直流锅炉单元机组协调控制系统的研究与设计

秦志明，　张栾英，　谷俊杰

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003)



直流锅炉单元机组协调控制系统的研究与设计

秦志明，张栾英，谷俊杰

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003)

摘要：以1 000 MW超超临界直流锅炉单元机组为研究对象，通过机理分析建立其协调控制系统的非线性模型，利用小偏差方法对模型进行线性化，设计相应的多变量解耦补偿器，实现了输入、输出变量的全解耦，建立了三输入三输出的协调控制系统，并通过煤质和给水比焓扰动以及升降负荷的仿真实验对协调控制系统进行了验证.结果表明：所提出的协调控制系统具有良好的控制性能.

关键词：直流锅炉； 协调控制； 建模； 线性化； 解耦

为了节约能源和减轻环境污染，必须优化发展煤电技术，因此单机容量大、发电效率高以及负荷适应能力强的超(超)临界直流锅炉单元机组成为我国火力发电主力机组[1].随着电力工业可持续发展战略的实施，电网综合自动化对单元机组协调控制系统的性能提出了更高的要求.

直流锅炉单元机组的协调控制系统对象结构模型通常可简化为一个三输入三输出系统[2]，该系统的输入量为给水质量流量、燃料量和汽轮机调门开度，输出量为中间点温度(比焓)、主汽压力和汽轮机输出功率，在输入与输出变量间存在交叉的关联和强耦合现象.

直流锅炉单元机组协调控制系统中最主要的是给水质量流量调节和燃料量调节[3]，通过调节系统的正确协调动作与配合，使锅炉负荷达到要求，也使主蒸汽温度保持稳定.由于燃料量和给水质量流量的变化都对输出功率产生明显影响，目前普遍采用调整燃水比系数来控制中间点温度(比焓)，将三输入三输出的直流锅炉单元机组模型简化为双输入双输出的模型，因此在实际工程应用中存在2种不同的方案[4]：(1)以煤为基础的水跟煤控制，通过燃料量调节负荷或主蒸汽压力，通过给水质量流量调节中间点温度(比焓)；(2)以水为基础的煤跟水控制，通过给水质量流量调节负荷或主蒸汽压力，通过燃料量调节微过热段喷水减温器前后温差，保证燃水比，实现过热蒸汽温度粗调.然而这2种方案各有利弊，由于给水质量流量比燃料量调节快得多，水跟煤的控制方案有利于主蒸汽温度的控制，但是主蒸汽压力的波动会很大，而煤跟水的控制方案有利于主蒸汽压力的控制，不利于主蒸汽温度的保持.此外，由于煤质频繁变化时，燃水比系数很难保证，在机组运行过程中往往出现参数波动幅度大、机组负荷适应性差等问题.

基于以上情况，笔者通过合理简化，首先建立直流锅炉单元机组的非线性机理模型，利用小偏差方法对模型进行线性化，设计相应的多变量解耦补偿器，实现了汽轮机侧与锅炉侧、给水侧与燃料侧的完全解耦，提出了基于动态解耦的直流锅炉单元机组协调控制系统的控制方案.

1直流锅炉单元机组简化模型

汽水分离器是直流锅炉工质蒸发与过热的分界点，其出口(中间点)工质温度(比焓)反映了燃料和给水匹配的合理性，是表征直流锅炉运行的重要状态参数之一.作为燃水比的反馈信号，负荷变化时中间点比焓在灵敏度和线性度方面具有明显的优势[5].此外，由于焓的物理概念明确，用焓增来分析各受热面的吸热分布更为科学.

以汽水分离器出口为界，将直流锅炉分为大比热容受热段和过热段分别进行考虑.整个直流锅炉单元机组分为制粉系统、锅炉受热系统、锅炉过热系统和汽轮机4部分，整个机组的能量转换与传热过程划分为炉内燃烧与传热、管道传递和汽轮机做功3段过程处理.简化后的直流锅炉单元机组构造见图1，其中uB为燃料量指令(%)，qm,ec为给水质量流量(kg/s)，hm为中间点比焓(kJ/kg)，pt为主蒸汽压力(MPa)，μt为汽轮机调门开度(%)，NE为汽轮机输出功率(MW).

制粉系统的动态特性可描述为

图1　直流锅炉单元机组能量转换过程示意图

(1)

由于炉内燃烧过程和水冷壁换热动态时间远比制粉动态时间要短，故将其归入制粉动态中考虑.进入锅炉的燃料量rB与锅炉的有效吸热量Q存在确定的比例关系[6]：

Q=k1rB

(2)

直流锅炉蒸发受热面动态特性[7]如下：

(3)

过热器动态特性如下：

(4)

进入到汽轮机的蒸汽质量流量与主蒸汽压力和汽轮机调门开度有关[8]：

(5)

在不考虑再热器的情况下，汽轮机的进汽量与输出功率NE之间可以用以下线性关系来表示：

(6)

式(1)～式(6)中：kf为制粉环节惯性时间，s；τ为制粉过程纯延迟时间，s；k1、k2和k3分别为燃料环节、管道传递环节和汽轮机做功环节的增益系数，可通过机组稳定工况下的测量数据计算得出[9]；qm,att、qm,t为减温水质量流量和主蒸汽质量流量，kg/s；hec和ht为省煤器入口给水比焓和主蒸汽比焓，kJ/kg；Qr、Qst为锅炉蒸发受热面和过热系统的吸热量，kJ/s；C1、C2为锅炉蒸发受热面和过热系统的蓄热系数.

直流锅炉蓄热系数随着压力的升高而减小，其中金属的蓄热能远大于工质的蓄热能，锅炉蓄热能的变化趋势和金属蓄热能的变化趋势一致[9].在某一范围内为了方便分析锅炉系统的动态特性，可以认为蒸发受热面的蓄热系数C1是中间点比焓hm的函数，过热系统蓄热系数C2是主蒸汽压力pt的函数.经拟合后的公式为

(7)

(8)

令n=(ht-hm)/(hm-hec)，即工质在锅炉过热系统中的焓增与蒸发受热面焓增的比值，表示锅炉受热过程中热能的分配比.n与中间点比焓有很大的相关性，即n=-0.001 115hm+3.633，n呈单调递减变化，取值范围为0.45~0.66[10].在机组运行过程中，qm,ec+qm,att=qm,t，其中减温水质量流量占锅炉给水质量流量的比例很小，稳态工况下可以认为qm,ec≈qm,t，因此减温水对锅炉蒸发受热面和过热器之间吸热量分配的影响很小，可以忽略不计.那么蒸发受热面吸热量为

(9)

综上所述，对机组各个部分进行汇总，可推导出直流锅炉单元机组三输入三输出的动态简化模型(见式(10))，其输入量为燃料量指令uB、给水质量流量qm,ec和汽轮机调门开度μt，输出量为中间点比焓hm、主蒸汽压力pt和汽轮机输出功率NE.

(10)

对于制粉系统而言，从协调控制器的设计需要出发，不再考虑其纯迟延环节.通过上述模型可以采用小偏差方法得到其在不同工作点的线性化模型，对式(10)中各项两端取增量后得到

(11)

(12)

Δpt(n+1)k2k3μthx

(13)

联立式(11)~式(13)，可以得到以下传递函数矩阵：

(14)

其中，G0(s)为直流锅炉单元机组协调控制系统的核心部分；B(s)为燃料量动态环节.

(15)

G0(s)=

(16)

2直流锅炉单元机组协调控制设计

火电机组大范围变负荷时机炉控制对象表现出较强的非线性特性，机炉控制回路间相互耦合.目前，机组协调控制的基本设计思想都是以机跟炉控制或炉跟机控制为基础的单向或双向补偿解耦控制.工程上的解耦设计大多根据经验获得，但从理论上分析也有规律可循[11].

根据解耦补偿器可得到机组协调控制系统结构，如图2所示，可以实现汽轮机侧与锅炉侧、锅炉内给水侧与燃料侧的完全解耦.

(17)

(18)

图2　协调控制系统框图

(1)汽轮机侧与锅炉侧的双向补偿.

汽轮机侧的扰动对中间点比焓的影响甚微，可以忽略不计.将主蒸汽压力偏差信号Δpt引入至汽轮机侧，可以用来补偿给水侧和燃料侧扰动可能引起的汽轮机调节器动作，由于主蒸汽压力和汽轮机输出功率对燃料和给水扰动响应曲线形状相似，Δpt的变化与汽轮机输出功率偏差信号ΔNE的变化相互抵消，保证汽轮机调门开度在锅炉侧扰动时保持不变.ΔNE作为汽轮机侧扰动的补偿信号引入给水侧和燃料侧，当汽轮机侧发生扰动时，由于汽轮机输出功率与中间点比焓的变化方向相反，保证燃料侧燃料量指令不变的同时，加速给水侧动作来保证主蒸汽压力pt的稳定，提高了系统的响应能力.此外，当改变汽轮机输出功率定值时，汽轮机调节器的变化很快，使得汽轮机调门动作跟上负荷指令的需求，但是由于锅炉的惯性很大，能量难以及时补充，会造成主蒸汽压力pt产生较大的波动，甚至会超过允许的偏差范围，将Δpt引入汽轮机调节器，能够起到稳定主蒸汽压力的作用.

(2)给水侧与燃料侧的双向补偿.

当燃料侧发生扰动时，中间点比焓与主蒸汽压力的变化方向相同，而当给水侧发生扰动时，中间点比焓与主蒸汽压力的变化方向相反.将Δhm和Δpt微分信号同时引入给水侧和燃料侧，可以减弱或者消除给水侧与燃料侧之间的耦合，使系统的整定变得容易，同时也相当于在锅炉侧增加了一个快速的反馈回路，可以补偿汽轮机侧的扰动，提高了机组的负荷响应速度，增强了系统克服扰动的能力.

3仿真验证

直流锅炉单元机组三输入三输出协调控制系统结构如图3所示，通过在机组前添加解耦补偿器，可以实现输入、输出各变量间的完全解耦，u1、u2和u3为PI控制器输出量，通过解耦补偿器得到作用于被控对象的控制量qm,ec、rB和μt.

图3　直流锅炉单元机组协调控制系统结构图

以1 000 MW超超临界直流锅炉单元机组为控制对象，输入量为给水质量流量、燃料量和汽轮机调门开度，输出量为中间点比焓、主蒸汽压力和汽轮机输出功率.不同负荷下机组的主要参数见表1.

目前，直流锅炉的中间点比焓都是通过调整燃水比来控制的，在实际运行过程中，燃水比受到给水温度、煤质、负荷和风量等因素的变化而不断地调整，很难精确地控制燃水比系数，如果燃水比失调，将严重影响机组的正常运行.在笔者设计的协调控制系统中，当中间点比焓偏离设定值时，对给水质量流量和燃料量同时进行调整，能够使系统迅速保持稳定.以燃料低位发热量增量的阶跃变化来反映煤质变化，当燃料低位发热量增量阶跃降低5%时，中间点比焓、主蒸汽压力、汽轮机输出功率和给水质量流量经调整后恢复到初始状态，燃料量升高以保证机组的正常运行，协调控制系统的响应曲线见图4.当给水比焓阶跃下降10%时，中间点比焓、主蒸汽压力、汽轮机输出功率和燃料量经调整后恢复到原来的数值，给水质量流量减小已经能够保证机组的正常运行，协调控制系统的响应曲线见图5.

表1　1 000 MW超超临界直流锅炉单元机组典型工况点

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)

(c)

(d)

(e)

(f)

为了验证协调控制系统的控制性能，对该系统进行升降负荷实验，工况1：机组由677 MW升负荷至802 MW；工况2：机组由934 MW降负荷至802 MW.图6和图7给出了2种工况下汽轮机输出功率、中间点比焓和主蒸汽压力3个输出量的设定值和响应曲线.由于给水质量流量响应速度快，以水为基础的煤跟水控制，在汽轮机输出功率和主蒸汽压力的调节上，超调量和调节时间均优于水跟煤控制，但给水对中间点比焓的影响较大，使得中间点比焓的波动范围大、调节时间长，不利于主蒸汽温度的保持.采用解耦补偿器的三输入三输出的协调控制方式，3个输出量的超调量和调节时间均明显优于传统的煤跟水和水跟煤2种调节方式，汽轮机输出功率和主蒸汽压力的动态性能良好，中间点比焓在调整过程中有一定的动态偏差，其波动范围和调节时间明显减小，有利于维持主蒸汽温度的稳定，整个协调控制系统的控制性能良好.

(a)汽轮机输出功率响应曲线

(b)主蒸汽压力响应曲线

(c)中间点比焓响应曲线

4结论

针对直流锅炉单元机组协调控制系统，引入动态解耦结构，提出了一种单元机组三输入三输出控制策略，实现了汽轮机侧与锅炉侧、给水侧与燃料侧的双向补偿解耦，有效解决了当扰动发生时，燃水比系数很难保证、机组运行参数波动幅度大、机组负荷适应性差等问题.仿真结果表明，该方法动态解耦性能和负荷适应性能良好，具有较好的实际应用推广价值.

(a)汽轮机输出功率响应曲线

(b)主蒸汽压力响应曲线

(c)中间点比焓响应曲线

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Research and Design on the Coordinate Control System of a Once-through Boiler Unit

QINZhiming,ZHANGLuanying,GUJunjie

(MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：Taking the 1 000 MW ultra supercritical once-through boiler unit as an object of study, a nonlinear model was built up for the coordinate control system (CCS) through mechanism analysis, which was linearized based on small deviation method, while corresponding multivariable decoupling controller was designed to achieve full decoupling of the input and output variables, thus the three-input-three-output coordinated control system was finally established and verified under disturbance of coal quality and specific enthalpy of feed water during load-up and load-down process. Results show that the CCS proposed has good control performance.

Key words：once-through boiler; coordinated control; modeling; linearization; decoupling

文章编号：1674-7607(2016)01-0016-06

中图分类号：TK229.2

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：秦志明(1977-)，男，河北无极人，工程师，博士，主要从事火电机组建模与优化控制方面的研究. 电话(Tel．)：15369252070；

基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(2015MS110)

收稿日期：2015-03-26

修订日期：2015-06-26

E-mail：zmqin@ncepubd.edu.cn．