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协调控制系统锅炉调压控制回路的研究和优化

  
1 前言
    随着单元机组容量的增加以及国家对火电机组经济性要求的不断提高,发电厂对机组的安全稳定运行和经济性要求越来越高,也为了进一步提高企业的竞争力,如何优化协调系统及各子系统调节品质,保证机组安全经济、稳定运行越来越受到人们的重视,笔者从事电厂热工自动控制工作多年,以某公司2×350MW机组为例,浅谈350MW机组协调控制系统锅炉主控器前馈回路的优化的经验。
2 设备介绍
某公司的2×350MW 燃煤凝汽式机组,锅炉为亚临界自然循环中间再热汽包炉,制粉系统采用5台正压直吹式中速磨,四角切圆燃烧,五层煤粉,三层油。汽机为单轴,双缸双排汽机组,投产以来,由于煤质变化大、燃烧非设计煤种、控制方式多、调节参数配置不好、控制策略等原因,造成协调控制系统无法长期稳定投入,2010年4月经过完善控制策略、完善风煤比和负荷之间的函数曲线、修改调节器参数,使得CCS系统能够稳定投入,并成功投入了AGC控制。
3 协调系统控制策略、参数优化
3.1  原系统控制策略及存在的问题
原协调控制策略,分为:BASE(基本控制方式)、BF(锅炉跟随方式)、TF(汽机跟随方式)、CCBF(以锅炉跟随为主的协调控制方式)。由于CCBF方式下的函数曲线、PID调节系数以及前馈回路都不是很理想,所以CCBF方式已经多年未投入,最常用的方式就是TF(汽机跟随方式),但是这种方式无法满足调度对机组负荷控制的要求。
 3.2 优化协调控制策略,采用基于锅炉跟随的CCBF协调方式
某公司2台350MW机组自从投产以来,一直采用汽机跟随方式(汽机调压方式)。该方式下汽机控制主汽压力,由运行人员通过调节给煤量来控制负荷,负荷响应速度慢,不能满足调度的要求。
基于锅炉跟随的协调方式(CCBF方式),该方式充分利用了汽包的蓄热能力,大大提高机组负荷的响应速度。在调节的过程中,锅炉的响应速度慢,汽机响应速度快,汽机调门的动作势必会引起主汽压力的变化,主汽压力稳定代表锅炉机组内部的能量平衡,功率代表电网能量的平衡,为了确保机组稳定,引入主汽压力和其设定值的偏差信号,通过 函数转化为相应的功率信号去修正汽机主控器的功率信号,另外增加主汽压力设定值和实际主汽压力信号偏差大于0.5Mpa时闭锁汽机主控器,防止主汽压力设定值和实际值偏差过大时由于调整负荷引起主汽压力向进一步恶化的方向发展。做到了汽机在充分利用了汽包的蓄热能力,提高了机组的负荷响应速度的同时,又兼顾了主汽压力的稳定,从而做到了电网和机组内部的能量平衡。
3.3 通过增加比例和完善前馈的作用,提高锅炉的反应速度,改善调节品质
比例-积分-微分(PID)算法是自动控制中最常见的控制算法。在PID调节器中,这个算法会计算比例、积分和微分的响应这三者的和,以此来计算真实的输出。锅炉和汽机主控器采用的PID算法为:
          (1)
比例作用的影响:比例的参数取决于误差E,它是设置点和过程变量的差。比例增益(Kp)是输出和误差的比值。比如,误差信号的幅值是10,如果比例增益是5,那么产生的输出就是50。一般来说,增加控制系统的比例增益,可以提高系统的响应速度,同时也会降低稳定误差(也就是设置点和过程变量的差)。尽管如此,如果比例增益太大,那么过程变量就会开始振荡。如果Kp再进一步增加,振荡就会加大,系统就会变得不稳定。
积分作用的影响:积分参数稳定误差之前,误差和时间的积分。因此,积分响应连续增加时间直到误差为零。尽管如此,积分的过程有可能会影响系统的过冲,振荡。
微分作用的影响:PID算法的微分参数预示了将要出现的误差,因为微分参数的响应是误差变化的积分。因此,一般来说,微分过程减小了超调和降低了振荡。在另一方面,大部分的实际控制系统里使用了非常小的微分增益(Td) ,因为微分响应对过程变量信号的噪声非常敏感。如果反馈回来的过程变量代表的噪声,微分参数就会引起系统的不稳定。
控制系统的参数整定在系统运行中具有十分重要的作用。应用最广泛的是工程整定法,可以较少的试验工作量和简便的计算,获得调节器参数,最常用的方法是:响应曲线法,是根据系统的开环阶跃响应特性进行近似计算的方法;还有临界比例度法,即使系统处于边界稳定后,适当增加稳定裕量的试验方法。按照不同的整定方法,取不同的整定指标,可能得到不同的整定参数,因调节器在反馈回路内,参数值在一定范围内变化,对系统性能的影响不是很敏感。由于对象的动态特征一般通过试验获得,且近似为线性,由各种整定计算方法所得整定参数值只是参考值,必须在系统闭环运行中,在这些值附近搜索,寻求实际有效的最佳值,一般希望获得兼顾稳定性和快速性的1/4衰减度的过渡过程。
控制系统的性能指标是衡量和比较控制系统工作优劣的准则。控制系统运行时,它的性能将在实际输入作用下系统各变量的响应完全反映出来,常用稳定裕量、动态指标、静态指标和综合指标来衡量。
动态指标:
超调量:表征了系统过冲的程度;
调节时间:反映了过渡过程时间的长短;
峰值时间:峰值时间是过渡过程达到第一个峰值所需要的时间;
升值时间:输出响应从稳态值10%上升到90%所需要的时间;
衰减率:反映了系统输出瞬态响应或阶跃响应曲线衰减快慢的程度,表征了系统的稳定裕量。
振荡次数:反映了控制系统的阻尼特性。
稳态指标:稳态指标是衡量控制系统精度的指标,是输出量稳态值与给定值的差值。
通过多年工作总结,得出了一个即实用又简单的参数调整方法:在机组负荷不变的情况下,找出负荷、煤量和主汽压力之间的函数对应关系,即记录煤量的改变量和由于煤量改变引起的锅炉主蒸汽压力的改变量,同时记录煤量增到最大或下降为最小到主蒸汽压力上升为最大或下降为最小时间,为积分时间。根据式
设定积分系数为无限大的情况下,即纯比例调节器的情况下,反计算出比例系数,考虑到积分的作用,实际比例系数为计算出的比例系数的2/3。另外,记录煤量的改变量和由于煤量改变引起的负荷的改变量,此函数曲线是锅炉调压控制器前馈回路的一个重要组成部分。
本次改造主要对锅炉跟随的协调方式下锅炉主控器进行了如下完善:
1.   增加了负荷指令对应的煤量前馈信号,该信号根据锅炉实际运行情况总结出的一个经验折线函数;
2.   增加了负荷变化的微分信号的前馈;
3.   增加了汽包压力的微分前馈信号;
4.   增加了对主汽压力的相位校正后的前馈信号,该相位校正功能是:该算法的基本原理就是当PID回路自动时,被调量超过设定值而且是在上升沿,执行机构在PID作用的基础上叠加上一个作用(增大或减小输出指令,要根据实际情况判定),PID投自动、被调节量超过设定值和被调量处在上升沿三个条件必须同时满足,否则该作用无效,该叠加的作用和被调量、设定值之间的偏差成比例关系,即偏差大时强加的作用较大,偏差小时强加的作用较小;同样,当被调量小于设定值而且是在下降沿时,原理同上。该作用在实际生产过程中可以应用到各个具有大惯性和大延迟的调节回路中,效果比较理想。
5.   取消了锅炉主控对功率的调节功能,该功能由新增的前馈信号代替;我们根据机组运行情况,找出负荷和煤量的函数曲线,并进行修正处理后引入前馈。
6.   根据目前机组和煤质情况,修改完善了负荷、风、煤之间的函数曲线;
3.4 在煤主控回路中引入煤质修正系数信号
燃料主控制器接受锅炉主控器的输出作为指令信号,接受各台给煤机的给煤率总量为反馈信号。煤主控器的输出通过平衡模块控制各台给煤机的给煤量,对于直吹式磨煤机来说,进入磨煤机的煤量等于进入炉膛的煤量。当负荷和主汽压力发生改变时,锅炉主控制器的输出发生变化,引起煤主控制指令发生变化,从而改变进入磨煤机的煤量,改变锅炉燃烧率。燃料主控器可以有效克服煤量扰动,但是无法克服媒质变化引起的扰动,当煤质发生变化时,只有当主汽压变化后才能改变锅炉主控器的输出,从而改变煤主控器的指令,改变进入炉膛的煤量。因为锅炉是大惯性、迟滞性环节,造成了煤质变化时锅炉主汽压力和负荷控制效果差的问题,为了克服煤质变化引起的扰动,引入煤质修正系数的方法。
锅炉燃烧过程控制的主要任务是维持汽压稳定,影响汽压稳定的因素是多种多样的,通常分析是以燃料量扰动代表燃烧率扰动,而假设送、引风等其他有关量作相应变化,汽轮机耗汽量作为外界负荷的扰动,以此分析被控对象的动态特性。
锅炉主汽压力的被控对象可分为五个环节,其中环节1为燃料在炉膛内燃烧产生热量传给炉膛受热面。燃烧和传热过程是一个复杂的化学物理过程,燃料改变后,首先将热量传给受热面的金属管壁,然后将热量传给锅炉的汽水容积。而金属管壁的热容量及汽水热容量又是一个有分布参数的容积。因此,简单而又准确地表达上述燃烧和传热的动态关系较为困难。一般可用一个迟滞环节来代表。环节2:对于锅炉受热面,其流入热量是燃料燃烧后传给受热面的热量Q,并有一部分热量储存在锅炉中。汽包压力反映了流入热量与流出热量的平衡关系。环节2的动态热平衡方程可表示为:
             Qrdt=(i″-is)Ddt+Wbdib    
其中:i″—过热汽焓值;is—给水焓值;Ib—给水焓值;D—蒸汽流量;Wb—汽包蓄水量
经推导,可得:
   (2)
式中::蓄系数:用蒸汽流量单位表示锅炉汽水容积吸收的热量(Kg/s)蓄系数代表了锅炉的蓄热能力,表示当锅炉汽包压力每改变1时锅炉所释放出的蒸汽量。根据式(3)可计算出一定的负荷指令变化对应变化一定的燃烧量,对于特定的煤种和燃油,其发热量是固定的,但是煤的发热量是随煤种的改变和气候条件的变化而变化,这就意味用设计煤种来工作,就不可能得到对应设计煤种同等煤量发热量时锅炉指令的锅炉负荷。上图利用热量信号的一个惯性环节对煤量进行修正,当机组的目标指令和主汽压力设定值不变时且煤质不变时,煤量维持在一个较好的范围内波动,当煤质发生变化时,煤质的发热量发生变化,锅炉热负荷发生变化,如当煤质变差时(辽宁东方发电有限公司机组在250MW的情况下,煤质变化引起的煤量变化可达到10t),热负荷变小, PID1输出将减小,使得热负荷的修正值减小,经热负荷修正值修正的总燃烧量减小,PID2输出增大,增加进入炉膛的煤量来维持炉膛的热负荷,反之,当煤质变好时,热负荷增大,PID1输出将增大,使得热负荷的修正值增大,经热负荷修正值修正的总燃烧量增大,PID2输出减小,减小进入炉膛的煤量来位置炉膛的热负荷。从而使实际燃料量的发热量和锅炉负荷相一致,有效的克制了由于煤质发生变化引起的扰动,提高了锅炉的控制效果。  
4 结束语
优化锅炉主控器前馈回路是中速磨直吹式锅炉调压的基础,锅炉调压效果的好坏直接决定了CCS系统的调节品质,也决定了AGC回路是否可以正常投入。优化后的锅炉主控回路在一定程度上弥补了系统的固有特性造成的影响,提高了自动投入率,使控制品质变优,有效提高负荷响应速度,提高了电厂机组运行的稳定性和机组效率,提升了电厂的市场竞争力。
 
参考文献
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[6] 张玉铎、王满稼.热工自动控制系统、北京:水利电力出版社、1985.
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