張建志，丁永允

(遼寧電力科學(xué)研究院，沈陽市110006)

0 引言

在現(xiàn)代火力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，機(jī)爐協(xié)調(diào)的控制方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，該方法主要解決機(jī)組的2個(gè)被控量(功率和主汽壓力)與機(jī)組的2種主要控制手段(鍋爐主控與汽機(jī)主控)的關(guān)系問題。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的根本在于鍋爐主控，但由于燃煤鍋爐的大慣性特點(diǎn)，盡管可以采取的克服鍋爐熱慣性的方法很多，但效果卻總難以讓人滿意［1-3］。于是，如何控制汽機(jī)主控系統(tǒng)，使其在固定的蒸汽流量下，更加有效地在機(jī)組功率與主汽門前壓力之間形成協(xié)調(diào)，成為人們越來越關(guān)注的問題。本文以中電投白城電廠協(xié)調(diào)控制邏輯為例［4］，介紹大型超臨界火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，重點(diǎn)論述主汽壓力偏差容忍法在汽機(jī)主控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。主汽壓力偏差容忍法來源于國外機(jī)組，目前已經(jīng)在國內(nèi)很多大型火電機(jī)組中得到成功應(yīng)用，該方法邏輯簡單、構(gòu)思巧妙、控制高效，是一種值得推廣的好方法。

1 中電投白城電廠概況

中電投白城電廠工程新建2臺(tái)600 MW超臨界燃煤空冷發(fā)電機(jī)組，配置哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界、變壓運(yùn)行直流鍋爐及哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī);采用上海?？怂构?FOXBORO)提供的I/A分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS);采用以鍋爐跟隨為主的協(xié)調(diào)控制方式。該電廠設(shè)計(jì)煤種為霍林河煤礦出產(chǎn)的褐煤，鍋爐的熱慣性很大，通過測試可知，從煤量的變化到蒸汽的變化，時(shí)間約為8 min。

該電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控的邏輯構(gòu)成同國內(nèi)多數(shù)同類機(jī)組的相類似，都采用以負(fù)荷－煤量曲線為主前饋，以主汽壓力偏差為主調(diào)節(jié)的控制方式。汽機(jī)主控的控制方式與傳統(tǒng)的份額法不同。份額法的汽機(jī)主控調(diào)節(jié)部分輸入偏差由2個(gè)部分構(gòu)成，一部分是功率偏差，占大份額，另一部分是主汽壓力偏差，占小份額，二者作用相反，但每時(shí)每刻都同時(shí)起作用。該機(jī)組汽機(jī)主控采用主汽壓力偏差容忍法，同份額法相比，偏差容忍法控制功率的效果更好，對負(fù)荷變化的反應(yīng)更快;缺點(diǎn)是對壓力的控制相對較弱，但不會(huì)超出設(shè)定的極限值［5-7］。

2 鍋爐主控制系統(tǒng)

該電廠的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)鍋爐主控是以負(fù)荷確定的給煤量作為控制的主體前饋部分，以機(jī)前壓力調(diào)節(jié)作為控制的修正部分，以主汽壓力的微分作為其加速部分，其控制邏輯如圖1所示。

圖1中，塊MATH_15_1是PID調(diào)節(jié)器的前饋部分，包括塊CHARC_8提供的負(fù)荷折算出的給煤量部分和塊MATH_11_1給出的主汽壓力偏差的微分部分，該前饋部分是控制的主體。塊MATH_7_1輸出的是主汽壓力偏差，該偏差通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，變成鍋爐主控的修正部分，協(xié)調(diào)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，該修正部分的輸出量應(yīng)該很小。

3 汽機(jī)主控制系統(tǒng)

該電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)汽機(jī)主控采用主汽壓力偏差容忍法。所謂主汽壓力偏差容忍法，就是設(shè)定一個(gè)主汽壓力極限偏差，如0.7 MPa，該偏差是主汽壓力設(shè)定值與主汽壓力實(shí)際值偏差的絕對值，也是人為給出的一個(gè)允許在協(xié)調(diào)系統(tǒng)中因調(diào)解功率而造成主汽壓力調(diào)節(jié)的最大偏差值。當(dāng)主汽壓力偏差小于此值時(shí)，汽機(jī)主控調(diào)節(jié)功率，當(dāng)主汽壓力偏差超過此值時(shí)，汽機(jī)主控轉(zhuǎn)而控制機(jī)前壓力。汽機(jī)主控邏輯如圖2所示。

圖1 鍋爐主控邏輯Fig.1 Boiler main control logic

圖2 汽機(jī)主控邏輯Fig.2 Turbine main control logic

圖2中，塊MATH_18_1是機(jī)組負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差;塊SWCH_162是正偏差容忍值選擇塊，當(dāng)正常工況時(shí)選擇正偏差容忍值為0.7 MPa，協(xié)調(diào)變負(fù)荷時(shí)選擇正偏差容忍值為1.2MPa;塊SWCH_162_1是負(fù)偏差容忍值選擇塊，分別為－0.7 MPa和－1.2 MPa;塊MATH_30中正偏差容忍值與主汽壓力偏差值相減，乘以系數(shù)26是為了將主汽壓力偏差值與負(fù)荷偏差值統(tǒng)一到1個(gè)量綱上去，便于比較大小，“26”是由功率量程與主汽壓力量程相除得到的;塊MATH_31中負(fù)偏差容忍值與主汽壓力偏差值相減;塊SIGSEL_46是小選模塊;塊SIGSEL_47是大選模塊;塊MATH_29中的系數(shù)0.166是對PID輸入偏差起標(biāo)化作用。下面分別以負(fù)荷上升和負(fù)荷下降階段為例，分析主汽壓力極限偏差法的工作過程。

3.1 升負(fù)荷時(shí)主汽壓力偏差未超過容忍值并且小于功率偏差

在機(jī)組升負(fù)荷爬坡階段，若機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值與主汽壓力實(shí)際值都沒有達(dá)到各自的設(shè)定值，二者都是正偏差，但主汽壓力控制得好，壓力偏差較小，如圖3所示。圖3水平軸表示統(tǒng)一量綱后的壓力偏差和功率偏差，豎直軸是偏差正負(fù)值的分界線，O點(diǎn)左側(cè)為負(fù)偏差，右側(cè)為正偏差。統(tǒng)一量綱后，主汽壓力偏差為A1，功率偏差為B，正壓力容忍值為D。則塊MATH_29_1的輸出較小，塊MATH_30的輸出較大，經(jīng)塊SIGSEL_46低選后功率偏差輸出，而塊SWCH_162_1得到的是一個(gè)負(fù)數(shù)，經(jīng)塊SIGSEL_47高選后，仍然是功率偏差輸出。由于PID用的是正向控制，正的功率偏差輸入給PID后，PID調(diào)節(jié)輸出增大，汽機(jī)調(diào)節(jié)門開大，機(jī)組功率升高。這是升負(fù)荷過程中汽機(jī)壓力調(diào)節(jié)得好的情況，即主汽壓力偏差落在O、B之間的情況，汽機(jī)主控絲毫不用顧及主汽壓力，單純根據(jù)功率偏差來調(diào)節(jié)功率。

圖3 壓力容忍法示意圖Fig.3 Pressure tolerance method

3.2 升負(fù)荷時(shí)主汽壓力偏差未超過容忍值但大于功率偏差

升負(fù)荷過程中，主汽壓力控制得不好，但未超限，如圖3中主汽壓力偏差A(yù)2落到了B、D之間。壓力偏差較大，但沒有超出偏差容忍值，即塊MATH_29_1輸出的數(shù)較大，經(jīng)塊MATH_30相減后得到一個(gè)較小的正數(shù)。此數(shù)比MATH_18_1的輸出值小，經(jīng)塊SIGSEL_46小選后主汽壓力偏差與容忍值的差被輸出，因?yàn)閴KMATH_31還是負(fù)數(shù)，所以塊SIGSEL_47大選后還是主汽壓力偏差與容忍值的差被輸出。由于是正偏差，汽機(jī)調(diào)節(jié)門繼續(xù)開大，功率繼續(xù)攀升，但此時(shí)已經(jīng)不是按照功率偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié)了，而是按照較小的主汽壓力偏差與容忍值的差來調(diào)節(jié)，即圖3中A2與D之間的距離來調(diào)節(jié)。A2與D之間距離越近，閥門開啟得越小，也就是說，當(dāng)壓力偏差離壓力容忍值很近時(shí)，雖然還在調(diào)節(jié)功率，但已經(jīng)充分考慮了壓力的影響，對功率的調(diào)節(jié)幅度被大大地減弱了。

3.3 升負(fù)荷時(shí)壓力控制得不好已超過容忍值

如圖3中A3落在D外，正壓力容忍值減去壓力偏差，得到負(fù)數(shù)，塊MATH_30是負(fù)數(shù)，而塊MATH_18_1輸出的是正數(shù)，被選小輸出，在大選中選大，也能輸出，經(jīng)PID后，因?yàn)槭秦?fù)數(shù)，所以閥門關(guān)小?？梢?，因?yàn)榇藭r(shí)主汽壓力偏差已經(jīng)超過了容忍值，不能再被容忍下去，此時(shí)只能犧牲功率來維護(hù)壓力了。

3.4 降負(fù)荷時(shí)壓力偏差未超過負(fù)向容忍值并且偏差絕對值也較功率偏差小

降負(fù)荷過程中，機(jī)組由大功率、高壓力向小功率、低壓力變化，實(shí)際功率值和實(shí)際主汽壓力都比設(shè)定值要大，二者都是負(fù)偏差。若主汽壓力控制得好，則壓力偏差較小，如圖3中A4，功率偏差則為 G，塊MATH_30輸出的是正值，塊MATH_18_1輸出負(fù)值，塊SIGSEL_46選小，負(fù)值被選，塊MATH_31輸出的也是負(fù)值。由于壓力偏差控制得好，所以塊MATH_31輸出的值絕對值大，實(shí)際數(shù)小，塊SIGSEL_47大選后，塊MATH_18_1的輸出被選，也就是功率偏差被選，PID輸出減小，關(guān)調(diào)節(jié)門。也就是說，此時(shí)完全按照功率偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，不考慮壓力控制。

3.5 降負(fù)荷時(shí)壓力偏差未超過容忍值但超過了功率偏差

降負(fù)荷過程中，若主汽壓力控制得不好，功率和主汽壓力都是負(fù)偏差，壓力偏差絕對值已超過功率偏差絕對值，但壓力偏差未超過壓力容忍值，如圖3所示壓力偏差為A5。最終應(yīng)是一個(gè)以E、A5之間距離為絕對值的負(fù)數(shù)被選出，該數(shù)的絕對值要比功率偏差的絕對值小。也就是說，此時(shí)汽機(jī)調(diào)節(jié)門仍然被關(guān)小，但已經(jīng)是有節(jié)制的關(guān)小，調(diào)整機(jī)組功率的同時(shí)，也顧及了主汽壓力的調(diào)節(jié)。

3.6 降負(fù)荷時(shí)壓力偏差超過容忍值

降負(fù)荷過程中，主汽壓力調(diào)節(jié)超限，如圖3所示主汽壓力偏差A(yù)6落到了壓力偏差容忍值之外，則塊MATH_31出現(xiàn)了正值，被選后交PID調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)器輸出增大，汽機(jī)調(diào)節(jié)門開大，功率上升，主汽壓力下降。此時(shí)因?yàn)閴毫Τ^了容忍值，已經(jīng)不得不犧牲功率調(diào)節(jié)來彌補(bǔ)壓力調(diào)節(jié)。

通過以上6種工況的分析可以得出壓力容忍法的動(dòng)作規(guī)律，從圖3中可以看出，只要壓力偏差落在預(yù)設(shè)的壓力偏差容忍值之內(nèi)，汽機(jī)主控都是調(diào)節(jié)功率的，但調(diào)節(jié)的程度不同;如果壓力偏差比同量綱的功率偏差小，則汽機(jī)主控全力來調(diào)節(jié)功率;如果壓力偏差比同量綱的功率偏差大，也就是說壓力調(diào)節(jié)的效果較差，但仍未超過容忍值，則雖然也調(diào)節(jié)功率，但此時(shí)已考慮了壓力調(diào)節(jié)的因素，調(diào)節(jié)功率的程度較弱;如果壓力偏差落到了壓力容忍值之外，則忍無可忍，需要放棄調(diào)節(jié)功率，直接來調(diào)節(jié)主汽壓力。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

中電投白城電廠協(xié)調(diào)方式下機(jī)組運(yùn)行曲線如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)方式下機(jī)組運(yùn)行曲線Fig.4 Unit operation curves under coordination mode

從圖4中可以看出，負(fù)荷實(shí)際值曲線對負(fù)荷設(shè)定值曲線的跟隨是很好的，說明機(jī)組的負(fù)荷指令具有良好的適應(yīng)性;而壓力實(shí)際值對壓力設(shè)定值的跟隨略有偏差，但偏差不超過某個(gè)限定值，這說明協(xié)調(diào)系統(tǒng)對壓力的控制能力稍差，但也控制在一定范圍之內(nèi)，滿足火力發(fā)電企業(yè)有關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［8-9］。

5 結(jié)語

本文介紹的壓力偏差容忍法，只是一種在鍋爐蒸汽流量一定的前提下進(jìn)行分配的方法，從控制回路可以看出，該方法是以功率控制為主，盡可能地滿足機(jī)組對功率的要求，這是為了適應(yīng)電網(wǎng)對機(jī)組負(fù)荷控制越來越高的要求。但是，當(dāng)主汽門前壓力偏差到了一個(gè)危險(xiǎn)階段時(shí)，汽機(jī)主控將不再顧及功率的需要，轉(zhuǎn)而去控制主汽壓力。壓力偏差容忍法在中電投白城電廠2臺(tái)600 MW超臨界機(jī)組中的應(yīng)用實(shí)踐表明，該方法對負(fù)荷變化的反應(yīng)很快，能最大程度地發(fā)揮汽機(jī)主控調(diào)節(jié)功率的作用;對壓力偏差有最終限制底線，不會(huì)讓主汽門前壓力達(dá)到不能容忍的程度，具有很好的控制效果。目前，除了在白城電廠應(yīng)用外，此方法還在國電康平2臺(tái)600 MW機(jī)組和山東鄒縣2臺(tái)1 000 MW機(jī)組上得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果。

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