章 鵬，朱青國，陳巍文，楊 誠，楊 毅，遲振廣，朱友紅

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；2.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131；3.浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000；4.南京科遠(yuǎn)自動化集團(tuán)股份有限公司，南京 210000）

0 引言

背壓式母管制供熱機(jī)組其運(yùn)行方式及控制模式與單元制發(fā)電機(jī)組不相同，運(yùn)行過程的自動控制水平較低，長期手動運(yùn)行方式不僅增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，也會對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生極其不利的隱患。

在背壓式母管制供熱機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行中，母管主汽壓力的控制不僅是機(jī)組的難點，也是機(jī)組控制的重點。母管壓力的波動不僅影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還會造成對外供熱參數(shù)的不穩(wěn)定，甚至可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。而且，母管制供熱機(jī)組主汽壓力較之于單元機(jī)組，其具有更大的延遲特性[1]。不僅如此，并列運(yùn)行的各鍋爐之間也具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，要想確保鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全性，常規(guī)的控制方法很難得到運(yùn)用，需要采用新的控制策略，來使得主汽母管壓力控制在允許的范圍內(nèi)[2-10]。

1 機(jī)組概況

某發(fā)電廠二期擴(kuò)建工程，為4臺57 MW級抽汽背壓式供熱燃煤機(jī)組。鍋爐采用杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的高壓、無再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型煤粉鍋爐。汽輪機(jī)采用杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的EHNG71/63型57 MW級高溫高壓抽汽背壓式汽輪機(jī)。其中，主蒸汽系統(tǒng)采用切換母管制，管道從過熱器出口集箱引出，至汽輪機(jī)前一分為二分別進(jìn)入2個主汽門。在鍋爐至主蒸汽母管和主蒸汽母管至汽輪機(jī)主汽門的主蒸汽管道上均設(shè)有電動隔離閥。主蒸汽管道如圖1所示。

圖1 主汽母管管道系統(tǒng)示意

2 特性研究

2.1 動態(tài)特性擾動試驗

根據(jù)該發(fā)電廠母管制機(jī)組的設(shè)計情況，為實現(xiàn)較好的控制效果，先對控制對象做了動態(tài)階躍擾動，并由此擬合出燃料變化時對主汽母管壓力的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

將3與4號機(jī)2臺運(yùn)行機(jī)組的鍋爐主控指令切為手動并以母管方式運(yùn)行。待整個母管壓力穩(wěn)定后，階躍增加4號機(jī)組的燃料指令5 t/h，在參數(shù)變化過程中，確保3號機(jī)組的燃料量、風(fēng)量、減溫減壓供熱調(diào)門等參數(shù)保持不變。以間隔5 s為采樣周期，通過曲線和數(shù)據(jù)的方式記錄燃料量和主汽母管壓力的變化曲線和數(shù)據(jù)。變化曲線及擬合曲線如圖2與3所示。

2.2 動態(tài)特性仿真研究

通過上述擾動試驗數(shù)據(jù)，建立兩爐運(yùn)行時主汽母管壓力G的動態(tài)三階數(shù)學(xué)模型：

圖2 燃料變化、擬合曲線

圖3 主汽母管壓力變化、擬合曲線

式中：T為時間；T1取值5.13 s；T2取值6.18 s；T3取值3.21 s。

并在MATLAB（矩陣實驗室，一款數(shù)學(xué)軟件）環(huán)境下模擬對主汽母管壓力進(jìn)行階躍擾動。在PID（比例-積分-微分）參數(shù)相同的情況下，仿真過程采用兩爐同時調(diào)節(jié)和單爐調(diào)節(jié)，仿真結(jié)果如圖4與5所示。

圖4 兩爐同時調(diào)節(jié)曲線

圖5 單爐調(diào)節(jié)曲線

通過上述對比不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩爐同時參與調(diào)節(jié)時，因主汽母管壓力的大遲延、強(qiáng)慣性特點，在兩爐同時參與調(diào)節(jié)時，擾動周期較長，平穩(wěn)較慢且容易產(chǎn)生震蕩發(fā)散；若將參數(shù)變小，雖可避免震蕩發(fā)散，但會造成長時間的調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)效果不但不能滿足外網(wǎng)熱用戶快速變化的熱量需求，而且一旦發(fā)生RB（快速減負(fù)荷）等極端工況，主汽母管壓力也無法保持穩(wěn)定。反觀單爐調(diào)節(jié)方式時，若參數(shù)整定合適，調(diào)節(jié)效果較為理想。同理，不難得出四爐同時參與調(diào)節(jié)情況類似于兩爐同時調(diào)節(jié)的情況，存在產(chǎn)生震蕩發(fā)散的現(xiàn)象。此外，若采用多爐同時調(diào)節(jié)的策略，將會遇到以下困難：首先是參數(shù)整定工作量非常大，要在不同臺數(shù)運(yùn)行的工況點通過試驗獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，整定不同的PID參數(shù)；其次是魯棒性差，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)變化（如改造后或運(yùn)行一段時間后）往往控制效果會不理想，需要再次花費(fèi)大量時間、精力進(jìn)行整定。

為此，不論在控制的時效性、穩(wěn)定性還是經(jīng)濟(jì)性方面，單爐調(diào)節(jié)方式具有較大的優(yōu)勢。故在控制系統(tǒng)中，將所有運(yùn)行的鍋爐系統(tǒng)看成一個整體，通過設(shè)定“調(diào)壓爐”與“跟隨爐”兩種“角色”及一個“主調(diào)節(jié)器”和若干個“輔調(diào)節(jié)器”來實現(xiàn)。采用“調(diào)壓爐”的“輔調(diào)節(jié)器”來調(diào)整“調(diào)壓爐”的鍋爐出力，以達(dá)到快速消除自身及其他各爐燃燒率的自發(fā)性擾動。此外，通過改變“調(diào)壓爐”與“跟隨爐”“輔調(diào)節(jié)器”的作用參數(shù)與作用死區(qū)，避免發(fā)生各爐之間“搶出力”的現(xiàn)象?！罢{(diào)壓爐”允許臺數(shù)如表1所示。

表1 “調(diào)壓爐”允許數(shù)量

3 控制策略

3.1 能量平衡

對于火力發(fā)電機(jī)組而言，汽輪機(jī)只是作為媒介，自身并無能量產(chǎn)生。當(dāng)外界所需能量與各臺鍋爐所提供的能量總和相一致時，就能達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定。

假設(shè)進(jìn)入所有汽輪機(jī)的蒸汽流量總和為Dt，母管蒸汽壓力及相應(yīng)的定值分別為Pm和Po，設(shè)期望進(jìn)入汽輪機(jī)的能量總和為Et，則能量平衡公式可表示為：

式中：Et是期望進(jìn)入汽輪機(jī)的能量，也是汽機(jī)向鍋爐所需求的能量。

3.2 DEB控制方式

正如前文所述，與單元制機(jī)組相比，母管壓力被控對象的滯后較大。對于滯后較大的被控對象，簡單的單回路控制系統(tǒng)難以取得滿意的控制品質(zhì)。若是運(yùn)用前饋式間接能量平衡的方法，其前饋量的整定不僅受“調(diào)壓爐”自身不同負(fù)荷段燃燒效率的影響，也將受到其他“跟隨爐”及鍋爐運(yùn)行數(shù)量、搭配的牽制，因此借鑒DEB（直接能量平衡）的控制方式來控制主汽母管壓力。

常規(guī)直接能量平衡典型公式見式（3），來表征汽機(jī)與鍋爐的平衡[3]。

式中：p1為汽機(jī)調(diào)節(jié)級壓力；pT為機(jī)前壓力；pTSP為機(jī)前壓力設(shè)定值；pd為汽包壓力；K為熱量釋放信號系數(shù)；t為時間。

但是DEB控制方式主要針對的是單元機(jī)組的機(jī)爐平衡，直接使用到母管制系統(tǒng)中，無法得到相應(yīng)的能量關(guān)系。考慮到鍋爐產(chǎn)生的熱量有方面，一部分是產(chǎn)生了蒸汽流量；另一部分能量貯存在鍋爐本身的工質(zhì)中。故采用蒸汽流量代替調(diào)節(jié)級壓力來表征鍋爐的能量。此外，若從爐側(cè)進(jìn)入母管的蒸汽流量等于從母管進(jìn)入機(jī)側(cè)的蒸汽流量時，母管壓力一定穩(wěn)定。因此，借鑒DEB控制方式，采用主蒸汽流量Dt來表征機(jī)爐之間的能量平衡關(guān)系[4]：

為提高控制系統(tǒng)的性能，該工程在式（4）的基礎(chǔ)上增加了下列動態(tài)補(bǔ)償：

（1）各臺運(yùn)行鍋爐的汽包壓力微分。

（2）主汽壓力設(shè)定值與各臺運(yùn)行爐的汽包壓力之差的微分。

（3）主汽壓力設(shè)定值與主汽壓力實際值之差的微分。

假設(shè)第x臺鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽流量為Dx，汽包壓力為pdx，鍋爐的蓄熱系數(shù)為K，則第x臺鍋爐所能提供的熱量信號Qx為：

式中：鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一部分進(jìn)入汽輪機(jī)，表現(xiàn)為蒸汽流量Dx；一部分留在鍋爐本體中，表現(xiàn)為汽包壓力變化pdx。因此，可通過汽包壓力的微分變化來表示鍋爐能量的變化最為直觀。同理可一并得出主汽壓力設(shè)定值與各臺運(yùn)行爐的汽包壓力之差的理論公式：

以及主汽壓力設(shè)定值與主汽壓力實際值之差的理論公式：故，表征機(jī)組鍋爐出力及變化的關(guān)系可為：

因此，只要以能量偏差Et和Qx作為PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差，在系統(tǒng)穩(wěn)定時，即可確保能量平衡[5]?；谏鲜龇治?，母管壓力的基本控制策略如圖6所示。

3.3 控制分工

（1）“調(diào)壓爐”。負(fù)責(zé)承擔(dān)主汽母管壓力的調(diào)節(jié)，通過快速增減燃料量來迅速改變蒸汽流量，確保主汽母管壓力的響應(yīng)。

（2）“跟隨爐”。通過擴(kuò)大PID設(shè)定值的死區(qū)，放弱PID比例、積分的作用，來維持穩(wěn)定自身蒸汽流量，跟隨“調(diào)壓爐”的變化趨勢，輔助穩(wěn)定主汽母管壓力。

（3）“主調(diào)節(jié)器”。以主汽母管壓力設(shè)定值和實際主汽壓力作為設(shè)定值和被調(diào)量，輸出為鍋爐側(cè)出口總主汽流量。并運(yùn)用相關(guān)前饋量和鍋爐運(yùn)行臺數(shù)折線作為比例、積分的變參調(diào)節(jié)。

（4）“輔調(diào)節(jié)器”。 作為“調(diào)壓爐”和“跟隨爐”的Boiler Master指令，通過“主調(diào)節(jié)器”的輸出總流量指令，根據(jù)“調(diào)壓爐”與“跟隨爐”的作用系數(shù)，并與各個鍋爐出口實際主汽流量的比較，通過相關(guān)前饋量和主汽流量折線作為比例、積分的變參調(diào)節(jié)。

3.4 控制效果

根據(jù)該發(fā)電廠的現(xiàn)有機(jī)組運(yùn)行情況（3與4號機(jī)組已通過96 h滿負(fù)荷試運(yùn)行），該控制策略已在3與4機(jī)組并列運(yùn)行，控制效果如圖7所示，可見調(diào)節(jié)精度準(zhǔn)確、速度迅速、效果良好、機(jī)組動作合理。

由于鍋爐運(yùn)行臺數(shù)的折線作為相關(guān)PID比例、積分的變參調(diào)節(jié)，故在5與6號機(jī)調(diào)試結(jié)束后，相關(guān)參數(shù)及前饋量將基于運(yùn)行鍋爐臺數(shù)的變化做進(jìn)一步的調(diào)整優(yōu)化。與此同時，本工程也考慮了母管方式運(yùn)行中可能遇到的類似于鍋爐RB、汽機(jī)跳閘等極端情況，通過采用區(qū)分母管制、單元制的不同方式的邏輯，來保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。上述控制策略將在后續(xù)得以運(yùn)用實踐。

圖6 控制策略示意

圖7 母管壓力控制與“跟隨爐”蒸汽流量控制趨勢

4 結(jié)語

通過對上述被控對象的定值擾動試驗可以發(fā)現(xiàn)，該方案提出的區(qū)分鍋爐調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)強(qiáng)度，以及借鑒DEB的控制方式利用主蒸汽流量來表征機(jī)爐能量平衡的方法能夠較好地控制主蒸汽母管壓力，對同類型母管制機(jī)組具有較好的借鑒價值和推廣意義。