CN106019929B - 双进双出直吹式制粉系统协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，涉及锅炉主控自动系统、一次风自动系统等；其中锅炉主控系统根据机组电负荷的变化、主汽压力偏差，调整双进双出直吹式制粉系统中容量风门的开度；一次风自动除控制一次风母管压力外，并根据当前燃烧工况对能量的需求调节一次风导叶开度，在两套自动系统的协同调节作用下，实现火电机组燃料量与负荷需求的平衡。采用本发明彻底解决传统协调控制方案中存在的：风/煤比难确定、自动整定困难，易受干扰、稳定性差等问题，普遍适用同类型火电机组的协调控制。

Description

双进双出直吹式制粉系统协调控制方法

技术领域

本发明属于燃煤发电技术领域的工业自动化控制技术领域，具体是火力发电厂双进双出直吹式制粉系统的协调控制技术。

背景技术

双进双出直吹式磨煤机在火电机组中应用非常广泛，传统的协调控制方案大多建立在直接能量平衡（DEB）PID+前馈的原理上，以直接能量平衡公式计算出当前负荷需要的燃料量，用容量风量代表进入炉膛的煤量（即风煤比的概念），控制容量风门开度，实现输入炉膛的能量与汽轮机需求的能量相匹配的功能。

该控制策略在在表示物理特征的现象上不是很直观；同时实际生产中没有任何计量方法可以准确、实时的反映进入炉膛的燃料量到底有多少，因此带来以下问题：

（1）容量风量信号测点多、维护工作量大、故障率高。

（2）容量风量信号变化快，自动控制系统参数整定困难。

（3）系统工况变化，容量风量变化大、无规律，系统抗干扰能力差。

（4）煤种变化大，风/煤比难确定。

（5）容量风门阀位特性线性不好。

（6）传统协调方案中，调节煤量的控制对象主要为磨煤机容量风门，忽略了一次风机等影响煤量变化的自动控制系统协调的问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种新型协调控制策略，代替传统控制的方案，实现了双进双出直吹式制粉系统机组的协调控制，满足了电力系统入网统调机组考核指标的要求。

为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，该方法用于控制双进双出直吹式制粉系统，所述制粉系统根据汽轮机前主蒸汽压力与设定值的偏差、电负荷指令变化，分别对制粉机容量风门、一次风机导叶进行控制，实现进入炉膛的燃料量与负荷需求的能量平衡；具体包括协调方式下的锅炉主控系统和一次风母管压力控制系统，其中，锅炉主控系统的PID控制部分和前馈部分，一次风母管压力控制系统的PID控制、前馈控制、设定值自动修正、负荷自适应部分。

所述锅炉主控系统根据汽轮机前主蒸汽压力与设定值的偏差，通过锅炉主控PID控制器运算后，输出容量风门开度的控制指令；同时，引用电负荷变化量、电负荷变化趋势、机前压力偏差变化量、 机前压力变化趋势模块作为前馈信号，提前控制容量风门开度变化。

所述一次风母管压力控制系统根据一次风母管压力与设定值的偏差，通过一次风PID控制器运算后，输出一次风机导叶开度的控制指令；同时引入一次风母管压力设定值自动修正模块，使一次风自动控制系统中的一次风母管压力设定值自动设定为当前负荷需要的设定值；引入负荷自适应模块，使一次风机出力根据当前负荷实际情况进行调整；引入锅炉主控前馈模块，使一次风机的自动控制判断锅炉主控自动的变化情况，实现与锅炉主控的协调控制。

所述锅炉主控系统具体包括：主汽压力PID控制器采用变参数调节，根据主汽压力偏差的大小，调节所述锅炉主控PID控制器参数；偏差越大，控制容量风门变化越快，快速改变进入炉膛的燃料量，起到快速响应负荷需求的作用；偏差越小，控制容量风门变化越缓慢，起到精确调节燃料量的作用。

所述锅炉主控系统具体包括：

所述引入前馈信号来补偿能量转换过程中的动态迟延，加快负荷的响应能力，具体包括：

电负荷变化量前馈模块：根据电负荷变化量，直接改变容量风门开度，控制进入炉膛的燃料量；

电负荷变化趋势前馈模块：监控电负荷变化的趋势，根据变化趋势的方向和快慢，提前调整容量风门开度，消除电负荷变化燃烧过程滞后的影响；

机前压力偏差模块：机前压力偏差代表当前燃料量与电负荷需求的能量偏差，根据偏差的大小直接调节容量风门开度；

机前压力变化趋势模块：监控机前压力变化的趋势，根据变化趋势的方向和快慢，提前调整容量风门开度，改变进入炉膛的燃料量，抑制机前压力当前燃料量背离电负荷需求值的趋势；

机前压力纠偏模块：根据机前压力偏差的大小，定时增减燃料量，使主汽压力逐渐趋近设定值。

所述一次风母管压力控制系统的控制过程具体包括：

所述一次风母管压力PID控制部分：根据一次风母管压力偏差的大小，调节一次风机导叶开度，控制一次风母管压力在设定值范围；

所述一次风母管压力设定自动修正模块包括：监控当前负荷需求、容量风门开度、主汽压力偏差，自动修正一次风母管压力设定值，使设定值自动匹配当前系统工况。

所述一次风母管压力设定自动修正模块包括具体为：

负荷设定一次风母管压力模块：用电负荷的函数曲线自动设定当前负荷下的一次风母管压力定值；

容量风门开度修正一次风母管压力设定值模块：用容量风门平均开度函数增减一次风母管压力设定值，避免容量风门的控制进入非线性区，提高控制调整的精度；

主汽压力偏差修正一次风母管压力设定值模块：主汽压力偏差反映当前负荷与燃料量需求的偏差，通过监控主汽压力偏差函数自动修正一次风母管压力设定值；

负荷自适应模块：用主汽压力偏差修正一次风母管压力偏差，使一次风压力自动的调节与当前工况保持一致，避免出现反向调节的现象；

当主汽压力偏差为正时，说明进入炉膛的燃料不能满足当前负荷的需要，闭锁一次风机减出力，同时根据当主汽压力偏差函数的大小，增加一次风机导叶开度；

当主汽压力偏差为负时，说明进入炉膛的燃料超出当前负荷的需求，闭锁一次风机加出力，同时根据当主汽压力偏差函数的大小，控制一次风机减出力。

所述锅炉主控前馈模块具体包括：

电负荷变化量前馈模块：根据电负荷变化量，直接改变容量风门开度，控制进入炉膛的燃料量；

电负荷变化趋势前馈模块：监控电负荷变化的趋势，根据变化趋势的方向和快慢，提前调整容量风门开度，消除电负荷变化燃烧过程滞后的影响；

机前压力偏差模块：机前压力偏差代表当前燃料量与电负荷需求的能量偏差，根据偏差的大小直接调节容量风门开度。

发电机组投入协调控制模式，锅炉主控在自动，容量风门开度根据汽轮机前主汽压力的偏差，通过PID控制器运算后进行调整，当主汽压力低于设定值时，说明进入炉膛的燃料量不足，开大容量风门增加进入炉膛的燃料量。反之，减小容量风门开度。为使进入炉膛的燃料量的变化快速匹配当前工况的变化，用主汽压力偏差自动修正PID控制器的控制参数，偏差越大，PID控制输出越快，使燃料量快速适应负荷变化；偏差越小，PID的控制输出越慢，避免过量调节，造成系统震荡；进入炉膛的燃料量与负荷需求越接近平衡时， PID控制越缓慢，通过微量调节，逐渐减小机前压力偏差，提高控制精度。

由于火电机组燃烧动态特性：自燃料进入炉膛，到满足负荷变化需要，存在较大惯性和迟延。单纯PID控制不能满足自动控制的需要，因此，引入前馈信号来补偿能量转换过程中的动态迟延，加快负荷的响应能力，具体包括：电负荷变化量、电负荷变化趋势、机前压力偏差变化量、 机前压力变化趋势、机前压力纠偏等前馈模块，通过这些前馈信号，提前控制容量风门开度，改变进入炉膛的燃料量，使燃料量的变化与当前工况匹配。

锅炉主控自动控制容量风门开度，容量风门开度控制进入炉膛的燃料量，同时容量风门开度影响一次风母管压力；一次风母管压力自动通过调节一次风机导叶开度，控制一次风母管压力，一次风母管压力变化，影响进入炉膛的燃料量。因此锅炉主控自动与一次风母管压力自动存在互相牵连的关系。

一次风机母管压力投入自动，一次风机导叶开度根据一次风母管压力的偏差，通过PID控制器运算后进行调整，当一次风母管压力低于设定值时，开大一次风机导叶，维持母管压力。反之，减小一次风机导叶开度。

由于一次风母管压力的变化，对进入炉膛的燃料量影响非常大，因此设置一次风母管压力SP自动修正模块，使一次风母管压力的设定值随时满足当前工况的需要，具体包括：负荷设定一次风母管压力模块、容量风门开度修正一次风母管压力设定值模块、主汽压力偏差修正一次风母管压力设定值模块。

一次风母管压力自动调节经常会出现于当前负荷需求相反的调节现象，比如，主汽压力偏差（SP-PV）为正时，说明当前燃料量低于负荷需要，应该增加进入炉膛的燃料，但是一次风母管压力高，在自动调节的作用下，减一次风机出力，导致燃料减少，主汽压力偏差（SP-PV）继续增大现象，出现锅炉主控与一次风机自动反向调节的现象。为解决该问题，设置负荷自适应修正模块。

锅炉主控指令作用在容量风门上，容量风门的开度变化会造成一次风母管压力变化，一次风母管压力自动调节存在一定滞后，为使一次风母管压力自动快速响应负荷变化的需要，增加一次风自动控制的前馈量：具体包括：电负荷变化量前馈模块、电负荷变化趋势前馈模块、机前压力偏差模块。

本发明双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，针对电负荷发生变化、燃烧系统工况发生变化情况下，及时对双进双出直吹式磨煤机容量风门和一次风机出力进行自动调节，既解决了风/煤比控制策略中容量风量对自动控制的扰动，又消除了一次风机出力变化对燃料量的扰动，实现了火电机组输入炉膛的能量与汽轮机需求能量的平衡控制。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为双进双出磨煤机和一次风机系统图；

图2为协调方式下锅炉主控逻辑图；

图3为一次风母管压力自动控制逻辑图。

具体实施方式

本发明提供双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，包括：锅炉主控自动根据主汽压力偏差、电负荷变化情况、主汽压力变化趋势对磨煤机容量风门进行调节；一次风母管压力自动根据一次风母管压力偏差、负荷需求情况对一次风机导叶进行调节等。为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。

图1所示为本发明双进双出磨煤机和一次风机系统图，包括：一次风机导叶1、一次风机2、一次风母管压力变送器3、磨煤机容量风门4、磨煤机5。通过一次风机导叶1开度，调节一次风机2出力，控制一次风母管压力3，一次风携带磨煤机5制出的煤粉，通过容量风门4进入炉膛。磨煤机容量风门开大，一次风母管压力高，进入炉膛的煤粉多；反之减少。

图2为本发明协调方式下锅炉主控逻辑图，包括：汽轮机前主汽压力PID控制器10、电负荷变化量前馈模块11、机前压力偏差模块12、机前压力变化趋势模块13、机前压力纠偏模块14、电负荷变化趋势前馈模块15。

结合图1和图2，锅炉主控具体的控制过程如下：

发电机组投入协调控制模式，锅炉主控在自动，容量风门开度根据汽轮机前主汽压力的偏差，通过PID控制器运算后进行调整，当主汽压力低于设定值时，说明进入炉膛的燃料量不足，开大容量风门增加进入炉膛的燃料量。反之，减小容量风门开度。为实现PID控制器的变参数调节，用主汽压力偏差（SP-PV）的函数，比如：F(X)=-0.15：-3，表示实际主汽压力比设定值高0.15MPa，自动设置PID控制器的比例调节参数为-3，快速关容量风门，减少进入炉膛的煤量，避免机组超压。当函数F(X)=-0.01：-0.5，示实际主汽压力与设定值偏差仅0.01MPa，自动设置PID控制器的比例调节参数为-0.5，缓慢调节容量风门，通过微量调节，逐渐减小机前压力偏差，提高控制精度。

由于火电机组燃烧动态特性：自燃料进入炉膛，到满足负荷变化需要，存在较大惯性和迟延。单纯PID控制不能满足自动控制的需要，因此，引入前馈信号来补偿能量转换过程中的动态迟延，加快负荷的响应能力，具体包括：

A.电负荷变化量前馈模块11：用电负荷指令信号的函数直接调节容量风门开度，比如：F(X)=10:1，代表电负荷增加10MW，容量风门开度增加1%。

B.机前压力偏差模块12：用主汽压力偏差（SP-PV）的函数直接调节容量风门开度，比如：F(X)=-0.4:20，代表实际主汽压力比设定值高出0.4MPa，容量风门开度减20%。

C.机前压力变化趋势模块13：用当前机前压力与前一个时间段的机前压力进行比较，得到机前压力变化趋势的方向和快慢，变化趋势的函数，作为提前调节容量风门开度的信号，抑制机前压力PV背离SP值的趋势。比如：F(X)=0.3：-2，代表一定时间内，主汽压力上升的速度是0.3，控制容量风门开度减2%。

D.机前压力纠偏模块14：当机前压力与设定值呈现一个较长时间的偏差时，根据这个偏差量的大小，每隔一个固定时间，增减一下进入炉膛的容量，使主汽压力逐渐趋近设定值。比如：主汽压力偏差（SP-PV）大于0.1MPa，持续时间超过1分钟，则每隔30秒，增加容量风门开度1%，持续时间为30秒，直到主汽压力偏差（SP-PV）在控制死区范围内。比如：±0.1MPa内，纠偏模块不起作用。

E.电负荷变化趋势前馈模块15：用当前电负荷指令与前一个时间段的电负荷指令进行比较，得到电负荷变化趋势的方向和大小，经过F(X)函数块处理后，作为提前调节容量风门开度的信号，消除电负荷变化燃烧过程滞后的影响。比如：F(X)=-10：-10，代表电负荷变化趋势为下降10MW，控制容量风门开度减10%。

图3为一次风母管压力自动控制逻辑图，包括：一次风母管压力SP自动修正模块20、负荷自适应修正模块21、一次风母管压力自动PID控制器22、锅炉主控前馈模块23。

具体的控制过程如下：

一次风母管压力在自动模式，一次风机导叶开度根据一次风母管压力的偏差，通过PID控制器运算后进行调整，当一次风母管压力低于设定值时，增大一次风导叶开度。反之，减小一次风导叶开度。

由于一次风母管压力的变化，对进入炉膛的燃料量影响非常大，为减少一次风母管压力自动对协调控制系统的扰动，设置一次风母管压力SP自动修正模块20，使一次风母管压力的设定值随时满足当前工况的需要，具体包括：

A.负荷设定一次风母管压力模块：电负荷的函数曲线自动设定当前负荷下一次风母管压力的定值。比如F(X)=280:10.5，代表电负荷为280MW时，一次风母管压力的设定值为10.5KPa。

B.容量风门开度修正一次风母管压力设定值模块：容量风门平均开度的函数曲线，修正一次风母管压力的设定值，比如：F(X)=25：-0.3，代表容量风门平均开度为25%，一次风母管压力设定值减-0.3KPa，通过降低携带煤粉的一次风压力，使容量风门在锅炉主控自动的作用下逐渐开大；F(X)=70：0.2，代表容量风门平均开度为70%，一次风母管压力设定值增加0.2KPa，通过提高携带煤粉的一次风压力，使容量风门在锅炉主控自动的作用下逐渐关小，通过该模块使容量风门开度控制在35%～60%的线性区域。

C.主汽压力偏差（SP-PV）修正一次风母管压力设定值模块：主汽压力偏差函数曲线自动修正一次风母管压力设定值，比如：F(X)函数=0.1:0.1，代表主汽压力比设定值低0.1MPa，需要增加燃料量，因此一次风母管压力设定值增加0.1KPa。

为使一次风母管压力自动的调节与当前工况需求一致，设置负荷自适应修正模块21：用主汽压力偏差的F(X)函数块，修正一次风母管压力的偏差，具体包括：

A.当主汽压力偏差（SP-PV）为正时，说明进入炉膛的容量不能满足当前负荷的需求，主汽压力偏差F(X)=0.05:0，代表主汽压力比设定值小0.05MPa时，如果一次风母管压力（SP-PV）偏差为负（即一次风母管压力大于设定值，需要减一次风机出力），该偏差乘以系数0，实现闭锁一次风机减出力的作用；当F(X)=0.1:1，代表主汽压力比设定值小0.1MPa时，需要增加燃料，一次风母管压力正偏差乘以系数1，增加一次风机出力。

B.当主汽压力偏差（SP-PV）为负时，说明进入炉膛的容量超出当前负荷的需求，主汽压力偏差F(X)=-0.01:0，代表主汽压力比设定值大0.01Pa时，如果一次风母管压力（SP-PV）为正（即一次风母管压力小于设定值，需要加一次风机出力），该偏差乘以系数0，实现闭锁一次风机增加出力的作用；当F(X)=-0.03:1，代表主汽压力比设定值大0.03MPa时，需要减燃料，一次风母管压力负偏差乘以系数1，减少一次风机出力。

电负荷和燃烧工况发生变化时，锅炉主控调节容量风门开度，容量风门开度变化会造成一次风母管压力变化，如果完全依靠一次风母管压力自动调节，则存在一定滞后，为使一次风母管压力自动快速响应负荷变化的需要，设置锅炉主控前馈模块23，具体包括：

A.锅炉主控中的电负荷变化量前馈模块：用电负荷函数曲线直接调节一次风机导叶开度。比如：F(X)=10:1，代表电负荷增加10MW时，一次风机导叶开度增加1%。

B.电负荷变化趋势前馈模块：电负荷变化速度的函数曲线直接调节一次风机导叶开度。比如：F(X)=10:1，代表电负荷变化速度为10时，一次风机导叶开度增加1%。

C.机前压力偏差模块：主汽压力偏差（SP-PV）的函数曲线直接调节一次风机导叶开度。比如：F(X)=0.1:1，代表主汽压力低于设定值0.1MPa，需要增加容量，一次风机导叶开度增加1%。

本发明普遍适用于全国火力发电同类型“双进双出直吹式制粉系统”机组的协调控制，实现控制系统整定方便、灵活，调节系统快速、稳定，满足了电网对运行机组AGC和一次调频控制性能考核指标的要求。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，其特征在于，该方法用于控制双进双出直吹式制粉系统，所述制粉系统根据汽轮机前主蒸汽压力与设定值的偏差、电负荷指令变化，分别对制粉机容量风门、一次风机导叶进行控制，实现进入炉膛的燃料量与负荷需求的能量平衡；具体包括协调方式下的锅炉主控系统和一次风母管压力控制系统，其中，所述锅炉主控系统包括锅炉主控PID控制部分和锅炉主控前馈部分，所述一次风母管压力控制系统包括一次风PID控制、一次风前馈控制、设定值自动修正、负荷自适应部分；

所述一次风母管压力控制系统根据一次风母管压力与设定值的偏差，通过一次风PID控制器运算后，输出一次风机导叶开度的控制指令；同时，引入一次风母管压力设定值自动修正模块，使一次风母管压力控制系统中的一次风母管压力设定值自动设定为当前负荷需要的设定值；引入负荷自适应模块，使一次风机出力根据当前负荷实际情况进行调整；引入锅炉主控前馈模块，使一次风机的自动控制判断锅炉主控自动的变化情况，实现与锅炉主控的协调控制。

2.根据权利要求1所述的双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，其特征在于，所述锅炉主控系统根据汽轮机前主蒸汽压力与设定值的偏差，通过锅炉主控PID控制器运算后，输出容量风门开度的控制指令；同时，引入电负荷变化量模块、电负荷变化趋势模块、机前压力偏差变化量模块、机前压力变化趋势模块作为前馈信号，提前控制容量风门开度变化。

3.根据权利要求1所述的双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，其特征在于，所述锅炉主控系统具体包括：

主汽压力PID控制器采用变参数调节，根据主汽压力偏差的大小，调节所述锅炉主控PID控制器参数；偏差越大，控制容量风门变化越快，快速改变进入炉膛的燃料量，起到快速响应负荷需求的作用；偏差越小，控制容量风门变化越缓慢，起到精确调节燃料量的作用。

4.根据权利要求2所述的双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，其特征在于，

引入前馈信号来补偿能量转换过程中的动态迟延，加快负荷的响应能力，具体包括：

电负荷变化量模块：根据电负荷变化量，直接改变容量风门开度，控制进入炉膛的燃料量；

电负荷变化趋势模块：监控电负荷变化的趋势，根据变化趋势的方向和快慢，提前调整容量风门开度，消除电负荷变化燃烧过程滞后的影响；

机前压力偏差变化量模块：机前压力偏差代表当前燃料量与电负荷需求的能量偏差，根据偏差的大小直接调节容量风门开度；

机前压力变化趋势模块：监控机前压力变化的趋势，根据变化趋势的方向和快慢，提前调整容量风门开度，改变进入炉膛的燃料量，抑制当前机前压力实际值背离设定值的趋势；

机前压力纠偏模块：根据机前压力偏差的大小，定时增减燃料量，使主汽压力逐渐趋近设定值。

5.根据权利要求1所述的双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，其特征在于，所述一次风母管压力控制系统的控制过程具体包括：

所述一次风母管压力PID控制部分：根据一次风母管压力偏差的大小，调节一次风机导叶开度，控制一次风母管压力在设定值范围；

所述一次风母管压力设定值自动修正模块包括：监控当前负荷需求、容量风门开度、主汽压力偏差，自动修正一次风母管压力设定值，使设定值自动匹配当前系统工况。

6.根据权利要求5所述的双进双出直吹式制粉系统协调控制方法，其特征在于，所述一次风母管压力设定值自动修正模块包括具体为：

负荷设定一次风母管压力模块：用电负荷的函数曲线自动设定当前负荷下的一次风母管压力定值；

容量风门开度修正一次风母管压力设定值模块：用容量风门平均开度函数增减一次风母管压力设定值，避免容量风门的控制进入非线性区，提高控制调整的精度；

主汽压力偏差修正一次风母管压力设定值模块：主汽压力偏差反映当前负荷与燃料量需求的偏差，通过监控主汽压力偏差函数自动修正一次风母管压力设定值；

负荷自适应模块：用主汽压力偏差修正一次风母管压力偏差，使一次风压力自动的调节与当前工况保持一致，避免出现反向调节的现象；

当主汽压力偏差为正时，说明进入炉膛的燃料不能满足当前负荷的需要，闭锁一次风机减出力，同时根据当主汽压力偏差函数的大小，增加一次风机导叶开度；

当主汽压力偏差为负时，说明进入炉膛的燃料超出当前负荷的需求，闭锁一次风机加出力，同时根据当主汽压力偏差函数的大小，控制一次风机减出力。