外高橋1000MW超超臨界機(jī)組閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       上海外高橋第三發(fā)電廠2×l000MW超超臨界機(jī)組的鍋爐島采用上海鍋爐廠有限公司利用Alstom Power技術(shù)生產(chǎn)的直流鍋爐，其型式為1000MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式鍋爐；汽輪機(jī)島采用上海汽輪機(jī)有限公司利用西門子技術(shù)生產(chǎn)的汽輪機(jī)，其型式為100MW超超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級(jí)回?zé)岢槠?；儀控島采用西門子公司的分散控制系統(tǒng)（DCS）及其過(guò)程控制軟件。

      本文將以該廠1000MW超超臨界機(jī)組閉環(huán)控制中的協(xié)調(diào)、給水和汽溫控制系統(tǒng)為例，介紹和分析其設(shè)計(jì)思想和控制策略。

      一、閉環(huán)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與分析

      閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括協(xié)調(diào)、燃燒、給水和汽溫控制系統(tǒng)。其整體設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1。

      

      l.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

      協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括負(fù)荷指令設(shè)定、輔機(jī)故障減負(fù)荷（RB）、頻率校正、壓力設(shè)定、鍋爐主控、汽輪機(jī)主控和熱值校正回路。它包括4種運(yùn)行模式:協(xié)調(diào)控制模式（CCS）；鍋爐跟隨模式（BF）；汽輪機(jī)跟隨模式（TF）和基本模式（BASE）。

      負(fù)荷指令設(shè)定回路接受中調(diào)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）指令，經(jīng)速率限制，負(fù)荷上、下限限制和負(fù)荷指令增、減閉鎖等運(yùn)算后分別送往機(jī)、爐主控等回路；頻率校正回路把頻差信號(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)荷偏差信號(hào)，分別疊加到鍋爐主控和汽輪機(jī)主控的指令上；壓力設(shè)定回路提供定/滑壓運(yùn)行2種設(shè)定值，2種方式之間可無(wú)擾切換，滑壓值是負(fù)荷的函數(shù)f1（x）；熱值校正回路在煤種發(fā)生變化時(shí)對(duì)給煤機(jī)轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行修正以保證機(jī)組功率不變。

      1.1.1 鍋爐主控回路

      本協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為以爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，即鍋爐控制壓力、汽輪機(jī)控制功率。在CCS模式時(shí)，鍋爐主控指令由以下4部分疊加而成:

      （1）基本指令:機(jī)組負(fù)荷指令+頻差信號(hào)。該指令作為鍋爐主控指令的基本值去控制燃料量，使鍋爐主控指令對(duì)應(yīng)于負(fù)荷及頻率的改變有一個(gè)變化量；

      （2）機(jī)組負(fù)荷指令與頻差信號(hào)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)。主要考慮在負(fù)荷與頻率變化時(shí)對(duì)鍋爐蓄熱量變化的基本補(bǔ)償；

      （3）壓力調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)。壓力的變化代表了機(jī)爐能量的不平衡，因此需根據(jù)壓力變化相應(yīng)改變?nèi)剂狭恳赃_(dá)到機(jī)爐新的平衡，該信號(hào)對(duì)負(fù)荷指令進(jìn)行細(xì)調(diào)；

      （4）壓力偏差對(duì)鍋爐蓄熱的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)。不同負(fù)荷下對(duì)于同樣的壓力偏差鍋爐需補(bǔ)償?shù)男顭崃浚毫浚┎煌?，因此，?yīng)根據(jù)負(fù)荷指令和壓力偏差對(duì)鍋爐主控指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

      l.1.2 汽輪機(jī)主控回路

      汽輪機(jī)主控為CCS和汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）之間的接口，在CCS模式下其被調(diào)量為實(shí)際功率，給定值由3部分疊加而成:（1）機(jī)組負(fù)荷指令及其動(dòng)態(tài)前饋。動(dòng)態(tài)前饋是在變負(fù)荷時(shí)為充分利用機(jī)組蓄熱，通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)門提前動(dòng)作，允許汽壓有一定的波動(dòng)而釋放或吸收部分蓄能，加快機(jī)組初期負(fù)荷的響應(yīng)速度而采取的手段。（2）頻差信號(hào)。（3）壓力拉回回路。即經(jīng)過(guò)死區(qū)特性和限幅特性的壓力偏差信號(hào)，其目的是當(dāng)機(jī)前壓力偏差較小時(shí)，由鍋爐控制壓力，維持機(jī)前壓力為定值；當(dāng)機(jī)前壓力偏差較大時(shí)，有可能超過(guò)鍋爐主控的調(diào)節(jié)范圍，此時(shí)汽輪機(jī)主控也參與調(diào)壓，二者共同作用可迅速使機(jī)前壓力回到設(shè)定值，加快整個(gè)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

      解耦回路的設(shè)計(jì):鍋爐側(cè)對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)遠(yuǎn)慢于汽輪機(jī)側(cè)，故用多階慣性環(huán)節(jié)PTn即1/（l+Ts）n來(lái)匹配二者之間的動(dòng)態(tài)特性，PTn代表從機(jī)組負(fù)荷指令變化到新蒸汽產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

      1.2 基于比值控制的總風(fēng)量、燃料量和給水流量指令設(shè)計(jì)

      在直流爐中給水變成過(guò)熱蒸汽是一次完成的，鍋爐的蒸發(fā)量不僅決定于燃料量，同時(shí)也決定于給水流量。因此，超臨界機(jī)組的負(fù)荷控制是與給水控制和燃料量控制密切相關(guān)的；而維持燃水比又是保證過(guò)熱汽溫的基本手段；一定的風(fēng)煤比是燃燒經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，總風(fēng)量、燃料量指令和給水流量指令的產(chǎn)生均與負(fù)荷指令密不可分:

      （1）總風(fēng)量指令＝風(fēng)煤比函數(shù)f4（鍋爐主控指令）×氧量校正，氧量校正回路的設(shè)定值為負(fù)荷的函數(shù)f6（x）。

      （2）燃料量指令＝鍋爐主控指令+焓值調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)解耦，函數(shù)f3（x）是鍋爐負(fù)荷——燃燒效率的函數(shù)。

      （3）給水流量指令＝遲延的鍋爐主控指令+焓值調(diào)節(jié)器的輸出。

      （4）燃料量控制與給水控制的解耦設(shè)計(jì):一方面，鍋爐熱負(fù)荷（燃料量）的變化相對(duì)于給水流量的變化是一個(gè)慢速過(guò)程（PTn）；另一方面，微過(guò)熱蒸汽焓的變化又是燃水比失調(diào)的迅速反映，而負(fù)荷與溫度的控制又要求保證一定的燃水比，因此，代表鍋爐熱負(fù)荷（燃料量）動(dòng)態(tài)特性的多階慣性環(huán)節(jié)PTn和焓值調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)解耦被應(yīng)用于燃料量控制與給水控制的解耦設(shè)計(jì)。

      二、給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

      給水控制系統(tǒng)包括蒸發(fā)器理論吸熱量計(jì)算、焓值控制、一級(jí)減溫器前后溫差控制、給水流量設(shè)定值計(jì)算和燃料量與給水的解耦控制等多個(gè)回路，其原理見(jiàn)圖2。

      2.1 蒸發(fā)器理論吸熱量計(jì)算

      蒸發(fā)器理論吸熱量＝理論給水流量×省煤器出口到分離器出口的理論焓增－蒸發(fā)器金屬蓄熱量的變化量

      理論焓增和理論給水流量分別是負(fù)荷指令的函數(shù)f1（x）和f2（x）。負(fù)荷變化時(shí)，爐膛熱負(fù)荷的變化相對(duì)于給水量的變化是一個(gè)遲延較大的對(duì)象，因此負(fù)荷指令要經(jīng)多階慣性的遲延后才轉(zhuǎn)化為理論給水流量；對(duì)于來(lái)自燃料量的內(nèi)擾，給水流量也有相應(yīng)的變化量。

      當(dāng)分離器出口蒸汽壓力變化時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)金屬的蓄熱也將發(fā)生變化，無(wú)論是吸熱還是放熱，這部分熱量都將影響到給水的實(shí)際吸熱量，因此應(yīng)從蒸發(fā)器理論吸熱量的計(jì)算中排除。

      2.2 焓值控制回路及變參數(shù)校正

      根據(jù)分離器出口微過(guò)熱蒸汽的焓能迅速判斷燃水比是否失調(diào)，因此采用微過(guò)熱蒸汽焓值調(diào)節(jié)器的指令去修正給水流量指令以保證燃水比的平衡，從而保證過(guò)熱汽溫為給定值。其中焓值設(shè)定值為負(fù)荷的函數(shù)f4（x）。在負(fù)荷變化50%-時(shí)，過(guò)熱汽溫被控對(duì)象的增益變化達(dá)5-6倍，時(shí)間常數(shù)變化也有2-3倍，因此采用變參數(shù)控制，即用代表負(fù)荷的鍋爐主控指令乘以微過(guò)熱蒸汽焓值調(diào)節(jié)器的輸出，再去調(diào)節(jié)給水流量以適應(yīng)控制特性變化了的控制對(duì)象——過(guò)熱汽溫。

      2.3 一級(jí)減溫器前后溫差控制回路

      當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，燃料量的變化導(dǎo)致鍋爐出口煙溫和煙氣流速發(fā)生變化，勢(shì)必影響爐膛內(nèi)輻射傳熱量和煙道內(nèi)對(duì)流傳熱量的變化，一、二級(jí)過(guò)熱器分別為屏式和對(duì)流式過(guò)熱器，這2種過(guò)熱器的溫度特性相反，如當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，前者出口溫度將下降，而后者則上升，此時(shí)若減少一級(jí)減溫器的噴水流量將直接惡化二級(jí)噴水減溫的調(diào)節(jié)能力，可能導(dǎo)致二級(jí)過(guò)熱器出口溫度超溫，因此，溫差調(diào)節(jié)器的任務(wù)就是維持一級(jí)減溫器前后溫差為負(fù)荷的函數(shù)f3（x），并用其輸出修正焓值設(shè)定值從而改變給水流量指令以保證過(guò)熱汽溫。

      2.4 給水流量設(shè)定值計(jì)算

      給水流量設(shè)定值＝蒸發(fā)器理論吸熱量÷（省煤器出口到分離器出口的實(shí)際焓增+焓值調(diào)節(jié)器的輸出）

      省煤器出口到分離器出口的實(shí)際焓增＝焓值設(shè)定值-省煤器出口給水實(shí)際焓值

      省煤器出口給水實(shí)際焓值的作用體現(xiàn)在其導(dǎo)前控制上:當(dāng)其增加時(shí)，表示給水從煙氣的吸熱量增加，即燃料量增加，因此給水流量也應(yīng)迅速增加；反之，給水流量也應(yīng)迅速減少。

      zui后，給水流量設(shè)定值與直流爐要求的zui小給水流量取大形成給水流量指令。

      三、過(guò)熱蒸汽減溫水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

      減溫水控制包括過(guò)熱器一、二級(jí)減溫水和再熱器事故噴水控制系統(tǒng)，均是基于Smith模型預(yù)估控制的單回路控制?，F(xiàn)以二級(jí)過(guò)熱器減溫水控制系統(tǒng)為例介紹其控制思想（見(jiàn)圖3）。

      3.1 焓值變?cè)鲆嫘Ｕ?br />
      當(dāng)過(guò)熱蒸汽焓值變化時(shí)，為維持過(guò)熱汽溫所需的減溫水流量應(yīng)有所不同。例如對(duì)于同樣的溫度偏差（+5℃），當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度、壓力不同時(shí)其焓值也不同，此時(shí)所需要的減溫水量也不同，因此焓值校正有助于減少控制系統(tǒng)的振蕩，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。

      3.2 Smith預(yù)估控制

      Smith預(yù)估器的原理是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被遲延了τ的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作。當(dāng)減溫水閥動(dòng)作時(shí)，二級(jí)過(guò)熱器入口的蒸汽溫度變化很快，而出口溫度變化很慢（存在純遲延τ），因此Smith預(yù)估器的作用就是要消除純遲延，使被調(diào)量是二級(jí)過(guò)熱器入口的蒸汽溫度而不是出口的蒸汽溫度。圖3為二級(jí)過(guò)熱器減溫水控制系統(tǒng)原理示意。      

      圖3中，e-τsGT（s）是二級(jí)過(guò)熱器出、入口溫度T2（s）和T1（s）之間的傳遞函數(shù)，即，或T2（s）=T1（S）e-τsGT（s）。

      式中：GT（s）一般為一階慣性環(huán)節(jié)。則調(diào)節(jié)器入口的被調(diào)量為：

      T1（S）[1-e-τsGT（s）]+T2（s）=T1（s）-T1（s）e-τsGT（s）+T2（s）=T1（s）。

      從式中看到，包含有純遲延環(huán)節(jié)τ的e-τs GT（s）被消除了，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中被調(diào)量由T2（s）變成了具有快速特性的對(duì)象T1（s），采用常規(guī)PID控制即可獲得良好的控制品質(zhì)。而在穩(wěn)態(tài)時(shí)，被調(diào)量仍然是二級(jí)過(guò)熱器出口溫度T2（s）。

      超超臨界機(jī)組是被控特性復(fù)雜多變的對(duì)象，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化，同時(shí)具有強(qiáng)烈的非線性耦合特性，再加上蓄熱系數(shù)遠(yuǎn)比汽包爐小等因素，因此，在閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要多考慮使用比值控制、變參數(shù)控制和預(yù)估控制等*控制手段以達(dá)到更好的控制效果。