630MW超临界机组协调控制系统策略优化

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  摘要: 介绍了协调控制系统的优化改造,其目的是提高协调控制品质、方便调整维护。在改造过程中,取消外挂式PLC控制器,对原DCS系统中的协调控制策略进行了较大的修改。优化了锅炉主控、汽机主控、汽温控制及各协调子系统,增加了锅炉加速指令回路,提高了机组变负荷能力。通过变负荷试验、扰动试验、AGC及一次调频试验等,验证了优化后系统的协调控制品质更好,其各控制参数更稳定,取得了很好的控制效果。
  关键词: 协调; 控制策略; 优化
  中图分类号: TM76                               文献标识码: A
  Strategy optimization of coordinated control system for 630 MW supercritical unit
  SUN Zhen-bo, ZHANG Tian-yu
  (Shenhua Guohua Taicang Power Generation Co., Ltd., Taicang 215433, China)
  Abstract: This paper introduces the optimization of coordinated control system, which aims to improve the quality of coordinated control and facilitate the adjustment and maintenance. In the process of transformation, the external PLC controller is cancelled, and the coordination control strategy in the original DCS system is greatly modified. The main control system of the boiler, the main control system of the steam turbine, the steam temperature control system and each coordination subsystem are optimized, the acceleration command circuit of the boiler is added, and the variable load capacity of the unit is improved. Through load changing test, disturbance test, AGC and primary frequency modulation test, it is verified that the quality of coordinated control of the optimized system is better, its control parameters are more stable, and the control effect is very good.
  Key words: coordination; control strategy; optimization
  1  引言
   太倉电厂外挂式PLC协调控制系统投运初期,AGC控制速率、主参数控制较为精确,但机组运行较长一段时间后,暴露出中间点温度波动大、变煤种适应能力差、负荷响应不及时等问题,且PLC内部程序无法读取、修改,不便于控制策略优化调整。因此,对原DCS系统中的协调控制策略进行全面的优化,取消外挂PLC控制器。超临界直流炉的控制具有变参数、多变量、非线性、大延迟、大惯性等控制特点,如何精确控制各主要参数、解决机组的负荷适应性与运行稳定性这一矛盾,成为超临界直流炉协调控制的难点。本文参照太仓电厂8号机组协调控制系统优化改造过程,详细介绍630MW超临界直流锅炉协调控制策略。
  2  概况
  2.1 机组概况
   太仓电厂7、8号机组采用上海电气集团三大主机产品,锅炉型号:SG-1913/25.4-M951,主参数:25.4MPa/571℃/569℃;汽轮机型号:N600-24.2/566/566,主参数:24.2MPa/566℃/566℃。过热汽温采用左右侧两级喷水减温方式,再热汽温采用燃烧器摆角+喷水减温方式。
  2.2 协调控制系统现状
   太仓电厂7、8号机组协调控制系统采用外挂式PLC协调控制系统,PLC控制器与DCS系统之间采用MODBUS方式通讯,读取机组各主要协调参数,计算出煤量、水量、汽轮机指令、减温水调门开度等,送至DCS系统进行控制。当外挂式PLC协调控制系统失效时,可以切至DCS内的原设计协调控制系统,两套控制系统之间可以实现无扰切换。
  3  原协调控制策略及存在的问题
  3.1 原协调控制策略简介
   以DCS厂商提供的组态逻辑为基础,采用了负荷指令前馈+PID反馈的调节方案,其核心思路在于:尽可能的将整个控制系统整定成开环调节的方式,反馈调节仅起小幅度的调节作用。负荷指令经过三阶惯性环节后通过f(x)产生机前压力设定值,以负荷指令、压力偏差的微分信号及一次调频信号作为前馈,加上压力PID控制器的输出作为锅炉主控BD的指令,同时送至各燃烧子系统。煤水比控制采用煤水比函数为基础,经过中间点温度修正产生给水指令。协调方式下汽机主控将负荷作为被调量,并设计了压力拉回回路,主要是用机前压力偏差信号修正负荷指令信号,以维持机前压力的稳定。   3.2 目前存在的问题
  3.2.1 外挂式PLC协调控制系统在运行一段时间后,压力控制偏差大、变煤种适应能力差、中间点温度波动大等问题,但该PLC是封闭的“黑匣子”检修人员无法读取其中的逻辑,也无法对其进行修改优化。
  3.2.2 原DCS内的协调控制系统要求前馈控制回路的参数必须整定得非常精确,对于煤种稳定、机组设备稳定、机组运行方式成熟的国外机组,这种方案是比较有效的。但是对于煤种多变、机组控制及测量设备不精确、运行参数经常与设计参数存在较大偏差的国内机组,则控制效果会明显变差。
  4  协调控制系统优化
  4.1 总体优化思路
   采用以炉跟机为基础的协调控制策略(BFCCS)。当电网要求机组增加出力时,产生功率指令信号送入汽轮机主控系统,增大汽轮机调汽门开度,使汽轮机出力增加;同时功率指令信号引入锅炉主控系统,加大风、煤、水,以提高锅炉的出力。由于锅炉响应比汽轮机慢得多,产生的主汽压力偏差经调节器校正后送到锅炉主控系统,调节锅炉的风、煤、水子系统,维持机炉之间的能量平衡。另外,增加负荷变化前馈运算回路(锅炉加速指令BIR),按照当前的机组负荷指令,计算出送给各个调节子系统的负荷变化动态前馈值,加快子系统的负荷调节能力。
  4.2 锅炉主控优化
   原系统锅炉主控指令BD由主汽压力调节器输出产生,在“锅炉基本”方式时,切换至机组负荷指令UD。优化为由三部分组成,分别是机组负荷指令UD、主汽压力调节器输出、锅炉主控前馈,如图1所示,其中以机组负荷指令UD-煤量函数f(x)为主体,避免了“锅炉基本”方式切换时的扰动。
   锅炉主控采用以燃料为基本量的控制方案,锅炉主控指令BD构成燃料主控指令的主体,燃料主控手动时,锅炉主控指令BD跟踪燃料量。
  图1  锅炉主控指令图
  4.2.1锅炉主控指令BD的主体
   锅炉主控指令BD以机组负荷指令UD的函数f(x)为主体,采用前馈-反馈控制结构。其中f(x)反映了机组负荷与燃料量的静态对应关系,该燃料量是经热值校正的锅炉总燃料量。机组负荷与燃料量之间的动态偏差由主汽压力控制器进行校正。
  4.2.2 主汽压力控制器
   主汽压力控制器构成锅炉主控前馈-反馈控制结构中的反馈部分。主汽压力控制器采用变参数控制方式,比例增益及积分时间均由负荷指令的函数产生,其中积分时间在负荷动态及稳态时采用不同的结构,来动态调整控制参数,实现优化控制。系统中对主汽压力控制器进行了限制,初步设为-20%~20%,防止主汽压力过调,造成燃料及给水的大幅波动。
  4.2.3 锅炉主控指令前馈
   锅炉主控指令前馈由主汽压力设定值微分、主汽压力偏差微分、调频负荷指令三部分构成。使锅炉各子系统及时响应主汽压力变化及一次调频变化的要求。另外负荷指令动态前馈由锅炉加速指令BIR回路实现。
  4.3 锅炉加速指令回路BIR
   当机组负荷指令发生变化时,为了使锅炉各控制子系统能够及时改变控制量,快速跟踪负荷变化,在系统中增加了锅炉加速指令回路。将负荷变化以锅炉加速指令的形式引入锅炉各控制子系统,实现锅炉侧负荷的快速调节。锅炉加速指令BIR主要以负荷指令一阶实际微分及二阶实际微分为主,经负荷目标值与机组实际指令的偏差函数f(x)及增、减负荷时不同的功率指令函数f(x)校正后形成,如图2所示。
   系统计算出的锅炉加速指令BIR,分别送至给水子系统、燃料子系统、Ⅰ级减温水子系统、Ⅱ级减温水子系统、再热减温水子系统、送风子系统、引风子系统,构成各子系统加速指令的主体部分。
  图2  锅炉加速指令BIR回路
  4.4 汽机负荷指令
   机组负荷指令UD经惯性环节送汽机主控系统,产生汽轮机调节指令TD,送给DEH来控制调节汽门的开度,改变发电机组的实发功率,以适应负荷变化的要求。
   增加汽压保护回路,将主蒸汽压力偏差经f(x)变换后,叠加在汽机主控指令上,目的是为了消除或减小主汽压力与汽机功率的相互耦合,采用静态解耦的方式对其进行控制,扰动应由扰动侧的控制回路自行快速消除,而非扰动侧的控制回路应少动或不动,有利于动态过程的稳定。
  4.5 燃料控制系统优化
   燃料控制子系统的任务是及时调整锅炉燃料量,使锅炉的能量輸出与汽机负荷需求相适应,满足锅炉主控的调节需求。
  4.5.1 燃料量指令
   燃料量指令的主体结构来源于锅炉主控指令BD,叠加锅炉加速指令送至燃料子系统的BIRFF,以满足负荷变化及主汽压偏差时的燃烧量的调整需求。
  4.5.2 煤质校正系数BTU的计算
   在燃料量控制系统及水燃比控制系统中,需实时检测入炉的总燃料量,但真正影响锅炉输入能量的是入炉的热值。为使煤量信号能够反映煤质的变化,在控制系统中增加了热值校正回路,来对入炉的煤量进行修正,如图3所示。
  
  图3  BTU校正回路
   煤质校正回路采用积分调节器的无差调节特性来对煤质校正系数进行调节,将入炉的煤量直接校正成设计煤种或常用煤种的燃煤量。其中F(x)反映了机组实发功率与设计煤种或常用煤种燃料量的静态对应关系。PID的输出即为煤质校正系数,与当前总煤量相乘后得到校正后的总燃料量。
   系统中对煤质校正系数进行了限制,一般为0.8~1.2,当煤质偏差超出该范围后,不再对煤质进一步校正。
  4.5.3 煤量控制
   锅炉主控指令BD,与燃料加速指令BIRFF之和,作为燃料量指令。将总给煤量与校正系数BTU相乘,作为煤量反馈值,送入煤量PID控制器,经多输出平衡模块处理后得到给煤机调节指令,送各台给煤机控制器。    在煤量控制器中增加燃料量指令前馈回路,加快燃料主控的响应速度。
  4.6 给水控制系统优化
   锅炉给水控制系统的主要任务是控制汽水分离器出口温度,保证给水量与燃料量的比例关系,满足机组不同负荷下给水量的要求。
  4.6.1 给水流量指令
   锅炉给水流量指令基本量由两部分组成,一部分来源于锅炉主控指令BD的函数f(x),经惯性环节后构成给水流量主指令,该函数反映机组静态水燃比。另一部分为锅炉加速指令送至给水子系统的BIRFW,两部分之和经动态水燃比校正后产生锅炉给水流量指令。
  4.6.2 动态水燃比校正WFR
   本系统采用中间点温度校正动态水燃比,中间点温度是反映燃料和水关系变化最灵敏的地方,处于微过热状态。当锅炉水燃比发生变化时,中间点温度就会偏离设定点。产生的温度偏差经PID调节后,输出水燃比校正系数WFR,与给水流量指令基本量相乘后得到锅炉给水流量指令。
   系统中对水燃比校正系数进行了限制,一般为0.8~1.2,防止水燃比校正过调,造成中间点温度及主汽温度的大幅波动。
   由于蒸汽在饱和温度及拟临界温度附近处于大比热区,微过热状态下,工质温度与的吸热量变化呈非线性关系,因此中间点温度调节回路中增加了非线性环节。
   增加水燃比校正变参数控制,比例增益及积分时间均由负荷指令的函数产生,其中积分时间在负荷动态及稳态时采用不同的结构,来动态调整控制参数,实现优化控制。
  4.6.3 中间点温度设定值
  原中间点温度设定值由汽水分离器出口蒸汽压力的函数产生,现改为由汽水分离器出口蒸汽压力的函数及机组负荷指令的函数综合产生,其中分离器出口蒸汽压力的函数产生饱和温度或拟临界温度,机组负荷指令的函数产生过热度,两者之和产生中间点温度设定值基本量,经变负荷指令修正及运行人员偏置后,形成中间点温度设定值。增加了中间点温度设定值下限,确保中间点温度的微过热度。
  4.7 送引风调节系统
   在送风风量调节指令中增加送风加速指令BIRAF,加快锅炉送风量的调节。引风加速指令BIRID作为引风调节系统前馈,有利于变负荷过程中炉膛负压的稳定。
  4.8 汽温控制系统
   过热汽温及再热汽温喷水控制系统采用串级调节方案。锅炉加速指令BIR和减温器前温度作为副调节器的前馈,改善变负荷状态下汽温的调节品质。增加汽温调节系统的抗积分饱和回路,防止减温水调门处于全开或全关状态时调节器过积分。
  5  改造效果分析
   协调控制系统优化改造后,进行变负荷试验、扰动试验、AGC及一次调频试验,机组负荷响应速度及AGC指标满足标准,且在变负荷过程中机组主参数运行平稳,满足相关标准要求。
  表1  协調优化后主要指标
  
  6  结束语
   通过对原协调控制系统的全面优化,摆脱了对外挂式协调控制系统的依赖性,同时增强了机组的变负荷能力、加快了负荷响应速度、提升了机组主参数在变负荷过程中的稳定性,有效解决了机组的负荷适应性和运行稳定性这一矛盾。
  参考文献:
  [1]朱北恒. 火电厂热工自动化系统试验[M]. 北京: 中国电力出版社,2006.
  [2]火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程[S]. 中国电力出版社, 2006.
  作者简介:
  孙振波(1986-),男,工程师,研究方向为大型火电机组热工控制设备调试及维护工作。
  张天羽(1991-),男,助理工程师,研究方向为大型火电机组热工控制设备调试及维护工作。
  收稿日期:2019-10-12
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