CN105927976A - 一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统 - Google Patents

一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其包括锅炉主控控制器、燃料主控控制器和汽机主控控制器；所述的锅炉主控控制器采用带二阶微分的汽包热量信号和动、静态前馈信号；所述动、静态前馈信号包括机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff、机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff、机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff、床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf和负荷指令对一次风风量的动、静态前馈；锅炉主控控制器根据不同负荷段采用PID变参数控制，燃料主控控制器采用煤质校正控制回路。本发明的优点是提高了循环流化床机组协调控制的能力，解决了机组在协调控制方式下主汽压力波动大以及负荷响应速率低的问题。

Description

一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统
技术领域
本发明涉及了一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其属于循环流化床机组协调控制领域。
背景技术
近几年，循环流化床机组由于具有高效、环保的特点使其在发电领域实现了广泛的应用，但是由于循环流化床机组具有强耦合性、非线性、大惯性、大延迟等特点使得循环流化床机组协调控制系统的控制效果很不理想，床温和主蒸汽压力波动很大，机组变负荷率很难满足考核指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种安全稳定、波动小、响应速率高的用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统。
本发明针对其技术问题采用的技术方案如下：
一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其包括锅炉主控控制器、燃料主控控制器和汽机主控控制器；所述的锅炉主控控制器采用带二阶微分的汽包热量信号和动、静态前馈信号。所述二阶微分的热量信号较一阶微分的热量信号更能准确表示锅炉汽包的热量信号，一定程度上提高了锅炉主控控制器的调节品质。
所述动、静态前馈信号包括机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff、机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff、机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff、床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf和负荷指令对一次风风量的动、静态前馈；所述锅炉主控控制器根据不同负荷段采用PID变参数控制，所述燃料主控控制器采用煤质校正控制回路。
进一步的，所述带二阶微分的汽包热量信号为所述直接能量平衡协调控制系统中锅炉主控控制器的被调量，通过调门开关试验得到汽包的蓄热系数。基于二阶微分的锅炉汽包热量信号能够在不同的工况下准确表示汽包的蓄热量，提高了机组所需燃料量的精度，准确实现了电量与煤量的供需平衡。
进一步的，所述机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff是以两倍的机组变负荷速率生成的锅炉燃料负荷指令，所述的锅炉主控控制器所需的负荷指令通过负荷与煤量的折线函数提前将给煤量增加或者减少到目标负荷所需的给煤量，在一定程度上减小了循环流化床锅炉的纯迟延时间，提高了锅炉的响应速率。
进一步的，所述机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff是实际机组负荷指令减去速率限制后实际机组负荷指令的微分，通过限制微分的上下限的幅度以及通过不同负荷变动幅度对应不同微分时间的折线函数确定机组负荷指令的微分量；通过变负荷试验确定负荷动态前馈的修正系统，负荷指令的微分量与微分修正系数的乘积即为负荷指令动态前馈。
进一步的，所述机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff是机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分与主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分之和。
进一步的，所述机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分、主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分均是通过变负荷试验确定微分的上下限、微分时间以及动态前馈的修正系数。
进一步的，所述床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf是在满足风煤比的前提下根据床温以及床温的变化率来修正锅炉主控指令。
进一步的，当所述床温在合理范围内时，床温变化率通过燃料量修正函数对应的燃料修正量，同时根据主汽压力的偏差值对应的修正系数，两者乘积为锅炉主控需要修正的燃料量；当床温超出合理范围时，锅炉主控指令直接减少百分之二的指令，防止床温超温。
进一步的，所述负荷指令对一次风风量的动、静态前馈包括以三倍的机组变负荷速率生产的一次风负荷指令通过折线函数对应的一次风量的静态前馈和以机组负荷指令的微分作为一次风量的动态前馈，动、静态一次风量指令之和即为一次风量指令。该方法可以让一次风量较机组负荷和给煤量超前超调动作，充分利用锅炉的蓄热能力，加快锅炉的响应。在协调控制方式下使主汽压力实际值能快速跟随主汽压力的给定值。
本发明的有益效果如下：本发明提高了循环流化床机组协调控制的能力，减小了主蒸汽压力的波动，解决了机组在协调控制方式下主汽压力波动大以及负荷响应速率低的技术问题，保证了机组在变负荷以及在稳态时机组的安全稳定运行，满足了机组对AGC控制的考核指标。
本发明在一定程度上克服了循环流化床机组大迟延，大惯性的问题，提高了循环流化床机组在各种工况下主汽压力的调节品质，优化了协调控制系统的调节品质，提高了机组的变负荷率。
附图说明
图1为本发明的锅炉主控控制器的实现方框图。
图2为本发明的燃料主控控制器的实现方框图。
具体实施方式
下面结合图1~图2和实施例对本发明做进一步说明。
如图1~图2所示，本实施例包括锅炉主控控制器、燃料主控控制器和汽机主控控制器；所述的锅炉主控控制器采用带二阶微分的汽包热量信号和动、静态前馈信号。所述二阶微分的热量信号较一阶微分的热量信号更能准确表示锅炉汽包的热量信号，一定程度上提高了锅炉主控控制器的调节品质。
所述动、静态前馈信号包括机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff、机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff、机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff、床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf和负荷指令对一次风风量的动、静态前馈；所述锅炉主控控制器根据不同负荷段采用PID变参数控制，所述燃料主控控制器采用煤质校正控制回路。
进一步的，所述带二阶微分的汽包热量信号为所述直接能量平衡协调控制系统中锅炉主控控制器的被调量，通过调门开关试验得到汽包的蓄热系数。基于二阶微分的锅炉汽包热量信号能够在不同的工况下准确表示汽包的蓄热量，提高了机组所需燃料量的精度，准确实现了电量与煤量的供需平衡。
进一步的，所述机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff是以两倍的机组变负荷速率生成的锅炉燃料负荷指令，所述的锅炉主控控制器所需的负荷指令通过负荷与煤量的折线函数提前将给煤量增加或者减少到目标负荷所需的给煤量，在一定程度上减小了循环流化床锅炉的纯迟延时间，提高了锅炉的响应速率。
进一步的，所述锅机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff是实际机组负荷指令减去速率限制后实际机组负荷指令的微分，通过限制微分的上下限的幅度以及通过不同负荷变动幅度对应不同微分时间的折线函数确定机组负荷指令的微分量；通过变负荷试验确定负荷动态前馈的修正系统，负荷指令的微分量与微分修正系数的乘积即为负荷指令动态前馈。
进一步的，所述机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff是机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分与主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分之和。
进一步的，所述机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分、主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分均是通过变负荷试验确定微分的上下限、微分时间以及动态前馈的修正系数。
进一步的，所述床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf是在满足风煤比的前提下根据床温以及床温的变化率来修正锅炉主控指令。
进一步的，当所述床温在合理范围内时，床温变化率通过燃料量修正函数对应的燃料修正量，同时根据主汽压力的偏差值对应的修正系数，两者乘积为锅炉主控需要修正的燃料量；当床温超出合理范围时，锅炉主控指令直接减少百分之二的指令，防止床温超温。
进一步的，所述负荷指令对一次风风量的动、静态前馈包括以三倍的机组变负荷速率生产的一次风负荷指令通过折线函数对应的一次风量的静态前馈和以机组负荷指令的微分作为一次风量的动态前馈，动、静态一次风量指令之和即为一次风量指令。该方法可以让一次风量较机组负荷和给煤量超前超调动作，充分利用锅炉的蓄热能力，加快锅炉的响应。在协调控制方式下使主汽压力实际值能快速跟随主汽压力的给定值。
本实施例是一种以锅炉系统为基础的炉跟机( CCBF)式控制系统，该控制方式可对负荷要求做出快速响应，能够最大程度的提高AGC考核指标，它与一般CCBF方式不同的地方在于，它是通过满足热量信号和能量信号的平衡，来实现机组负荷和主蒸汽压力的解耦控制，即把一个双输入双输出的多变量系统化解为一个以能量控制为内环，以负荷控制为外环的双回路串级控制系统。
DEB协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入热量信号进行控制的协调控制系统，该系统在任何工况下均能保证汽轮机能量需求与锅炉热量的输入相平衡。为了克服CFB锅炉大迟延、强耦合的问题，提出了基于直接能量平衡的协调控制策略。DEB协调控制采用汽机调速级压力（P1）与汽机主汽门前压力（Pt）之比乘以机前压力设定值（Ps）作为汽机对锅炉的能量需求信号，即(P1/Pt)×Ps；采用锅炉汽包的热量信号（P1+C*（dPd/dt））作为燃料的反馈信号。对锅炉热量信号进行适当的调整，可以使锅炉热量信号在调门开度的扰动下，P1的正微分面积与dPd/dt负微分面积基本相等，使（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下基本不变，而仅反映燃料的变化。直接能量平衡系统就是利用P1*Ps/Pt仅反映汽机对锅炉能量需求的特点和（P1+dPd/dt）仅反映燃料变化的特点，实现机组负荷对燃料的需求，保证汽机和锅炉总能保持能量供需平衡。根据循环流化床锅炉的特点，本发明提出了基于热量信号为二阶微分的DEB协调控制系统。
锅炉主控控制器优化：锅炉主控根据汽轮机能量需求信号与锅炉输入热量信号的偏差生成锅炉主控指令(LDC_B)，锅炉主控指令通过改变燃料量来实现汽轮机能量需求与汽包热量的平衡，保证了主蒸汽压力的稳定。静态过程中，主汽压力靠PID调节实现主汽压力的稳定；动态过程中控制品质主要依靠各种前馈控制：机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈（LSff）、机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈（LDff）、压力设定值对锅炉燃料的动态前馈(PDff)、PID变参数控制等。
各个主要参数都需要在调试过程中，经过大量的试验来确定。在DEB协调控制系统中，汽包蓄热系数对系统的控制品质影响较大。蓄热系数设置过小会低估锅炉汽包的蓄热能力，容易产生燃料量的过调。如果蓄热系数设置较大，超出了锅炉的实际蓄热能力，则主蒸汽压力会收敛的较慢，影响主蒸汽压力的调节品质。因此，在直接能量平衡协调控制系统的调试和整定过程中，必须精确的确定蓄热系数。
燃料主控控制回路优化：燃料量控制系统的任务将锅炉主控指令转换为给煤量指令。根据风煤比限制来确定燃料量，锅炉主控计算出的燃料量与总风量折算出的燃料量进行比较来确定燃料主控的设定值，既保证了总风量不低于燃料量，又加快了燃料控制系统的响应速度。为了克服循环流化床锅炉的大迟延特性，燃料主控调节器根据给煤机自动投入台数(N_feeders)自动进行PID参数调整，加快燃料量对负荷变化的响应；为补偿煤质发热量的变化，用热值校正系数(CVC_c)对燃料主控调节器的PID参数(BC_p、BC_i)进行自动调整：煤质较好时，自动降低燃料主控PID调节器的调节作用，给煤机指令信号的变化就会相应的减小；煤质较差时，自动将燃料主控PID调节器的调节作用增强，给煤机指令信号的变化就会相应的增强，加快燃烧控制系统的响应。
锅炉燃料的静态负荷指令前馈是以两倍的机组变负荷速率生成的锅炉燃料负荷指令，所述的锅炉主控控制器所需的负荷指令通过负荷与煤量的折线函数能够提前将给煤量增加或者减少到目标负荷所需的给煤量，在一定程度上减小了循环流化床锅炉的纯迟延时间，提高了锅炉的响应速率。
锅炉燃料的动态负荷指令前馈是实际机组负荷指令减去速率限制后实际机组负荷指令的微分，通过限制微分的上下限的幅度以及通过不同负荷变动幅度对应不同微分时间的折线函数确定机组负荷指令的微分量；通过变负荷试验确定负荷动态前馈的修正系统，负荷指令的微分量与微分修正系数的乘积即为负荷指令动态前馈。
机组压力的动态前馈是机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分与主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分之和。二者均可以通过变负荷试验来确定微分的上下限、微分时间以及动态前馈的修正系数。
所述床温变化率Vt对锅炉主控的动态前馈是在满足风煤比的前提下根据床温以及床温的变化率来修正锅炉主控指令。床温在合理范围内时，通过床温变化率与燃料量修正函数对应的燃料修正量，以及根据主汽压力的偏差值对应的修正系数，两者乘积为锅炉主控需要修正的燃料量；床温超出合理范围时，锅炉主控指令直接变化百分之二指令，防止床温超温。(主汽压力修正系数确定：Vt>0.1时，当压力偏差△P>-0.3，压力修正系数为1，△P<-0.5压力修正系数为0；Vt<-0.1时，当压力偏差△P>0.5，压力修正系数为0，△P<0.3压力修正系数为1。) 在锅炉主控制器引入床温变化率的前馈，在变负荷过程中由于煤量的变化会引起床温的变化，如果没有该前馈作用时由于主汽压力的滞后，经常出现锅炉主控过调，导致煤量过多进而引起主汽压力的过大波动，引入该前馈控制可以使煤量在床温变化量很大时及时回调锅炉主控，使锅炉给煤量的变化在可控范围内，实现主汽压力的稳定控制，进而实现机组稳定控制。
一次风风量控制的任务是保证锅炉的燃烧和流化用风。一次风量和二次风量通过煤量-一次风量函数、煤量-总风量函数形成各自的风量指令，总风量指令与30%最小风量取大后形成最终的总风量指令，一次风量和二次风量按照锅炉说明4:5的比例进行配比。锅炉燃料指令经过折线函数得到一次风量的理论值再乘以氧量修正得到一次风量的设定值。在一次风量指令回路中增加了负荷指令对一次风量的动静态前馈，负荷指令对一次风风量的动静态前馈是用以三倍的机组变负荷速率生产的一次风负荷指令通过折线函数对应的一次风量的静态前馈，以及机组负荷指令的微分作为一次风量动态前馈，动静态一次风量指令之和即为一次风量指令。该方法可以让一次风量较机组负荷指令和给煤量超前超调动作，充分利用锅炉的蓄热能力，加快锅炉的响应。在协调控制方式下使主汽压力实际值能快速跟随主汽压力的给定值。由于一次风负荷指令大于锅炉燃料负荷指令，使得升降负荷时一次风总是较给煤量提前变化，一定程度上可以减少变负荷时床温的波动，不仅提高了机组的响应速率，还提高了锅炉的稳定性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：其包括锅炉主控控制器、燃料主控控制器和汽机主控控制器；所述的锅炉主控控制器采用带二阶微分的汽包热量信号和动、静态前馈信号；所述动、静态前馈信号包括机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff、机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff、机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff、床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf和负荷指令对一次风风量的动、静态前馈；所述锅炉主控控制器根据不同负荷段采用PID变参数控制，所述燃料主控控制器采用煤质校正控制回路。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述带二阶微分的汽包热量信号为所述直接能量平衡协调控制系统中锅炉主控控制器的被调量，通过调门开关试验得到汽包的蓄热系数。
3.根据权利要求1所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述机组负荷指令对锅炉燃料的静态前馈信号LSff是以两倍的机组变负荷速率生成的锅炉燃料负荷指令，所述的锅炉主控控制器所需的负荷指令通过负荷与煤量的折线函数提前将给煤量增加或者减少到目标负荷所需的给煤量。
4.根据权利要求1所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述机组负荷指令对锅炉燃料的动态前馈信号LDff是实际机组负荷指令减去速率限制后实际机组负荷指令的微分，通过限制微分的上下限的幅度以及通过不同负荷变动幅度对应不同微分时间的折线函数确定机组负荷指令的微分量；通过变负荷试验确定负荷动态前馈的修正系统，负荷指令的微分量与微分修正系数的乘积即为负荷指令动态前馈。
5.根据权利要求1所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述机组压力对锅炉燃料的动态前馈信号PDff是机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分与主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分之和。
6.根据权利要求5所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述机组能量信号减去速率限制后机组能量信号的微分、主汽压力设定值减去速率限制后主汽压力设定值的微分均是通过变负荷试验确定微分的上下限、微分时间以及动态前馈的修正系数。
7.根据权利要求1所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述床温变化率对锅炉主控的动态前馈VtDf是在满足风煤比的前提下根据床温以及床温的变化率来修正锅炉主控指令。
8.根据权利要求7所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：当所述床温在合理范围内时，床温变化率通过燃料量修正函数对应的燃料修正量，同时根据主汽压力的偏差值对应的修正系数，两者乘积为锅炉主控需要修正的燃料量；当床温超出合理范围时，锅炉主控指令直接减少百分之二的指令，防止床温超温。
9.根据权利要求1所述的一种用于大型循环流化床机组的直接能量平衡协调控制系统，其特征在于：所述负荷指令对一次风风量的动、静态前馈包括以三倍的机组变负荷速率生产的一次风负荷指令通过折线函数对应的一次风量的静态前馈和以机组负荷指令的微分作为一次风量的动态前馈，动、静态一次风量指令之和即为一次风量指令。
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