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200 MW直流单元机组协调控制系统设计与应用           
200 MW直流单元机组协调控制系统设计与应用
作者:佚名 文章来源:技术论文 点击数: 更新时间:2008-10-13 8:54:53
    电力工业的发展不但对协调控制的品质提出了更高的要求,对直流炉而言,还有深度调峰的要求。为适应这种发展需求,本文结合某200 MW直流、直吹式单元机组,对其机炉协调控制对象特性进行了分析:直流炉给水系统的特殊性;机炉控制回路间调节速度的差异性;机炉控制回路间的强耦合性;燃料调节回路的滞后性等。为解决以上问题,在直流炉的给水子系统对燃料前馈作了修正处理,并设计了以给水焓值作为被控参数的给水调节方案,以保证给水子系统能够独立设计;在汽机调节器入口加入了负荷—压力函数,以充分利用汽机侧调节的快速性;采用单向解耦补偿函数,克服锅炉侧扰动对汽机侧的影响;采用负荷预加煤、负荷定值动态前馈调节方式,克服燃料调节回路的滞后性;适应变负荷的需要,对燃料调节器设计了参数自适应功能。此外,还采用时序保护功能,防止信号故障造成调节器误动作。经过调试,投入了电网AGC控制,并给出了协调控制运行曲线。

1 给水子系统
  直流炉的给水系统对协调控制的影响较大,给水系统对主汽温度、主汽压力以及负荷均有较大影响。一般直流炉协调控制系统设计将给水量—中间点温度也作为一对输入—输出量,即采用
三入三出的协调控制设计方案。但这样会增加在工程应用中的设计和调试难度。因此,本文采用以下措施对给水系统进行调节,以便将给水系统独立设计。
1.1 
  为将直流炉的给水子系统独立调节,首先需要保持好燃料—给水的配比,才能保证中间点温度的稳定,进而保证机炉协调控制的质量。本文在给水主调节器上加入经过修正的燃料前馈,从而较好地
保证了燃料—给水的配比。
 

    燃料—给水的配比系数k可以通过对煤的发热量和水变成过热蒸汽所需的热量进行计算,再经过现场的实际调试后确定。因为调速级压力的变化代表了实际负荷的变化,为对不同负荷工况下燃料前馈进行修正,因此前馈乘以调速级压力P1,然后再经过滞后滤波器f(t)和纯迟延环节delay的调节,以保证给水量和燃料量在时间顺序上能够匹配好。
1.2 
  一般的直流炉给水系统均采用中间点温度作为被调参数。当中间点进入饱和区后,中间点温度将不能正确反映给水量与燃料发热量比例的变化,但是采用给水的焓值作为被调量则不存在此问题。
  使用给水焓值作为被控量的给水调节原理如  图1所示。给水压力P和给水温度T这两个参数经过函数关系f(x)1查表共同决定给水的焓值H。焓值的定值H0与实际负荷N有一定的函数对应关系f(x),同时,它还要受到磨组合关系M0的修正,因为不同的磨组合关系下,燃烧工况不相同,从而造成中间点的微过热温度也就不相同,因而对应焓值的定值也就不相同。给水主调节器PID的输出F0作为给水副调的流量指令。

2 汽机调节器入口修正函数
  机炉能量平衡,其本质是燃料量和负荷之间的平衡;同时,由于现场实际测量的燃料调节滞后时间过长,因此,本文主要使用燃料量调节负荷,而使用主汽调门保证机组的稳定。由机炉两侧调节速度的差异性所决定,对锅炉来说,无论其调节对象是负荷还是压力,都存在调节作用的滞后问题。为此,本文设计了汽机调节器入口的补偿函数。在稳态时,本文在汽机调节器入口加入图2(b)所示的函数,压力定值允许波动0.1 MPa,以实现对锅炉扰动的单向解耦,详见本文第三部分。在变负荷过程中,在汽机调节器入口加入如图2(a)所示的函数,以压力定值允许波动0.4 MPa来保证变负荷初始过程负荷的跟踪效果。
  此负荷—压力函数的求取,主要采用现场扰动实验的方法求得。在保持机组稳定和其它调节器暂时不动作的情况下,做燃料—负荷的扰动响应和燃料—压力的扰动响应,从而得出负荷—压
力的对应关系。



 
3 单向静态解耦
  机炉协调控制对象是一个强耦合对象,但考虑到汽机侧消除扰动的能力较强,因此设计了锅炉侧到汽机侧的单向解耦,使炉侧扰动主要由锅炉调节器消除。负荷偏差经过一个带有死区的函数f(x),再经过超前—滞后函数f(t)的校正,输出到汽机调节器的入口。函数f(x)如图2(b)所示,当负荷偏差在±1 MW范围内时,解耦通道不起作用;当负荷偏差超出1 MW时,解耦通道发挥作用,限制负荷的波动,从而保证稳态时协调系统的控制品质。函数f(t)的作用主要是使解耦补偿作用在时序上要匹配好,否则极易引起系统的正反馈。图3中,PIB和PIT分别为锅炉和汽机调节器,B0和μ0分别为燃料和主汽调门调节指令,Δ′为汽机调节器入口的压力偏差。


4 克服锅炉燃料调节的滞后性
  克服锅炉燃料调节滞后性的措施主要是采用燃料前馈,同时,一次风量的动态调节也可起到一定的作用。
4.1 
  燃料的前馈包括两部分:负荷预加煤前馈;负荷动态前馈。
(1)负荷预加煤前馈
  负荷预加煤控制主要是指根据目标负荷和实际负荷的偏差以及燃料—负荷的配比关系计算出应该预加的煤量,在目标负荷刚开始变化时,就按照一定的速率预先加入一定的煤量,从而能在一定程度上克服锅炉的调节滞后。其原理见图4。实际负荷N与目标负荷N0的偏差经过预加煤计算函数f(x)2,再经过速率限制V,形成预加煤前馈。
(2)负荷定值的前馈
  图4中,负荷定值Nsp经过超前—滞后功能滤波器f(t),可将负荷定值作超前校正,其输出再乘以实际负荷N,可在不同负荷工况下对超前幅值进行修正。
  由(1)和(2)共同形成燃料前馈BQ
4.2 
  由于机组为直吹式给粉,通过调节给煤机转速调节燃料量,因此,燃料回路的滞后时间较长。在变负荷时对一次风量进行一定超前调节,一方面因为
一次风带粉,可动态变化一定的燃料量;另一方面,一次风量的动态调节,可改变进入炉膛的总风量。因此,在变负荷时,对一次风量进行一定的动态过调,对克服燃料的滞后有一定的调节作用。
4.3 
  在机组变负荷过程中,主要依靠预加煤和负荷指令的动态前馈进行调节,而将调节器参数放小;在结束变负荷过程后,再将其参数恢复。本文对燃料调节器设计了参数自适应功能,其原理如
图5所示。


   在机组变负荷过程中,根据实际负荷N与目标负荷Nsp的偏差,调节器参数比例增益Kp和积分增益KI将由自适应模块ADAPT从原来的较大的参数调整为较小的参数。当变负荷过程结束后,再将调节器参数调回。

5 时序保护功能设置
  对DCS控制系统组态软件来说,其功能块执行的时间顺序按照功能块号从小到大。但我们在填写功能块的块号时,往往忽略了某些功能块先执行与后执行在效果上的差别。例如,当压力信号突然故障时,应该将压力调节回路立即切手动;但是若压力信号故障逻辑的组态功能块号比压力调节作用的组态功能块号大,则在时序上压力信号故障逻辑不能比压力调节作用先执行,则此时压力调节器将会有错误输出,会造成系统的不稳定,甚至系统的崩溃。因此,需要从时序上将所有的逻辑信号先于调节信号执行,也就是说,逻辑信号的功能块号比调节作用的功能块号要小,以保证在信号异常时,相关回路能够及时切手动,从而保证机组的运行安全。

6 调试曲线
  为检验协调控制系统的设计和调节质量,对机组作了断续升负荷试验和大幅值升负荷试验。两者负荷定值均从130 MW到200 MW,但前者断续升负荷的幅值逐渐加大,后者两次升负荷即将定值从130 MW升到200MW。
 

7 结论
  本文通过对直流炉的协调控制方案的设计、调试直至将机组投入协调控制和电网AGC运行,证明了本文设计的协调控制方案的有效性。

[1]刘吉臻.协调控制与给水全程控制.北京:水利电力出版社,1995.
[2]张玉铎.热工自动控制系统.北京:水利电力出版社,1984.

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