CN105159243B - 一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，所述方法首先利用磨煤机磨制标准煤种的电机电流除以磨制实际煤种的电机电流，得到相对可磨性系数；再采用加权平均法计算多台磨煤机并列运行时煤的平均相对可磨性系数；然后对平均相对可磨性系数进行非线性滤波；最后将滤波后的平均相对可磨性系数作为煤可磨性修正系数，令其以乘积的形式对协调控制系统锅炉侧控制器的偏差输入进行修正，实现对控制器增益的补偿。本发明根据煤的可磨性与磨煤机制粉电耗之间存在负相关性这一特点计算煤可磨性修正系数，进而实现对控制器增益的补偿。该方法消除了煤可磨性变化对协调控制系统造成的不利影响，大大提高了协调控制系统适应煤种变化的能力。

Description

一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种火电机组协调控制系统的控制方法，可在煤的可磨性发生变化时保持良好控制性能，属于发电技术领域。

背景技术

机炉协调控制系统(简称协调控制系统)是火电机组中最重要的一个模拟量控制系统，其性能直接影响机组发电功率、汽轮机前蒸汽压力控制品质，并且影响如炉膛负压、烟气氧量、中间点温度或汽包水位、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度等众多关键参数的控制指标。无论对于亚临界机组或是超临界机组，燃料量都是协调控制系统被控对象的一个输入信号。大容量火电机组普遍采用中速磨正压直吹式制粉系统，原煤在制粉系统内磨制为煤粉需要经历较长一段时间，因此各个被控变量对燃料量变化的响应都很迟缓。制粉系统的滞后特性是造成对象难以控制的主要原因。依据现场设备运行状态不同，这种滞后特性可表现为高阶惯性特性、纯迟延加惯性特性、非最小相位特性。其主要区别在于被控变量初期的响应情况不同：当控制输入阶跃变化时，高阶惯性特性对象存在缓慢正向变化的趋势，纯迟延加惯性特性对象则毫无变化，而非最小相位特性对象会先反向变化然后才恢复正向变化。

在对象整体滞后时间大致相同的情况下，控制从易到难以及稳定裕量的由大到小的排列顺序为：高阶惯性特性、纯迟延加惯性特性、非最小相位特性，对于PID(比例、积分、微分)控制，应依次减小控制器增益，虽然控制品质会相应下降，但可以保证控制系统闭环稳定性，防止振荡。

实际制粉系统滞后特性受煤可磨性影响很大。除去给煤机、一次风粉管道内输送过程产生很小的纯迟延外，煤在磨煤机内的磨制过程主要表现为高阶惯性特性；但当煤可磨性变差时，磨煤机循环倍率增加，相同给煤量情况下磨煤机内存煤量也相应增加，煤在磨煤机内需要经过更多次的循环磨制才能变成合格煤粉，磨制过程开始转变为纯迟延特性；当原煤矸石过多、水份过大时，增加给煤量会出现“压磨”现象，即磨煤机内存煤量突然增加而堵塞一次风，一次风量下降造成磨煤机出粉量瞬时下降，当堵塞逐渐抬高一次风压力后煤粉被突然吹出，导致对象呈现非最小相位特性。

煤可磨性很差时，机组控制系统调节过程中会出现以下情况：发电功率增加时控制系统相应增加给煤量，但由于出现“压磨”现象，瞬时出粉量反而下降，导致燃烧强度降低及机组主蒸汽压力降低，控制系统则会进一步增加给煤量，造成磨煤机出力进一步的下降，由此形成恶性循环。严重时直接导致磨煤机堵塞故障；不严重时也会出现一次风压力增加后突然吹通，磨煤机瞬时将大量煤粉送入锅炉炉膛的情况，导致剧烈燃烧扰动和主蒸汽压力波动。

火电机组都是针对特定煤种设计制造的，但机组投运后实际燃煤性质却往往难以符合设计标准。特别由于一次能源价格提高，火力发电企业普遍采用配煤的方式降低燃料成本，煤质变化更为频繁。在众多煤质指标参数中，发热量和可磨性指数对机组控制系统影响最大。现有控制系统中设计有BTU(煤热值)校正控制逻辑，在煤发热量变化时能够自动进行增益补偿维持系统控制品质基本不变。但没有设计煤可磨性补偿控制逻辑，煤可磨性变化往往导致系统控制品质时好时坏，严重时甚至出现振荡的情况。

只有设计煤可磨性检测逻辑，并将其输出补偿协调控制系统中锅炉侧控制器增益，才能够避免因煤可磨性变化导致控制系统性能严重下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，解决因煤可磨性变化而导致的控制系统性能下降的问题。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，所述方法首先利用磨煤机磨制标准煤种的电机电流除以磨制实际煤种的电机电流，得到相对可磨性系数；再采用加权平均法计算多台磨煤机并列运行时煤的平均相对可磨性系数；然后对平均相对可磨性系数进行非线性滤波；最后将滤波后的平均相对可磨性系数作为煤可磨性修正系数，令其以乘积的形式对协调控制系统锅炉侧控制器的偏差输入进行修正，实现对控制器增益的补偿。

上述火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，所述方法包括以下步骤：

a.计算磨煤机的平均相对可磨性系数

①用磨煤机磨制标准煤种的电机电流I_mb除以磨煤机磨制实际煤种的电机电流信号I_m，得到相对可磨性系数K_h：

②对多台磨煤机的相对可磨性系数进行加权平均处理，得到平均相对可磨性系数K_H：

式中：K_hi为第i台磨煤机煤的相对可磨性系数；r_mi为第i台磨煤机给煤量，t/h；i表示运行的磨煤机标号；N表示机组运行的磨煤机的总台数；

b.对平均相对可磨性系数进行非线性滤波

采用非线性滤波器对平均相对可磨性系数K_H进行滤波，非线性滤波器传递函数G_n(s)为：

G_n(s)＝G_l(s)+G_hn(s)

其中：

G_hn(s)＝N(E)G_h(s)

式中：G_l(s)为线性滤波器分解后低通滤波器的传递函数；G_h(s)为线性滤波器分解后高通滤波器的传递函数；T为滤波时间，s为拉氏变换复变量，无单位；G_hn(s)为进行非线性处理后的高通滤波器传递函数；N(E)为死区加限幅非线性的静态特性表达式；E表示输入信号的幅度；

在进一步进行二阶惯性滤波后，得到滤波后的平均相对可磨性系数；

c.火电机组协调控制系统增益的补偿

滤波后的平均相对可磨性系数以乘积的形式对协调控制系统锅炉侧控制器的偏差输入进行修正，实现对控制器增益的补偿。

上述火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，所述死区加限幅非线性环节N(E)的静态特性表达式为：

式中，y₂、x₁、x₂均为常数，且y₂＝x₂-x₁。

上述火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，在计算磨煤机的平均相对可磨性系数的过程中，应对每一台磨煤机电机电流信号进行高低限幅处理，使其高限值不超过磨煤机最大允许电流，低限值不小于设定的正阈值。

上述火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，在计算磨煤机的平均相对可磨性系数的之前，应对每一台磨煤机对应的给煤量信号进行切换处理：当磨煤机对应的给煤量信号和磨煤机电流信号中有任意一个出现故障时，将该磨煤机对应的给煤量信号切换为0。

上述火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，所述磨煤机磨制标准煤种的电机电流I_mb的设置方法如下：

对每一台磨煤机对应的给煤量信号进行一阶惯性处理，惯性时间等于给煤机给煤量变化传递到磨内存煤量变化的时间，经过惯性处理后的给煤量信号经过多点折线函数产生磨煤机磨制标准煤种的电机电流I_mb；所述多点折线函数设置数据在采用锅炉燃用设计煤种、磨煤机工作正常、磨煤机一次风量控制系统和磨出口温度控制系统工作正常情况下，磨煤机对应给煤机的给煤量分别为50％、75％、100％磨煤机额定给煤量数值及其所对应的磨煤机电机电流数值。

本发明根据煤的可磨性与磨煤机制粉电耗之间存在负相关性这一特点计算煤可磨性修正系数，进而实现对控制器增益的补偿。该方法消除了煤可磨性变化对协调控制系统造成的不利影响，可避免煤可磨性显著变差时协调控制系统出现振荡，大大提高了协调控制系统适应煤种变化的能力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为N(E)的输入输出特性；

图2为平均相对可磨性系数计算逻辑；

图3为平均相对可磨性系数滤波逻辑；

图4为控制系统增益补偿逻辑。

图中各功能模块的意义为：H//L-信号高低限幅模块；T-信号切换模块；LAG-一阶惯性模块；F(x)多点折线函数模块；DIV-除法计算模块，n端为被除数，d端为除数；MUL-乘法计算模块；SUM-求和计算模块；DEV-减法计算模块，+端为被减数，-端为减数；PID-为比例、积分、微分控制器模块。

文中各符号为：I_mb为磨煤机磨制标准煤种的电机电流；I_m为磨煤机磨制实际煤种的电机电流；K_h为相对可磨性系数；K_H为平均相对可磨性系数；K_hi为第i台磨煤机煤的相对可磨性系数；r_m为磨煤机给煤量；r_mi为第i台磨煤机给煤量，t/h；i表示运行的磨煤机标号；N表示机组运行的磨煤机的总台数；G_n(s)为非线性滤波器传递函数；G_l(s)为线性滤波器分解后低通滤波器的传递函数；G_h(s)为线性滤波器分解后高通滤波器的传递函数；T为滤波时间，s为拉氏变换复变量，无单位；G_hn(s)为进行非线性处理后的高通滤波器传递函数；N(E)为死区加限幅非线性的静态特性表达式；E表示输入信号的幅度；y₂、x₁、x₂均为常数。

具体实施方式

本发明针对火电机组协调控制系统难以适应煤可磨性变化导致控制品质性能下降的问题，提出一种协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法。该方法可以实现下述功能：煤可磨性变差时煤可磨性修正系数减小，使锅炉侧控制器增益减小自动适应因煤可磨性变差导致对象由高阶惯性特性向纯迟延加惯性特性、非最小相位特性转变的状况，保证协调控制系统稳定性，提高机组协调控制系统的煤种适应能力。

一、操作原理

(1)煤可磨性软测量

相同的磨煤机在相同给煤量的条件下，煤可磨性与磨煤机电流成反比函数关系，煤可磨性越差，磨煤机电流越大。这一结论对于弹簧加载式中速磨和液压加载式中速磨均成立。可定义相对可磨性系数描述煤可磨性变化情况：

其中：K_h为相对可磨性系数，无单位；I_m为磨煤机磨制实际煤种的电机电流，A；I_mb为磨煤机磨制标准煤种的电机电流，A。相对可磨性系数越大表示煤越容易研磨。

相同的磨煤机在不同给煤量的条件下，磨煤机磨制标准煤种的电机电流并不相同，是给煤量的函数，描述为：

I_mb＝F(r_m) (2)

其中：r_m为磨煤机给煤量，t/h。

可采用加权平均法计算多台磨煤机并列运行时煤平均可磨性系数：

其中：K_H为平均相对可磨性系数，无单位；K_hi为第i台磨煤机煤的相对可磨性系数，无单位；r_mi为第i台磨煤机给煤量，t/h；i表示运行的磨煤机标号，无单位；N表示机组运行的磨煤机的总台数，无单位。

将式1、2代入式3，可以计算出入炉煤平均相对可磨性系数，此系数可代表煤可磨性变化。

(2)非线性滤波

现场环境中，由于旋转设备存在振动、卡涩等情况，磨煤机电流信号存在剧烈波动。额定出力在70t/h左右的磨煤机正常工作时的平均电流在60A左右，但电流波动幅度在±3A左右，遇有轻微卡涩、振动等情况时，电流波动可超过±10A。同时，磨煤机给煤量测量信号受到给煤机振动、皮带秤卡涩等情况影响，波动也比较剧烈。因此，通过式3计算得到的煤相对可磨性系数也存在剧烈的波动，必须进行滤波处理才可用于校正控制。

低通滤波器在滤除高频干扰信号的同时也会造成有用信号的延迟，滤波效果和信号延迟之间存在矛盾。针对此问题设计一种非线性滤波器。非线性滤波器传递函数推导过程如下。首先对一个传递函数为单位增益的线性滤波器进行分解：

令：

则：

G(s)＝G_l(s)+G_h(s) (7)

其中：G(s)为单位增益传递函数，实际上没有任何滤波作用；G_l(s)为线性滤波器分解后低通滤波器的传递函数；G_h(s)为线性滤波器分解后高通滤波器的传递函数；T为滤波时间，取干扰信号周期的2～3倍，s为拉氏变换复变量，无单位。

对高通滤波器部分进行非线性处理：

G_hn(s)＝N(E)G_h(s) (8)

其中：G_hn(s)为进行非线性处理后的高通滤波器传递函数；N(E)为死区加限幅非线性的静态特性表达式；E表示输入信号的幅度。

N(E)的输入输出特性如图1所示：当输入在-x₁～x₁之间时输出为0；当输入小于-x₂或大于x₂时输出为定值；其余范围内，输出跟随输入线性变化，增益为1。图1中：y₂＝x₂-x₁。

由此构成新的非线性滤波器传递函数为：

G_n(s)＝G_l(s)+G_hn(s) (9)

其中：G_n(s)为非线性滤波器传递函数。

依据图1分析式9，当高通滤波器输入变化幅度在-x₁～x₁之间时，N(E)输出为0，则G_n(s)只剩余低通部分；高通滤波器输入变化幅度小于-x₂或大于x₂时，N(E)输出为常数，也等效于G_n(s)只剩余低通部分。可见，非线性滤波器只对信号小幅度变化和非正常大幅度变化的部分进行滤波处理，而对正常范围内变化的信号则几乎没有滤波作用。通过调整x₁、x₂，可以有效滤除信号小幅波动部分和非正常大幅波动部分，同时不会对正常范围内变化的信号产生延迟。

二、发明技术方案

发明所述技术方案包括以下三个部分：

(1)平均相对可磨性系数计算

其计算逻辑如图2所示。计算过程为：对于每一台磨煤机电机电流信号经过高低限幅处理，使其高限值不超过磨煤机最大允许电流，低限值略大于零防止后续计算中出现除零的情况。对于每一台磨煤机对应的给煤量信号进行切换处理，当磨煤机对应的给煤量信号和磨煤机电流信号任意一个故障时，产生磨信号故障，将磨煤机对应的给煤量信号切换为0。目的在于使出现故障信号的磨煤机不参与计算过程。经过切换处理后给煤量信号再进行一阶惯性处理，惯性时间等于给煤机给煤量变化传递到磨内存煤量变化的时间，使给煤量变化和磨电流变化在时间上同步。经过惯性处理后的给煤量信号经过多点折线函数产生磨制标准煤种时的磨煤机电机电流信号，除以经过高低限幅处理后的磨煤机电机电流信号，得到相对可磨性系数(图中只画出1号磨的计算逻辑，其余磨的计算逻辑与1号磨相同)。多台磨煤机计算得到相对可磨性系数进行加权平均处理，即各台磨煤机的相对可磨性系数与各台磨煤机对应的经过惯性滤波处理后的给煤量信号相乘后再相加，除以各台磨煤机对应的经过惯性滤波处理的给煤量信号之和，得到平均相对可磨性系数。对求和后给煤量信号进行低限幅，低限值略大于零防止出现除零的情况。

(2)平均相对可磨性系数滤波

滤波逻辑如图3所示。平均相对可磨性系数一路经过惯性滤波处理得到低通滤波输出，一路减去低通滤波输出后得到高通滤波输出。高通滤波输出经过死区限幅(其输入输出特性参见图1)处理后的信号再与低通滤波输出相加，得到非线性滤波处理后的相对可磨性系数。可以滤除相对可磨性系数小幅波动部分和非正常大幅波动部分，同时不会对其正常范围内的变化产生延迟。在进一步进行二阶惯性滤波后，得到滤波后相对可磨性系数。

(3)控制系统增益补偿

增益补偿逻辑如图4所示。需要对原协调控制系统锅炉侧控制逻辑进行修改，在锅炉侧PID控制器前对其偏差信号进行补偿，图4虚线框内为新增加的补偿逻辑。滤波后相对可磨性系数经过高低限幅处理后，与原PID控制器前偏差信号相乘。即可实现对控制器增益的补偿。

三、发明实施步骤

(1)现场情况确认

应用本方法前需要确认火电机组制粉系统为正压直吹式中速磨制粉系统。机组协调控制系统采用炉跟机或以炉跟机为基础的控制方案，即通过燃料量控制汽轮机前蒸汽压力、通过汽轮机高压缸进汽调阀开度控制机组发电功率。机组DCS(分散控制系统)中包含以下信号：各台磨煤机电机电流信号、各台给煤机给煤量信号，各个信号测点工作正常，且在DCS中设计有故障监测和保护逻辑，在其中任意一信号测点损坏时提供磨信号故障指示。

(2)控制逻辑组态及修改

在机组DCS中，依据图2、图3增加平均相对可磨性系数计算逻辑和平均相对可磨性系数滤波逻辑，依据图4修改协调控制系统锅炉侧控制逻辑。图4给出的是典型逻辑，由于现场逻辑比较复杂，需要利用控制系统方框图等效变换原理，对锅炉侧PID控制相关的设定值与反馈值的偏差全部进行补偿。一种比较常见的组态逻辑是将PID控制器的PI控制逻辑和D控制逻辑分开，以便对D控制逻辑的输出进行单独的限幅处理。这时需要对进入PI控制逻辑的偏差信号和进入D控制逻辑的偏差信号分别进行补偿。

图2中标注①、②的H//L模块，目的在于防止后续计算过程出现零除计算，上限设置为设备运行规程规定的最大值，下限设置为一略大于零的阈值，例如0.01；图4中标注⑦的H//L模块，目的也在于限制煤可磨性补偿控制增益的变化范围，高低限分别为0.8、1.2。

(3)参数调试

在机组启动后正常运行期间对补偿控制逻辑中参数进行调试。需要对以下参数进行调试：

图2中标注③的LAG模块的惯性时间，惯性时间等于给煤机给煤量变化传递到磨内存煤量变化的时间，使给煤量变化和磨电流变化在时间上同步，取值范围在50-150s之间。图2中标注④的F(x)模块的多点折线函数，用于确定磨煤机磨制标准煤种时不同给煤量对应的磨煤机电机电流信号，至少需要调试50％、75％、100％磨额定负荷三个工作点。调试方法是，在锅炉燃用设计煤种、确定磨煤机工作正常、磨煤机一次风量控制系统和磨出口温度控制系统工作正常情况下，改变磨煤机对应给煤机的给煤量至50％磨煤机额定负荷，待磨煤机电机电流稳定后，记录其电流值。然后依次调节给煤量，记录75％、100％磨额定负荷工作点下给煤量所对应的电流值，将数据填入F(x)模块。图3中标注⑤的F(x)模块的多点折线函数，用于平均相对可磨性系数的滤波，滤除其中包含的小幅波动成分和大幅干扰成分，参考图1，x₁的取值范围在0.03-0.1之间，x₂的取值范围在0.2-0.6之间。图3中标注⑥的LAG模块的惯性时间，使煤可磨性补偿控制的响应时间略慢于协调控制系统的响应时间，取值范围在150-300s之间，超临界直流锅炉取值小于亚临界汽包锅炉。

四、发明优点

(1)补偿效果明显。本方法能够有效补偿煤可磨性变化对协调控制系统造成的不利影响，特别能够避免煤可磨性显著变差时协调控制系统振荡的情况发生，整体提高协调控制系统稳定性和适应煤种变化的能力。

(2)提供煤可磨性监测信号。本方法可提供煤相对可磨性系数的实时信号用于显示，方便运行人员监测煤质和设备运行状态变化。

Claims (6)

1.一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，其特征是，所述方法首先利用磨煤机磨制标准煤种的电机电流除以磨制实际煤种的电机电流，得到相对可磨性系数；再采用加权平均法计算多台磨煤机并列运行时煤的平均相对可磨性系数；然后对平均相对可磨性系数进行非线性滤波；最后将滤波后的平均相对可磨性系数作为煤可磨性修正系数，令其以乘积的形式对协调控制系统锅炉侧控制器的偏差输入进行修正，实现对控制器增益的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

a.计算磨煤机的平均相对可磨性系数

①用磨煤机磨制标准煤种的电机电流I_mb除以磨煤机磨制实际煤种的电机电流信号I_m，得到相对可磨性系数K_h：

②对多台磨煤机的相对可磨性系数进行加权平均处理，得到平均相对可磨性系数K_H：

式中：K_hi为第i台磨煤机煤的相对可磨性系数；r_mi为第i台磨煤机给煤量，t/h；i表示运行的磨煤机标号；N表示机组运行的磨煤机的总台数；

b.对平均相对可磨性系数进行非线性滤波

采用非线性滤波器对平均相对可磨性系数K_H进行滤波，非线性滤波器传递函数G_n(s)为：

G_n(s)＝G_l(s)+G_hn(s)

其中：

G_hn(s)＝N(E)G_h(s)

式中：G_l(s)为线性滤波器分解后低通滤波器的传递函数；G_h(s)为线性滤波器分解后高通滤波器的传递函数；T为滤波时间，取干扰信号周期的2～3倍，s为拉氏变换复变量，无单位；G_hn(s)为进行非线性处理后的高通滤波器传递函数；N(E)为死区加限幅非线性的静态特性表达式；E表示输入信号的幅度；

在进一步进行二阶惯性滤波后，得到滤波后的平均相对可磨性系数；

c.火电机组协调控制系统增益的补偿

滤波后的平均相对可磨性系数以乘积的形式对协调控制系统锅炉侧控制器的偏差输入进行修正，实现对控制器增益的补偿。

3.根据权利要求2所述的一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，其特征是，所述死区加限幅非线性环节N(E)的静态特性表达式为：

式中，y₂、x₁、x₂均为常数，且y₂＝x₂-x₁。

4.根据权利要求3所述的一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，其特征是，在计算磨煤机的平均相对可磨性系数的过程中，应对每一台磨煤机电机电流信号进行高低限幅处理，使其高限值不超过磨煤机最大允许电流，低限值不小于设定的正阈值。

5.根据权利要求4所述的一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，其特征是，在计算磨煤机的平均相对可磨性系数的之前，应对每一台磨煤机对应的给煤量信号进行切换处理：当磨煤机对应的给煤量信号和磨煤机电流信号中有任意一个出现故障时，将该磨煤机对应的给煤量信号切换为0。

6.根据权利要求5所述的一种火电机组协调控制系统的煤可磨性补偿控制方法，其特征是，所述磨煤机磨制标准煤种的电机电流I_mb的设置方法如下：

对每一台磨煤机对应的给煤量信号进行一阶惯性处理，惯性时间等于给煤机给煤量变化传递到磨内存煤量变化的时间，经过惯性处理后的给煤量信号经过多点折线函数产生磨煤机磨制标准煤种的电机电流I_mb；所述多点折线函数设置数据在采用锅炉燃用设计煤种、磨煤机工作正常、磨煤机一次风量控制系统和磨出口温度控制系统工作正常情况下，磨煤机对应给煤机的给煤量分别为50％、75％、100％磨煤机额定给煤量数值及其所对应的磨煤机电机电流数值。