热控技术的发展与先进控制

热控技术发展与先进控制山西电力科学研究院热工室热控技术的发展与先进控制热控技术的发展研究成果热控技术今后发展方向协调控制系统（CCS）协调控制系统的RB功能给水控制系统汽温控制系统凝结水控制系统热控技术的发展近10年来火电机组热控系统发展迅速，控制装置由DDZ-Ⅱ、Ⅲ仪表到组装仪表，再由可编程调节器发展到DCS分散控制系统以及未来的FCS现场总线控制系统，目前DCS在火电机组的应用已非常成熟，不仅大大提高了热控系统的可靠性，也为火电机组自动化技术的发展提供了广阔的空间；热工自动控制技术由简单的单回路、串级控制发展到多种控制方案相结合的复杂控制，由机组的正常运行工况控制发展到机组的全程自动控制，由开、闭环独立控制发展到单元机组一体化控制，目前火电机组的自动化技术已发展到在运行人员极少干预的情况下，实现机组的自启、停和正常运行功能（即APS-AutomationPlantStartup&ShutdownSystem）。单就闭环控制技术，目前已有不少先进控制理论在生产实际中得到了很好的应用（如模糊控制理论），而且热力系统的效率控制将是我们进一步研究的方向。研究成果我省近几年来，在热控领域的各个方面，控制系统的应用研究成果取得了突破性进展，已走在了该领域的技术前沿，在国内具有领先水平，有些方面已达到了国际先进水平。如：提高协调控制系统响应速率及适应性的研究；大型机组RB功能可靠性、准确性的研究；FCB功能的探索研究；模糊控制理论等多种控制理论在汽温控制系统的综合应用；间断式凝结水控制系统的研究；一段式全程给水控制系统的投运；APS的应用研究等等。热控技术今后发展方向热控技术今后的发展方向应着眼于如何进一步提高机组的效率、降低发电成本、延长机组寿命等方面，实现机组的效率控制、全智能化控制将成为本学科研究的新课题。如：在线检测、定性分析锅炉的燃烧效率，即调整锅炉的风、煤比，实现锅炉效率的闭环智能控制。同时，优化控制、循环硫化床锅炉的控制研究以及先进控制理论的广泛应用也将是我们研究的方向。协调控制系统（CCS）概述影响CCS的主要因素解决方案及其特点投运效果SPC负荷指令ABS×KdxdtTdPT3PT1PIDdxdtT2T1T2PtPT3dxdtTdT1×÷PgPtNe锅炉指令+-++++++++++--PID汽机指令F(x)压力定值-CCS控制方案原理框图概述为了满足电网调度的要求，目前单元机组CCS方案设计大部分是以锅炉跟随为基础，采用负荷指令信号间接平衡与能量直接平衡动、静态相结合的控制方案，主要特点在于负荷指令经幅值限制、速率限制等处理后作用于汽机主控和压力定值形成回路，而锅炉主控同时采用负荷指令与能量需求信号分别作为动、静态前馈，使负荷要求变化时，机、炉协调动作；并在上述回路中采用微分环节和多级惯性环节补偿、拟合机、炉热力系统的特性差异，保证机、炉动作从时间上匹配。锅炉通过控制燃料量改变锅炉负荷，维持主汽压力，以适应汽机的能量需求；汽机在负荷响应起始阶段，通过调汽门动态过开，利用锅炉的蓄热，快速响应负荷，在负荷响应过程中，维持汽机能量需求量与机组负荷要求相平衡。CCS主要由以下几部分组成：①、单元机组负荷指令运算回路机组负荷指令运算回路的主要任务是根据机、炉运行状态，选择机组可以接受的各种负荷指令，用之作为机、炉的功率给定值，分别送至锅炉主控和汽机主控。该回路由负荷控制站、最大最小值限制回路、变化率限制回路等部分组成。②、RB运算回路当机组由于辅机故障发生RB时,其最大可能出力将根据不同种类型的辅机故障而受到不同的变化率限制。主要运算回路包括：机组最大可能出力运算回路、RB激活回路、RB限速回路。另外该机组还设计有FCB功能。参与RB运算的设备有：送风机（FD）2台，引风机（ID）2台，一次风机（PA）2台，磨煤机4台，给水泵3台，汽机负荷限制。参与FCB的有发电机油开关跳闸。③、频率校正回路频率校正回路的功能是将频差信号转换成负荷偏差，然后经过限幅和大小选后分别送至锅炉主控系统和汽机主控系统，使锅炉和汽机能够快速响应。④、压力设定值形成回路包括：定压运行时的压力定值运算回路、滑压运行时的压力定值运算回路、定/滑压无扰切换回路。⑤、锅炉主控锅炉主控相当于单元机组负荷指令处理回路与燃烧控制系统之间的接口，其功能是将机组负荷指令信号传送到风量控制系统和燃烧控制系统，以协调锅炉出力与负荷之间的匹配关系，同时保证锅炉的安全、稳定运行。⑥、汽机主控提供了CCS与DEH之间的接口，同时将机组负荷指令传送到DEH控制回路。⑦、热值校正回路根据煤质变化引起锅炉出力变化而计算的热值校正信号送至燃烧系统进行修正。另外，CCS系统根据不同的运行工况，可运行在下列几种方式：1）协调方式2）炉跟随方式3）机跟随方式4）基本方式影响CCS的主要因素锅炉负荷响应特性汽机负荷响应特性（锅炉蓄热能力）不确定因素锅炉负荷响应特性锅炉负荷的滞后时间主要是由磨煤机的制粉环节形成的，而惯性则与锅炉的热惯性有关，是系统的固有特性，控制系统必须与之相匹配，才能保证系统的稳定运行。锅炉指令、负荷/%65707580851234567891011121314t/minP/MPa13141516锅炉指令锅炉负荷主汽压力锅炉特性曲线汽机负荷响应特性汽机负荷响应特性取决于锅炉的蓄热能力，而锅炉的蓄热能力来自两个方面：其一是锅炉受热面金属热容量的存储和释放，是造成锅炉惯性较大的主要原因之一；其二是汽机侧的扰动相应改变了汽包压力和饱和温度，使汽包的蒸发量突然变化，以适应负荷要求。负荷、开度/%7580859012345678910111213t/minP/MPa1515.415.816.2机组负荷调门开度主汽压力汽机特性曲线不确定因素由于一次控制设备特性的变化（如给煤机、给粉机、一次风调节档板）、燃用煤种特性的变化、辅机设备在机组运行过程中的启停等多方面不确定的扰动因素将会引起机组负荷及运行参数的波动，而由于在克服扰动过程中锅炉、汽机相互耦合，进而引起机、炉同时参与调节，造成系统稳定性差、过渡时间长。该问题在其它控制系统中也同样存在，而且也是自动控制领域的一大难题。解决方案及其特点提高锅炉负荷响应速率，在动态过程中合理掌握锅炉负荷指令的超调量；形成合适的压力定值；通过调汽门的动态过开，合理利用锅炉的蓄热，并根据锅炉负荷响应特性，在动态过程中限制汽机调汽门的动作；系统解耦负荷/MW2202352502651234567891011121314t/minP/MPa13.514.515.516.5负荷指令锅炉指令汽机指令压力定值仿真曲线锅炉负荷锅炉主控比例、微分前馈引用“预见控制”理论采用可变微分时间和固定微分时间相结合，使微分时间在负荷指令接近目标值时逐渐减小，通过参数调整使锅炉负荷指令在起始以较大的速率变化，并在动态过程中有一定的超调量，接近目标值时超调量逐渐渐小。采用这一方案不仅可以最大程度上提高锅炉的负荷响应速率，还克服了负荷指令到位后超调而造成的静态偏差，解决了通常设计中采用固定微分时间的缺点。压力定值根据锅炉的压力响应特性，采用数学模型拟合压力定值曲线，在机组滑压运行区间使压力定值与实际压力变化同步，有效克服了系统的动态偏差和超调。汽机特性汽机主控负荷指令在拟合锅炉负荷响应特性（采用惯性环节）的基础上叠加一微分环节，根据负荷指令的变化速率调整微分时间，在负荷指令变化起始，通过调汽门动态过开，充分利用锅炉的蓄热使机组负荷快速响应，等待锅炉负荷发生变化后，机组负荷随之改变，不仅有效克服了机组负荷响应的滞后，而且弥补了机、炉热力系统本身的特性差异，保证热量的供求基本平衡，使系统运行稳定。系统解耦在负荷响应过程中，机、炉之间的耦合关系就是机组的能量（即锅炉所产生的能量及汽机所需求的能量）及其平衡关系，反应在控制系统中就是两个主要控制变量即机组负荷和主汽压力，在通常的设计中上述两个变量分别由汽机主控和锅炉主控控制，使CCS在不确定因素自发扰动情况下不能适应。为此，根据“解耦控制”理论引入一个“汽机能量需求信号”的中间变量（Ne×Pg／Pt）代替“机组负荷”作为汽机主控的被调量，由于该信号只反应机组负荷要求的变化及汽机侧自身的扰动，使在锅炉发生自发扰动的情况下，汽机不参与调节，各自的扰动因素分别由锅炉主控和汽机主控独立克服，实现了完全解耦，达到了预期的目的。投运效果目前CCS所存在的几个主要问题（负荷响应速率的提高及其与系统稳定性之间的矛盾，机、炉之间的相互耦合关系）解决的关键在于形成合适的机、炉负荷指令和压力定值，使之与机组热力系统的特性相适应，将机、炉之间有机协调，共同适应电网的负荷要求；通过解耦控制提高CCS在各种不确定因素扰动发生时的适应性。负荷/MW1802102402701234567891011121314151617181920t/minP/MPa101112131415负荷指令机组负荷压力定值主汽压力CCS响应特性曲线协调控制系统RB功能概述组成、分类存在问题解决方案投运效果概述RunBack（RB）功能是协调控制系统（CCS）的重要组成部分，设计的目的是保证在辅机故障跳闸后，协调控制系统自动迫降负荷至机组所允许的预定值，保证机组在此工况下的安全、经济、稳定运行。为了保证RB功能的正常实现，必须进行RB试验，RB试验是协调控制系统乃至整个热控系统在调试及投运过程中的一个综合性的重要试验项目，RB试验不仅是检验协调控制系统及其它自动控制系统调节品质和性能，以及在辅机故障跳闸后的抗干扰能力，而且通过RB试验对其控制回路进行逐步的调整和优化，使热控系统在最佳工况下运行，从而实现机组的全程负荷控制。RB试验不仅对机组的整体性能及自动化水平的提高有重大的意义，而且从客观及主观上都具有相当的技术难度。组成、分类协调控制系统RB功能主要包括：机组最大可能出力运算回路、RB激活回路、RB限速回路以及FCB功能。当机组由于辅机故障发生RB时，协调控制系统运行在汽机跟随方式，汽机主控维持当前机前压力，锅炉主控开环迫降负荷至机组所允许的最大负荷，参与RB运算的项目主要包括：–锅炉燃料（磨煤机）–引风机–送风机–一次风机–给水泵–FCB（FastCutBack）存在问题–锅炉燃烧不稳定，炉膛负压波动较大，甚至造成锅炉灭火，其原因主要是RB发生后，锅炉的负荷迫降速率设定不合理所至；–锅炉汽水系统运行不稳定，锅炉汽包水位、主汽温度等参数波动较大，严重威胁机组的安全、稳定运行，其原因主要是在RB这一特定的恶劣工况下，机组的运行方式不合理所至；–RB发生后，负荷波动较大，稳定时间长，特别是RB复归后，更加巨了负荷的稳定周期，使机组运行极不稳定，就其原因主要是在降负荷过程中，RB复归时机掌握不好，复归以后机组的运行方式不确定所造成的；–给水泵跳闸发生RB，容易造成由于汽包水位低灭火，其原因主要是由以下两方面因素所至：其一负荷迫降较慢，相应地增加了给水需求量；其二是给水量不够，不能弥补汽水不平衡造成的空缺；–一次风机跳闸发生RB，往往发生由于一次风压低而引起磨煤机跳闸、锅炉灭火，如何在RB发生的瞬间，快速提高一次风压是解决这一问题的关键。解决方案负荷迫降速率的确定机组运行方式的确定RB复归功能给水泵RB一次风机RBFCB功能负荷迫降速率的确定通过对不同类型机组（包括直吹式及中储式）的RB试验情况表明：磨煤机RB的负荷迫降速率为100%/min左右；引、送风机RB的负荷迫降速率为300%/min左右；一次风机RB的负荷迫降速率为300%/min左右；给水泵RB的负荷迫降速率为300%/min左右；FCB的负荷迫降速率为100%/min左右。通过合理设定负荷迫降速率，保证了锅炉燃烧的稳定，避免了锅炉灭火等现象。机组运行方式的确定在通常设计中，RB发生后CCS切换至汽机跟随方式运行，机组可在定压或定~滑压方式运行，采用不同运行方式的试验结