双入双出直吹式制粉系统机组协调控制功能优化设计

刘永红 张莹 任素龙

摘要：本文通过理论分析提出了一种一次风和磨煤机容量风联合控制的机组协调控制解决方案即联合控制，并且在300MW双入双出磨制粉系统锅炉上进行了大量试验及参数优化。通过负荷变动试验验证了该方案的优越性。

关键词：协调控制系统直接能量平衡联合控制

概述

本文主要研究的控制对象为国产亚临界参数、自然循环、一次中间再热、燃煤汽包炉。制粉系统采用直吹式双进双出钢球磨设计。在以往的控制设计中大多是由汽轮机的高压调节汽门来控制机组电功率，磨煤机的容量风门来控制锅炉负荷。由于锅炉本体的布置原因造成的容量风测量不准和容量风挡板本身固有的非线性特性给机组的协调控制系统投运带来了困难，进而本文提出了基于DEB的一次风及容量风挡板的联合控制协调方式。

2协调控制策略分析

部分机组在协调方式是以锅炉跟随为基础。负荷指令经幅值限制、速率限制后同时作用于汽机主控器、锅炉主控器及主蒸汽压力定值形成回路，使在负荷变化时，机、炉协调动作。为了保证机炉调节在时间上的匹配，在协调系统的设计中采用了多级惯性环节和微分环节。锅炉主控通过燃料主控来改变锅炉的负荷，以维持主汽压力稳定。

在协调方式下，锅炉主控PID调节主蒸汽压力。机组负荷指令，机组负荷指令(Ns)的微分，主蒸汽压力指令(Ps)的微分以及与实际主汽压力（Pt）的偏差的微分作为锅炉主控的前馈（oc）。锅炉主控指令作为燃料主控PID的设定值(sp)，通过与一次风门的平均开度(Bf)的偏差生成燃料主控指令(Bc)，控制所有一次风门的开度。在协调方式下汽机主控PID调节机组负荷，另外机组负荷指令(Ns)叠加一次调频(△f)和压力拉回函数F3(x)的指令，并接受负荷指令作为PID的前馈。

众所周知直吹式制粉系统磨煤机启停对主蒸汽压力和机组负荷影响都很大，这种特殊的制粉系统以及控制方式决定了，仅仅依靠整定调节参数的办法已很难消除来自燃烧方面的扰动，必须考虑从协调控制策略上进行针对性的优化及改进。为此决定不再引用原有机组协调控制系统的控制方案，在协调控制系统中引入直接能量平衡法(direct energy balance)来实现机炉之间的能量平衡，从更深的层次上增强热工自动控制系统的适应能力，满足机组在各种工况下都能稳定运行。

3 协调控制系统优化设计

3.1直接能量平衡控制特点

直接能量平衡控制系统，采用汽机调速级压力（P1）与汽机主汽门前压力（Pt）之比乘以机前压力设定值（Ps）作为汽机对锅炉的能量需求信号，即(P1/Pt)×Ps，用该信号来控制锅炉的燃料量；采用锅炉的热量信号（P1+C*（dPd/dt））作为燃料的反馈信号。对锅炉热量信号进行适当的调整，可以使锅炉热量信号在调门开度的扰动下，P1的正微分面积与dPd/dt负微分面积基本相等，使（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下基本不变，而仅反映燃料的变化。直接能量平衡系统就是利用P1*Ps/Pt仅反映汽机对锅炉能量需求的特点和（P1+dPd/dt）仅反映燃料变化的特点，实现了机组负荷对燃料的需求。

3.2直接能量平衡协调控制系统设计方案

直接能量平衡协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入热量信号进行控制的协调控制系统，该系统在任何工况下均能保证汽轮机能量需求与锅炉热量的输入相平衡。考虑到一次风门开度大于60%后就不能很好的反应燃料量，而一次风压力对燃料量的控制作用很强，可以考虑用一次风门和一次风压力来控制燃料量，达到能量需求和热量信号的平衡，一次风门开度根据负荷对燃料量进行粗调，一次风压力对燃料量进行细调，实现对主汽压力的调节。直接能量平衡协调控制系统的锅炉主控和燃烧主控的设计如下：

燃料主控采用开环控制方式，根据机组负荷与一次风门开度的函数关系来生成燃料主控指令Bc，对机组负荷进行粗调。燃料主控指令按一定的规则对A、B、C磨煤机的一次风门进行控制。

在直接能量平衡协调控制系统中，锅炉蓄热系数对系统的控制品质影响较大。蓄热系数设置过小会低估锅炉的蓄热能力，容易产生燃料量的过调。如果蓄热系数设置较大，超出了锅炉的实际蓄热能力，则主蒸汽压力会收敛的较慢，影响主蒸汽压力的调节品质。因此，在 直接能量平衡协调控制系统的调试和整定过程中，必须精确的确定蓄热系数（C）。通过汽机调节阀门的阶跃扰动试验数据，根据公式1，可为计算出蓄热系数C=3.16, 其中Dt为主蒸汽流量，Pb为汽包压力。

(1)

应用效果

新的机组协调控制系统引入直接能量平衡控制策略后，经过多次扰动试验，对直接能量平衡协调控制系统进行了全面的优化工作，确定了直接能量协调控制系统最终的调节参数和折线函数。在对直接能量平衡协调控制系统参数整定过程中，发现锅炉热量信号中蓄热系数C对协调控制的调节品质影响很大，通过试验方法求得的蓄热系数还需要进行进一步的整定，经过多次的变负荷试验，最终确定蓄热系数C=3.1。

新的机组直接能量平衡协调控制系统进行了变负荷试验：将负荷变化率设定为6MW/min，压力变化率设定为0.15 MPa/min，负荷由249MW降到219MW，再由219MW升到259MW，负荷最大动态偏差±2MW，最大静态偏差±0.5MW，主蒸汽压力最大动态偏差±0.5MPa，静态摆动偏差±0.2MPa。新的策略应用机组变负荷试验过程见图1所示，可见协调控制系统引用直接能量平衡控制策略后大大提高了协调控制系统的调节品质。

结束语

直接能量平衡协调控制在直吹式锅炉系统中的引用，解决了2号机组在各种工况下主汽压力调节品质差的问题，提高了协调控制系统的调节品质，为AGC长期稳定投入提供了保障，为其他同类型机组的协调控制提供了借鉴。

参考论文：

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[2] 史哲烽．汽包式火电机组直接能量平衡协调控制[J]．自动化仪表，2010：31（2）．47-50.

[3] 支保峰．直接能量平衡协调控制系统特性分析[J]．电力科学与工程，2007：23（4）．16-18.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。