機主控制中增加壓力拉回回路,以補償鍋爐的能量,其控制曲線見圖6。在設定負荷改變時,主蒸汽壓差通常很小,其偏差主要為功率偏差。汽輪機調節閥迅速改變以響應機組負荷變化的要求,鍋爐隨著調節級壓力的變化迅速改變煤量,但燃燒調節存在一定的滯后,在主蒸汽壓力偏差超過一定限值時,通過主蒸汽壓差削弱功率差,在一定范圍內補償鍋爐的能量,使功率及壓力偏差均滿足控制的要求。

  
  3.4AGC的優化
  
  機組投入AGC后,AGC指令以三角波方式改變。為滿足電網響應速率的要求,防止主蒸汽壓差過大造成控制方向閉鎖,增加了負荷設定指令的微分作為前饋,為負荷的變化提供一個加速煤量。此外,對主蒸汽壓力設定點增加慣性環節,等待鍋爐燃燒對主蒸汽壓力響應的滯后,使機組實際負荷的變化達到2.5%,取得了很好的效果。
  
  四、DEB方式下相關子系統的控制
 
 
  4.1引風控制
  
  引風控制系統采用靜葉控制,以維持爐膛壓力的穩定,在控制邏輯中設計了防內爆、方向閉鎖和聯鎖保護功能。在送風機跳閘、RB、起停磨煤機過程中具有前饋控制。
  
  4.2送風控制
  
  4.2.1風量指令
  
  采用DEB信號靜態表達式(P1÷PT)×Ps作為風量指令。在控制邏輯上PT與Ps偏差大(大于0.8MPa)時,鍋爐主控切換為手動方式;在高壓加熱器解列、單閥/多閥切換仍變化大時,對鍋爐主控影響大,為克服這些工況下的大幅擾動,同時仍能滿足鍋爐風量要求,對風量指令保持20s;當機組發生RB,用P1作為風量指令,使系統穩定;設置預喘振功能及引風機跳閘前饋。
  
  4.2.2引風機跳閘影響
  
  在聯鎖邏輯上引風機跳閘不聯跳送風機,對爐膛壓力影響較大。對此,采用送、引風機動葉開度比例前饋適當減小送風量,可以有效地抑制爐膛壓力波動。
  
  4.3一次風控制
  
  一次風壓力與設定值作為單回路控制系統的輸入,并具有一次風壓力低執行機構減閉鎖等功能。另外,因為制粉系統為正壓系統,為了防止煤粉外冒,設有密封風系統,供制粉系統各處的密封。
  
  4.4汽包水位控制
  
  給水控制系統包括3臺電動給水泵及旁路給水閥控制,為全程給水控制系統。為適應機組的各種運行方式,設計了多回路變結構的控制。
  
  機組在起動和低負荷(小于30%額定負荷)時,由1臺電動給水泵向鍋爐供水,用出口旁路給水閥調節給水量。當旁路給水閥開度達到90%時,切換為電動給水泵轉速控制。當機組負荷大于30%,切換為三沖量控制。當主給水電動門打開時,旁路給水閥超馳關閉。機組正常運行時,2臺電動給水泵為三沖量控制方式,1臺電泵備用。
  
  4.5過熱/再熱蒸汽溫度控制
  
  過熱/再熱蒸汽溫度為導前溫度的串級控制。其主環采用比例、積分、微分調節,副環為比例、積分調節。當副環處于隨動狀態時,其調節速度能在定值振動下使導前溫度迅速變化。此外,控制邏輯設計有抗積分飽和功能。

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