对磨煤机进行8421编码的甩负荷控制优化

岳 良，周 淼，黄 辉

（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

现代电网容量越来越大，可靠性也越来越高，但仍存在因电网故障导致的城市大面积停电风险。近几年来，国外累计发生多起此类停电事故，比如2003 年美国东部时间8 月14 日16：11，美国东北部和加拿大联合电网发生大面积停电事故，3 min 内，21座电厂停止运行，随后共计有100多座电厂跳闸，直到29 h后才全面恢复供电［1］。2008 年，我国大面积的冰雪灾害也造成了云贵地区电网事故大面积停电，受影响县市90个，乡镇1 579 个［2］。在这类事故中，区域内发电机组解列停机，机组重新启动缺乏启动电源，恢复供电时间长，因此，除了研究自然灾害如冰雪对电网的影响［3-12］外，提高并网机组事故后自恢复能力同样具有重要意义。甩负荷（Fast Cut Back，FCB）控制就是在电网故障后并网机组能够脱离电网切换到带厂用电的方式运行，避免停机，并随时可恢复对外供电，大幅缩短停电时间，减小停电事故的影响。

FCB 事件发生后，锅炉燃烧控制系统、给水控制系统，汽轮机旁路控制系统、DEH（Digital Electric Hydraulic Control System）控制系统，电气励磁控制系统等均应作出重大调整［13-27］，涉及系统和设备众多，因此，良好的组态设计可以提高FCB 成功率。FCB 发生前，机组可能带有高负荷，甚至满负荷，FCB 发生后，一方面需要将DEH控制系统由遥控方式切换到本地转速控制方式，设定目标转速为3 000 r/min，另一方面需要执行一系列控制，降低锅炉蒸汽量并维持锅炉低负荷运行，主要包括：1）开启旁路，释放蒸汽至凝汽器；2）分次跳闸在运磨煤机，保留合适台数磨煤机运行；3）启动等离子或燃油点火系统助燃，防止锅炉熄火。一般DEH 控制系统可以通过瞬间关闭进汽阀门和转速PID控制将汽轮机转速稳定在3 000 r/min 附近避免超速，因此FCB 程序设计中最重要的工作是合理地分次跳闸磨煤机［28］，避免锅炉燃烧不稳触发停炉停机。

1 传统的跳闸磨煤机逻辑设计

每台磨煤机负责炉膛特定区域的煤粉供应，不同磨煤机跳闸对锅炉燃烧影响不同，根据实际情况，FCB发生后有的机组保留中上间层磨煤机运行［29］，也有保留下层燃烧器运行［30］。为方便讨论，选取“自上而下跳闸运行中的磨煤机，保留底层一台磨煤机运行”这种情况。以配备有4 台磨煤机的机组为例，假设磨煤机安装位置由上至下依次为磨煤机D、磨煤机C、磨煤机B和磨煤机A，根据选定的原则，传统的跳闸磨煤机判据如表1所示。

表1 4台磨煤机的FCB跳闸磨煤机判据Table 1 FCB trip criterion of 4 coal mills

由表1 可知，7 种情况可以触发跳闸磨煤机D 指令，3 种情况可以触发跳闸磨煤机C 指令，1 种情况可以触发跳闸磨煤机B指令。这种跳闸磨煤机程序设计需要大量的逻辑来判断不同的排列组合，现代大型燃煤机组磨煤机数量达5台～6台，需要处理的排列组合更多，这样导致了FCB 程序复杂，出错率高，调试工作量大。尤其是机组运行后期考虑不同磨煤机跳闸对主汽温的影响，想要改变磨煤机跳闸的顺序或者想要改变保留的磨煤机台数时，逻辑需要重新搭建和调试。

2 改进的跳闸磨煤机模型设计

8421编码是BCD编码的一种，四位二进制数中每位“1”代表不同的十进制数，从左到右依次为8、4、2、1。根据8421编码的特性，任一位二进制上的“1”所代表的十进制数均大于它右边所有位上的“1”所代表的十进制数之和，例如8＞4+2+1。这为将通过开关量判断磨煤机跳闸顺序改为通过模拟量判断磨煤机跳闸顺序提供了可能，简化了判断过程。于是根据跳闸优先级对磨煤机进行8421编码，如图1所示，以配备有4台磨煤机的机组为例，假设由上至下依次为磨煤机D、磨煤机C、磨煤机B 和磨煤机A，首先对跳闸优先级第一的磨煤机D进行编码，如果磨煤机D在运行，则磨煤机D运行信号1存在，磨煤机D编码模块5输出Y通道的值8，如果磨煤机D 停运，则磨煤机D 运行信号1 不存在，磨煤机D 编码模块5 输出N 通道的值0；其次对跳闸优先级第二的磨煤机C 进行编码，如果磨煤机C 在运行，则磨煤机C 运行信号2存在，磨煤机C 编码模块6输出Y通道的值4，如果磨煤机C停运，则磨煤机C运行信号2不存在，磨煤机C编码模块6输出N通道的值0；再次对跳闸优先级第三的磨煤机B 进行编码，如果磨煤机B 在运行，则磨煤机B 运行信号3存在，磨煤机B编码模块7输出Y通道的值2，如果磨煤机B停运，则磨煤机B运行信号3不存在，磨煤机B编码模块7输出N通道的值0；最后对跳闸优先级第四的磨煤机A进行编码，如果磨煤机A在运行，则磨煤机A运行信号4存在，磨煤机A 编码模块8 输出Y 通道的值1，如果磨煤机A停运，则磨煤机A运行信号4不存在，磨煤机A编码模块8输出N通道的值0。编码完成后，磨煤机D编码、磨煤机C编码、磨煤机B编码和磨煤机A编码通过编码求和模块9进行求和，得到编码代数和m。

图1 对磨煤机进行8421编码的FCB跳磨模型Fig.1 FCB trip mill model with 8421 coding for coal mill

机组正常运行期间，若电网故障导致发电机出口开关断开触发FCB 事件，FCB 跳闸磨煤机脉冲输出模块10 则在60 s 内从第0 s、20 s、40 s 开始3 次输出脉冲，进行跳闸磨煤机逻辑判断，每次脉冲最多跳闸1台磨煤机，达到磨煤机间隔跳闸的目的。第1 次脉冲时间为3 s，脉冲经过反向延时模块11 后连接自锁模块12，自锁模块12 接收到脉冲后，保持编码代数和m 不变，然后对编码代数和m 进行特征值判断，如果m＞8.5，说明磨煤机D 在运行且还存在至少1 台跳闸优先级比磨煤机D 低的磨煤机在运行，由于此时磨煤机D跳闸优先级最高，因此触发跳闸磨煤机D 指令；如果4.5＜m＜8.5，说明磨煤机D 已经停止运行且磨煤机C 在运行且还存在至少1台跳闸优先级比磨煤机C低的磨煤机在运行，由于此时磨煤机C跳闸优先级最高，因此触发跳闸磨煤机C 指令；如果2.5＜m＜3.5，说明磨煤机D 已经停止运行且磨煤机C 已经停止运行且磨煤机B和磨煤机A 同时在运行，由于此时磨煤机B 跳闸优先级最高，因此触发跳闸磨煤机B指令。自锁模块12的作用是在本次判断的过程中保持编码代数和m 不变，形成最多一次的跳闸磨煤机指令，否则在一次跳闸脉冲过程中，随着磨煤机跳闸，编码代数和m发生变化并重新与低级别的跳闸特征值匹配上，造成多台磨煤机同时跳闸，不利于炉膛稳定燃烧，影响机组安全运行。延时断模块11 的作用是在跳闸脉冲消失后仍将编码代数和m自锁1 s，防止因模块扫描顺序原因导致编码代数和m 提前释放自锁，提高安全裕度。第2 次脉冲和第3 次脉冲时间均为3 s，判断过程与第1 次脉冲判断过程完全相同。不论FCB 之前有几台磨煤机在运行，通过3次对编码代数和m进行特征值判断，依次跳闸优先级最高的磨煤机，最终均能保留1 台磨煤机运行，达到了FCB过程中对燃料控制的要求。

使用此模型，通过单次的模拟量判断就可以形成跳闸指令，逻辑结构非常简单，并且此模型具有良好的扩展性，如磨煤机数量为5台时，则按16、8、4、2、1进行编码，其他数目的磨煤机依此类推；当需要改变跳闸磨煤机顺序时，只需要改变对应磨煤机的编码值，不需要对逻辑结构重新设计和调试；当需要改变保留的磨煤机台数时，只需要调整跳闸脉冲个数，不需要对逻辑结构进行大的改动。

3 模型验证

在虚拟DPU 中搭建图1 所示的模型，设定跳闸优先级由高到低为磨煤机D、磨煤机C、磨煤机B、磨煤机A，并进行相应编码。分别对FCB事件发生前4台磨煤机运行、3台磨煤机运行和2台磨煤机运行的工况进行测试，验证模型的正确性。

3.1 4台磨煤机运行工况验证

FCB事件发生前，磨煤机D、磨煤机C、磨煤机B和磨煤机A 均在运行，第4 s 人为触发FCB 动作信号，FCB 跳磨脉冲、编码代数和m、跳闸磨煤机D 指令、跳闸磨煤机C指令、跳闸磨煤机B指令时序如图2所示。

图2 4台磨煤机运行时FCB动作时序图Fig.2 FCB action sequence diagram when 4 coal mills are running

由时序图可以看出，FCB事件发生后，根据编码代数和m的特征值判断，磨煤机D立即跳闸，10 s后磨煤机C 跳闸，20 s后磨煤机B 跳闸，最终保留跳闸优先级最低的磨煤机A 运行，达到了FCB 跳闸磨煤机的设计要求。

3.2 3台磨煤机运行工况验证

FCB事件发生前，磨煤机D、磨煤机C和磨煤机B均在运行，磨煤机A已停止。第10 s人为触发FCB动作信号，FCB跳磨脉冲、编码代数和m、跳闸磨煤机D指令、跳闸磨煤机C指令、跳闸磨煤机B指令时序如图3所示。

图3 3台磨煤机运行时FCB动作时序图Fig.3 FCB action sequence diagram when 3 coal mills are running

由时序图可以看出，FCB事件发生后，根据编码代数和m的特征值判断，磨煤机D立即跳闸，10 s后磨煤机C跳闸，最终保留跳闸优先级最低的磨煤机B运行，达到了FCB跳闸磨煤机的设计要求。

3.3 2台磨煤机运行工况验证

FCB事件发生前，磨煤机C和磨煤机A均在运行，磨煤机D和磨煤机B已停止。第12 s人为触发FCB动作信号，FCB 跳磨脉冲、编码代数和m、跳闸磨煤机D指令、跳闸磨煤机C指令、跳闸磨煤机B指令时序如图4所示。

图4 2台磨煤机运行时FCB动作时序图Fig.4 FCB action sequence diagram when 2 coal mills are running

由时序图可以看出，FCB事件发生后，根据编码代数和m的特征值判断，磨煤机C立即跳闸，最终保留跳闸优先级最低的磨煤机A 运行，达到了FCB 跳闸磨煤机的设计要求。

4 模型扩展

4.1 改变跳闸顺序的4台磨煤机运行工况验证

在图1 的模型基础上，将磨煤机跳闸优先级由高到低改为磨煤机C、磨煤机D、磨煤机B和磨煤机A，即交换磨煤机D和磨煤机C的编码值。对FCB事件发生前4台磨煤机运行工况进行测试。

FCB 事件发生前，磨煤机D、磨煤机C、磨煤机B和磨煤机A 均在运行，第10 s 人为触发FCB 动作信号，FCB 跳磨脉冲、编码代数和m、跳闸磨煤机D 指令、跳闸磨煤机C 指令、跳闸磨煤机B 指令时序如图5所示。

图5 改变优先级时FCB动作时序图Fig.5 FCB action sequence diagram when the priority is changed

由时序图图5可以看出，FCB事件发生后，根据编码代数和m的特征值判断，磨煤机C立即跳闸，10 s后磨煤机D跳闸，20 s后磨煤机B跳闸，最终保留跳闸优先级最低的磨煤机A运行。通过交换编码值改变跳闸优先级后磨煤机跳闸指令输出与预想一致。

4.2 改变保留磨煤机台数

在图1 的模型基础上，最终保留2 台磨煤机运行，即将跳闸脉冲个数由3个改为2个。对FCB 事件发生前4台磨煤机运行工况进行测试。

FCB 事件发生前，磨煤机D、磨煤机C、磨煤机B和磨煤机A 均在运行，第8 s 人为触发FCB 动作信号，FCB 跳磨脉冲、编码代数和m、跳闸磨煤机D 指令、跳闸磨煤机C 指令、跳闸磨煤机B 指令时序如图6所示。

图6 改变保留磨煤机台数时FCB动作时序图Fig.6 FCB action sequence diagram when the number of reserved coal mills are changed

由时序图图6可以看出，FCB事件发生后，根据编码代数和m的特征值判断，磨煤机D立即跳闸，10 s后磨煤机C 跳闸，最终保留跳闸优先级低的磨煤机B 和磨煤机A运行。通过控制跳闸脉冲个数改变保留磨煤机台数后磨煤机跳闸指令输出与预想一致。

5 结语

通过对传统的甩负荷跳闸磨煤机逻辑进行改进，提出了对磨煤机进行8421 编码的甩负荷控制优化设计，根据跳闸优先级高低对磨煤机进行编码，对编码代数和进行特征值判断形成磨煤机跳闸指令，并利用虚拟DPU对模型进行了验证和扩展，结果表明对磨煤机进行8421 编码的甩负荷控制模型简单可靠，扩展性强，完全可以替换传统的甩负荷跳闸磨煤机逻辑，节省组态和调试工作量。