摘要：本文以某電廠2×300MW機組DEB設(shè)計和運行情況為背景，闡述并分析了采用直接能量平衡策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)技術(shù)原理、工程實現(xiàn)、過程實際響應(yīng)以及運行效果。結(jié)果表明：DEB協(xié)調(diào)控制策略的控制目標直接、明確，使用方便、靈活，而且具有適應(yīng)性強、穩(wěn)定性好等特點。

關(guān)鍵詞：直接能量平衡；協(xié)調(diào)控制；火電機組

0 前言

大型火力發(fā)電機組由于機組容量大、運行參數(shù)高，若運行操作不當(dāng)將對機組本身甚至電網(wǎng)的安全帶來很大的危害，故對自動控制的要求和依賴越來越高。發(fā)電機組自動控制的最終目標是安全快速地滿足電網(wǎng)的負荷需求并保證電力品質(zhì)，由于組成火力發(fā)電機組的鍋爐和汽輪機對負荷響應(yīng)特性的差異很大，所以在設(shè)計機組級控制時必須充分考慮這兩個對象的不同特性，使鍋爐和汽輪機協(xié)調(diào)地運轉(zhuǎn)，以機組實際最大能力來滿足電網(wǎng)的要求。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS（CoordinatedControlSystem）的任務(wù)是協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機兩個不同的工藝系統(tǒng)共同來滿足電力負荷需求。因此，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)將鍋爐和汽輪機作為一個整體來考慮，使機組在實際能力下，能最大限度地滿足電網(wǎng)要求的發(fā)電數(shù)量（功率）和質(zhì)量（頻率），確保發(fā)電機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行，這是協(xié)調(diào)控制的基本要求。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在理論上可以有許多方法來實現(xiàn)，但對于一個特定的發(fā)電機組來說，當(dāng)主設(shè)備和工藝系統(tǒng)確定以后，應(yīng)該選擇一種最適合該機組特定條件的技術(shù)方案作為控制系統(tǒng)設(shè)計的基本策略。隨著分散控制系統(tǒng)（DCS）應(yīng)用的不斷成熟，為火電機組實現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)的基礎(chǔ)。本文闡述的是DEB直接能量平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計思路、控制策略以及機組在協(xié)調(diào)控制方式下的實際負荷響應(yīng)情況，采用的系統(tǒng)硬件是MAX1000分散控制系統(tǒng)。

1  DEB原理分析[1]

直接能量平衡（DirectEnergyBalance；DEB）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由美國原Leeds&Northrup公司創(chuàng)立的專有技術(shù)（現(xiàn)由美國metsoMAX公司繼承此項技術(shù)，上海自動化儀表股份有限公司通過技術(shù)引進獲得使用許可）。其著名的表達式為[1]

(1)式中PTS為機前壓力設(shè)定值；P1為汽機一級壓力；PT為機前壓力；PD為汽包壓力；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)。在等式的左邊是汽機的能量需求信號，等式的右邊是鍋爐的熱量信號。

DEB實質(zhì)上是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，汽機側(cè)控制功率，同時以汽機的能量需求作為鍋爐負荷指令，直接同鍋爐的熱量信號相平衡，而滿足這種平衡的控制手段是調(diào)節(jié)輸入鍋爐的燃料量，因此在燃料調(diào)節(jié)器入口代表燃料量的熱量信號直接同汽機能量需求信號相比較。

在動態(tài)的調(diào)節(jié)過程中，比例積分作用的燃料調(diào)節(jié)器通過反饋調(diào)節(jié)總是要讓入口偏差趨向于零，故此時燃料調(diào)節(jié)器入口的誤差ef為：由上述關(guān)系可知，能量需求信號與熱量信號平衡的結(jié)果能使機前壓力PT自然地維持在設(shè)定值PTS，從而證明了DEB控制策略確實能保持機爐的能量平衡。根據(jù)DEB固有的維持機前壓力為定值的特性，可以取消機前壓力校正調(diào)節(jié)器。

2  DEB功能設(shè)計

一個完整實用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，設(shè)計時必須考慮在各種工況下實現(xiàn)系統(tǒng)之間和設(shè)備之間的目標負荷與實際能力的匹配，具體包括：

①電網(wǎng)要求負荷與機組出力的匹配；

②汽機要求能量與鍋爐出力的匹配；

③鍋爐要求出力與輔機能力的匹配。當(dāng)上述“要求”和“能力”之間的關(guān)系匹配合適時，機組的運行是安全經(jīng)濟的，且控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖1所示為應(yīng)用直接能量平衡原理的單元機組協(xié)調(diào)主控示意框圖。

圖1直接能量平衡協(xié)調(diào)主控示意框圖

整個協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)是由機組指令處理回路、汽機主控回路和鍋爐主控回路三個部分組成。下面分別闡述采用直接能量平衡策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各個回路的工程實現(xiàn)。

2.1機組指令處理

機組指令處理回路負責(zé)實時地向機爐下達功率指令，最大限度地滿足電網(wǎng)對機組的負荷要求，當(dāng)機組運行異常時及時地對機組目標指令實施限制，避免異常工況進一步擴大，在保證安全的前提下以機組實際能力繼續(xù)承擔(dān)發(fā)電負荷。機組指令處理回路的具體任務(wù)是：

(1)根據(jù)機組運行的狀態(tài)及電網(wǎng)負荷控制的要求，選擇適合機組當(dāng)時條件的負荷控制指令方式。

(2)對目標指令進行處理，使之與機爐的動態(tài)特性及負荷變化能力相適應(yīng)，生成實際功率指令。

機組負荷指令方式有二種，即運行員設(shè)定的手動負荷指令和電網(wǎng)AGC系統(tǒng)來的自動調(diào)度指令，由T1選擇機組負荷指令的來源。T1提供了機組和電網(wǎng)AGC系統(tǒng)的接口，當(dāng)機組運行于協(xié)調(diào)控制方式且AGC指令和運行員指令跟蹤良好時，若電網(wǎng)調(diào)度所要求機組接受AGC控制，機組收到AGC請求命令后，運行人員在DCS的CRT“機組主控”畫面上按下AGC按鈕，T1就選擇AGC指令。而在AGC方式時，運行員可隨時將機組指令切換成人工手動指令。機組指令處理回路在完成指令選擇的同時還承擔(dān)向電網(wǎng)AGC系統(tǒng)發(fā)送機組實時能力和狀態(tài)信息，配合網(wǎng)控中心對機組實現(xiàn)遙測、遙控。

當(dāng)T1選擇了指令的來源和控制方式后，再綜合進頻差信號就形成了機組的目標負荷指令。機組指令處理回路的下一個任務(wù)是將目標指令處理成機組可接受的實際功率指令，使機組的實際出力在設(shè)備許可的能力下匹配電網(wǎng)要求。

當(dāng)連續(xù)運行的機組某些設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生異常，出力或穩(wěn)定出了問題，機組就不可能達到初始的負荷變化幅度，此時設(shè)備及過程限制邏輯計算出機組的實時負荷能力，通過指令閉鎖邏輯回路對目標指令進行實時的方向閉鎖，將指令限制在機組能力允許的范圍內(nèi)，同時根據(jù)不同情況修正指令的變化率限制值。

當(dāng)設(shè)備故障或過程出現(xiàn)問題，發(fā)生機組側(cè)強制增/減負荷時，此時機組指令處理回路將使指令跟蹤實發(fā)功率，使得強制增/減負荷過程結(jié)束后不發(fā)生指令擾動。

2.2汽機主控制

從圖1中汽機主控回路可以看出，這是個功率-壓力串級加指令前饋控制回路。汽機直接控制功率，故系統(tǒng)對功率指令的響應(yīng)速度快，而功率指令的前饋控制所起的加速調(diào)節(jié)作用，有利于系統(tǒng)克服中間再熱機組的再熱器容積滯后，更進一步提高了響應(yīng)速度。在功率串級回路的輸出通過T2并列了一個機前壓力調(diào)節(jié)器，當(dāng)T2選擇了機前壓力調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)就由汽機調(diào)功率轉(zhuǎn)成汽機調(diào)壓力，當(dāng)汽機控制汽壓時機組的功率由鍋爐決定。T2的切換在正常工況時由協(xié)調(diào)方式控制邏輯決定。

汽機主控回路和汽機的控制接口是汽機數(shù)字電液控制器（DEH），因DEH具有良好的汽機閥門管理功能（閥門特性線性化處理），所以機組的功率控制回路可獲得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。汽機主控回路與DEH的控制接口采用脈沖調(diào)頻的方式，用硬接線連接。采用脈沖調(diào)頻的方式接口具有很高的安全性，即使在控制信號連接線短路的情況下，汽機控制也不會誤動作。

2.3鍋爐主控制

由圖1可見，在鍋爐主控回路沒有機前壓力調(diào)節(jié)器，汽機的能量需求信號直接作為鍋爐指令以前饋的方式加入鍋爐控制。當(dāng)汽機的功率控制作用到汽機調(diào)門后，能量需求信號立刻要求燃料調(diào)節(jié)器調(diào)整鍋爐的燃料輸入，使鍋爐的輸入與當(dāng)時的汽機需求相匹配。這個匹配（平衡）過程雖然直接又迅速，然而鍋爐的能量轉(zhuǎn)換過程存在較大的滯后，為了克服這個滯后加快鍋爐的響應(yīng)速度，在DEB的工程設(shè)計中對能量指令（需求）進行動態(tài)補償

，通過燃料的動態(tài)超調(diào)來加強鍋爐燃燒率的變化幅度，促使鍋爐加快響應(yīng)。圖2為工程實用的汽機能量指令功能框圖。經(jīng)動態(tài)補償后形成的鍋爐指令信號，能大大地改善機組在定壓或滑壓運行時汽機和鍋爐動態(tài)過程的能量匹配。

圖2能量指令功能框圖

在DEB控制中，壓力比信號能靈敏地反映汽機的調(diào)門開度，在這同時壓力比對信號噪聲的反應(yīng)也非常靈敏，在經(jīng)過超前補償后信號的噪聲將進一步放大，所以必須對能量指令進行有效的濾波。工程中常規(guī)的濾波方法一般采用慣性濾波，慣性濾波在克服噪聲的同時也犧牲了信號的靈敏性。為了既能有效地濾去噪聲又不延滯信號，我們在設(shè)計中采用了限幅濾波ALF（AmplitudeLimitingFilter）法[1]。對于壓力比信號其噪聲的幅度是比較均勻的，ALF通過設(shè)定一個基于信號均值的濾波幅值，形成一條浮動于信號的噪聲濾波帶，使在濾波帶幅度內(nèi)的噪聲得到有效克服，而大于濾波帶幅度的有用信號變化量獲得真實反映。ALF的濾波幅值整定在工程上是非常容易的，只要記錄并測量出信號噪聲的平均幅度就可以確定該整定值。

電站鍋爐是個非常復(fù)雜的工藝系統(tǒng)，鍋爐的煤、風(fēng)、水等系統(tǒng)的組成設(shè)備和過程協(xié)調(diào)地運行維持著鍋爐的正常運轉(zhuǎn)，確保出力滿足汽機的要求。當(dāng)鍋爐的局部設(shè)備或過程系統(tǒng)發(fā)生問題，將影響鍋爐的整體能力。如果在局部子系統(tǒng)帶“病”運行時，必須對鍋爐指令進行限制，使鍋爐所帶負荷水平不超出帶病運行的子系統(tǒng)所具有的能力。如果鍋爐的局部系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障，不能滿足鍋爐當(dāng)前的負荷水平，則必須強制改變鍋爐出力至局部系統(tǒng)的實際能力，避免局部故障的擴大。

鍋爐實時能力處理回路根據(jù)鍋爐子系統(tǒng)調(diào)節(jié)偏差、設(shè)備運行極限狀態(tài)、輔機跳閘情況對鍋爐指令實施以下三種處理：增/減方向閉鎖；迫升/迫降（RUNUP/RUNDOWN）；快速減負荷（RUNBACK）。

當(dāng)鍋爐發(fā)生指令方向閉鎖時，鍋爐實時能力處理回路同時以相同方向閉鎖機組指令，使得機組的實際負荷指令不超出鍋爐的實時能力。

當(dāng)迫升/迫降或快速減負荷發(fā)生時，在鍋爐側(cè)減負荷的同時，實時能力處理回路將汽機側(cè)的T2切換到汽機調(diào)壓方式，由汽機控制主汽壓力，使機-爐協(xié)調(diào)同步地到達機組實時負荷能力，而不破壞系統(tǒng)的平衡。

3 DEB協(xié)調(diào)方式下機組實際響應(yīng)分析

采用DEB策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在某電廠2×300MW機組已獲得了成功的運行，并完成了所設(shè)計的各種跳閘條件下的RUNBACK試驗，AGC控制投入。以下通過分析某電廠#1機組在協(xié)調(diào)方式下功率響應(yīng)實時曲線和RUNBACK試驗曲線，來驗證DEB策略的實際應(yīng)用效果。

3.1DEB方式機組實際響應(yīng)分析

圖3機組在DEB方式下實際響應(yīng)曲線

機組滿負荷（300MW）時，在機組主控站設(shè)定目標負荷為250MW瞬間向CCS發(fā)出，階躍擾動達16.7，指令變化率限制在約4/min（見曲線4）。機組實際響應(yīng)情況為，實發(fā)功率（曲線3）在DEB控制下非常好地跟蹤了功率指令，僅僅滯后于指令30秒，當(dāng)實發(fā)功率到達目標值以后無超調(diào)和振蕩。

在鍋爐側(cè)，為了保證動態(tài)過程機-爐的能量平衡，鍋爐主控對能量指令信號實施了有力的動態(tài)補償，其結(jié)果反映在煤量的變化上（見曲線7），煤量的實際變化大，超調(diào)量高達96，在鍋爐內(nèi)的燃燒發(fā)生了強烈的變化，從而動態(tài)地補償了鍋爐能量轉(zhuǎn)換的滯后。

在如此強烈的燃燒變化過程中，維持鍋爐的燃燒和運行穩(wěn)定是CCS重要的任務(wù)。曲線9、曲線6分別記錄了煙氣含氧量和爐膛壓力的變化，記錄反映了這二個參數(shù)很穩(wěn)定，從而證明了在上述動態(tài)過程中爐膛的燃燒是穩(wěn)定的；煙氣含氧量的穩(wěn)定更說明系統(tǒng)保證了動態(tài)過程的燃燒經(jīng)濟性。由曲線5、曲線1所記錄的汽包水位和主蒸汽溫度的變化過程可以證明汽-水系統(tǒng)的運行也是穩(wěn)定的。

上述動態(tài)過程中機-爐能量的平衡情況可由主汽壓力來反映（見曲線2），在整個過程中主汽壓力發(fā)生的最大偏差僅為0.08MPa，且未見控制的過度過程。主蒸汽溫度（曲線1）未受到明顯的干擾，變化在正常的波動范圍內(nèi)。由此證明了動態(tài)過程中機爐能量的供求是非常平衡的，主蒸汽品質(zhì)得到了保證。

3.2機組RUNBACK實際響應(yīng)

圖4為一臺引風(fēng)機跳閘的機組RUNBACK響應(yīng)曲線，當(dāng)引風(fēng)機跳閘時，SCS聯(lián)跳一臺送風(fēng)機、一臺磨煤機（直吹式制粉系統(tǒng)）。RUNBACK目標負荷150MW。結(jié)果BUNBACK成功，汽壓偏差0.68MPa。

圖4引風(fēng)機跳閘RB響應(yīng)曲線

圖5空預(yù)器跳閘RB響應(yīng)曲線
圖5為一臺空預(yù)器跳閘的機組RUNBACK響應(yīng)曲線，當(dāng)空預(yù)器跳閘時，SCS聯(lián)跳一臺磨煤機。RUNBACK目標負荷180MW。結(jié)果BUNBACK成功，汽壓偏差0.64MPa。

3.3存在問題和解決方案

由圖4和圖5可見，系統(tǒng)雖自動地完成了RUNBACK，但這過程的主汽壓力偏差過大，分析原因主要是CCS和DEH的接口方式影響了DEH對CCS指令的響應(yīng)速度。前文已經(jīng)介紹了CCS和DEH的接口采用“脈沖調(diào)頻”法，以脈沖個數(shù)來表示功率指令的增/減量，在正常工況下CCS發(fā)出DEH功率指令能轉(zhuǎn)換成“指令脈沖”被正確收發(fā)，而在類似于RUNBACK的工況，由CCS發(fā)出的指令變化率很大，使得接口脈沖收發(fā)過程丟失了幾個“指令脈沖”，從而影響了DEH的調(diào)節(jié)速度?？梢圆捎昧硪环NCCS和DEH的接口方案—“脈沖調(diào)寬”法，即用脈沖的占/空比來指令的變化幅度，而脈沖頻率固定。這樣既可避免脈沖丟失，又可提高CCS對DEH的調(diào)節(jié)強度。

4結(jié)論

文中詳細分析了采用直接能量平衡策略的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)技術(shù)原理、工程實現(xiàn)、過程實際響應(yīng)以及運行效果。由現(xiàn)場記錄的機組主要參數(shù)的響應(yīng)曲線充分證明：直接能量平衡控制策略的正確性和方案的可行性，在DEB控制下機組的調(diào)節(jié)品質(zhì)是良好的，因此DEB是個優(yōu)秀的協(xié)調(diào)控制策略。同時也證明了該發(fā)電廠DEB協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計是成功的。

參考文獻

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