火电机组热工控制系统的优化整定及其应用

周晓明

内蒙古京能电力检修有限公司

火电机组热工控制系统的优化整定及其应用

周晓明

内蒙古京能电力检修有限公司

火力发电厂在我国电力工业生产中承担着主要任务，机组的安全、稳定和高效运行是电力生产中需要研究解决的重要课题。现代的火力发电机组正朝着大容量、高参数方向发展，汽机、锅炉等主体的自动控制系统进一步复杂化，要求其具有更高的可靠性和自动化水平，这样就使得热工自动控制在火电机组中的地位也越来越显得重要，成为大机组安全、稳定和经济运行的可靠保证。热工过程普遍存在着惯性和滞后，这是火电厂大部分被控对象的主要特点之一，热工过程有自平衡能力的对象可用惯性环节加纯滞后来描述。

火电机组；热工控制；优化整定及应用

为使工业控制系统的设计与实际整定有效地结合，作者研制出多功能控制系统优化整定装置。该装置集采集﹑仿真﹑辩识和控制系统参数优化整定等功能为一体，首次采用了曲线拟合法和目标函数的优化方法进行工业过程的参数辩识和控制系统的优化整定，为工程技术人员进行控制系统的设计和整定提供了有效手段。

1 热工过程的控制策略

在火电机组的热工过程中，主要的热工自动控制系统有：燃烧控制﹑锅炉汽包水位控制﹑主蒸汽温度和再热蒸汽温度控制﹑制粉系统控制﹑汽机控制及协调控制，它们完成水位﹑温度﹑压力﹑流量﹑转速等参数的控制任务。一般大型火电机组(燃煤锅炉)热工自动控制有30多个主要控制回路。火电机组热工过程在控制方式上主要采用以比例一积分一微分(PID)为基础的常规控制策略，这是其突出的特点，也是工业控制领域的普遍现象。即使在日本，PID控制的使用率也达84.5%。目前，我国热工过程各控制回路中PID控制至少占95%以上，即使在目前较为先进的分散控制系统(DCS中也是无一例外地采用常规PID作为基本控制策略，其控制效果与模拟控制器构成的控制系统并无本质差别。常规PID控制是使用最多的控制手段。常规PID控制有其优势，一方面在于算法简单可靠，易于实现，而且早已被现场工程技术人员普遍熟悉掌握，另一方面在于其鲁棒性较强，对控制系统的先验性知识要求较低，对过程模型的依赖程度不象一些现代控制方法那样高。

2 主要功能

2.1 信号发送和数据采集

信号发送和数据采集功能是为过程参数辩识提供原始数据而设置的，同时也可作为多笔记录仪使用。作为被测系统的输入信号，可以发送阶跃﹑方波﹑正弦波﹑伪随机序列等各种激励信号。数据采集最多可同时采集16路电压﹑电流以及热电偶﹑热电阻等各种制式的被测信号。

2.2 系统仿真

系统仿真为控制系统的设计提供了丰富的组态模块和方便的组态功能。组态模块包括各种运算模块﹑控制器模块﹑过程模型模块以及非线性运算和逻辑运算模块等，并可直接调用由辩识得到的过程模型。利用作图法可进行各种系统的组态仿真。当所有的系统模块全部输入后，该系统可将所有模块自动连接并显示系统结构框图的全貌。另外，该系统还提供了模块修改﹑插入﹑删除﹑替换等功能。仿真平台的框架设计也遵循结构上相互分离，功能上紧密结合的原则。一个控制系统的仿真过程可以划分为图元组态﹑参数输入﹑拓扑排序﹑仿真计算﹑结果输出等几个步骤。其中，图元组态又可以分为图形绘制和实例化两个过程。用户先用仿真平台提供的画图工具在组态窗口内按照控制系统框图绘制组态模块和加法器，并用将这些组态模块和加法器用连线按照系统框图连起来。系统组态模块在图形绘制完成之后，必须逐一指定类型并输入所需的参数值，即完成模块的实例化。输入仿真计算参数，就可以让系统开始对系统框图进行拓扑排序。然后，开始进行仿真计算，可以通过示波器单元观察输出的曲线。示波器单元可以加在框图的任意位置。

2.3 以汽轮机跟随为基础的协调控制方法

汽轮机跟随控制方式中，锅炉侧控制机组负荷，汽轮机控制汽压。因为汽轮机的动态特性响应迅速，则主汽压力比较稳定，而锅炉的动态特性是延迟性大，导致机组负荷响应缓慢。为了保证这种机组安全稳定，同时避免严重损失负荷的状况发生，可在汽轮机控制汽压的同时，根据机组负荷的响应情况，适当的控制负荷。在汽轮机跟随方式的基础上，再将机组负荷指令与实际负荷的偏差作为汽轮机主控制器的前馈，形成以汽轮机跟随为基础的协调控制系统。

为了提高机组控制系统对负荷的响应速度，将机组负荷偏差NO-NE化作为锅炉主控制器的输入信号，并进行上下限幅，然后作用于汽轮机主控制器上。当机组实际负荷与指令偏差△N=NONE≠0时，将函数输出值指令传到汽轮机调节器上，及时开大或关小汽轮机调口，快速响应负荷指令。当负荷偏差△N超限时，经过限幅作用，使汽轮机主控制器输出不再变化，避免了压力波动的增大。该控制方法所带来的机组适应负荷变化能力的提高是通过牺牲主蒸汽压力的稳定换来的，当机组负荷指令No变化时，机组负荷指令与实际值偏差会作用在汽轮机主控制器上，负荷快速响应，则主汽压力偏差会加大。

多功能控制系统优化整定装置集采集﹑辩识﹑仿真和控制系统参数优化整定等功能为一体，它的研制成功为现场实际调试提供了实用﹑有效的手段。在工业过程控制的实际应用中进行了两项尝试：(1)采用曲线拟合法进行参数辩识﹑模型转换；(2)基于综合目标函数的优化方法，对多回路﹑多参数控制系统进行优化设计，为现代控制技术在工程实际中的应用进行了有益的探索。实际应用结果表明，该优化整定装置既实用又有效。由于煤质﹑机组运行方式等各种原因，在控制方案的细节方面需进一步完善，后续将进一步研究，提同系统的性能。

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