论文部分内容阅读
摘要：本文在分析本厂现有煤水协调控制策略的基础上，提出一种基于多变量能量解耦控制方法，该方法首先通过判断机组参数变化确定内扰来源，而后采用能量平衡原理和多变量对角矩阵方法实现机组煤水协调控制，减少耦合关系，解决了超临界机组煤水调节较强耦合性，实现对机组主要参数的精确控制，对机组优化协调控制有一定的借鉴意义。
关键词：多变量;煤水比;能量解耦;调节：经济性
Abstract：On the basis of coal-water coordinated control strategy analysis，we propose a multivariable decoupling control method，the method first determine the source of interference within the parameters set by the judge，and then using the energy balance principle and multivariate diagonal matrix method implementation coal-water unit coordinated control，reduce coupling relationship，solve supercritical coal-water conditioning unit strong coupling，accurate control of the main parameters of the unit，the unit coordinated control optimization have some reference.
Key words：Multi-variable;Coal water regulating quality;Decoupling;economy;
1.引言
随着经济增速放缓，产能结构调整，供给侧改革，火电厂有效发电利用小时数呈阶梯状下滑，机组频繁启停、深度调峰现象明显上升，对机组自动化水平的要求越来越高，同时，协调系统自动化水平的优劣直接关系着机组整体性能，甚至是安全稳定性，特别是在煤质较差、煤质不稳定和减温水大幅动作等外扰的情况下，由于燃料量和给水流量较强的耦合关系，将有可能造成煤水发散振荡波动，导致主汽温度过高、过低或变化速度过快，会使过热器管道和汽轮机高压缸等设备承受过高的热应力而变形损坏，严重影响机组安全稳定运行。
目前超临界机组现场所应用的控制方案主要有两种：第一种方案是常见的“水跟煤”控制方式：给水系统控制中间点温度，燃料量控制主蒸汽压力，给水系统跟随给煤量的变化而变化;第二种方案是 “煤跟水”控制方式：给水控制主蒸汽压力，燃料量控制中间点温度，燃料量跟随给水量的变化而变化。第一种方案特点是，燃料量发生扰动时，燃料和给水都将很快动作，从而由燃料量内扰引起的温度偏差将由给水流量变化来消除。这种方案适用于燃用劣质煤或进入炉膛的燃料量很难测量准确的控制系统中，特点是主汽温度控制较好但主汽压力波动较大。第二种方案的特点是：燃料量发生的扰动由燃料控制器自行消除，维持过热汽温的基本稳定，燃料内扰时，穩定给水流量有利于蒸汽流量和主汽压力的稳定，但是主汽温度波动较大。以上两种方案都存在优点和缺点，没有很好地对给水和燃料进行解耦控制。
结合该电厂超临界锅炉煤水控制协调特点，经过长期观察和对比交流，提出一种新的多变量能量解耦控制方法，实现超临界机组煤水协调在稳态和动态过程中的快速准确控制。
2 煤水协调控制系统
某厂2× 600MW燃煤汽轮发电机组，锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，每炉配6 台磨煤机。给水系统配置二台汽动泵（50%容量），一台电动泵（30%或者50%容量）。
煤水控制即采用水跟煤的控制方式，机组燃料量和给水量耦合关系较强，给水流量控制中间点温度，燃料量控制主蒸汽压力，给水流量跟随给煤量的变化而变化，如图1所示。燃料量指令为负荷指令对应燃料与主汽压力偏差经过PI运算之和，给水指令为燃料量指令与中间点温度偏差经过PI运算之和。在机组变负荷时锅炉主控主要通过负荷指令前馈提高机组响应速度，锅炉主控PI运算进行偏差校正，提高机组稳态性和准确性。给水指令主要是通过燃料量前馈来大致满足水煤比，保证中间点温度在可控范围内，中间点温度（或焓值）PI运算是对中间点温度偏差修正，对主蒸汽温度进行粗调，保证主蒸汽温度在合理的范围内，为主蒸汽温度快速准确控制做好基础。
尽管经典煤水协调控制提高了机组快速响应，但在控制精度和耦合关系上还没有达到很好的效果。其原因主要有以下三点：
第一，超临界机组燃料量和给水量耦合关系较强，是超临界机组控制的核心。由于燃料量要经过给煤机加载、磨煤机研制、一次风送入炉膛燃烧再传热到水冷壁后转化到中间点温度和主汽压力，需要较长的时间;而给水流量通过提高汽动给水泵转速直接改变中间点温度和主汽压力，速度相对较快，两者耦合关系较强。造成控制系统稳定性差，控制质量不好。
第二，煤质不稳定时，容易造成机组参数周期性频繁动作。由于煤质不稳定，造成炉膛燃烧、各部位吸热分配不稳定，机组参数大幅波动，给水流量指令主要由燃料量指令经过运算得出，这样就会让燃料量和给水量在频繁波动，控制品质较差。
第三，给水流量指令在动态和稳态时没有较好的分离，影响了控制系统在稳态的调节精度。机组在动态运行时，负荷指令首先动作，同时作用于汽机主控和锅炉主控，锅炉主控动作使给水流量指令改变，提高机组快速响应能力。在稳态运行时，由于主汽压力动作而使燃料主控指令在调节，给水流量指令主要由燃料量指令经过运算得出，由此给水指令的燃料前馈使得给水在频繁动作，造成稳态运行机组调节品质较差。 3 基于多变量能量解耦煤水协调控制系统
针对该电厂这种煤水协调控制系统的问题，为了提高煤水协调控制系统稳定性，加快控制系统响应速度，结合亚临界机组协调控制以及多种协调控制策略对比分析，推荐一种新思路的协调控制系统即基于多变量能量解耦实现超临界机组煤水协调控制系统。其核心思想是：通过判断机组参数变化确定内扰来源，是由燃料量或给水量哪个量引起的，由谁引起的扰动由谁来调节，减少两者耦合关系，从而削弱相互影响干扰。采用能量平衡原理和多变量对角矩阵解耦方法实现超临界机组煤水协调控制。
燃料控制和给水控制的双输入/双输出系统如图2所示。其中：
优化后能量解耦控制系统，结合实际流程，得到应用如下煤水协调控制系统图。
该回路包括锅炉主控和中间点温度（过热度）主控，两个回路相互增加能量解耦运算，这两个回路的前馈都是负荷指令经过逻辑计算得出。
首先，根据燃料量减少将引起主汽压力和中间点温度降低;给水流量减少将引起主汽压力降低和中间点温度升高。通过不同的动态特性，判断是由于燃料量引起的扰动还是给水流量引起的扰动。
该优化方案的特点及优点主要体现在以下几个方面：
第一，前馈可以加快动态响应，反馈可以稳定工作状态，为加快机组的动态响应，保证机组稳定运行，必须合理有机的采用上述二种策略共同控制达到过程的平衡和稳定。
合理地采用前馈控制技术，使锅炉输入能被控制得很接近于抵消扰动所需要的量，而不完全依赖于反馈控制的缓慢调节引起系统的不稳定或过度积分。动态前馈变化既要考虑到充分利用锅炉蓄热，又要尽可能快的补充能量到锅炉内，并且在此过程中不能对主汽压力、主汽温度等参数造成较大波动。采用负荷指令前馈在静态时保证恒定不变，对控制系统不起作用。将静态/动态并行前馈方法与反馈调节控制结合起来，对加速机组动态响应非常有利。
并行前馈控制对稳定锅炉侧参数、功率平衡关系起着举足轻重的作用，在并行前馈的基础上，再施以反馈调节的锅炉控制方案来保证锅炉运行的快速响应和稳定性。
第二，超临界直流锅炉燃料量和给水流量的耦合关系更复杂，对机组参数影响突出。在动态运行时，采用平行控制能达到很好的控制效果，但是在稳态运行时，给水与燃料控制回路会出现周期性调节。
根据燃料量和给水流量对机组参数的动态特性判断燃料量或给水流量扰动，经能量解耦回路计算，由谁引起的扰动将由谁调节。例如，煤质变差或者燃料量减少时，主汽压力和中间点温度都将降低，经过锅炉主控调节器增加燃料量，經过给水温度调节器减少给水流量，通过能量解耦回路，两个主控都将增加燃料量，锅炉主控使给水流量增加而给水温度调节器减少给水流量，最终使给水流量保证基本不变，这样燃料量产生的扰动由燃料调节，给水流量保证不变;同理，给水流量产生的扰动由给水调节，燃料量保证不变。通过解耦有利于系统稳定性和快速性。
4.结论
机组参数（发电机功率、主汽压力、主汽温度）稳定性的提高，减小参数内部扰动，有助于提高机组参数运行品质，降低发电煤耗，提高发电经济性，对机组的安全运行也具有重要作用。
本文在分析本厂实际煤水协调控制系统优缺点的基础上，结合亚临界机组协调控制思想，大胆结合，经过现场实际对比分析，提出一种新的基于多变量能量解耦煤水协调控制方法。该方法的核心思想是采用能量平衡原理和多变量对角矩阵解耦方法实现超临界机组煤水协调控制，都能有效解决煤水相互扰动对机组参数的影响，机组参数动态偏差及稳态偏差均比目前标准中的要求得到较大提高。本文提出的思路，供同行在机组协调整体优化时进行，但由于煤水协调控制是较为复杂的系统，需要大量的时间和精力去细调，合理的参数配置对实际效果影响加大，建议在合适时间，以及人员技术成熟的情况下进行观察分析后，有序进行优化。
参考文献
[1] 张丽香，林金栋。自动调节原理及系统。北京：中国电力出版社，2010
[2] 顾树生，王建辉。自动控制原理。北京：清华大学出版社，1991
[3] 赵爽，李西。大型火电机组协调控制系统闭环逻辑实用解析：中国电力出版社，2013
[4] 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，2005
作者简介：张丁月，男，1982年09月，河南省南阳市，本科，工程师，2005年参加工作，一直在火力发电厂从事热控方面工作。
（作者单位：神华国华孟津发电有限公司）
关键词：多变量;煤水比;能量解耦;调节：经济性
Abstract：On the basis of coal-water coordinated control strategy analysis，we propose a multivariable decoupling control method，the method first determine the source of interference within the parameters set by the judge，and then using the energy balance principle and multivariate diagonal matrix method implementation coal-water unit coordinated control，reduce coupling relationship，solve supercritical coal-water conditioning unit strong coupling，accurate control of the main parameters of the unit，the unit coordinated control optimization have some reference.
Key words：Multi-variable;Coal water regulating quality;Decoupling;economy;
1.引言
随着经济增速放缓，产能结构调整，供给侧改革，火电厂有效发电利用小时数呈阶梯状下滑，机组频繁启停、深度调峰现象明显上升，对机组自动化水平的要求越来越高，同时，协调系统自动化水平的优劣直接关系着机组整体性能，甚至是安全稳定性，特别是在煤质较差、煤质不稳定和减温水大幅动作等外扰的情况下，由于燃料量和给水流量较强的耦合关系，将有可能造成煤水发散振荡波动，导致主汽温度过高、过低或变化速度过快，会使过热器管道和汽轮机高压缸等设备承受过高的热应力而变形损坏，严重影响机组安全稳定运行。
目前超临界机组现场所应用的控制方案主要有两种：第一种方案是常见的“水跟煤”控制方式：给水系统控制中间点温度，燃料量控制主蒸汽压力，给水系统跟随给煤量的变化而变化;第二种方案是 “煤跟水”控制方式：给水控制主蒸汽压力，燃料量控制中间点温度，燃料量跟随给水量的变化而变化。第一种方案特点是，燃料量发生扰动时，燃料和给水都将很快动作，从而由燃料量内扰引起的温度偏差将由给水流量变化来消除。这种方案适用于燃用劣质煤或进入炉膛的燃料量很难测量准确的控制系统中，特点是主汽温度控制较好但主汽压力波动较大。第二种方案的特点是：燃料量发生的扰动由燃料控制器自行消除，维持过热汽温的基本稳定，燃料内扰时，穩定给水流量有利于蒸汽流量和主汽压力的稳定，但是主汽温度波动较大。以上两种方案都存在优点和缺点，没有很好地对给水和燃料进行解耦控制。
结合该电厂超临界锅炉煤水控制协调特点，经过长期观察和对比交流，提出一种新的多变量能量解耦控制方法，实现超临界机组煤水协调在稳态和动态过程中的快速准确控制。
2 煤水协调控制系统
某厂2× 600MW燃煤汽轮发电机组，锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，每炉配6 台磨煤机。给水系统配置二台汽动泵（50%容量），一台电动泵（30%或者50%容量）。
煤水控制即采用水跟煤的控制方式，机组燃料量和给水量耦合关系较强，给水流量控制中间点温度，燃料量控制主蒸汽压力，给水流量跟随给煤量的变化而变化，如图1所示。燃料量指令为负荷指令对应燃料与主汽压力偏差经过PI运算之和，给水指令为燃料量指令与中间点温度偏差经过PI运算之和。在机组变负荷时锅炉主控主要通过负荷指令前馈提高机组响应速度，锅炉主控PI运算进行偏差校正，提高机组稳态性和准确性。给水指令主要是通过燃料量前馈来大致满足水煤比，保证中间点温度在可控范围内，中间点温度（或焓值）PI运算是对中间点温度偏差修正，对主蒸汽温度进行粗调，保证主蒸汽温度在合理的范围内，为主蒸汽温度快速准确控制做好基础。
尽管经典煤水协调控制提高了机组快速响应，但在控制精度和耦合关系上还没有达到很好的效果。其原因主要有以下三点：
第一，超临界机组燃料量和给水量耦合关系较强，是超临界机组控制的核心。由于燃料量要经过给煤机加载、磨煤机研制、一次风送入炉膛燃烧再传热到水冷壁后转化到中间点温度和主汽压力，需要较长的时间;而给水流量通过提高汽动给水泵转速直接改变中间点温度和主汽压力，速度相对较快，两者耦合关系较强。造成控制系统稳定性差，控制质量不好。
第二，煤质不稳定时，容易造成机组参数周期性频繁动作。由于煤质不稳定，造成炉膛燃烧、各部位吸热分配不稳定，机组参数大幅波动，给水流量指令主要由燃料量指令经过运算得出，这样就会让燃料量和给水量在频繁波动，控制品质较差。
第三，给水流量指令在动态和稳态时没有较好的分离，影响了控制系统在稳态的调节精度。机组在动态运行时，负荷指令首先动作，同时作用于汽机主控和锅炉主控，锅炉主控动作使给水流量指令改变，提高机组快速响应能力。在稳态运行时，由于主汽压力动作而使燃料主控指令在调节，给水流量指令主要由燃料量指令经过运算得出，由此给水指令的燃料前馈使得给水在频繁动作，造成稳态运行机组调节品质较差。 3 基于多变量能量解耦煤水协调控制系统
针对该电厂这种煤水协调控制系统的问题，为了提高煤水协调控制系统稳定性，加快控制系统响应速度，结合亚临界机组协调控制以及多种协调控制策略对比分析，推荐一种新思路的协调控制系统即基于多变量能量解耦实现超临界机组煤水协调控制系统。其核心思想是：通过判断机组参数变化确定内扰来源，是由燃料量或给水量哪个量引起的，由谁引起的扰动由谁来调节，减少两者耦合关系，从而削弱相互影响干扰。采用能量平衡原理和多变量对角矩阵解耦方法实现超临界机组煤水协调控制。
燃料控制和给水控制的双输入/双输出系统如图2所示。其中：
优化后能量解耦控制系统，结合实际流程，得到应用如下煤水协调控制系统图。
该回路包括锅炉主控和中间点温度（过热度）主控，两个回路相互增加能量解耦运算，这两个回路的前馈都是负荷指令经过逻辑计算得出。
首先，根据燃料量减少将引起主汽压力和中间点温度降低;给水流量减少将引起主汽压力降低和中间点温度升高。通过不同的动态特性，判断是由于燃料量引起的扰动还是给水流量引起的扰动。
该优化方案的特点及优点主要体现在以下几个方面：
第一，前馈可以加快动态响应，反馈可以稳定工作状态，为加快机组的动态响应，保证机组稳定运行，必须合理有机的采用上述二种策略共同控制达到过程的平衡和稳定。
合理地采用前馈控制技术，使锅炉输入能被控制得很接近于抵消扰动所需要的量，而不完全依赖于反馈控制的缓慢调节引起系统的不稳定或过度积分。动态前馈变化既要考虑到充分利用锅炉蓄热，又要尽可能快的补充能量到锅炉内，并且在此过程中不能对主汽压力、主汽温度等参数造成较大波动。采用负荷指令前馈在静态时保证恒定不变，对控制系统不起作用。将静态/动态并行前馈方法与反馈调节控制结合起来，对加速机组动态响应非常有利。
并行前馈控制对稳定锅炉侧参数、功率平衡关系起着举足轻重的作用，在并行前馈的基础上，再施以反馈调节的锅炉控制方案来保证锅炉运行的快速响应和稳定性。
第二，超临界直流锅炉燃料量和给水流量的耦合关系更复杂，对机组参数影响突出。在动态运行时，采用平行控制能达到很好的控制效果，但是在稳态运行时，给水与燃料控制回路会出现周期性调节。
根据燃料量和给水流量对机组参数的动态特性判断燃料量或给水流量扰动，经能量解耦回路计算，由谁引起的扰动将由谁调节。例如，煤质变差或者燃料量减少时，主汽压力和中间点温度都将降低，经过锅炉主控调节器增加燃料量，經过给水温度调节器减少给水流量，通过能量解耦回路，两个主控都将增加燃料量，锅炉主控使给水流量增加而给水温度调节器减少给水流量，最终使给水流量保证基本不变，这样燃料量产生的扰动由燃料调节，给水流量保证不变;同理，给水流量产生的扰动由给水调节，燃料量保证不变。通过解耦有利于系统稳定性和快速性。
4.结论
机组参数（发电机功率、主汽压力、主汽温度）稳定性的提高，减小参数内部扰动，有助于提高机组参数运行品质，降低发电煤耗，提高发电经济性，对机组的安全运行也具有重要作用。
本文在分析本厂实际煤水协调控制系统优缺点的基础上，结合亚临界机组协调控制思想，大胆结合，经过现场实际对比分析，提出一种新的基于多变量能量解耦煤水协调控制方法。该方法的核心思想是采用能量平衡原理和多变量对角矩阵解耦方法实现超临界机组煤水协调控制，都能有效解决煤水相互扰动对机组参数的影响，机组参数动态偏差及稳态偏差均比目前标准中的要求得到较大提高。本文提出的思路，供同行在机组协调整体优化时进行，但由于煤水协调控制是较为复杂的系统，需要大量的时间和精力去细调，合理的参数配置对实际效果影响加大，建议在合适时间，以及人员技术成熟的情况下进行观察分析后，有序进行优化。
参考文献
[1] 张丽香，林金栋。自动调节原理及系统。北京：中国电力出版社，2010
[2] 顾树生，王建辉。自动控制原理。北京：清华大学出版社，1991
[3] 赵爽，李西。大型火电机组协调控制系统闭环逻辑实用解析：中国电力出版社，2013
[4] 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，2005
作者简介：张丁月，男，1982年09月，河南省南阳市，本科，工程师，2005年参加工作，一直在火力发电厂从事热控方面工作。
（作者单位：神华国华孟津发电有限公司）