[科普中国]-机炉协调控制系统

简介

机炉协调控制系统是蒸汽动力装置自动控制系统的重要组成部分,为了同时满足快速响应负荷需要和维持动力装置主要运行参数稳定这3个方面的要求，在动力装置自动控制系统的设计中必须考虑到"主锅炉和主汽轮机是一个具有相对独立性的整体这一特点，采取相应措施，让机炉在不同程度上同时按负荷需求的变化和主要运行参数的偏差分别进行调节，从而在满足负荷需求的同时，保持主要运行参数的稳定2。

国内外的研究动态单元机组的负荷控制系统又称为协调控制系统,是将锅炉、汽机及辅机作为一个整体加以控制的十分复杂的多变量控制系统,该系统有机的、协调的控制锅炉的燃料、送风、给水以及汽机调节阀门开度,使各变量间的影响最小。它是建立在汽机控制子系统和锅炉控制子系统基础上的主控系统和机、炉子控制系统组成的二级递阶控制系统。处于调节级的主控系统是协调控制系统的核心,它对负荷指令进行运算处理形成控制决策,给出汽机负荷指令和锅炉负荷指令。处于局部控制级的各子系统在机、炉主指令下分工协调动作,完成给定的控制任务。单元机组协调控制系统的任务是:既要保证机组快速响应负荷需求,又能使机组的主要参数机前压力在变负荷的过程中保持相对稳定。

因为被控对象同时具有多变量强耦合、非线性、大惯性大迟延、慢时变等多种控制理论公认难以控制的特性,目前于火电机组协调控制系统在理论上和工程上的研究涉及面非常广泛。近十年研究工作主要集中于:

(1)神经网络控制。神经网络是由许多具有并行运算的、功能简单的信息处理单元(人工神经元)相互连接组成的网络。网络的信息处理通过处理单元之间的相互作用来实现。它所引出的经验学习方法以及实现非线性函数逼近的见解给复杂系统的建模带来了一种新的、非传统的表达工具,降低了不确定性,增加了控制系统适应环境变化的泛化能力。由于大量神经元之间广泛连接,即使有少量单元或连接损坏,也不影响系统的整体功能,使其表现出很强的鲁棒性和容错性。

(2)预测控制。华北电力大学的侯国莲等人为解决单元机组协调控制系统的高精度和快速负荷跟踪控制的问题,将预测函数控制应用于多变量复杂控制系统中,提出一种基于阶跃响应模型的多输入多输出系统的预测函数控制算法王国玉在其博士学位论文预测函数控制及其在火电厂中的应用研究一文提出了一种新型PFC算法,将此算法推广到多变量情3。哈尔滨工业大学的马述军等人针对单元机组负荷控制的特点,从对受控模型要求不太严格的非参数模型一阶跃响应出发,运用动态矩阵控制算法,,设计了基于动态矩阵控制原理的机组负荷预测控制系统[22]。

(3)模糊控制。华北电力大学的刘吉疗等人为解决火电单元机组协调控制系统的动态非线性和称合特性,设计了基于T-S模糊模型和动态解称PID控制器的模糊多模型协调控制系统4。

(4)内模控制。东南大学的李益国5等人提出一种基于系统T-S模糊模型的模糊内模控制方法,该方法首先利用快速辨识算法获取系统的T-S模糊模型,然后通过适当变形,把模糊模型求逆问题简单的转化为求解线性方程组,并将遗传算法应用于涉及的多个滤波器参数的寻优华北电力大学的房方等人,根据单元机组的低阶非线性模型,推导出一个双输入鼠输出、能够描述机组动态特性及机炉间相互称合关系的传递函数矩阵。以该矩阵为基础,采用多变量内模控制的方法对单元机组协调控制系统进行设计6。

(5)状态观测器控制。韩忠旭2等人在单元机组机理性数学模型的基础上,设计了一种增量式状态观测器,提出基于状态观测器的状态反馈与常规PID控制相结合的新型控制方法。同时,基于增量型状态观测器的状态反馈,设计了具有预测功能的预给煤运算控制回路。有效解决了机炉协调被控对象的非线性、参数慢时变迟滞与大惯性以及强赖合等问题华北电力大学曾德良在其博士论文中也提及这一研究思路。

机炉协调控制系统组成动力系统的协调控制系统是把锅炉及汽轮机作为一个单元机组的整体进行综合控制时所用的控制系统，是整个动力装置控制系统的一部分,整个控制系统是由负荷控制系统（主控系统），常规控制系统（子控制系统）和负荷控制对象3大部分组成的，如图所示3。

负荷控制系统由符合指令处理部分（负荷管理控制中心）和机炉主控制器3部分组成,从机炉主控制器形成和发出的主控指令，分别去控制锅炉及汽轮机子控制系统。

机炉协调主控器该主控器是CCS系统工作协调的指令中心,机炉协调主控器接受并处理外部负荷指令,形成日标负荷控制信一号,控制汽机和锅炉协调动作,使机组能较快地适应负荷的增减,保持汽压在允许范围内变化,根据机组实际运行情况适时切换控制方式。

机炉协调主控器由负荷指令运算器(loaddemandeomputer)、锅炉主控器(boilermaster)及汽机主控器（turbinemaster)等组成。

1、负荷指令运算器

负荷指令运算器(LDC)LDC包括负荷指令处理回路、负荷及压力设定回路、工作方式切换逻辑等功能模块。负荷指令处理回路负责处理各种外部负荷指令并根据系统工作方式给出相应的目标负荷控制信号。压力设定及变压(sliding)、定压(eonstant)方式切换由压力设定回路来完成。

2、炉主控器

机、炉主控器各由两个独立的PID调节器构成,功率调节和压力调节各一个。功率调节器以发电机功率信号为被调过程量,LDC目标负荷为给定值,工作方式不同目标负荷内容也将不同。压力调节器以机前压力为主信号,LDC目标压力为给定值。切换逻辑使机、炉主控器组成不同的控制方式。

燃烧控制子系统包括燃料、送风、引风、一次风、二次风箱压差、空气预热器入口温度调节等。

1)氧量校正

锅炉烟气氧量是氧量校正调节器的主信号,给定值则引入了多元补偿的概念,由LDC目标负荷、制粉系统启动偏置以及手动偏置等多个信号组成。LDC目标负荷经过函数处理后具有高负荷低氧量、低负荷高氧量的负特性,有助于锅炉高负荷时的经济运行和低负荷时的燃烧稳定;制粉系统启动偏置分别取自4套制粉系统排粉风机入口挡板执行器阀位电流,是为了兼顾维持安全的二次风压与相对合适的风煤配比以及补偿在启停过程中对锅炉燃烧的扰动;手动偏置是为人工调整而设。锅炉主控器以机前压力为被调过程量,代表燃烧率的主控器输出先经超前/滞后处理后,再由氧量校正调节器修正,使其能在不同的负荷下保持经济燃烧。校正后的锅炉主控器输出、总风量、燃料量、蒸汽流量等信号,经过交叉限幅环节产生风量请求和燃料请求输出指令,分别控制送风和燃料调节系统在增加燃烧强度时先加风后加煤;减少燃烧强度时先减煤后减风,保证锅炉变工况时入炉煤充分燃烧,以及稳定运行时保持合适的风煤配比。由燃料量、蒸汽流量信号构成内扰抑制环节,增加燃烧调节稳定性。

2)燃料调节

燃料调节器接受氧量校正回路交叉限幅环节的燃料指令作为给定值,信号进入调节器之前,经过微分环节以减小锅炉燃烧惯性。20台给粉滑差控制器与冗余过程控制站直接接口,用软件实现单操、层操及总操。如何选取燃料率反馈信号一直是燃烧调节中的难题,该系统尝试以传统“热量”信号校正给粉机转速来代表燃料量,这样既能利用给粉机转速反应的快速性,又在一定程度上补偿因煤质变化和给粉机下粉不匀对燃烧调节产生的干扰。协调控制与常规控制主要区别在机炉协调主控器,燃烧调节采用了一些新的设想也作了简要说明,其它常规调节回路不再详述。

机炉协调控制系统的特点系统中有功能较强的控制算法,应用这些算法不但能改善自动调节系统的调节品质,且对自动调节系统的运行也起到安全保护作用3。

品质监测和偏差保护品质监测主要用来监视输入信号是否正常。对未采取多重设置的重要信号,可以利用QC监测功能增加系统的可靠性。过程输入与给定值的偏差或调节器输出与执行机构反馈的偏差超过设定值,说明系统已经出现故障,偏差保护此时会起到安全保护作用。

超驰控制当系统接到事故报警、偏差越限、设备故障等异常情况时,超驰逻辑将根据事件发生的原因执行自动切手动(MRE)、优先开P(RA)、优先关(PLW)、禁止升(RAI)、禁止降(LWI)等功能,直接控制调节机构或转换当前工作方式,将系统转到预先设定好的安全状态。它是响应系统异常、切换控制方式的保护手段。

大量使用函数算法大容量机组在不同负荷下,机、炉和各种辅机及设备存在不同特性,利用函数算法可以比较精确地模拟被调对象的变化规律,能有效克服PID算法的局限性,扩展系统调节范围。在控制回路中不同的另一重要应用领域是处理非线性输入信号和用反函数修正各种阀门挡板特性,提高控制精度。

系统结构先进采用递阶控制结构,在机炉子控制回路基础上引入机炉协调级,把锅炉、汽轮机、发电机组作为一个整体加以控制。能直接接收电网中调指令,为实现电网自动调度和协调控制奠定了基础。

控制策略合理机炉主控制器的设计中根据机炉动态特性方面的特点引入前馈、补偿及变结构控制等技术,克服系统的称合和非线性因素,因而可获得良好的控制品质。

系统功能完善除正常功能调节外,还具备局部故障处理,各种运行方式切换、选择等管理功能。由于目前采用先进的分散控制系统实现,完备的画面显示功能,报警打印功能以及人机接口等形成先进的自动化系统。

协调控制系统主要任务(1)接受负荷指令、运行值班人员的负荷指令和电网频率偏差信号,及时响应指令要求,以满足中调负荷变化的需要;

(2)机炉之间相互协调运行,当机组功率变化率较大,可以保持机炉间的能量的平衡,且能够维持机组主汽压力的稳定;

(3)单元机组协调系统内部燃料系统、给水系统、送风系统、炉腔压力、汽温等子系统的平衡;

(4)系统外部负荷指令与主、辅设备实际承受能力的关系;

(5)消除各种情况下扰动的影响,稳定单元机组运行。

机炉协调控制方法分析机炉协调控制方法从其控制结构出发有2种指导思想：一种是以反馈控制为基础的，适当加入一些前馈信号作为辅助调节以改善控制品质；另一种则从能量平衡的角度考虑前馈的控制，力争做到前馈补偿后，锅炉和汽轮机就能协调一致地达到所需要的负荷，反馈作用仅在此基础上起校正作用。这样机炉主控制器就有2种分类方法：一种以反馈回路分类，一种以能量平衡分类7。

以反馈回路分类1） 以锅炉跟随主汽轮机方式为基础的协调控制系统；

2） 以主汽轮机跟随锅炉方式为基础的协调控制系统

以能量平衡分类可分1）直接能量平衡控制系统；

2）间接能量平衡控制系统。

机炉机组运行方式分析动力装置控制的对象很多，但其主控制对象是锅炉和汽轮机，包括机组输出功率是指机组对外提供的能量输出。当机组负荷变化时，锅炉和汽轮机的响应速度是不同的，汽轮机主汽阀动作就可使蒸汽流量迅速变化，以适应外界负荷变化的需要，而锅炉从燃料和水变化到蒸汽量变化必须有一定的过程，机组功率响应较慢。另外，为保证机组安全运行，当负荷变化时，要求主汽压保持在一定范围内波动，所以怎样调节锅炉和汽轮机以适应负荷变化和保持汽压就形成了机组的不同运行方式。一般情况采用定压和滑压2种运行方式2

1）定压运行方式

锅炉调压系统的压力定值由操作人员设定，一般定在额定值，从中调来的负荷的指令作用在汽轮机调节系统，改变功率定值，进而改变调门开度以改变负荷。然后由锅炉调压系统改变燃料量以维持能量平衡。这是一种锅炉跟随汽机的运行方式。这种运行方式下，汽机虽然能利用锅炉蓄能很快改变机组负荷，但这种改变不能持久。由于调压系统响应较慢，在达到最终稳态之前，机前压力的动态偏差将较大。

2）滑压运行方式

滑压运行就是在汽轮机调节汽门节流很小的情况下，通过改变锅炉的负荷，使调节汽门前的主蒸汽温度不变，主蒸汽压力随负荷变化的运行方式。为了满足机组自动滑压的控制功能，协调控制系统需要在压力设定值的生成主蒸汽压力做相应的改进。纯滑压运行时，在汽轮机的整个负荷变化范围内，汽轮机的所有调节汽门保持全开，完全靠汽轮机进汽压力的变化来控制机组的出力。在纯滑压运行方式下，由于机组无法利用锅炉的蓄热能力，负荷响应慢。