章 鵬，朱青國，陳巍文，楊 誠，楊 毅，遲振廣，朱友紅

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；2.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131；3.浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000；4.南京科遠(yuǎn)自動化集團股份有限公司，南京 210000）

0 引言

背壓式母管制供熱機組其運行方式及控制模式與單元制發(fā)電機組不相同，運行過程的自動控制水平較低，長期手動運行方式不僅增加了運行人員的工作強度，也會對機組的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生極其不利的隱患。

在背壓式母管制供熱機組的生產(chǎn)運行中，母管主汽壓力的控制不僅是機組的難點，也是機組控制的重點。母管壓力的波動不僅影響了機組的安全經(jīng)濟運行，還會造成對外供熱參數(shù)的不穩(wěn)定，甚至可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。而且，母管制供熱機組主汽壓力較之于單元機組，其具有更大的延遲特性[1]。不僅如此，并列運行的各鍋爐之間也具有極強的關(guān)聯(lián)性，要想確保鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全性，常規(guī)的控制方法很難得到運用，需要采用新的控制策略，來使得主汽母管壓力控制在允許的范圍內(nèi)[2-10]。

1 機組概況

某發(fā)電廠二期擴建工程，為4臺57 MW級抽汽背壓式供熱燃煤機組。鍋爐采用杭州鍋爐集團股份有限公司生產(chǎn)的高壓、無再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型煤粉鍋爐。汽輪機采用杭州汽輪機股份有限公司生產(chǎn)的EHNG71/63型57 MW級高溫高壓抽汽背壓式汽輪機。其中，主蒸汽系統(tǒng)采用切換母管制，管道從過熱器出口集箱引出，至汽輪機前一分為二分別進入2個主汽門。在鍋爐至主蒸汽母管和主蒸汽母管至汽輪機主汽門的主蒸汽管道上均設(shè)有電動隔離閥。主蒸汽管道如圖1所示。

圖1 主汽母管管道系統(tǒng)示意

2 特性研究

2.1 動態(tài)特性擾動試驗

根據(jù)該發(fā)電廠母管制機組的設(shè)計情況，為實現(xiàn)較好的控制效果，先對控制對象做了動態(tài)階躍擾動，并由此擬合出燃料變化時對主汽母管壓力的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

將3與4號機2臺運行機組的鍋爐主控指令切為手動并以母管方式運行。待整個母管壓力穩(wěn)定后，階躍增加4號機組的燃料指令5 t/h，在參數(shù)變化過程中，確保3號機組的燃料量、風(fēng)量、減溫減壓供熱調(diào)門等參數(shù)保持不變。以間隔5 s為采樣周期，通過曲線和數(shù)據(jù)的方式記錄燃料量和主汽母管壓力的變化曲線和數(shù)據(jù)。變化曲線及擬合曲線如圖2與3所示。

2.2 動態(tài)特性仿真研究

通過上述擾動試驗數(shù)據(jù)，建立兩爐運行時主汽母管壓力G的動態(tài)三階數(shù)學(xué)模型：

圖2 燃料變化、擬合曲線

圖3 主汽母管壓力變化、擬合曲線

式中：T為時間；T1取值5.13 s；T2取值6.18 s；T3取值3.21 s。

并在MATLAB（矩陣實驗室，一款數(shù)學(xué)軟件）環(huán)境下模擬對主汽母管壓力進行階躍擾動。在PID（比例-積分-微分）參數(shù)相同的情況下，仿真過程采用兩爐同時調(diào)節(jié)和單爐調(diào)節(jié)，仿真結(jié)果如圖4與5所示。

圖4 兩爐同時調(diào)節(jié)曲線

圖5 單爐調(diào)節(jié)曲線

通過上述對比不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩爐同時參與調(diào)節(jié)時，因主汽母管壓力的大遲延、強慣性特點，在兩爐同時參與調(diào)節(jié)時，擾動周期較長，平穩(wěn)較慢且容易產(chǎn)生震蕩發(fā)散；若將參數(shù)變小，雖可避免震蕩發(fā)散，但會造成長時間的調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)效果不但不能滿足外網(wǎng)熱用戶快速變化的熱量需求，而且一旦發(fā)生RB（快速減負(fù)荷）等極端工況，主汽母管壓力也無法保持穩(wěn)定。反觀單爐調(diào)節(jié)方式時，若參數(shù)整定合適，調(diào)節(jié)效果較為理想。同理，不難得出四爐同時參與調(diào)節(jié)情況類似于兩爐同時調(diào)節(jié)的情況，存在產(chǎn)生震蕩發(fā)散的現(xiàn)象。此外，若采用多爐同時調(diào)節(jié)的策略，將會遇到以下困難：首先是參數(shù)整定工作量非常大，要在不同臺數(shù)運行的工況點通過試驗獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，整定不同的PID參數(shù)；其次是魯棒性差，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)變化（如改造后或運行一段時間后）往往控制效果會不理想，需要再次花費大量時間、精力進行整定。

為此，不論在控制的時效性、穩(wěn)定性還是經(jīng)濟性方面，單爐調(diào)節(jié)方式具有較大的優(yōu)勢。故在控制系統(tǒng)中，將所有運行的鍋爐系統(tǒng)看成一個整體，通過設(shè)定“調(diào)壓爐”與“跟隨爐”兩種“角色”及一個“主調(diào)節(jié)器”和若干個“輔調(diào)節(jié)器”來實現(xiàn)。采用“調(diào)壓爐”的“輔調(diào)節(jié)器”來調(diào)整“調(diào)壓爐”的鍋爐出力，以達(dá)到快速消除自身及其他各爐燃燒率的自發(fā)性擾動。此外，通過改變“調(diào)壓爐”與“跟隨爐”“輔調(diào)節(jié)器”的作用參數(shù)與作用死區(qū)，避免發(fā)生各爐之間“搶出力”的現(xiàn)象。“調(diào)壓爐”允許臺數(shù)如表1所示。

表1 “調(diào)壓爐”允許數(shù)量

3 控制策略

3.1 能量平衡

對于火力發(fā)電機組而言，汽輪機只是作為媒介，自身并無能量產(chǎn)生。當(dāng)外界所需能量與各臺鍋爐所提供的能量總和相一致時，就能達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定。

假設(shè)進入所有汽輪機的蒸汽流量總和為Dt，母管蒸汽壓力及相應(yīng)的定值分別為Pm和Po，設(shè)期望進入汽輪機的能量總和為Et，則能量平衡公式可表示為：

式中：Et是期望進入汽輪機的能量，也是汽機向鍋爐所需求的能量。

3.2 DEB控制方式

正如前文所述，與單元制機組相比，母管壓力被控對象的滯后較大。對于滯后較大的被控對象，簡單的單回路控制系統(tǒng)難以取得滿意的控制品質(zhì)。若是運用前饋式間接能量平衡的方法，其前饋量的整定不僅受“調(diào)壓爐”自身不同負(fù)荷段燃燒效率的影響，也將受到其他“跟隨爐”及鍋爐運行數(shù)量、搭配的牽制，因此借鑒DEB（直接能量平衡）的控制方式來控制主汽母管壓力。

常規(guī)直接能量平衡典型公式見式（3），來表征汽機與鍋爐的平衡[3]。

式中：p1為汽機調(diào)節(jié)級壓力；pT為機前壓力；pTSP為機前壓力設(shè)定值；pd為汽包壓力；K為熱量釋放信號系數(shù)；t為時間。

但是DEB控制方式主要針對的是單元機組的機爐平衡，直接使用到母管制系統(tǒng)中，無法得到相應(yīng)的能量關(guān)系?？紤]到鍋爐產(chǎn)生的熱量有方面，一部分是產(chǎn)生了蒸汽流量；另一部分能量貯存在鍋爐本身的工質(zhì)中。故采用蒸汽流量代替調(diào)節(jié)級壓力來表征鍋爐的能量。此外，若從爐側(cè)進入母管的蒸汽流量等于從母管進入機側(cè)的蒸汽流量時，母管壓力一定穩(wěn)定。因此，借鑒DEB控制方式，采用主蒸汽流量Dt來表征機爐之間的能量平衡關(guān)系[4]：

為提高控制系統(tǒng)的性能，該工程在式（4）的基礎(chǔ)上增加了下列動態(tài)補償：

（1）各臺運行鍋爐的汽包壓力微分。

（2）主汽壓力設(shè)定值與各臺運行爐的汽包壓力之差的微分。

（3）主汽壓力設(shè)定值與主汽壓力實際值之差的微分。

假設(shè)第x臺鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽流量為Dx，汽包壓力為pdx，鍋爐的蓄熱系數(shù)為K，則第x臺鍋爐所能提供的熱量信號Qx為：

式中：鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一部分進入汽輪機，表現(xiàn)為蒸汽流量Dx；一部分留在鍋爐本體中，表現(xiàn)為汽包壓力變化pdx。因此，可通過汽包壓力的微分變化來表示鍋爐能量的變化最為直觀。同理可一并得出主汽壓力設(shè)定值與各臺運行爐的汽包壓力之差的理論公式：

以及主汽壓力設(shè)定值與主汽壓力實際值之差的理論公式：故，表征機組鍋爐出力及變化的關(guān)系可為：

因此，只要以能量偏差Et和Qx作為PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差，在系統(tǒng)穩(wěn)定時，即可確保能量平衡[5]?；谏鲜龇治?，母管壓力的基本控制策略如圖6所示。

3.3 控制分工

（1）“調(diào)壓爐”。負(fù)責(zé)承擔(dān)主汽母管壓力的調(diào)節(jié)，通過快速增減燃料量來迅速改變蒸汽流量，確保主汽母管壓力的響應(yīng)。

（2）“跟隨爐”。通過擴大PID設(shè)定值的死區(qū)，放弱PID比例、積分的作用，來維持穩(wěn)定自身蒸汽流量，跟隨“調(diào)壓爐”的變化趨勢，輔助穩(wěn)定主汽母管壓力。

（3）“主調(diào)節(jié)器”。以主汽母管壓力設(shè)定值和實際主汽壓力作為設(shè)定值和被調(diào)量，輸出為鍋爐側(cè)出口總主汽流量。并運用相關(guān)前饋量和鍋爐運行臺數(shù)折線作為比例、積分的變參調(diào)節(jié)。

（4）“輔調(diào)節(jié)器”。 作為“調(diào)壓爐”和“跟隨爐”的Boiler Master指令，通過“主調(diào)節(jié)器”的輸出總流量指令，根據(jù)“調(diào)壓爐”與“跟隨爐”的作用系數(shù)，并與各個鍋爐出口實際主汽流量的比較，通過相關(guān)前饋量和主汽流量折線作為比例、積分的變參調(diào)節(jié)。

3.4 控制效果

根據(jù)該發(fā)電廠的現(xiàn)有機組運行情況（3與4號機組已通過96 h滿負(fù)荷試運行），該控制策略已在3與4機組并列運行，控制效果如圖7所示，可見調(diào)節(jié)精度準(zhǔn)確、速度迅速、效果良好、機組動作合理。

由于鍋爐運行臺數(shù)的折線作為相關(guān)PID比例、積分的變參調(diào)節(jié)，故在5與6號機調(diào)試結(jié)束后，相關(guān)參數(shù)及前饋量將基于運行鍋爐臺數(shù)的變化做進一步的調(diào)整優(yōu)化。與此同時，本工程也考慮了母管方式運行中可能遇到的類似于鍋爐RB、汽機跳閘等極端情況，通過采用區(qū)分母管制、單元制的不同方式的邏輯，來保證機組的穩(wěn)定運行。上述控制策略將在后續(xù)得以運用實踐。

圖6 控制策略示意

圖7 母管壓力控制與“跟隨爐”蒸汽流量控制趨勢

4 結(jié)語

通過對上述被控對象的定值擾動試驗可以發(fā)現(xiàn)，該方案提出的區(qū)分鍋爐調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)強度，以及借鑒DEB的控制方式利用主蒸汽流量來表征機爐能量平衡的方法能夠較好地控制主蒸汽母管壓力，對同類型母管制機組具有較好的借鑒價值和推廣意義。