火电机组直接能量平衡DEB控制策略分析及优化

祝建飞　叶颖俊　章　涛　王　煦　史啸曦

(上海明华电力技术工程有限公司1，上海　200090；外高桥发电有限责任公司2，上海　200137)



火电机组直接能量平衡DEB控制策略分析及优化

祝建飞1叶颖俊2章涛2王煦1史啸曦2

(上海明华电力技术工程有限公司1，上海200090；外高桥发电有限责任公司2，上海200137)

摘要：火电机组直接能量平衡是建立在能量平衡概念基础上的一种机、炉协调控制策略。随着电网对机组变负荷性能的要求越来越高，以及锅炉燃用的煤种变化较大、燃煤掺烧等因素，传统DEB控制逐渐暴露出存在的一些不足。介绍了一种DEB控制策略改进方法，采用新的前馈方式和智能变负荷超调，引入燃煤热值系数进行修正，并采用PID变参数控制。现场试验表明，这些措施解决了原先煤量指令落后负荷指令、变负荷超调适应性不足、无法主动响应燃煤品质变化等问题，有效提高了机组整体负荷变化能力。

关键词：能量平衡协调控制前馈控制优化改进智能超调火电机组修正PID控制

0引言

火电机组是一个多输入、多输出的强耦合多变量系统，其中锅炉和汽轮机的动态对象特性差异较大。锅炉具有明显的大惯性、非线性和时变性等特点。机组负荷协调控制系统(coordinated control system,CCS)则要协调控制锅炉煤量、给水量、风量和汽轮机调门开度等输入参数，获得机组负荷、主蒸汽压力等主要输出参数的良好控制品质，以满足电网对机组变负荷性能和机组本身安全经济运行的要求。直接能量平衡(direct energy balance,DEB)控制方法最早由美国L&N控制公司提出，是建立在直接能量平衡概念基础上的一种机、炉协调控制策略，能克服锅炉侧的非线性和惯性大的影响，实现协调控制的单向解耦[1-5]。但随着电网对机组变负荷性能的要求越来越高，加上锅炉燃用的煤种变化较大、燃煤掺烧等因素，目前DEB控制逐渐暴露出存在的一些不足[6]，为此，必须对原先的DEB控制策略加以改进。本文通过分析DEB控制策略原理，指出了目前存在的一些问题，并介绍了一种DEB控制策略改进方法。现场试验表明，该方法能有效解决这些问题，提高机组协调变负荷能力。

1DEB控制策略原理分析

某电厂320 MW亚临界火电机组，其锅炉为上海锅炉厂引进美国CE公司技术设计制造的1 025 t/h亚临界一次中间再热强制循环汽包锅炉；汽轮机为上海汽轮机厂引进美国西屋公司技术制造的中间再热、单轴、双缸、双排汽、凝汽式汽轮机；控制系统采用美国METSO公司的MAX1000，后升级改造为MAX DNA系统；机组协调控制系统采用直接能量平衡DEB控制策略。

机组协调DEB控制策略是建立在直接能量平衡概念基础上的一种机、炉协调控制方案。该方案的主要特点是：能快速地控制机组的发电负荷，使之与外界负荷要求相匹配；根据汽机对锅炉的能量需求来控制锅炉的出力，以维持能量平衡，保持主蒸汽压力的稳定。

在实际应用中，DEB协调控制系统中还增加了一个“能量需求” 的微分信号,它是作为变负荷时的“动态补偿”。负荷增加时,锅炉蓄能也将增大,所以必须多增加一部分燃烧率，以满足这种蓄能变化的需要。另外，还有压力设定值的微分信号。当提高压力设定值时，须多增加一部分燃煤；当降低压力设定值时，须多减少一部分燃煤。DEB方式下能量需求信号和锅炉侧煤量控制示意图如图1所示。

图1　DEB控制框图Fig.1　Block diagram of DEB control

2DEB控制策略存在的不足

随着电网对机组AGC变负荷性能要求的提高，加上燃用的煤种变化较大、煤质日益变差、燃煤掺烧等因素，目前DEB控制暴露出存在的一些不足，主要有：

①煤量变化滞后于汽机调门动作。在DEB方式下，当锅炉能量需求BD发生变化后，煤量指令才会相应变化。而BD要在汽机调门动作引起调节级压力和主蒸汽压力改变后才会发生变化，故变负荷时煤量变化滞后于调门动作，容易导致汽压偏差大而闭锁负荷增减。

②煤量超调方式不合理。在DEB方式下变负荷时，BD指令本身有动态补偿(即超调)，BD指令再经过“超前滞后”环节产生煤量超调。当发生汽压闭锁时，负荷指令停止变化，导致煤量超调复位，不利于主汽压恢复,影响机组变负荷性能。

③对燃煤品质变化适应不够。原先的控制策略中没有引入燃煤热值修正系数，无法主动根据煤质的变化改变控制指令，而只能根据能量需求和锅炉热量之间的偏差,被动地响应煤质的变化。

煤量调节PID没有进行变参数控制，没有根据相关参数的变化自适应地调整PID控制参数，因此不利于提高控制性能。

实际上，DEB控制回路中的参数整定也有一定难度，要调整的参数比常规的协调控制回路多，须通过物理概念来确定相关参量[7]。譬如锅炉蓄热系数CB的整定，要求在锅炉煤量保持稳定的情况下，阶跃改变汽机调门开度，调整系数CB使锅炉热量HR维持不变。由于整定CB时要多次较大幅度地改变汽机调门开度，带来工况扰动，加之辨识方法的误差、锅炉非线性等因素，使得系数CB的精确整定存在一定困难。其实对于采用中速磨直吹式制粉系统的燃煤发电机组而言，由于入炉给煤量能够实时测量，因此通过优化煤量前馈控制，完全能够取得优于传统DEB策略的控制效果。

3DEB控制策略优化改进

由于上述问题的存在，采用目前的DEB控制方式，较难进一步提高机组变负荷速率，故必须进行优化改进。考虑到实施工作量和可操作性，保留原先的DEB控制框架，这样可暂对原有RB控制功能、汽机主控等回路不作修改，而主要改进现有DEB策略中存在的不足，即锅炉侧的煤量控制。通过改变其前馈生成方式，并采用新的超调控制，加入煤质热值修正系数，以适应不同的煤质情况。改进后的控制逻辑框图如图2所示。

图2　改进后DEB方式锅炉侧控制框图Fig.2　Block diagram of the boiler side control with improved DEB mode

优化改进的主要内容有以下几方面：

①保留原先的燃料控制PID，改进PID前馈方式。前馈不再采用BD指令，BD指令只作为PID设定值，即BD指令只参与PID的反馈调节。新的前馈主要采用负荷指令的函数，并经过一定的速率限制，这样能够使得负荷指令变化的同时煤量立即发生变化。智能超调由变负荷信号触发，区分加、减方向，并根据锅炉蓄热变化情况来智能复位超调。当变负荷消失时，如果锅炉蓄热没有得到补充或者释放，则超调仍会存在；再用汽压偏差-煤量修正函数进行补充，以减少变负荷过程中的汽压偏差。

②根据当前燃用煤质情况由运行人员输入合适的热值系数，煤量指令会根据该系数进行相应调整。参考目前机组常用煤种及掺烧情况，将燃煤热值4 500大卡/kg设置为标准热值。若煤质较好，燃煤平均热值高于标准热值，则逻辑计算出的热值系数大于1，煤量前馈量相应变小；若煤质较差，燃煤平均热值低于标准热值，则逻辑计算出的修正系数小于1，煤量前馈量相应增大。

③另外对煤量PID进行变参数控制，以提高主汽压及负荷的控制品质。按照负荷指令对应的函数自动调整燃料调节器的比例增益。根据汽压偏差对应的函数，自动调整燃料调节器的积分作用,并区分变负荷和稳态工况，在动态变负荷过程中减弱积分作用，以免过度积分造成超调过多；在稳态调节过程中，恢复积分作用，以消除静态控制偏差。

4热态变负荷试验

按照上述优化改进方案，在机组停机检修时进行了控制逻辑修改，并进行了冷态功能测试；在机组正常运行后进行了热态变负荷试验。通过试验来调试改进后的控制回路，验证新的控制功能是否能正确实现。

通过试验可以发现，新的前馈量要高于原先的前馈量，且更接近于实际的PID输出，即更接近实际煤量，从而在变负荷时能够更加精准地获得前馈变化量，降低PID的工作强度，有利于负荷协调控制。另外，由于新的前馈直接由负荷指令的函数生成，煤量超调由变负荷信号触发，故变负荷时煤量变化不再落后于汽机调门，超调量的变化也更加平稳，有利于给煤量的平稳控制。

某次DEB方式下加减负荷时的参数变化曲线如图3所示。机组先以3 MW/min的变负荷速率减少20 MW负荷，再以4.5 MW/min的速率增加20 MW负荷。

图3　改进后DEB方式下变负荷曲线Fig.3　The load change curve under improved DEB mode

减负荷刚开始时，由于工况尚未完全稳定，主蒸汽压力下降且接近设定值，故减负荷超调预先复位；然后由于主蒸汽压力开始回升，再次触发减负荷超调；最后，主蒸汽压力没有跟随负荷指令变化结束而马上复位。加负荷时，由于主蒸汽压力已经回升且接近设定

值，也是提前复位。这种变负荷超调根据当前机组蓄热变化情况智能复位的控制方式，解决了原先DEB方式下超调不合理的问题，有效地改善了协调变负荷控制效果。

通过多次变负荷试验不断调整控制参数，负荷控制效果较好，变负荷速率能达到4.5MW/min，满足了电网对机组的变负荷速率要求。经过DEB控制逻辑优化修改后，原先在DEB方式下存在的一些不足已基本得到解决，这为机组整体提高负荷响应能力、满足电网AGC变负荷性能要求创造了有利条件。

5结束语

通过分析直接能量平衡法DEB控制策略工作原理和目前状况下存在的不足，提出了一种改进方法。该方法保留DEB控制的基本框架，采用新的前馈方式和智能变负荷超调，引入燃煤热值系数修正前馈指令，

并采用PID变参数控制。现场试验表明，该方法解决了原先煤量指令落后调门汽机指令、变负荷超调适应性不足等问题，有效提高了机组整体负荷响应能力，满足了电网AGC变负荷性能要求。

参考文献：

[1] 李希武.直接能量平衡法(DEB)协调控制系统分析[J].中国电力，2000(33):65-69.

[2] 陈允济，易凡，沈华，等.DEB-Ⅳ协调控制系统的特点及分析[J].华东电力,1996(4):9-14.

[3] 王东风，韩璞，曾德良．单元机组协调控制系统发展和现状[J]．中国电力，2002 (11)：69-73．

[4] 赵振书，祝海光.350MW机组DEB协调控制对AGC的适应性分析[J].电力科学与工程,2011(27):72-75.

[5] 张芳生，沈炯.直接能量平衡法的机理及国内研究现状[J].能源研究与利用,2003(5):11-13.

[6] 祝建飞，王煦.负荷协调控制DEB控制策略改进及优化试验报告[R].上海明华电力技术工程有限公司，2015．

[7] 何同祥，张华磊，李亚军.300MW机组DEB协调控制系统优化[J].热力发电,2005(4):44-46.

中图分类号：TH86;TP272

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607011

Analysis and Optimization of Direct Energy Balance Control Strategy for the Fossil-fired Power Unit

Abstract：Direct energy balance (DEB) of fossil-fired power unit is a kind of turbine and boiler coordinated control strategy based on the concept of energy balance.Along with the variable load performance of the unit is increasingly demanding by the grid,and the larger changes of the coal type and fired coal mixed blending,some of the deficiencies of traditional DEB control are exposed gradually.Thus an improved method of DEB control strategy is introduced.With this method,new feedforward pattern and intelligent variable load overshoot are adopted,and the heat value coefficient of coal is introduced for correction,PID varying parameter control is used.The field test shows that the problems of coal demand lag behind load demand,insufficient adaptability of variable load overshoot,and unable to take initiative response to the changes in coal quality,etc.,are resolved by these measures; therefore overall capability of the unit upon load changes is enhanced.

Keywords:Energy balanceCoordinated controlFeedforward controlOptimization and improvementIntelligent overshootFossil-fired power unitModificationPID control

修改稿收到日期：2015-11-29。

第一作者祝建飞(1972—)，男，1994年毕业于东南大学热能动力专业，高级工程师；主要从事电厂热工自动化及运行控制优化方向的研究和应用工作。