摘要：本文以某電廠2×300MW機(jī)組DEB設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況為背景，闡述并分析了采用直接能量平衡策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)技術(shù)原理、工程實(shí)現(xiàn)、過程實(shí)際響應(yīng)以及運(yùn)行效果。結(jié)果表明：DEB協(xié)調(diào)控制策略的控制目標(biāo)直接、明確，使用方便、靈活，而且具有適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：直接能量平衡；協(xié)調(diào)控制；火電機(jī)組

0 前言

大型火力發(fā)電機(jī)組由于機(jī)組容量大、運(yùn)行參數(shù)高，若運(yùn)行操作不當(dāng)將對機(jī)組本身甚至電網(wǎng)的安全帶來很大的危害，故對自動控制的要求和依賴越來越高。發(fā)電機(jī)組自動控制的最終目標(biāo)是安全快速地滿足電網(wǎng)的負(fù)荷需求并保證電力品質(zhì)，由于組成火力發(fā)電機(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)對負(fù)荷響應(yīng)特性的差異很大，所以在設(shè)計(jì)機(jī)組級控制時(shí)必須充分考慮這兩個(gè)對象的不同特性，使鍋爐和汽輪機(jī)協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)，以機(jī)組實(shí)際最大能力來滿足電網(wǎng)的要求。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS（CoordinatedControlSystem）的任務(wù)是協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機(jī)兩個(gè)不同的工藝系統(tǒng)共同來滿足電力負(fù)荷需求。因此，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)將鍋爐和汽輪機(jī)作為一個(gè)整體來考慮，使機(jī)組在實(shí)際能力下，能最大限度地滿足電網(wǎng)要求的發(fā)電數(shù)量（功率）和質(zhì)量（頻率），確保發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，這是協(xié)調(diào)控制的基本要求。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在理論上可以有許多方法來實(shí)現(xiàn)，但對于一個(gè)特定的發(fā)電機(jī)組來說，當(dāng)主設(shè)備和工藝系統(tǒng)確定以后，應(yīng)該選擇一種最適合該機(jī)組特定條件的技術(shù)方案作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本策略。隨著分散控制系統(tǒng)（DCS）應(yīng)用的不斷成熟，為火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)的基礎(chǔ)。本文闡述的是DEB直接能量平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、控制策略以及機(jī)組在協(xié)調(diào)控制方式下的實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)情況，采用的系統(tǒng)硬件是MAX1000分散控制系統(tǒng)。

1  DEB原理分析[1]

直接能量平衡（DirectEnergyBalance；DEB）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由美國原Leeds&Northrup公司創(chuàng)立的專有技術(shù)（現(xiàn)由美國metsoMAX公司繼承此項(xiàng)技術(shù)，上海自動化儀表股份有限公司通過技術(shù)引進(jìn)獲得使用許可）。其著名的表達(dá)式為[1]

(1)式中PTS為機(jī)前壓力設(shè)定值；P1為汽機(jī)一級壓力；PT為機(jī)前壓力；PD為汽包壓力；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)。在等式的左邊是汽機(jī)的能量需求信號，等式的右邊是鍋爐的熱量信號。

DEB實(shí)質(zhì)上是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，汽機(jī)側(cè)控制功率，同時(shí)以汽機(jī)的能量需求作為鍋爐負(fù)荷指令，直接同鍋爐的熱量信號相平衡，而滿足這種平衡的控制手段是調(diào)節(jié)輸入鍋爐的燃料量，因此在燃料調(diào)節(jié)器入口代表燃料量的熱量信號直接同汽機(jī)能量需求信號相比較。

在動態(tài)的調(diào)節(jié)過程中，比例積分作用的燃料調(diào)節(jié)器通過反饋調(diào)節(jié)總是要讓入口偏差趨向于零，故此時(shí)燃料調(diào)節(jié)器入口的誤差ef為：由上述關(guān)系可知，能量需求信號與熱量信號平衡的結(jié)果能使機(jī)前壓力PT自然地維持在設(shè)定值PTS，從而證明了DEB控制策略確實(shí)能保持機(jī)爐的能量平衡。根據(jù)DEB固有的維持機(jī)前壓力為定值的特性，可以取消機(jī)前壓力校正調(diào)節(jié)器。

2  DEB功能設(shè)計(jì)

一個(gè)完整實(shí)用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在各種工況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間和設(shè)備之間的目標(biāo)負(fù)荷與實(shí)際能力的匹配，具體包括：

①電網(wǎng)要求負(fù)荷與機(jī)組出力的匹配；

②汽機(jī)要求能量與鍋爐出力的匹配；

③鍋爐要求出力與輔機(jī)能力的匹配。當(dāng)上述“要求”和“能力”之間的關(guān)系匹配合適時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行是安全經(jīng)濟(jì)的，且控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖1所示為應(yīng)用直接能量平衡原理的單元機(jī)組協(xié)調(diào)主控示意框圖。

圖1直接能量平衡協(xié)調(diào)主控示意框圖

整個(gè)協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)是由機(jī)組指令處理回路、汽機(jī)主控回路和鍋爐主控回路三個(gè)部分組成。下面分別闡述采用直接能量平衡策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各個(gè)回路的工程實(shí)現(xiàn)。

2.1機(jī)組指令處理

機(jī)組指令處理回路負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)地向機(jī)爐下達(dá)功率指令，最大限度地滿足電網(wǎng)對機(jī)組的負(fù)荷要求，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行異常時(shí)及時(shí)地對機(jī)組目標(biāo)指令實(shí)施限制，避免異常工況進(jìn)一步擴(kuò)大，在保證安全的前提下以機(jī)組實(shí)際能力繼續(xù)承擔(dān)發(fā)電負(fù)荷。機(jī)組指令處理回路的具體任務(wù)是：

(1)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)及電網(wǎng)負(fù)荷控制的要求，選擇適合機(jī)組當(dāng)時(shí)條件的負(fù)荷控制指令方式。

(2)對目標(biāo)指令進(jìn)行處理，使之與機(jī)爐的動態(tài)特性及負(fù)荷變化能力相適應(yīng)，生成實(shí)際功率指令。

機(jī)組負(fù)荷指令方式有二種，即運(yùn)行員設(shè)定的手動負(fù)荷指令和電網(wǎng)AGC系統(tǒng)來的自動調(diào)度指令，由T1選擇機(jī)組負(fù)荷指令的來源。T1提供了機(jī)組和電網(wǎng)AGC系統(tǒng)的接口，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行于協(xié)調(diào)控制方式且AGC指令和運(yùn)行員指令跟蹤良好時(shí)，若電網(wǎng)調(diào)度所要求機(jī)組接受AGC控制，機(jī)組收到AGC請求命令后，運(yùn)行人員在DCS的CRT“機(jī)組主控”畫面上按下AGC按鈕，T1就選擇AGC指令。而在AGC方式時(shí)，運(yùn)行員可隨時(shí)將機(jī)組指令切換成人工手動指令。機(jī)組指令處理回路在完成指令選擇的同時(shí)還承擔(dān)向電網(wǎng)AGC系統(tǒng)發(fā)送機(jī)組實(shí)時(shí)能力和狀態(tài)信息，配合網(wǎng)控中心對機(jī)組實(shí)現(xiàn)遙測、遙控。

當(dāng)T1選擇了指令的來源和控制方式后，再綜合進(jìn)頻差信號就形成了機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷指令。機(jī)組指令處理回路的下一個(gè)任務(wù)是將目標(biāo)指令處理成機(jī)組可接受的實(shí)際功率指令，使機(jī)組的實(shí)際出力在設(shè)備許可的能力下匹配電網(wǎng)要求。

當(dāng)連續(xù)運(yùn)行的機(jī)組某些設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生異常，出力或穩(wěn)定出了問題，機(jī)組就不可能達(dá)到初始的負(fù)荷變化幅度，此時(shí)設(shè)備及過程限制邏輯計(jì)算出機(jī)組的實(shí)時(shí)負(fù)荷能力，通過指令閉鎖邏輯回路對目標(biāo)指令進(jìn)行實(shí)時(shí)的方向閉鎖，將指令限制在機(jī)組能力允許的范圍內(nèi)，同時(shí)根據(jù)不同情況修正指令的變化率限制值。

當(dāng)設(shè)備故障或過程出現(xiàn)問題，發(fā)生機(jī)組側(cè)強(qiáng)制增/減負(fù)荷時(shí)，此時(shí)機(jī)組指令處理回路將使指令跟蹤實(shí)發(fā)功率，使得強(qiáng)制增/減負(fù)荷過程結(jié)束后不發(fā)生指令擾動。

2.2汽機(jī)主控制

從圖1中汽機(jī)主控回路可以看出，這是個(gè)功率-壓力串級加指令前饋控制回路。汽機(jī)直接控制功率，故系統(tǒng)對功率指令的響應(yīng)速度快，而功率指令的前饋控制所起的加速調(diào)節(jié)作用，有利于系統(tǒng)克服中間再熱機(jī)組的再熱器容積滯后，更進(jìn)一步提高了響應(yīng)速度。在功率串級回路的輸出通過T2并列了一個(gè)機(jī)前壓力調(diào)節(jié)器，當(dāng)T2選擇了機(jī)前壓力調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)就由汽機(jī)調(diào)功率轉(zhuǎn)成汽機(jī)調(diào)壓力，當(dāng)汽機(jī)控制汽壓時(shí)機(jī)組的功率由鍋爐決定。T2的切換在正常工況時(shí)由協(xié)調(diào)方式控制邏輯決定。

汽機(jī)主控回路和汽機(jī)的控制接口是汽機(jī)數(shù)字電液控制器（DEH），因DEH具有良好的汽機(jī)閥門管理功能（閥門特性線性化處理），所以機(jī)組的功率控制回路可獲得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。汽機(jī)主控回路與DEH的控制接口采用脈沖調(diào)頻的方式，用硬接線連接。采用脈沖調(diào)頻的方式接口具有很高的安全性，即使在控制信號連接線短路的情況下，汽機(jī)控制也不會誤動作。

2.3鍋爐主控制

由圖1可見，在鍋爐主控回路沒有機(jī)前壓力調(diào)節(jié)器，汽機(jī)的能量需求信號直接作為鍋爐指令以前饋的方式加入鍋爐控制。當(dāng)汽機(jī)的功率控制作用到汽機(jī)調(diào)門后，能量需求信號立刻要求燃料調(diào)節(jié)器調(diào)整鍋爐的燃料輸入，使鍋爐的輸入與當(dāng)時(shí)的汽機(jī)需求相匹配。這個(gè)匹配（平衡）過程雖然直接又迅速，然而鍋爐的能量轉(zhuǎn)換過程存在較大的滯后，為了克服這個(gè)滯后加快鍋爐的響應(yīng)速度，在DEB的工程設(shè)計(jì)中對能量指令（需求）進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償

，通過燃料的動態(tài)超調(diào)來加強(qiáng)鍋爐燃燒率的變化幅度，促使鍋爐加快響應(yīng)。圖2為工程實(shí)用的汽機(jī)能量指令功能框圖。經(jīng)動態(tài)補(bǔ)償后形成的鍋爐指令信號，能大大地改善機(jī)組在定壓或滑壓運(yùn)行時(shí)汽機(jī)和鍋爐動態(tài)過程的能量匹配。

圖2能量指令功能框圖

在DEB控制中，壓力比信號能靈敏地反映汽機(jī)的調(diào)門開度，在這同時(shí)壓力比對信號噪聲的反應(yīng)也非常靈敏，在經(jīng)過超前補(bǔ)償后信號的噪聲將進(jìn)一步放大，所以必須對能量指令進(jìn)行有效的濾波。工程中常規(guī)的濾波方法一般采用慣性濾波，慣性濾波在克服噪聲的同時(shí)也犧牲了信號的靈敏性。為了既能有效地濾去噪聲又不延滯信號，我們在設(shè)計(jì)中采用了限幅濾波ALF（AmplitudeLimitingFilter）法[1]。對于壓力比信號其噪聲的幅度是比較均勻的，ALF通過設(shè)定一個(gè)基于信號均值的濾波幅值，形成一條浮動于信號的噪聲濾波帶，使在濾波帶幅度內(nèi)的噪聲得到有效克服，而大于濾波帶幅度的有用信號變化量獲得真實(shí)反映。ALF的濾波幅值整定在工程上是非常容易的，只要記錄并測量出信號噪聲的平均幅度就可以確定該整定值。

電站鍋爐是個(gè)非常復(fù)雜的工藝系統(tǒng)，鍋爐的煤、風(fēng)、水等系統(tǒng)的組成設(shè)備和過程協(xié)調(diào)地運(yùn)行維持著鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保出力滿足汽機(jī)的要求。當(dāng)鍋爐的局部設(shè)備或過程系統(tǒng)發(fā)生問題，將影響鍋爐的整體能力。如果在局部子系統(tǒng)帶“病”運(yùn)行時(shí)，必須對鍋爐指令進(jìn)行限制，使鍋爐所帶負(fù)荷水平不超出帶病運(yùn)行的子系統(tǒng)所具有的能力。如果鍋爐的局部系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障，不能滿足鍋爐當(dāng)前的負(fù)荷水平，則必須強(qiáng)制改變鍋爐出力至局部系統(tǒng)的實(shí)際能力，避免局部故障的擴(kuò)大。

鍋爐實(shí)時(shí)能力處理回路根據(jù)鍋爐子系統(tǒng)調(diào)節(jié)偏差、設(shè)備運(yùn)行極限狀態(tài)、輔機(jī)跳閘情況對鍋爐指令實(shí)施以下三種處理：增/減方向閉鎖；迫升/迫降（RUNUP/RUNDOWN）；快速減負(fù)荷（RUNBACK）。

當(dāng)鍋爐發(fā)生指令方向閉鎖時(shí)，鍋爐實(shí)時(shí)能力處理回路同時(shí)以相同方向閉鎖機(jī)組指令，使得機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷指令不超出鍋爐的實(shí)時(shí)能力。

當(dāng)迫升/迫降或快速減負(fù)荷發(fā)生時(shí)，在鍋爐側(cè)減負(fù)荷的同時(shí)，實(shí)時(shí)能力處理回路將汽機(jī)側(cè)的T2切換到汽機(jī)調(diào)壓方式，由汽機(jī)控制主汽壓力，使機(jī)-爐協(xié)調(diào)同步地到達(dá)機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷能力，而不破壞系統(tǒng)的平衡。

3 DEB協(xié)調(diào)方式下機(jī)組實(shí)際響應(yīng)分析

采用DEB策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在某電廠2×300MW機(jī)組已獲得了成功的運(yùn)行，并完成了所設(shè)計(jì)的各種跳閘條件下的RUNBACK試驗(yàn)，AGC控制投入。以下通過分析某電廠#1機(jī)組在協(xié)調(diào)方式下功率響應(yīng)實(shí)時(shí)曲線和RUNBACK試驗(yàn)曲線，來驗(yàn)證DEB策略的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1DEB方式機(jī)組實(shí)際響應(yīng)分析

圖3機(jī)組在DEB方式下實(shí)際響應(yīng)曲線

機(jī)組滿負(fù)荷（300MW）時(shí)，在機(jī)組主控站設(shè)定目標(biāo)負(fù)荷為250MW瞬間向CCS發(fā)出，階躍擾動達(dá)16.7，指令變化率限制在約4/min（見曲線4）。機(jī)組實(shí)際響應(yīng)情況為，實(shí)發(fā)功率（曲線3）在DEB控制下非常好地跟蹤了功率指令，僅僅滯后于指令30秒，當(dāng)實(shí)發(fā)功率到達(dá)目標(biāo)值以后無超調(diào)和振蕩。

在鍋爐側(cè)，為了保證動態(tài)過程機(jī)-爐的能量平衡，鍋爐主控對能量指令信號實(shí)施了有力的動態(tài)補(bǔ)償，其結(jié)果反映在煤量的變化上（見曲線7），煤量的實(shí)際變化大，超調(diào)量高達(dá)96，在鍋爐內(nèi)的燃燒發(fā)生了強(qiáng)烈的變化，從而動態(tài)地補(bǔ)償了鍋爐能量轉(zhuǎn)換的滯后。

在如此強(qiáng)烈的燃燒變化過程中，維持鍋爐的燃燒和運(yùn)行穩(wěn)定是CCS重要的任務(wù)。曲線9、曲線6分別記錄了煙氣含氧量和爐膛壓力的變化，記錄反映了這二個(gè)參數(shù)很穩(wěn)定，從而證明了在上述動態(tài)過程中爐膛的燃燒是穩(wěn)定的；煙氣含氧量的穩(wěn)定更說明系統(tǒng)保證了動態(tài)過程的燃燒經(jīng)濟(jì)性。由曲線5、曲線1所記錄的汽包水位和主蒸汽溫度的變化過程可以證明汽-水系統(tǒng)的運(yùn)行也是穩(wěn)定的。

上述動態(tài)過程中機(jī)-爐能量的平衡情況可由主汽壓力來反映（見曲線2），在整個(gè)過程中主汽壓力發(fā)生的最大偏差僅為0.08MPa，且未見控制的過度過程。主蒸汽溫度（曲線1）未受到明顯的干擾，變化在正常的波動范圍內(nèi)。由此證明了動態(tài)過程中機(jī)爐能量的供求是非常平衡的，主蒸汽品質(zhì)得到了保證。

3.2機(jī)組RUNBACK實(shí)際響應(yīng)

圖4為一臺引風(fēng)機(jī)跳閘的機(jī)組RUNBACK響應(yīng)曲線，當(dāng)引風(fēng)機(jī)跳閘時(shí)，SCS聯(lián)跳一臺送風(fēng)機(jī)、一臺磨煤機(jī)（直吹式制粉系統(tǒng)）。RUNBACK目標(biāo)負(fù)荷150MW。結(jié)果BUNBACK成功，汽壓偏差0.68MPa。

圖4引風(fēng)機(jī)跳閘RB響應(yīng)曲線

圖5空預(yù)器跳閘RB響應(yīng)曲線
圖5為一臺空預(yù)器跳閘的機(jī)組RUNBACK響應(yīng)曲線，當(dāng)空預(yù)器跳閘時(shí)，SCS聯(lián)跳一臺磨煤機(jī)。RUNBACK目標(biāo)負(fù)荷180MW。結(jié)果BUNBACK成功，汽壓偏差0.64MPa。

3.3存在問題和解決方案

由圖4和圖5可見，系統(tǒng)雖自動地完成了RUNBACK，但這過程的主汽壓力偏差過大，分析原因主要是CCS和DEH的接口方式影響了DEH對CCS指令的響應(yīng)速度。前文已經(jīng)介紹了CCS和DEH的接口采用“脈沖調(diào)頻”法，以脈沖個(gè)數(shù)來表示功率指令的增/減量，在正常工況下CCS發(fā)出DEH功率指令能轉(zhuǎn)換成“指令脈沖”被正確收發(fā)，而在類似于RUNBACK的工況，由CCS發(fā)出的指令變化率很大，使得接口脈沖收發(fā)過程丟失了幾個(gè)“指令脈沖”，從而影響了DEH的調(diào)節(jié)速度。可以采用另一種CCS和DEH的接口方案—“脈沖調(diào)寬”法，即用脈沖的占/空比來指令的變化幅度，而脈沖頻率固定。這樣既可避免脈沖丟失，又可提高CCS對DEH的調(diào)節(jié)強(qiáng)度。

4結(jié)論

文中詳細(xì)分析了采用直接能量平衡策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)技術(shù)原理、工程實(shí)現(xiàn)、過程實(shí)際響應(yīng)以及運(yùn)行效果。由現(xiàn)場記錄的機(jī)組主要參數(shù)的響應(yīng)曲線充分證明：直接能量平衡控制策略的正確性和方案的可行性，在DEB控制下機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)是良好的，因此DEB是個(gè)優(yōu)秀的協(xié)調(diào)控制策略。同時(shí)也證明了該發(fā)電廠DEB協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)是成功的。

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