RB工况下“机跟炉”协调控制系统分析与仿真

解剑波，胡伯勇，何郁晟，王印松

(1. 浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州 311121；2. 浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州310000；3. 浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州310000；4. 华北电力大学自动化系，河北 保定 071000)

1 引言

随着我国清洁能源电力事业的迅速发展，可再生电力能源得到了不断的利用[1]。为了确保电力系统能够对清洁的电力能源做到正常消纳，火电机组需要在40%额定负荷甚至更低负荷进行调峰任务，维持电力系统安全运行。

相比于高负荷段，低负荷段火电机组对象的特性有很大差别，机组主要运行参数的稳定性更低，辅机运行的状况对机组的影响也更大。伴随着火电机组在运行时存在诸多的不确定因素，机组自动处理问题的能力不足，现场运行人员的应急操作不及时，导致重要辅机在机组投入AGC的情况下易发生跳闸突发事件。

除制粉系统外，在低负荷下一旦单侧的辅机发生故障，另一侧的辅机仍然能够保证机组的正常出力。当参与深度调峰的机组在低负荷下辅机跳闸，一般不会触发RB控制，而是会将负荷响应速率更快的“炉跟机”协调运行方式切换为“机跟炉”的运行方式，以维持各运行参数的稳定。

目前，有关RB工况下“机跟炉”协调控制系统的机理分析与仿真研究还比较少。在RB工况下，如果机组在运行期间处理问题不合理，对该工况下系统对象的特性理解不深刻，将为机组运行甚至电力系统的负荷分配工作带来不便。为了火电机组能够安全运行，维持电力系统调度的正常工作，本文进行了RB工况下“机跟炉”负荷控制系统的分析与仿真工作。结合有关文献内容，建立了350 MW超临界单元机组对象模型，该模型根据机组低负荷滑压运行的工作特点，利用蒸汽量方程实现了炉侧与机侧的分离，为系统的机理分析带来了便利。同时，根据对象特性建立了 “机跟炉”仿真协调控制系统，通过仿真结果，对参与深度调峰的机组给出了系统调节措施建议。

2 系统模型的建立

有关协调控制系统对象的研究有很多成果，其中文献[2]以文献[3]给出的单元机组锅炉侧汽压被控对象机理模型为基础，提出了一种单元机组增量式机理模型，对系统机理做到了详细的描述且得到了验证。文献[4]通过理论推导得到的“机跟炉”机侧等效对象，能够反应系统机侧输入输出的特性，便于对单元机组对象进行炉、机侧的分离。

本文考虑，机组在低负荷发生辅机跳闸事故后，以“机跟炉”的协调方式在RB工况下继续进行发电任务，此时炉侧是对机组负荷和主蒸汽压力造成主要影响的一侧(滑压运行)。要对“机跟炉”协调控制系统的炉侧做到详细的分析与研究，需要做到炉侧和机侧的有效分离。保证炉侧对机组重要参数造成影响的机理模型不变，将机侧的扰动特性进行简化。由此，本文以典型的汽包炉为例，得到了单元机组控制对象，如图1所示。

图1 单元机组控制对象

图中相关参数说明：M-燃料量；KM-燃料量M变化引起炉膛热负荷Qr变化的比例系数；τM-M变化到Qr变化的滞后时间；DQ-用蒸汽流量单位表示的锅炉汽水容积吸热量，是代表热负荷Qr的信号，又称为热量信号；Cb-蓄热系数，代表锅炉的蓄热能力(即锅炉蒸汽压力每改变1MPa时锅炉所释放出的蒸汽量)；Pb-汽包压力；Rgr-过热器的动态阻力；D-锅炉蒸汽量；DT-汽机通汽量；CM-蒸汽管路的容量系数；PT-主蒸汽压力；PTμ-汽机扰动后的主蒸汽压力；RTr-汽机动态流通阻力系数；KT-汽机调节阀静态放大系数；DTM-汽机通汽分量，接通2路时有效；μT-汽轮机进汽调节阀阀门开度；W1(s) -为变对象；W2(s) -为等效一阶“负”对象；W3(s) -为等效二阶对象。

图1中，1通路是以锅炉蒸汽量作为扰动变量的通路，2通路是以汽轮机进汽阀门开度作为扰动变量的通路。当接通1路时W1(s)为整体汽轮机通汽量至机组功率间的传递函数，当接通2路时该对象为炉侧汽轮机通汽分量至机组功率间的传递函数。W2(s)在接通2路时有效，与文献[4]中G12(s)环节相似(汽轮机调节阀门开度至主蒸汽压力的扰动特性，“负”指主蒸汽压力随阀门开度呈反向变化，可等效通汽量至蒸汽压力的环节)。W3(s)在接通2路时有效。与文献[4]中G22(s)环节相似(汽轮机调节阀阀门开度至机组功率的扰动特性，可等效通汽量至机组功率的环节)。

“机跟炉”运行方式下的协调控制系统，当汽轮机调门开度不发生变化的情况下(滑压运行)，系统各重要参数会取决于炉侧。由于汽机流通蒸汽量DT是主蒸汽压力PT、汽机背压及汽机调节阀开度μT的函数，是系统炉侧和机侧重要的结合点。因此本控制对象主要依据汽机流通蒸汽量DT进行系统炉侧和机侧的拆分。通常汽机背压变化很小，可假定汽机调节阀为线性，该环节的动态特性一般近似为

(1)

定义来源于炉侧的汽机通汽分量DTM，该环节的动态特性为

(2)

如图1所示，在滑压运行下，汽轮机进汽调节阀门开度不变，将汽机流通蒸汽量进行分离后，控制对象能够对炉侧和机侧进行拆分。接通1路时，系统模型即类似于文献[2]中给出的机理模型，该模型炉侧与机侧为整体，可根据机理对整体系统的特性进行分析。接通2路时，由于机侧利用了阀门扰动等效替代蒸汽量扰动，炉侧机理模型不变，便于单独对系统的炉侧进行机理分析。

在RB工况下，该单元机组控制对象又主要呈现出以下几个特点：

1)一般而言，主蒸汽母管容积容量系数Cm远小于汽包炉汽水系统蓄热系数Cb[5]。

2)辅机减少，锅炉蓄热系数会发生变化。燃烧不稳定，炉膛温度低。要避免燃料量出现过大波动，防止炉膛灭火。

3)避免汽机进汽阀门开度出现过大波动，防止汽轮机振动、胀差、轴向位移增加。

4)负荷较低，避免进汽阀门开度激减，防止蒸汽压损，应适当进行滑压。

5)在低负荷段，机组各参数的稳定性下降，对外界扰动更加敏感。

6)AGC未投退，负荷需要跟随调度指令。

根据以上特点，本文依据“机跟炉”协调控制的一般方式(炉侧调节功率，机侧调节蒸汽压力)，针对图1的控制对象建立了“机跟炉”负荷控制系统，如图2所示。

图2 “机跟炉”控制系统

控制系统在低负荷段发生跳闸时，除制粉系统外，不存在辅机出力不足的问题，其控制的重心应放在保证各项主要参数的稳定上。图2建立的控制系统，炉侧根据功率偏差进行PID运算，通过燃料量进行负荷调节。机侧汽轮机阀门开度不变，适当滑压，避免阀门开度出现大波动，防止蒸汽冲转前由于节流带来的能源损耗。由于该系统炉侧对象为增量式对象，其内部主要反映了系统重要参数的波动特性。若给予主蒸汽压力初值需要等待系统达到稳态，因此在仿真过程中蒸汽压力主要以观察波动范围为主。

3 控制系统稳定性分析

对于图1中的控制对象，主要有以下几个环节构成：

1)燃料量对锅炉的影响

(3)

燃烧和传热过程是一个复杂的化学过程，燃料量改变，首先将释放的热量传给受热面的锅炉金属管壁，再传给锅炉的汽水容积。式(3)为较为实用的一个关系式。

2)锅炉受热面

若利用蒸汽流量单位代表锅炉汽水容积吸热量，则流入热量与流出热量的动态热平衡方程如下

(4)

对于锅炉受热面，流入热量是燃烧后传给受热面的热量，并有一部分储存在锅炉中；输出量为蒸汽中的热量。根据动态平衡方程可得

(5)

3)汽机动态流通阻力

(6)

该方程仅考虑了过热器的流通特性，汽包压力Pb为进口压力，主蒸汽压力PT为出口压力。锅炉蒸汽量与过热器流通阻力及进、出口压力差有关，其动态关系可近似为比例特性。

4)蒸汽管路的容量

(7)

蒸汽管道及汽机调节阀门组成的环节，其流入量是锅炉的蒸汽量D，流出量是进入汽机的蒸汽量DT。主汽压力PT可反映流入、流出蒸汽量的物质平衡关系。

5)汽轮机动态流通阻力

该环节关系式已给出，见式(1)、式(2)。

(8)

6)汽轮机做功环节：

①当接通1路时，根据文献[2]、文献[3]给出的机理模型可知，W1(s)为二阶对象，假设

(9)

②当接通2路时，燃料量对蒸汽压力和机组负荷的扰动特性极为相似，故W1(s)可近似为一比例环节，假设

W1(s)=K2

(10)

由于控制系统保持汽机调门开度不变，机组滑压运行，负荷和主蒸汽压力完全取决于炉侧扰动，此时系统可视作SIMO控制系统。综上，根据图1可利用Mason公式[7]，得到燃料量M至机组负荷Ne的闭环传递函数

前向通道：

P=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)G5(s)W1(s)

三个回路

l1=-G2(s)G3(s)

l2=-G3(s)G4(s)

l3=-G4(s)G5(s)

其中，l1与l3不相交。

则特征式

Δ=1+G2(s)G3(s)+G3(s)G4(s)+G4(s)G5(s)+

G2(s)G3(s)G4(s)G5(s)

若按照1通路的模型进行系统分析，则系统的传递函数为

其中

M(s)=T1T2CbRgrCMRTrs4+

(T1T2(CMRTr+CbRgr)+(T1+T2)CbRgrCMRTr)s3+

(T1+T2)(CMRTr+CbRgr)s2+T1T2s2+CbRgrCMRTrs2+

(CMRTr+CbRgr)s+(T1+T2)s+1

若按照2通路的模型进行系统分析，则系统的传递函数为

(11)

经过相关运算，通过结果可知，在分析系统时，若采用1通路进行系统分析，得到的系统传递函数较为复杂，炉侧和机侧作为整体，为“机跟炉”协调控制系统进行机理分析带来了较大困难。将系统机侧利用等效环节替代后，炉侧和机侧能够合理的分离，燃料量至机组功率的关系可得到极大的简化。

结合工程实际，燃料量对机组负荷的扰动特性应当是自稳的。但是当系统是以1通路为机理模型的系统，得到的传递函数较为复杂，若使用相关系统理论进行分析时，如Routh[7]判据，则要利用复杂的Routh阵列，且当机组发生跳闸后，系统多个参数均会发生变化，机理分析十分困难。以2通路为模型的系统，由于系统各项参数均大于零，利用Routh判据可知系统始终稳定，结论与实际相吻合。

4 仿真研究

利用MatLab/Simulink进行系统仿真，机组参数参考了文献[6]中给出的相应参数。

4.1 两个通路的模型比对

试验目的：分别搭建1、2通路模型，采用相同的控制器参数，观察曲线结果是否接近以验证等效模型的有效性。

本仿真过程：超临界350 MW机组，机组投入AGC，功率跟随调度指令。起始指令130 MW，50 s时目标负荷135 MW，400 s时目标负荷130 MW。仿真结果如图3所示。

图3 两个通路模型的功率仿真结果对比图

图3中，A曲线为1通路模型，B曲线为2通路模型，Sp为拟调度功率指令。根据图3仿真结果，可以计算系统相应的品质指标，结果列为表1。

表1 系统调节品质指标

由表1的结果可知，通路1和通路2的功率调节品质指标数值接近，在汽轮机调节阀门开度不变时(即机组滑压运行)，通路2和原通路1的系统调节特性极为相似。由于2通路中，功率扰动将汽机侧的通汽分量简化，造成功率的超调更小。1、2通路的系统峰值相差的数值很小(0.03 MW)，各项调节品质指标接近，均在可接受范围内。同时，2通路系统对象传递函数更为简便，需要进行分析的系统参数更少，该模型可有效替代通路1模型。

通过系统分析和仿真的结果，均验证了本文给出的机组等效机理模型的有效性。

4.2 RB工况仿真

试验目的：炉主控制器参数不变，根据辅机跳闸情况改变系统参数。观察系统调节品质变化，以提供RB工况下系统调节措施。

对于协调控制系统，可以针对不同的辅机跳闸情况给予相应的处理方法，一般的跳闸情况有三种：制粉系统跳闸、送引风机跳闸以及一次风机跳闸。

制粉系统跳闸，当某台制粉系统停运后，燃料量迅速降低，但由于给煤机的出力会迅速上升，使得总煤量得到回升。当某侧引风机跳闸时，同侧送风机会联锁跳闸。因为单侧辅机能够带载机组半额定负荷左右的能力，当单侧风机跳闸后，另一侧侧送、引风机出力能够迅速上升。当单台一次风机跳闸后，相应的磨煤机会联锁跳闸，另一台一次风机液耦开度会迅速提升。这三类辅机跳闸在低负荷下，机组依然能够保持协调控制方式运行。

三种跳闸情况，会对机组的燃料量、炉膛压力、汽包水位、一次风压以及总风量造成影响，这些参数使得工况发生了变化，会使机组炉侧对象参数相应改变。由此进行系统仿真，改变机组炉侧的相应参数，控制器参数不发生变化，观察控制过程是否会发生变化甚至出现失调情况。

仿真过程：超临界350 MW机组，机组投入AGC，功率跟随调度指令。处于低负荷130 MW，给煤量58 t/h，主蒸汽压力为9.1 Mpa，滑压运行，汽包压力10.1 Mpa。调度起始指令130 MW，200 s时目标负荷135 MW，1500 s时目标负荷127 MW，1800 s时目标负荷137 MW。

仿真结果见图4、图5，仿真过程中机组相应的参数见表2。

图4 机组功率仿真结果图

图5 机组主蒸汽压力仿真波动图

观察图4和图5的仿真结果，可知在机组滑压运行下，汽机调节阀门开度不变，机组功率和主蒸汽压力的变化趋势相似，且三组曲线功率均能够跟随指令数值，主蒸汽压力波动在可接受范围内。机组在“机跟炉”运行方式下，负荷调节速率较慢。

由结果可知，当机组发生辅机跳闸情况时，如若未采取跳闸应对措施，系统各参数的变化会对调节过程产生影响。若控制器参数不发生变化，辅机跳闸后，随着各机组各参数的改变，系统始终接受外部调度指令，机组调节品质下降严重。

表2 单元机组仿真参数

5 RB工况下系统调节措施建议

在实际工程中，机组低负荷段运行时，由于辅机跳闸不会对机组的出力产生限制，因此一般不触发RB控制，而是在这种RB工况下继续进行发电任务，机组协调控制的运行方式切换为“机跟炉”方式，并在投入AGC的情况下继续接受调度指令。根据仿真结果，可知辅机跳闸后低负荷段各参数的稳定性较差，继续接收外部指令进行变负荷将对参数造成更大的扰动，不利于机组的运行安全。因此，在低负荷段，如发生辅机跳闸时，也应仿照高负荷段的RB控制策略，将锅炉主控切为手动控制，并保持当前的出力；同时，汽机进入跟随模式，稳定主汽压力。采用该运行方式，锅炉侧输出基本保持不变，有利于锅炉参数的调整和稳定，可避免辅机跳闸时外部指令和信号对机组出力产生扰动，保障机组运行安全。

除制粉系统跳闸外，为应对单侧辅机跳闸后造成的出力不足情况，控制回路中设计了相应的超驰回路。使得机组在单侧辅机跳闸后，控制逻辑会自动将跳闸前辅机指令叠加至运行侧辅机，以达到快速增加运行辅机出力的目标。在高负荷阶段，由于单侧辅机出力不足，发生辅机跳闸后采用该方法一般都将运行侧辅机的出力提升至最大，以满足RB过程中的参数控制要求。但对于低负荷工况来说，单侧辅机运行时其出力依然有裕量，且单侧辅机运行的工作点、效率都发生了变化，采用简单的指令翻倍方法很可能造成出力过大，反而影响机组的运行安全。

在本次仿真中，使用相同的控制器参数，系统在低负荷段的调节性能对于机组参数的改变表现十分敏感。由于实际火电机组中，各调节系统的主要参数设置均主要考虑高负荷段的工况，对于低负荷段的自动调节品质，特别是在单侧辅机运行时的调节参数方法调整并不多。低负荷段，各调节对象的特性和辅机工作点的变化，其控制参数与高负荷段有较大差别。因此，建议对相关PID控制器采用变参数设计，在参数赋值时考虑辅机运行工况、机组运行负荷等因素，根据不同的组合确定控制参数，以达到最佳的控制性能。

6 结论

本文针对工程实际中机组低负荷的RB工况，给出了一种RB工况下的“机跟炉”协调控制系统模型。根据机组滑压运行的特点，通过蒸汽通汽量方程对系统进行炉侧和机侧的分离，从而实现了系统的简化。并通过理论计算以及系统仿真，验证了模型的有效性。同时，通过进行机组跳闸仿真，为RB工况下系统调节提出了改进措施建议，为工程实际中机组面临的辅机跳闸问题提供建议性的解决方案。

限于篇幅，本文仅针对三种炉侧机组参数进行了仿真对比。在工程实际中若利用本模型进行控制系统的分析，需要得到较为精确的机理模型参数，这类参数辨识方法可参考有关文献。本文意在对低负荷RB工况的协调控制系统进行介绍和分析，从而对控制对象以及控制系统做到深入理解，对电厂安全运行、电力系统电力分配工作有重要的意义。