李軍亮

摘 要：目前大容量、高參數(shù)單元機(jī)組負(fù)荷控制已普遍采用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)快速安全的調(diào)節(jié)機(jī)爐，以提高發(fā)電機(jī)組的深度調(diào)峰能力，并保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。因此對(duì)火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、快速性的要求越來越高，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于火電廠來說至關(guān)重要，是衡量火電廠自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。文章針對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中一起鍋爐指令異常大幅度擺動(dòng)事件，對(duì)鍋爐主控進(jìn)行分析和計(jì)算，研究出擺動(dòng)的原因并提出相關(guān)的優(yōu)化方案。不僅有助于提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證鍋爐安全運(yùn)行，也對(duì)其余模擬量控制系統(tǒng)異常分析和優(yōu)化具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；鍋爐主控；異常擺動(dòng)；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TK229 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）30-0069-02

引言

陽城電廠6×350MW機(jī)組鍋爐采用美國(guó)福斯特·惠勒（F&W）公司生產(chǎn)的“W“型火焰燃煤汽包鍋爐，配備四臺(tái)雙進(jìn)雙出正壓直吹式鋼球磨煤機(jī)；汽機(jī)采用德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的亞臨界，一次再熱，單軸，雙缸，雙排汽，凝汽式汽輪機(jī)；熱控設(shè)備采用SIEMENS公司生產(chǎn)的TELEPERM——XP分散控制系統(tǒng)。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制方案由德國(guó)SIEMENS公司提供，并在實(shí)際投運(yùn)中結(jié)合以往同類型機(jī)組的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)；以提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力。主要設(shè)計(jì)思想是將鍋爐和汽機(jī)作為一個(gè)整體，完成對(duì)機(jī)組負(fù)荷、鍋爐主汽壓力的控制，達(dá)到鍋爐風(fēng)、水、煤的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

隨著火電廠裝機(jī)容量越來越大、電網(wǎng)對(duì)火電廠的要求也越來越高，火電廠人員數(shù)量配置有限，因此對(duì)火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性、快速性的要求越來越高。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)快速安全的調(diào)節(jié)機(jī)爐，以滿足電網(wǎng)對(duì)火電廠負(fù)荷快速調(diào)度的要求。因此，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是衡量火電廠自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。

下面就一起協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控不穩(wěn)定運(yùn)行的案例分析，希望對(duì)大家有所幫助。

1 背景介紹

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可分為以下七個(gè)部分：

（1）單元負(fù)荷指令形成回路；（2）RUNBACK回路；（3）頻率校正回路；（4）壓力設(shè)定值回路；（5）鍋爐主控；（6）汽機(jī)控制接口回路；（7）熱值修正回路。

在本文中，是因鍋爐指令引起的鍋爐震蕩，故此主要分析鍋爐主控的相關(guān)問題。

鍋爐主控回路是負(fù)荷指令回路與燃燒控制系統(tǒng)之間的接口，即通過該回路將經(jīng)過修正的機(jī)組負(fù)荷指令發(fā)送到二次風(fēng)量控制回路及燃料控制回路，以協(xié)調(diào)鍋爐出力與負(fù)荷指令之間的匹配關(guān)系。此回路既可以工作在自動(dòng)方式，也可以工作在手動(dòng)方式，能夠完成單元機(jī)組在各種工況下的控制功能。

鍋爐指令的產(chǎn)生：鍋爐指令由四部分組成（如圖1），分別為負(fù)荷設(shè)定值前饋PE：在負(fù)荷指令發(fā)生變化時(shí)，第一時(shí)間增大或減小鍋爐指令，減少不必要的計(jì)算環(huán)節(jié)，快速的指揮鍋爐；汽包壓力微分前饋：因汽包壓力較主汽壓力能提前反應(yīng)鍋爐的能量的變化，此部分前饋能減小鍋爐在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的慣性；壓力設(shè)定值微分前饋：實(shí)現(xiàn)在升降負(fù)荷過程中過加煤或過減煤；壓力偏差的PID，Y=kpe（t）+e（t）dt+TD：根據(jù)主汽壓力和壓力設(shè)定值的偏差來調(diào)整鍋爐動(dòng)作，最終使主汽壓力等于壓力設(shè)定值。

2 具體現(xiàn)象

指令擺動(dòng)前工況：機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行，增壓風(fēng)機(jī)為停運(yùn)狀態(tài)，最大允許負(fù)荷90%；三臺(tái)磨煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行最大允許負(fù)荷90%，負(fù)荷190MW（54.3%），主汽壓力10.8Mpa，汽包壓力11.5Mpa。在啟動(dòng)第四臺(tái)磨煤機(jī)過程中出現(xiàn)鍋爐指令擺動(dòng)情況，擺動(dòng)范圍60%～90%之間，擺動(dòng)幅值達(dá)30%，極大地威脅鍋爐安全運(yùn)行。3min后運(yùn)行人員將鍋爐主控切手動(dòng)運(yùn)行，機(jī)組切“機(jī)跟隨”方式運(yùn)行，汽機(jī)控制主汽壓力，鍋爐由運(yùn)行人員手動(dòng)控制并維持穩(wěn)定。具體曲線如圖2所示。

3 原因分析

由圖2曲線中可以看到，影響鍋爐指令的四部分中，負(fù)荷設(shè)定值，壓力設(shè)定值，汽包壓力基本保持不變，排除了此三部分作用的影響，基本判斷問題出在PID部分。壓力偏差PID部分重點(diǎn)分析如圖3。

圖3中所有參數(shù)均為百分?jǐn)?shù)，各部分介紹如下：

PID的參數(shù)設(shè)置為：kp=0.7，TI=120s，TD=60s

鍋爐最大允許負(fù)荷由機(jī)組RB回路完成，輔機(jī)全部運(yùn)行時(shí)為120%，當(dāng)輔機(jī)發(fā)生跳閘或停運(yùn)時(shí)，鍋爐最大允許負(fù)荷將發(fā)生變化，其中每臺(tái)磨煤機(jī)最大負(fù)荷30%，增壓風(fēng)機(jī)最大負(fù)荷90%，一次風(fēng)機(jī)50%……。鍋爐擺動(dòng)時(shí)鍋爐最大允許負(fù)荷為90%，當(dāng)時(shí)增壓風(fēng)機(jī)為停運(yùn)狀態(tài)。

鍋爐最小允許負(fù)荷，能保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的最小負(fù)荷，此處為25%，數(shù)據(jù)由鍋爐廠家給出。

實(shí)際燃料量=在運(yùn)行的磨煤機(jī)負(fù)荷平均值+鍋爐燃油換算值。

如圖3所示，主汽壓力的偏差首先和鍋爐當(dāng)前的最大出力裕度取小再和當(dāng)前允許最小出力裕度取大，結(jié)果送入PID進(jìn)行運(yùn)算。其中鍋爐的當(dāng)前最大出力裕度為鍋爐最大允許負(fù)荷減去當(dāng)前燃料量，當(dāng)前允許最小出力裕度為當(dāng)前燃料量減去鍋爐最小允許負(fù)荷。這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)榇薖ID中的積分不具備防止積分飽和功能。在鍋爐指令接近最大允許負(fù)荷時(shí)，限制PID壓力偏差增大，避免積分部分輸出持續(xù)增大；相反在鍋爐指令接近最小允許負(fù)荷時(shí)，限制PID偏差減小，避免積分部分持續(xù)減小，有效避免了積分飽和的影響。

出現(xiàn)鍋爐指令擺動(dòng)的原因分析：運(yùn)行人員啟動(dòng)第四臺(tái)磨煤機(jī)，該磨煤機(jī)手動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行人員手動(dòng)增加燃料?？?cè)剂狭恳虻谒呐_(tái)磨煤機(jī)燃料的加入而增大，導(dǎo)致總?cè)剂狭看笥阱仩t指令，在燃料主控的作用下將其余三臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行的磨煤機(jī)燃料減小，維持燃料量等于鍋爐指令。由于剛啟動(dòng)的磨煤機(jī)出口風(fēng)粉溫度低，大量溫度較低的風(fēng)粉混合物吹入鍋爐，不僅不能完全燃燒釋放熱量，而且降低了爐膛溫度。導(dǎo)致在總?cè)剂狭炕静蛔兊那闆r下，爐膛發(fā)熱減少，主汽壓力降低。endprint

隨著主汽壓力的降低，在鍋爐主控PID部分的作用下，鍋爐指令持續(xù)上升，燃料量隨鍋爐指令持續(xù)增大。因當(dāng)時(shí)鍋爐最大允許負(fù)荷為90%（增壓風(fēng)機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)），當(dāng)鍋爐最大允許負(fù)荷與總?cè)剂狭康牟钚∮趬毫ζ顣r(shí)，圖3中小選功能塊起作用，壓力偏差被限制為鍋爐最大允許負(fù)荷減去實(shí)際燃料量，并隨著燃料量的增大，PID的入口偏差逐漸減小；當(dāng)燃料量=90%時(shí)，送入PID的偏差被限制為0。在此過程中，壓力偏差PID接收到逐漸縮小的偏差，在PID中比例和微分的作用下鍋爐指令快速減小，控制鍋爐燃料量減小。隨著燃料量的減少，PID入口偏差被緩慢釋放出來，PID收到逐漸增大的偏差，控制鍋爐指令增大，鍋爐指令控制燃料量增大再次將壓力偏差限制住。如此周而復(fù)始導(dǎo)致鍋爐指令不斷擺動(dòng)。

考慮當(dāng)時(shí)實(shí)際工況，壓力設(shè)定值Ps=10.921 MPa，實(shí)際壓力P=9.556 MPa，額定壓力16.67MPa，死區(qū)0.1%。因此PID的輸入偏差最大為：{[（10.921-9.556）/16.67]*100%}-0.1%=0.72%，最小偏差為燃料量為90%時(shí)的0%。因偏差較小，比例造成的影響不大，主要考慮PID中微分部分。微分部分根據(jù)公式1計(jì)算， Dpart=0.7*60*0.72%=30.24%，和實(shí)際運(yùn)行出現(xiàn)鍋爐的擺動(dòng)幅度基本吻合，因此判斷此次事件是由運(yùn)行的操作引起，控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合理造成的

4 解決處理方案

（1）啟動(dòng)磨煤機(jī)充分暖磨，確保入爐煤能完全燃燒并轉(zhuǎn)換為熱能。（2）優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控參數(shù)，減小鍋爐主控PID部分中微分的作用強(qiáng)度，增強(qiáng)比例和積分作用強(qiáng)度。適當(dāng)增加汽包壓力微分部分強(qiáng)度，以替代PID中微分在穩(wěn)態(tài)時(shí)的作用?？紤]到汽包壓力的微分在機(jī)組升降負(fù)荷時(shí)會(huì)對(duì)鍋爐主控起到相反作用，在其強(qiáng)度增大后影響尤其明顯，因此在機(jī)組升降負(fù)荷時(shí)將汽包壓力的微分部分切除。（3）取消壓力偏差和鍋爐裕度取大取小的限制；增加鍋爐主控指令達(dá)到鍋爐最大允許負(fù)荷且主汽壓力仍偏低時(shí)，發(fā)鍋爐主控閉鎖增信號(hào)，同時(shí)切除PID部分積分的作用避免積分飽和。

5 結(jié)束語

微分具有超前作用，對(duì)于具有滯后的控制系統(tǒng)，引入微分控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動(dòng)態(tài)偏差減小。在微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的微分（即偏差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服偏差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或滯后的被控對(duì)象，具有抑制偏差的作用，其變化總是落后于偏差的變化。解決的辦法是使抑制偏差作用的變化“超前”，即在偏差接近零時(shí)，抑制偏差的作用就應(yīng)該是零。微分項(xiàng)能預(yù)測(cè)偏差變化的趨勢(shì)，從而做到提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)，改善了系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。然而微分參數(shù)的設(shè)置不當(dāng)將造成控制系統(tǒng)的震蕩和不穩(wěn)定。

總之，提高熱工自動(dòng)化水平，可保護(hù)主設(shè)備的安全，減少跳閘和降負(fù)荷次數(shù)，提高電廠設(shè)備等效可用系數(shù)；參數(shù)在設(shè)計(jì)值附近優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，可提高熱效率，減少廠用電?？偟膩碚f，目前我國(guó)熱工自動(dòng)化水平不太高，因此努力提高電廠的熱工自動(dòng)化水平對(duì)提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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