主汽压力偏差容忍法在大型超临界火电机组协调控制系统中的应用

张建志，丁永允

(辽宁电力科学研究院，沈阳市110006)

0 引言

在现代火力发电机组控制系统中，机炉协调的控制方法已经被广泛应用，该方法主要解决机组的2个被控量(功率和主汽压力)与机组的2种主要控制手段(锅炉主控与汽机主控)的关系问题。协调控制系统的根本在于锅炉主控，但由于燃煤锅炉的大惯性特点，尽管可以采取的克服锅炉热惯性的方法很多，但效果却总难以让人满意［1-3］。于是，如何控制汽机主控系统，使其在固定的蒸汽流量下，更加有效地在机组功率与主汽门前压力之间形成协调，成为人们越来越关注的问题。本文以中电投白城电厂协调控制逻辑为例［4］，介绍大型超临界火电机组的协调控制系统，重点论述主汽压力偏差容忍法在汽机主控制系统中的应用。主汽压力偏差容忍法来源于国外机组，目前已经在国内很多大型火电机组中得到成功应用，该方法逻辑简单、构思巧妙、控制高效，是一种值得推广的好方法。

1 中电投白城电厂概况

中电投白城电厂工程新建2台600 MW超临界燃煤空冷发电机组，配置哈尔滨锅炉厂生产的超临界、变压运行直流锅炉及哈尔滨汽轮机厂生产的超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、冲动凝汽式汽轮机;采用上海福克斯公司(FOXBORO)提供的I/A分散控制系统(distributed control system，DCS);采用以锅炉跟随为主的协调控制方式。该电厂设计煤种为霍林河煤矿出产的褐煤，锅炉的热惯性很大，通过测试可知，从煤量的变化到蒸汽的变化，时间约为8 min。

该电厂协调控制系统锅炉主控的逻辑构成同国内多数同类机组的相类似，都采用以负荷－煤量曲线为主前馈，以主汽压力偏差为主调节的控制方式。汽机主控的控制方式与传统的份额法不同。份额法的汽机主控调节部分输入偏差由2个部分构成，一部分是功率偏差，占大份额，另一部分是主汽压力偏差，占小份额，二者作用相反，但每时每刻都同时起作用。该机组汽机主控采用主汽压力偏差容忍法，同份额法相比，偏差容忍法控制功率的效果更好，对负荷变化的反应更快;缺点是对压力的控制相对较弱，但不会超出设定的极限值［5-7］。

2 锅炉主控制系统

该电厂的协调控制系统锅炉主控是以负荷确定的给煤量作为控制的主体前馈部分，以机前压力调节作为控制的修正部分，以主汽压力的微分作为其加速部分，其控制逻辑如图1所示。

图1中，块MATH_15_1是PID调节器的前馈部分，包括块CHARC_8提供的负荷折算出的给煤量部分和块MATH_11_1给出的主汽压力偏差的微分部分，该前馈部分是控制的主体。块MATH_7_1输出的是主汽压力偏差，该偏差通过PID调节器调节，变成锅炉主控的修正部分，协调系统处于稳态时，该修正部分的输出量应该很小。

3 汽机主控制系统

该电厂协调控制系统汽机主控采用主汽压力偏差容忍法。所谓主汽压力偏差容忍法，就是设定一个主汽压力极限偏差，如0.7 MPa，该偏差是主汽压力设定值与主汽压力实际值偏差的绝对值，也是人为给出的一个允许在协调系统中因调解功率而造成主汽压力调节的最大偏差值。当主汽压力偏差小于此值时，汽机主控调节功率，当主汽压力偏差超过此值时，汽机主控转而控制机前压力。汽机主控逻辑如图2所示。

图1 锅炉主控逻辑Fig.1 Boiler main control logic

图2 汽机主控逻辑Fig.2 Turbine main control logic

图2中，块MATH_18_1是机组负荷指令与实际负荷的偏差;块SWCH_162是正偏差容忍值选择块，当正常工况时选择正偏差容忍值为0.7 MPa，协调变负荷时选择正偏差容忍值为1.2MPa;块SWCH_162_1是负偏差容忍值选择块，分别为－0.7 MPa和－1.2 MPa;块MATH_30中正偏差容忍值与主汽压力偏差值相减，乘以系数26是为了将主汽压力偏差值与负荷偏差值统一到1个量纲上去，便于比较大小，“26”是由功率量程与主汽压力量程相除得到的;块MATH_31中负偏差容忍值与主汽压力偏差值相减;块SIGSEL_46是小选模块;块SIGSEL_47是大选模块;块MATH_29中的系数0.166是对PID输入偏差起标化作用。下面分别以负荷上升和负荷下降阶段为例，分析主汽压力极限偏差法的工作过程。

3.1 升负荷时主汽压力偏差未超过容忍值并且小于功率偏差

在机组升负荷爬坡阶段，若机组负荷实际值与主汽压力实际值都没有达到各自的设定值，二者都是正偏差，但主汽压力控制得好，压力偏差较小，如图3所示。图3水平轴表示统一量纲后的压力偏差和功率偏差，竖直轴是偏差正负值的分界线，O点左侧为负偏差，右侧为正偏差。统一量纲后，主汽压力偏差为A1，功率偏差为B，正压力容忍值为D。则块MATH_29_1的输出较小，块MATH_30的输出较大，经块SIGSEL_46低选后功率偏差输出，而块SWCH_162_1得到的是一个负数，经块SIGSEL_47高选后，仍然是功率偏差输出。由于PID用的是正向控制，正的功率偏差输入给PID后，PID调节输出增大，汽机调节门开大，机组功率升高。这是升负荷过程中汽机压力调节得好的情况，即主汽压力偏差落在O、B之间的情况，汽机主控丝毫不用顾及主汽压力，单纯根据功率偏差来调节功率。

图3 压力容忍法示意图Fig.3 Pressure tolerance method

3.2 升负荷时主汽压力偏差未超过容忍值但大于功率偏差

升负荷过程中，主汽压力控制得不好，但未超限，如图3中主汽压力偏差A2落到了B、D之间。压力偏差较大，但没有超出偏差容忍值，即块MATH_29_1输出的数较大，经块MATH_30相减后得到一个较小的正数。此数比MATH_18_1的输出值小，经块SIGSEL_46小选后主汽压力偏差与容忍值的差被输出，因为块MATH_31还是负数，所以块SIGSEL_47大选后还是主汽压力偏差与容忍值的差被输出。由于是正偏差，汽机调节门继续开大，功率继续攀升，但此时已经不是按照功率偏差值进行调节了，而是按照较小的主汽压力偏差与容忍值的差来调节，即图3中A2与D之间的距离来调节。A2与D之间距离越近，阀门开启得越小，也就是说，当压力偏差离压力容忍值很近时，虽然还在调节功率，但已经充分考虑了压力的影响，对功率的调节幅度被大大地减弱了。

3.3 升负荷时压力控制得不好已超过容忍值

如图3中A3落在D外，正压力容忍值减去压力偏差，得到负数，块MATH_30是负数，而块MATH_18_1输出的是正数，被选小输出，在大选中选大，也能输出，经PID后，因为是负数，所以阀门关小。可见，因为此时主汽压力偏差已经超过了容忍值，不能再被容忍下去，此时只能牺牲功率来维护压力了。

3.4 降负荷时压力偏差未超过负向容忍值并且偏差绝对值也较功率偏差小

降负荷过程中，机组由大功率、高压力向小功率、低压力变化，实际功率值和实际主汽压力都比设定值要大，二者都是负偏差。若主汽压力控制得好，则压力偏差较小，如图3中A4，功率偏差则为 G，块MATH_30输出的是正值，块MATH_18_1输出负值，块SIGSEL_46选小，负值被选，块MATH_31输出的也是负值。由于压力偏差控制得好，所以块MATH_31输出的值绝对值大，实际数小，块SIGSEL_47大选后，块MATH_18_1的输出被选，也就是功率偏差被选，PID输出减小，关调节门。也就是说，此时完全按照功率偏差进行调节，不考虑压力控制。

3.5 降负荷时压力偏差未超过容忍值但超过了功率偏差

降负荷过程中，若主汽压力控制得不好，功率和主汽压力都是负偏差，压力偏差绝对值已超过功率偏差绝对值，但压力偏差未超过压力容忍值，如图3所示压力偏差为A5。最终应是一个以E、A5之间距离为绝对值的负数被选出，该数的绝对值要比功率偏差的绝对值小。也就是说，此时汽机调节门仍然被关小，但已经是有节制的关小，调整机组功率的同时，也顾及了主汽压力的调节。

3.6 降负荷时压力偏差超过容忍值

降负荷过程中，主汽压力调节超限，如图3所示主汽压力偏差A6落到了压力偏差容忍值之外，则块MATH_31出现了正值，被选后交PID调节，PID调节器输出增大，汽机调节门开大，功率上升，主汽压力下降。此时因为压力超过了容忍值，已经不得不牺牲功率调节来弥补压力调节。

通过以上6种工况的分析可以得出压力容忍法的动作规律，从图3中可以看出，只要压力偏差落在预设的压力偏差容忍值之内，汽机主控都是调节功率的，但调节的程度不同;如果压力偏差比同量纲的功率偏差小，则汽机主控全力来调节功率;如果压力偏差比同量纲的功率偏差大，也就是说压力调节的效果较差，但仍未超过容忍值，则虽然也调节功率，但此时已考虑了压力调节的因素，调节功率的程度较弱;如果压力偏差落到了压力容忍值之外，则忍无可忍，需要放弃调节功率，直接来调节主汽压力。

4 实际应用效果

中电投白城电厂协调方式下机组运行曲线如图4所示。

图4 协调方式下机组运行曲线Fig.4 Unit operation curves under coordination mode

从图4中可以看出，负荷实际值曲线对负荷设定值曲线的跟随是很好的，说明机组的负荷指令具有良好的适应性;而压力实际值对压力设定值的跟随略有偏差，但偏差不超过某个限定值，这说明协调系统对压力的控制能力稍差，但也控制在一定范围之内，满足火力发电企业有关验收标准［8-9］。

5 结语

本文介绍的压力偏差容忍法，只是一种在锅炉蒸汽流量一定的前提下进行分配的方法，从控制回路可以看出，该方法是以功率控制为主，尽可能地满足机组对功率的要求，这是为了适应电网对机组负荷控制越来越高的要求。但是，当主汽门前压力偏差到了一个危险阶段时，汽机主控将不再顾及功率的需要，转而去控制主汽压力。压力偏差容忍法在中电投白城电厂2台600 MW超临界机组中的应用实践表明，该方法对负荷变化的反应很快，能最大程度地发挥汽机主控调节功率的作用;对压力偏差有最终限制底线，不会让主汽门前压力达到不能容忍的程度，具有很好的控制效果。目前，除了在白城电厂应用外，此方法还在国电康平2台600 MW机组和山东邹县2台1 000 MW机组上得到了应用，并取得了良好的效果。

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