火電機組協調(CCS)技術研究及應用
企業:杭州和利時自動化有限公司 日期:2020-09-10
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摘要:大型單元機組是一個多變量控制對象。機、爐的控制動作相互影響,且動態特性差異較大。為把爐、機的參數檢測、過程調節、聯鎖保護、邏輯控制等各個方面作為一個整體進行控制,使爐、機控制更具靈活性、快速性和準確性,既能滿足電網調峰和調頻的需求,又能保證機組安全、經濟運行,建立合理的機、爐協調控制策略是至關重要的。

關鍵詞:協調控制系統(CCS);機組負荷;RB;RD/RU;燃燒率;能量平衡

1 協調控制系統的功能及要求

單元機組協調控制系統要求實現如下基本功能:

(1)參與電網的調峰和調頻,快速響應電網負荷的需求

調峰是電網根據負荷需求對機組進行的負荷調度;調頻則是機組按頻差特性根據網頻變化自動完成的負荷調整。因此,調頻是隨機發生的,調峰則是人為組織的。

(2)穩定機組運行

檢測與平抑機組運行中的各種內、外擾動,協調爐、機的能量平衡,協調鍋爐內部燃料、送風、引風、給水、汽溫等各子系統的能量平衡和質量平衡。

(3)機組出力與主輔機實際運行能力的平衡

機組運行中可能出現局部故障,或負荷需求超過了機組實時的負荷能力,使某些參數產生供需偏差。CCS設計應有:

  • 方向閉鎖(in-crease block,、decreaseblock);

  • 機組指令迫升/迫降(run up/run down);

  • 輔機故障減負荷(runback)。

使機組在主、輔機或子回路控制受到限制的異常情況下,自動過渡到安全狀態穩定運行。

(4)具有多種選擇運行方式

協調控制系統應滿足機組各種工況運行的要求,提供可方便選擇且具有自動聯鎖切換的控制方式。

2 協調控制系統的對象特性

從機組負荷控制角度來看,單元機組是一個相互關聯、多變量耦合控制對象,為便于分析,經適當假設可簡化表示為圖1方框圖所示被控系統。

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圖1 單元機組負荷控制對象方框圖

圖中:μB 鍋爐燃料量;

μT 汽輪機調節閥開度;

Ne 機組實發功率;

pT 汽輪機機前壓力 。

2.1 鍋爐燃燒率μB擾動時的對象特性

當鍋爐燃燒率μB變化時,將引起機前壓力pT和機組實發功率Ne的變化。

pT通道用WPB(s)、Ne通道用WNB(s)分別描述通道轉換特性。 維持汽機調閥開度μT不變時:

WPB(s)=K1/(T1s+1)2

WNB(s)=K2/(T2s+1)2

上兩式描述的通道轉換特性均是簡化了的二階慣性環節,它表明從鍋爐燃料投入至機前壓力和機組功率變化,轉換通道具有較大的慣性和遲延。對象具有自平衡能力。

汽機調門開度不變,鍋爐燃燒率μB階躍擾動時,對象響應曲線示于圖2。

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圖2 燃料擾動對象響應曲線

由響應曲線可以看出,增加爐燃料量,爐的吸熱量將增加,汽壓經遲延后漸升高。由于汽機調門未變,蒸汽流量僅隨汽壓的上升而增加,從而自發的限制了汽壓的升高。對象表現出自平衡作用。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時,汽壓PT就趨于一個較高的新穩態值。

由于蒸汽流量的增加使輸出功率Ne增加,當蒸汽流量不變時,輸出電功率也趨于一個較高的新穩態值。

綜上分析:鍋爐燃燒率改變時,Ne和PT的響應很慢,即熱慣性大,對象有自平衡能力。

2.2 汽輪機調門開度μT擾動時的對象特性

當汽輪機調門開度μT改變時,也將引起機前壓力PT和機組實發功率PE的變化。PT通道用WPμ(s)、Ne通道用WNμ(s)分別描述通道轉換特性。維持爐燃燒率μB不變時:

WPμ(s)=-[K3+( K4/(T4s+1))]

WNμ(s)= K5/(T5s+1)- K6/(T6s+1)2

由上兩式傳遞函數可知,維持爐燃燒率μB不變,汽輪機調門開度μT改變時,PT通道表現為比例慣性特性,Ne通道表現為一階慣性減二階慣性的綜合特性,近似于一個微分作用。汽輪機調門開度μT擾動時,PT和Ne傳遞函數均表現出較快的響應特性。鍋爐燃燒率不變,汽機調門開度μT階躍擾動時,對象響應曲線示于圖3。

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圖3 機調門擾動對象相應曲線

由響應曲線看出,汽機調門階躍增加后,蒸汽流量立刻成比例增加,汽壓PT也隨之階躍下降。汽壓PT下降使增加的蒸汽流量回降,逐漸穩定到與燃燒率相適應的較擾動前稍大的流量值,主汽壓力PT也逐漸趨于一個較低新的穩態值。對象表現出自平衡作用。其曲線為比例慣性特性。

輸出功率Ne隨蒸汽流量的變化,開始有所增加。最終,由于稍大的主汽流量被較低主汽壓力所沖銷,維持機輸入能量不變,輸出功率Ne也漸恢復到擾動前的數值。

圖3輸出功率Ne過渡過程包絡線多出的面積,即是過渡過程中機組多發的功率,這是鍋爐汽壓下降而釋放出的蓄熱。

綜上分析:汽機調門改變時, Ne和PT的響應較快,即熱慣性小,對象有自平衡能力。

2.3 廣義負荷控制對象特性

如果把機、爐子控制系統包括在負荷控制對象之內,就構成了廣義負荷控制對象,如圖4所示。其控制輸入量為鍋爐主控制指令BLD和汽輪機主控制指令TLD。

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圖4 單元機組廣義負荷控制對象方框圖

鍋爐側子系統如送風、引風、給水等,與燃燒控制特性相比,其遲延和慣性相對很小,可近似視為μB及時地跟隨爐主控制令BLD。爐側子系統接近比例跟隨特性。即

μB≈BLD

汽輪機側,如果汽輪機采用純液壓調速系統,則機主控指令TLD就是調門開度(或同步器位移)指令μT。即    

μT≈TLD

這樣廣義被控對象的動態特性仍同上述分析,未發生改變。

如果汽輪機采用功頻電液調節系統,則機主控指令TLD就是汽輪機功率指令。這樣被控對象的動態特性就有很大變化。如圖5所示。

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圖5 采用DEH的廣義負荷控制對象方框圖

由圖5可以看出,汽輪機采用功頻電液調節系統時,由于汽輪機功率調節回路的存在,保證了穩態時功率與功率指令一致。那么,機主控指令TLD和爐主控指令BLD就分別代表鍋爐的輸出與輸入能量。若機主控指令TLD和爐主控指令BLD任一指令保持不變,而另一指令階躍擾動,則會因鍋爐輸出與輸入能量不平衡,主汽壓力pT呈積分變化。沒有自平衡能力。

圖6為TLD不變,BLD階躍擾動下主汽壓力pT和電功率Ne的響應特性。BLD階躍擾動后,由于鍋爐燃燒具有較大的遲延和慣性,擾動對系統的影響較為緩慢。由于BLD>TLD,爐過剩能量驅動pT上升。而TLD不變,隨PT上升,機將關小汽門,維持負荷不變。

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圖6 BLD擾動TLD不變響應曲線

因此,PT近似為慣性積分環節,Ne近似不變。

圖7為BLD不變,TLD階躍擾動下主汽壓力PT和電功率Ne的響應特性。TLD階躍擾動后,擾動對系統的影響將迅即呈階躍發生。機開大汽門,企圖加大蒸汽流入量,推動汽輪發電機組使負荷與階躍后的TLD要求相適應。由于BLD<TLD,爐能量不足將拉動PT下降。隨汽門的開大PT將加速繼續降低。當負荷Ne與階躍的TLD相等后,PT下降與汽門開大最終將達到相互耦合作用的穩定過程。即PT下降與汽門開大一直進行,但汽輪機輸入能量隨PT下降的減少量與汽門開大的增加量相平衡,負荷Ne=TLD不再變化。

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圖7 TLD擾動BLD不變響應曲線

因此,pT近似為比例慣性積分環節,Ne近似為比例慣性環節。

2.4 單元機組負荷控制系統的對象特點

單元機組是一個多變量耦合控制對象,鍋爐和汽輪機的動態特性存在很大差異,汽輪發電機負荷響應快,鍋爐由于受制于燃燒過程的較大遲延和慣性,負荷響應較為緩慢。所以單元機組能量供求關系出現制約,外部負荷響應需求與內部運行參數穩定性之間存在著固有矛盾。這些就是單元機組負荷控制系統對象的突出特點。

根據單元機組對象的特點,在實施控制時必須很好地協調機、爐兩側動作,合理的保持好爐、機能量供求平衡關系,以兼顧負荷響應和機組的穩定運行。

3 協調控制系統的組成

單元機組協調控制系統(Coordinated ControlSystem,CCS)的結構如圖8所示,是由負荷主控制系統、子控制系統和被控對象三大部分組成。

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圖8 單元機組協調控制系統結構圖

負荷主控制系統又包括兩部分,即負荷指令處理部分(也稱負荷管理控制中心)和機爐主控制器。

負荷管理控制中心(LMCC)根據機組實際情況,完成外部負荷指令ADS(Automatic DispathSystem)和運行設定的負荷指令ALR的分選,并進行設定值的變化率限制、上下限限制和一次調頻量修正,生成機組負荷執行命令ALD(Actual LoadDemand)。

當出現機組主、輔機或子回路控制受到限制的異常情況時,負荷管理控制中心(LMCC)設計有機組輔機故障減負荷Run Back(快速返回)功能,有關的主要運行參數越限強制減負荷Run Down(迫降)或增負荷Run Up(迫升)功能,對負荷執行命令ALD進行符合機組實際狀況的有效修正。

負荷主控制系統的機、爐主控制器是協調的執行運算單元,接受負荷執行命令ALD(或稱ULD—Unit Load Demand),根據鍋爐和汽輪機的運行條件和要求,選擇合適的運行方式,產生鍋爐子控制系統的爐指令BLD(Boiler Load Demand)和汽輪機子控制系統的機指令(Turbine Load Demand)TLD。協調指揮爐、機各子系統同步實施調節,控制機組輸入、輸出能量平衡,控制汽壓偏差Δp和功率偏差ΔN在允許的范圍內,滿足電網負荷需求,保證機組安全、經濟運行。

根據單元機組容量、特性和合同規定的控制功能的不同,協調控制系統的設計方案各異。歸納起來,從反饋控制角度來說設計有機跟隨為基礎的和鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統。從能量平衡控制的角度來說設計有間接能量平衡和直接接能量平衡的協調控制系統。

4 單元機組協調控制系統設計的基本策略

建立合理的協調系統控制策略,關鍵在于處理機組的負荷適應性與運行穩定性間的矛盾。一般設計時應注意以下三個要點:

  • 機控要充分利用鍋爐蓄能,滿足機組負荷要求;

  • 爐控要動態超調鍋爐的能量輸入,盡快合理補償鍋爐蓄能的變化;

  • 要盡可能減少或消除爐、機的相互影響,采用擾動補償、自治或解耦的控制原理,使擾動在控制回路中得到有效抑制或快速消除,非擾動控制回路應不動或少動。

不同的協調控制系統負荷管理控制中心基本是相同的,往往機、爐主控制器在落實上述控制要點的控制策略上有所區別。從控制結構出發,機、爐主控制器設計一般有兩種指導思想:

(1)前饋-反饋控制

這種協調系統往往著力于發揮前饋控制技術和變參數控制技術的優勢,以負荷指令作為爐控的前饋信號,間接協調機、爐之間能量供求的平衡。因此,也稱為間接能量平衡控制系統(DIB)。

這種系統以主控參數如壓力和負荷偏差反饋控制為基礎,作為系統控制的細調,保證系統有足夠克服內擾的能力和的較高的控制精度。

系統比較著力于引入前饋控制為輔助調節手段,對系統進行快而基本準確的粗調,以提高負荷響應的速度。

系統前饋信號往往采用主被調量或其它相關的中間變量,使鍋爐燃料超調于主被調量的波動輸入,調節回路能提前動作,以擬合機組的動態遲延和慣性。系統前饋量應遵循滿足負荷指令與機、爐主控指令之間一定的靜態關系。若控制適當,將可直接抵消或有效抑制擾動,加快補償負荷擾動時鍋爐蓄能的變化。

一般系統還設計有非線性控制環節,在充分利用鍋爐蓄熱提高負荷響應速度的同時,注意控制主汽壓力在允許的偏差范圍內。

(2) 能量平衡控制

這種協調系統也稱為直接能量平衡控制系統(DEB)。

系統組成以能量平衡信號作為爐、機控的前饋指令,力爭在能量平衡前饋作用下,爐、機能協調一致地滿足電網負荷變化的需求。

能量平衡控制協調系統中,主控參數反饋控制僅起輔助、消差作用。

5 單元機組協調控制的原則方案

(1)鍋爐跟隨控制的原則方案

單元機組的鍋爐跟隨控制原則方案如圖9所示。

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圖9 鍋爐跟隨控制方式

由機主控調整功率,爐主控調整汽壓。機主控動作在前,爐主控動作在后。當機組負荷指令改變時,機主控首先改變汽機調門開度,改變進汽量,從而迅速改變發電機的輸出功率,使其負荷和指令相一致。隨著汽機調門開度的變化,主汽壓力隨之改變。爐主控則根據主汽壓力的變化去增減燃燒率,并協調各子系統動作,以補償鍋爐蓄能的變化。使輸入鍋爐的能量與汽輪機的需求能量相平衡,維持主蒸汽壓力的穩定。

這種控制系統的特點是:對于功率給定的變化,能充分利用鍋爐蓄熱,使機組實發功率迅速隨動響應。系統對電網的頻率調整有利,但對較大的給定功率變化適應性差,主蒸汽壓力和溫度變化大,不利于機組穩定運行。

(2)汽機跟隨控制的原則方案

單元機組的汽機跟隨控制原則方案如圖10所示。

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圖10 汽機跟隨控制方式

由爐主控調整功率,機主控調整汽壓。爐主控動作在前,機主控動作在后。

當機組負荷指令改變時,爐主控使進入鍋爐的燃料量改變,從而改變鍋爐的蒸發量,以適應負荷變化的能量需求。這將引起主汽壓力的變化。這時機主控“量入為出”,根據主汽壓的變化去改變調速門的開度,以維持主蒸汽壓力的穩定。

其間,由于進入汽機的蒸汽量變化,改變了發電機的功率,使其和負荷指令相一致。綜觀其因,機主控的調整是隨動的,功率的變化始發于鍋爐的燃料量的改變。這即是說爐主控調整功率的原因。這種控制系統的特點是:采用控制汽機調速汽門來維持主汽壓力,汽壓控制速度快,有利于機組的穩定運行。但沒有充分利用鍋爐蓄熱,是先補充而后釋放蓄熱。特別是當功率給定值改變后,功率調節器先改變鍋爐燃料,由于鍋爐燃燒與熱傳導均有慣性,待主汽壓力慢慢變化后,機主控才隨動改變汽機調門,使輸出功率改變。這樣,系統不利于電網的頻率調整,負荷的適應性差。

(3)機爐協調控制的原則方案

單元機組的爐機協調控制原則方案如圖11所示。

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圖11 爐機協調控制方式

采用單元機組的爐機協調控制原則方案,機組功率和主汽壓力的調節任務由爐主控和機主控共同完成。即機組負荷指令和主汽壓偏差信號同時作用到鍋爐控制器和汽機控制器,并行改變鍋爐輸入能量和汽機調門開度。以期盡快使功率和汽壓等于設定值。

爐機協調方式下,在負荷變化過程中,允許主汽壓在一定范圍內變化,從而充分利用鍋爐蓄熱,使機組能較快地適應負荷指令的需求。一般來說,機組功率和主汽壓力調節完全對等的由爐主控和機主控共同完成,控制結構組織比較困難,也無這種特殊必要。實際應用中,往往發揮機跟隨方式和爐跟隨方式的特點,組織以機跟隨為基礎的協調控制系統或爐以跟隨為基礎的協調控制系統。

6 結束語

為改善機組負荷響應能力,越來越多的工程設計采用了以鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統。由于反饋控制過程緩慢,傳遞時滯和慣性易引起調節過度積分和系統不穩定。因此,協調控制系統里,采用反饋控制僅為了消除穩態時主被調量的偏差。現代控制一般均比較著力于引用前饋控制技術和變參數控制技術,使組織的協調系統更適應不同工況下對象特性的變化;直接或間接地快速完成爐、機能量需求的平衡控制。

作者簡介:

李高平(1972-),男,甘肅敦煌人,現任中國人民解放軍63621部隊電氣熱控高級工程師,從事電力設備狀態檢修、自動控制、繼電保護和信息系統技術研究工作。

魏 東(1982-),男,甘肅榆中人,現任中國人民解放軍63621部隊熱工控制工程師,從事智慧電廠DCS 、SIS 、MIS 系統技術研究,實時數據集成平臺研究,發電信息管理系統研究等工作。

王 亮(1987-),男,黑龍江哈爾濱人,現就職于中國人民解放軍63621部隊,從事智能設備管理方案研究、全廠統一校時方案研究、全廠信息安全研究、機組協調控制研究、現場問題協調處理等工作。

姜國巖 (1987-),男,河北石家莊人,現任杭州和利時自動化有限公司副總經理,從事控制系統技術研究、全廠統一校時方案研究、全廠信息安全研究、機組協調控制研究、應用培訓、技術支持、現場問題處理、產品銷售管理、工程質量管理、軟件業務銷售管理等相關工作。

張鵬程 (1982-),男,陜西西安人,現任杭州和利時自動化有限公司工程管理經理,從事智能設備管理技術的研究、自動控制、全廠信息安全研究、機組協調控制研究、應用培訓、技術支持、現場問題處理等工作。

張樹強(1987-),男,陜西安康人,現任杭州和利時自動化有限公司技術支持工程師,從事智能設備管理技術的研究、全廠統一校時方案研究、全廠信息安全研究、機組協調控制研究、應用培訓、技術支持、現場問題處理等工作。

參考文獻:

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[4] 陳厚肇. 自動發電控制機協調控制系統[J]. 江蘇機電工程, 2004.

摘自《自動化博覽》2020年9月刊

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