汽轮机组协调控制中典型问题分析和改进

摘 要： 本文主要介绍国产300MW机组在DCS改造后，协调控制系统重新设计组态，由日立H5000M系统软件实现的原MAX1000+PLUS系统中DEB控制方式时，重要参数的整定办法。分析机组运行过程中机组协调调节品质影响因素和解决方案，通过试验整定机组协调控制参数，提升锅炉主汽压力调节品质，满足电网对机组负荷变化的要求。

关键词：协调控制 锅炉前馈 能量信号

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）03-0294-02

一、协调控制的设计和锅炉蓄热系数的整定

张家口发电厂各台机组经DCS改造后使用的是日立H5000M，协调制采用的是直接能量平衡算法。在参数设定过程中，锅炉的蓄热系数是最难确定的也是一个关键参数，它的准确性决定了能量平衡控制方式的稳定性。选取能量平衡信号作为锅炉侧的负荷指令，以热量信号作为发馈，直接按汽轮机的能量需求来控制锅炉的能量输入。系统无需机前压力的反馈控制，能量平衡信号公式中的 来表示：

—机前压力设定值 —调节级压力 —机前压力

锅炉燃烧自动控制的目的是控制燃烧过程，使燃烧说提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的安全经济运行。

锅炉热量信号是测量进入炉膛的燃料燃烧后的发热量，是间接测量进入炉膛的燃料量的一种方法。进入炉膛的燃料量可用公式中Q的来表示。

—蓄热系数 —汽包压力 D —蒸汽流量

蓄热系数 代表着锅炉的蓄热能力

通常用试验的方法求得。在燃烧率不变的情况下，改变汽机调门的开度，蒸汽流量和主汽压力变化曲线如图

根据调门开度改变时蒸汽流量和汽包压力的变化曲线，量取面积A，

由此可以计算出锅炉的蓄热系数 。Q可以近似的代表计入锅炉燃烧的燃料量。此外，用热量信号还能反映燃料热值的变化。锅炉指令主控采用的是变参数调节，分为负荷变化过程和负荷维持过程。

1.协调控制的修改和调整

在电网公司实施“两个细则”考核办法后，电网对机组负荷调节品质提出了更高的要求，单纯的DEB控制方式还是无法满足机组负荷快速频繁变化的要求，所以在锅炉燃烧控制环节中增加了锅炉燃料量的前馈，以提高锅炉的响应速度。

1.1锅炉主控前馈的作用

锅炉前馈主要有四部分构成：1、负荷对应煤量前馈；2、负荷指令变化对应煤量前馈；3、机前压力设定值变化对应煤量前馈。

1.2负荷对应煤量前馈

锅炉前馈部分中的负荷对应煤量前馈是给锅炉主控制器一个粗略的工作区间，它的量值份额最大。它的作用对于机组在负荷变化工况时煤量的调节作用相对较弱，在锅炉汽压响应迟延大、惯性大的特性下，这个环节的煤量变化特性是不能满足机组需求的。对于锅炉燃煤发热量不出现频繁变化的工况下，它主要的作用是维持锅炉的负荷，若一段时期内锅炉燃煤发热量较前一时段有明显稳定的加大或减少，这个负荷对应煤量前馈，也是需要进行修改的。修改过程需锅炉控制处于手动状态下，这点十分重要，因为在此前馈起作用时的修改，会引起锅炉煤量的大幅波动，影响到机组的安全运行。

1.3负荷指令变化对应煤量前馈

负荷指令变化对应的煤量变化量是使锅炉能够快速响应机组负荷的最直接手段。它由两部分构成：1、负荷指令的变化趋势；2、AGC指令与机组实际负荷指令的偏差对应的煤量。

因为锅炉主控采用的是DEB控制方式，从能量指令公式

可知 与 的比值代表汽机调门的实际开度，在机组接到负荷变化的指令后，调门迅速响应，这样机组负荷指令变化趋势的前馈量与能量指令 的计算量的匹配，是此前馈分量中的控制关键，一般的解决方法是给负荷指令变比趋势的前馈量增加限幅。电网下达机组的AGC指令是阶跃信号，机组的实际指令是增加了变化速率的，这两部分的差值经一定的作用强度作为一个煤量前馈，能更直接的弥补锅炉汽压响应的大惯性。

1.4机前压力设定值变化对应煤量前馈

机前压力定值的变化也代表着锅炉蓄热能力的变化，同时对应锅炉煤量也是要求变化的。这正是在锅炉指令前馈中设置机前压力设定值变化对应煤量前馈这一项的意义所在。不管是在机组负荷变化过程改变机前压力定值还是机组稳定工况下改变压力定值，对于此项前馈作用同样应设置幅值的限制。

2.控制参数的调整

2.1锅炉煤量控制器参数的调节

在设定好锅炉指令前馈的基础上，锅炉主控制器的调试可以遵循“弱变化、强稳态”的原则，在机组负荷变化过程中，锅炉主控制器PID的比例增益设置在0.1到0.3之间，积分时间设置在500秒以上，在机组负荷变化结束后的稳态工况下，针对锅炉汽压的大惯性大迟延特性，锅炉主控制器PID的比例增益设置在1.2至2.2之间，积分时间设置在300秒左右。

2.2锅炉风量调节的影响

锅炉风量的调节品质也对锅炉汽压调节品质有重要的影响。锅炉原来的风量控制逻辑中，风量指令取得是锅炉煤量，这在指令的变化上就存在着一定滞后，现将锅炉一次风压力和锅炉送风量的的指令均改为机组负荷指令，这样就使得机组的负荷变化时一次风压和锅炉风量控制以最快的速度做出响应，以配合锅炉燃煤变化。

二、汽机负荷控制的影响因素

1.功能设计的优化

机组负荷控制中原设计有压力校验功能，是为了让汽机调门控制做到机组负荷和机前压力兼顾，但也正是这样，使机组负荷调节品质大为下降。电网要求的汽轮机组实发功率要正确、快速、稳定，这就势必使机组在协调控制中要牺牲一部分的机前压力来保证机组负荷的响应。所以在提高锅炉汽压调节品质的前提下，弱化机前压力偏差对汽机负荷修正作用，改用其他的方式来保证紧急状态下的机组安全。

附图机前压力偏差修正负荷指令示意图

此项功能的作用是在机组变负荷过程中机前压力偏大时，抑制调门向加大机前压力偏差方向动作的趋势。为方便描述，这个功能简称压力拉回。因为压力拉回的作用，机—炉汽压特性导致了机组负荷还未达到AGC指令目标值就出现了“反调”的情况。针对这中情况，减弱压力拉回的作用强度，使压力拉回的修正系数减少到±0.01。同时在汽机调门指令出口前增加一个调门禁增、禁减功能。当机前压力高设定值1.2MPa时汽机调门禁减，机前压力低于设定值1.2MPa时汽机调门禁增，这样就在最大程度上兼顾机组安全和机组负荷的调节品质。

2.汽机调门的流量特性和机组的运行方式也是机组负荷调节品质的重要保证

在冬季机组供热的运行方式下的变负荷过程，由于运行人员把机前压力定值设定的偏低（在变负荷初期，压力定值低于规定的滑压定值1MPa）从而导致了机组调门开度过大，负荷上升后，调门迅速开展，已失去对负荷的控制。

附图汽机调门流量特性对变负荷的影响

图中的变负荷过程，调门开度增加9%，而机组负荷未有明显上升，汽机调门在78%—87%之间已无截流特性所造成，这台机组的汽机阀门曲线需要进行重新整定。

结束语

机组的协调控制是一台机组的最高层控制，它的调节品质需要这台机组的各底层自动调节品质来保证，锅炉的给水、送风、煤量等各个环节都会直接影响到锅炉汽压的调节品质；汽机调门的流量特性，控制回路的逻辑参数设置等也会直接影响汽机负荷的调节品质。协调控制调节品质的优化需要考虑到机组的各方面因素，一次设备的调节裕量，执行器环节的响应特性等等，不同机组间并没有固定的模式可借鉴。同时对机组协调品质的影响因素是复杂多样的，运行人员的操作、锅炉燃煤发热量的变化等都是不可预測、不可避免的重要条件。只有通过长时间的摸索和大量扰动试验，才能掌握一台机组各环节的动态特性。机组的每次检修后各自动调节回路都是需要进行试验和参数整定的。

参考文献

[1]中国动力工程学会， 自动控制[M]火力发电设备技术手册第三卷

作者简介：田晔（1979—）男，工程师，张家口发电厂。