CN101488022B - 火电机组锅炉汽轮机协调系统的先进控制方法 - Google Patents

Abstract

火电机组锅炉汽轮机协调系统的先进控制方法将先进的动态前馈技术应用于锅炉主控系统的前馈设计中，有效地加快锅炉负荷指令在机组变负荷过程中的调节速度。在机组的变负荷过程中，通过减小调节器的积分作用，抑制锅炉主控系统的振荡倾向。在汽机主控系统中，将机组负荷指令N₀进行了惯性LAG延时及对主汽压力进行保护设计。本发明使锅炉和汽轮机能在更加协调的方式下运行，确保火电机组具有更快的负荷升、降速率和更平稳的主汽压力变化，实际应用中机组的负荷升降速率达3.0％Pe/min，主汽压力平稳不超调，压力偏差在允许的范围内。

Description

火电机组锅炉汽轮机协调系统的先进控制方法

技术领域

本发明涉及一种火电机组锅炉和汽轮机协调系统的先进控制方法，特别是一种采用先进的动态前馈技术、变积分技术等实现火电机组锅炉负荷指令的快速稳定调节及锅炉和汽轮机更加协调的先进控制方法，属于热能动力工程和自动控制领域。

背景技术

火电机组普遍采用了分散控制系统DCS，机组的控制水平及调节品质有了明显的提高，但许多电站最关键的控制系统之一(锅炉和汽轮机之间的协调控制系统)未能取得理想的控制品质，主要存在的问题是机组负荷的升、降速率慢且压力波动大，有些机组由于协调控制方案的不合理，使机组的实际负荷升、降速率仅为1％Pe/min左右，且在变负荷过程中主汽压力振荡且波动达0.8Mpa以上，使机组的其它重要参数如主汽温度、锅炉汽包水位、炉膛负压及氧量等有较大的波动。

目前国内火电厂锅炉和汽轮机协调控制系统均采用了传统的控制方案，锅炉的负荷指令BD和汽机负荷指令TD分别取为：

BD＝PID(P₀-P_T)+k₁N₀+LED(N₀)(1)

或 $\mathrm{BD}=\mathrm{PID}(P_0-P_T)+k_2\left(P_0\frac{P_1}{P_T}\right)+\mathrm{LED}\left(P_0\frac{P_1}{P_T}\right)---\left(2\right)$

TD＝PID(N₀-N_b)+k₃N₀(3)

式中，PID(e)是以e为入口偏差的PID调节器；N_E为机组的实际发电功率；LED为实际微分环节；k₁，k₂，k₃为比例系数。

若锅炉的负荷指令采用(1)式，往往只注重于机组变负荷过程中的功率响应，而压力偏差(P₀-P_T)仅依靠反馈PID调节器来消除，由于锅炉是一个大滞后的被控对象，为确保闭环控制系统的稳定性，PID调节器只能整定得很慢，因此消除主汽压力偏差的能力有限，特别是在稳定负荷下很难消除如煤种变化、给煤机断煤及启停磨煤机等各种扰动对主汽压力的影响，从而造成压力偏差大；若锅炉的负荷指令采用(2)式，前馈和反馈均具有消除压力偏差的功能，但在机组加、减负荷过程中，煤量的波动很大，不利于锅炉的稳定运行，且机组的负荷响应相对较慢。而对于(3)式的汽机负荷指令，仅考虑了汽轮机的负荷调节功能，没有考虑调节主汽压力的功能，当火电机组受到大的扰动时，仅依靠锅炉来调压往往难于抑制主汽压力的变化，使主汽压力的波动大，此时，应让汽机参与主汽压力的调节。

国外西门子电站自动化公司最近推出的火电机组新协调控制系统(PROFI UCC)，它是根据锅炉的非线性模型(神经网络模型)及预测控制技术，对锅炉的“热能”进行预测，从而提前动作给煤量，有效补偿锅炉的惯性，确保机组快速的负荷响应速度和平稳的压力变化。PROFI已在国内个别电厂得到成功应用，机组的负荷升降速率达3.0％Pe/min，且主汽压力的最大波动为0.3-0.4MPa左右，尽管西门子的新协调控制系统性能优良，但价格十分昂贵，且其核心技术完全保密。

发明内容

技术问题：针对火电机组锅炉、汽轮机协调控制系统的现状，为了有效改善协调控制系统的品质，本发明提出了一种火电机组锅炉汽轮机协调系统的先进控制方法，同样可以取得与PROFI相当的控制品质。

技术方案：本发明提出了一种火电机组锅炉汽轮机协调系统的先进控制方法，其特征在于该控制方法包括锅炉主控系统控制和汽轮机主控系统控制，由锅炉主控系统和汽机主控系统共同对发电机组的实发功率N_E和主汽压力P_T进行协调控制，其中，锅炉主控系统主要在兼顾机组实发功率的基础上对主汽压力进行控制，而汽机主控系统则主要对实发功率进行控制，同时兼顾到主汽压力的变化，

A.锅炉主控系统的先进控制方法包括：

A1.锅炉主控系统将锅炉负荷指令分为前馈信号和反馈信号；

A2.采用动态前馈技术，将锅炉负荷指令的前馈信号分为静态前馈BDFF_s和动态前馈BDFF_d，其中，静态前馈部分BDF_s为：

${\mathrm{BDFF}}_s=f\{N_0+k(\frac{P_0}{P_T}-1)N_0\},$

式中，N₀为机组的负荷指令，P₀为主汽压力定值，P_T为主汽压力，k为选定的常数，k∈(0.5，1.5)，f{·}为根据机组负荷与煤量的配比原则来选取的函数；

动态前馈部分BDFF_d由三部分组成：

${\mathrm{BDFF}}_d={\mathrm{BDFF}}_{d1}+{\mathrm{BDFF}}_{d2}+{\mathrm{BDFF}}_{d3}=\mathrm{LED}1\left(N_0\right)+\mathrm{LED}2\left(P_0\frac{P_1}{P_T}\right)+\mathrm{LED}3\left(A\right)$

式中，A为在启、停磨煤机过程中选定的增量值；

代表流入汽轮机的能量信号，P₁为汽轮机调节级压力；LED1，LED2，LED3为三个具有不同参数的实际微分环节，实际微分环节的表达式为 $\mathrm{LED}\left(s\right)=\frac{k_d{T}_{d}s}{1+T_{d}s},$ 其中，k_d为微分增益，T_d为微分时间，s为拉普拉斯算子；

A3.在机组变负荷过程中，采用变积分技术对锅炉主控系统中的PID反馈调节器进行变积分：

A31.首先判别机组的加、减负荷过程，判别方法为：

若LED4(N₀)≥λ，则机组加负荷；

若LED4(N₀)≤-λ，则机组减负荷；

LED4为选定的实际微分环节，λ为阈值；

A32.其次，根据机组运行过程，切换积分时间，当机组处于升、降负荷过程中时，将锅炉主控调节器的积分时间从T_i1切换到T_i2，保持一段时间或升降负荷结束后，积分时间切回至T_i1；

A33.调节器入口偏差为(P₀-P_T)，经PID反馈调节器输出，获得锅炉负荷指令的反馈信号BDFB；

A4.将锅炉负荷指令的前馈信号和反馈信号相加，获得锅炉负荷总指令BD：

BD＝BDFF_s+BDFF_d+BDFB

B.汽轮机主控系统的先进控制方法包括：

B1.对机组负荷指令N₀进行一阶惯性的延时，在机组加、减负荷过程中，减小主汽压力的变化，让锅炉和汽轮机协调运行；

B2.在机组降负荷过程中，当机前压力P_T高于上限P_H时，通过抬高机组的负荷指令N₀来限制汽机调门的进一步关小，进而限制主汽压力的进一步升高；

B3.采用改变压力偏差权系数方法对压力偏差进行调整，当机组实发功率与目标负荷相差较大时，减小压力偏差的权系数；当机组实发功率与目标负荷相差较小时，即实发功率已接近目标负荷，增加压力偏差的权系数。

附图说明

图1火电机组协调控制系统中锅炉主控方案。

图2火电机组协调控制系统中汽轮机主控方案。

图3火电机组锅炉汽轮机协调系统先进控制方法的应用效果。

LED为实际微分模块，PID为PID调节模块，K为比例模块，X为乘法器模块F(X)为函数模块，LAG为惯性模块，＜--小值选择模块。

具体实施方式

本实施例的火电机组锅炉和汽轮机协调系统的先进控制方法，将先进的动态前馈技术应用于锅炉主控系统的前馈设计中，有效地加快锅炉负荷指令在机组变负荷过程中的调节速度。在机组的变负荷过程中，通过减小调节器的积分作用，抑制锅炉主控系统的振荡倾向。本实施例提出的锅炉负荷指令的控制方法如附图1所示。

锅炉负荷指令的前馈信号分为静态前馈BDFF_s和动态前馈BDFF_d，其中，

${\mathrm{BDFF}}_s=f\{N_0+k(\frac{P_0}{P_T}-1)N_0\}$

${\mathrm{BDFF}}_d={\mathrm{BDFF}}_{d1}+{\mathrm{BDFF}}_{d2}+{\mathrm{BDFF}}_{d3}=\mathrm{LED}1\left(N_0\right)+\mathrm{LED}2\left(P_0\frac{P_1}{P_T}\right)+\mathrm{LED}3\left(A\right)$

锅炉反馈调节器为PID调节器，机组在升、降负荷过程中时，则将锅炉主控调节器的积分时间从T_i1切换到T_i2，保持一段时间或升降负荷结束后，积分时间切回至T_i1。机组升、降负荷的判别方法为：若LED4(N₀)≥λ，则机组加负荷；反之，若LED4(N₀)≤-λ，则机组减负荷。

某电站二台300MW火电机组采用本专利的控制方案，上式的相关参数选为：k＝0.8；A＝-5；λ＝1； $\mathrm{LED}1\left(s\right)=\frac{48s}{1+12s};$ $\mathrm{LED}2\left(s\right)=\frac{300s}{1+20s};$ $\mathrm{LED}3\left(s\right)=\frac{200s}{1+200s}$ $\mathrm{LED}4\left(s\right)=\frac{12s}{1+12s};$ T_i1＝380sec；T_i2＝520sec

F(x)为如下插值函数：

x	0.0	350
			F(x)	0.0	75

本实施例提出的汽机负荷指令的控制方法如附图2所示。

对机组负荷指令N₀进行了一阶惯性LAG的延时，目的是在机组的加、减负荷过程中，让汽机等等锅炉，让锅炉和汽轮机更加协调，减小机前压力的变化；

在机组降负荷过程中，由于汽机调门关小往往会导致主汽压力升高，当压力偏高较多时，应限制调门下关甚至应让调门开一些，因此，在本发明中，当主汽压力P_T高于上限P_H时，通过抬高机组的功率指令N₀来防止汽机调门的进一步下关，从而防止机前压力的进一步升高。从图2知，所增加的功率指令ΔN＝min{F₁(P_T-P_H)，N_HI-N₀}，式中，N_HI为机组负荷指令的上限值；

除控制功率偏差外，汽机侧还应适当考虑对压力偏差的调整，这样有利于主汽压力的稳定。从图2知，由压力偏差对功率指令的修正量ΔN_P为：ΔN_P＝k₂(P_T-P₀)*F₂(N_OB-N_E)，式中，N_OB为当前时刻机组的目标负荷。

某电站二台300MW火电机组采用本专利的控制方案，上式的相关参数选为：K₁＝0.2；K₂＝4；P_H＝16.9MPa； $\mathrm{LAG}\left(s\right)=\frac{1}{1+22s};$ $\mathrm{PID}\left(s\right)=0.0076+\frac{1}{135s},$ F₁(x)，F₂(x)分别选取：

x	-5	0	0.1	0.3	0.4	0.5	5
								F1(x)	0	0	0	20	35	40	40

x	-100	-6	-5	-2	2	5	6	100
									F2(x)	0	0	1	2	2	1	0	0

火电机组锅炉和汽轮机协调系统的先进控制方法可在各类分散控制系统DCS中直接通过组态方式实现。本发明的控制系统在某电厂#4机组(300MW)上的应用效果如图3所示。机组负荷指令N₀以9MW/min(即3％Pe/min)的速率进行升、降，其变化过程为：320MW→250MW(停E磨煤机)→200MW(停D磨煤机)→180MW→200MW(启D磨煤机)→260MW→220MW→260MW(启E磨煤机)→320MW，机组的实发功率N_E快速跟着机组负荷指令N₀的变化而变化(动态偏差＜4MW，静态偏差＜2MW)，实际的负荷升、降速率达3％Pe/min。在整个变负荷过程中，主汽压力与压力定值的偏差基本都在0.2MPa之内，在个别点上，即使存在启、停磨煤机的影响，主汽压力的最大动态偏差也仅为0.42MPa，其控制性能达国内、外先进水平。

Claims (1)

1.一种火电机组锅炉汽轮机协调系统的先进控制方法，其特征在于该控制方法包括锅炉主控系统控制方法和汽轮机主控系统控制方法，由锅炉主控系统和汽轮机主控系统共同对发电机组的实发功率N_E和主汽压力P_T进行协调控制，其中，锅炉主控系统主要在兼顾机组实发功率的基础上对主汽压力进行控制，而汽轮机主控系统则主要对实发功率进行控制，同时兼顾到主汽压力的变化，具体方法如下：

A.锅炉主控系统的控制方法包括：

A1.将锅炉负荷总指令分为前馈负荷指令和反馈负荷指令；

A2.采用动态前馈技术，将锅炉前馈负荷指令分为静态前馈BDFF_s和动态前馈BDFF_d，其中，静态前馈BDFF_s为：

${\mathrm{BDFF}}_s=f\{N_0+k(\frac{P_0}{P_T}-1)N_0\},$

式中，N₀为机组的负荷指令，P₀为主汽压力定值，P_T为主汽压力，k为选定的常数，k∈(0.5，1.5)，f{·}为根据机组负荷与煤量的配比原则来选取的函数；动态前馈BDFF_d由三部分组成：

${\mathrm{BDFF}}_d={\mathrm{BDFF}}_{d1}+{\mathrm{BDFF}}_{d2}+{\mathrm{BDFF}}_{d3}=\mathrm{LED}1\left(N_0\right)+\mathrm{LED}2\left(P_0\frac{P_1}{P_T}\right)+\mathrm{LED}3\left(A\right)$

式中，A为在启、停磨煤机过程中选定的增量值；

代表流入汽轮机的能量信号，

P₁为汽轮机调节级压力；LED1，LED2，LED3为三个具有不同参数的实际微分环节，实际微分环节的表达式为

其中，k_d为微分增益，T_d为微分时间，s为拉普拉斯算子；

A3.锅炉的反馈负荷指令BDFB的调节器入口偏差为(P₀-P_T)，经PID反馈调节器输出，在机组变负荷过程中，采用变积分技术对PID反馈调节器积分时间进行变积分：

A31.首先判别机组的加、减负荷过程，判别方法为：

若LED4(N₀)≥λ，则机组加负荷；

若LED4(N₀)≤-λ，则机组减负荷；

LED4为选定的实际微分环节，λ为阈值；

A32.其次，根据机组运行过程，切换积分时间，当机组处于升、降负荷过程中时，

将锅炉主控调节器的积分时间从T_i1切换到T_i2，保持一段时间或升降负荷结束后，积分时间切回至T_i1；

A4.锅炉前馈负荷指令和反馈负荷指令相加，获得锅炉负荷总指令BD：

BD＝BDFF_s+BDFF_d+BDFB

将锅炉负荷总指令BD传递到燃料控制系统及给煤机控制系统，完成锅炉主控系统的控制过程；

B.汽轮机主控系统的控制方法包括：

B1.对机组负荷指令N₀进行一阶惯性的延时，在机组加、减负荷过程中，减小主汽压力的变化，让锅炉和汽轮机协调运行；

B2.在机组降负荷过程中，当机前压力P_T高于上限P_H时，通过抬高机组的负荷指令N₀来限制汽轮机调门的进一步关小，进而限制主汽压力的进一步升高；

B3.采用改变压力偏差权系数方法对压力偏差进行调整，当机组实发功率与目标负荷相差较大时，减小压力偏差的权系数；当机组实发功率与目标负荷相差较小时，即实发功率已接近目标负荷，增加压力偏差的权系数。

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