機爐協調控制系統

機爐協調控制系統是協調控制汽機(鍋爐)功率調節器和鍋爐(汽機)壓力調節器的系統。是蒸汽動力裝置自動控制系統的重要組成部分。協調控制系統是把鍋爐及汽輪機作為一個單元機組的整體進行綜合控制時所用的控制系統，是整個動力裝置控制系統的一部分,整個控制系統是由負荷控制系統（主控系統），常規控制系統（子控制系統）和負荷控制對象3大部分組成的。詳細介紹了控制系統的研究現狀、系統組成、特點、主要任務、控制方法等內容。

基本介紹

• 中文名：機爐協調控制系統
• 外文名：boiler-turbine coordinated control system
• 簡稱：CCS
• 類型：節能控制技術
• 領域：能源
• 學科：熱力學、控制學科

簡介

機爐協調控制系統是蒸汽動力裝置自動控制系統的重要組成部分,為了同時滿足快速回響負荷需要和維持動力裝置主要運行參數穩定這3個方面的要求，在動力裝置自動控制系統的設計中必須考慮到"主鍋爐和主汽輪機是一個具有相對獨立性的整體這一特點，採取相應措施，讓機爐在不同程度上同時按負荷需求的變化和主要運行參數的偏差分別進行調節，從而在滿足負荷需求的同時，保持主要運行參數的穩定。

國內外的研究動態

單元機組的負荷控制系統又稱為協調控制系統,是將鍋爐、汽機及輔機作為一個整體加以控制的十分複雜的多變數控制系統,該系統有機的、協調的控制鍋爐的燃料、送風、給水以及汽機調節閥門開度,使各變數間的影響最小。它是建立在汽機控制子系統和鍋爐控制子系統基礎上的主控系統和機、爐子控制系統組成的二級遞階控制系統。處於調節級的主控系統是協調控制系統的核心,它對負荷指令進行運算處理形成控制決策,給出汽機負荷指令和鍋爐負荷指令。處於局部控制級的各子系統在機、爐主指令下分工協調動作,完成給定的控制任務。單元機組協調控制系統的任務是:既要保證機組快速回響負荷需求,又能使機組的主要參數機前壓力在變負荷的過程中保持相對穩定。

因為被控對象同時具有多變數強耦合、非線性、大慣性大遲延、慢時變等多種控制理論公認難以控制的特性,目前於火電機組協調控制系統在理論上和工程上的研究涉及面非常廣泛。近十年研究工作主要集中於:

(1)神經網路控制。神經網路是由許多具有並行運算的、功能簡單的信息處理單元(人工神經元)相互連線組成的網路。網路的信息處理通過處理單元之間的相互作用來實現。它所引出的經驗學習方法以及實現非線性函式逼近的見解給複雜系統的建模帶來了一種新的、非傳統的表達工具,降低了不確定性,增加了控制系統適應環境變化的泛化能力。由於大量神經元之間廣泛連線,即使有少量單元或連線損壞,也不影響系統的整體功能,使其表現出很強的魯棒性和容錯性。

(2)預測控制。華北電力大學的侯國蓮等人為解決單元機組協調控制系統的高精度和快速負荷跟蹤控制的問題,將預測函式控制套用於多變數複雜控制系統中,提出一種基於階躍回響模型的多輸入多輸出系統的預測函式控制算法王國玉在其博士學位論文預測函式控制及其在火電廠中的套用研究一文提出了一種新型PFC算法,將此算法推廣到多變數情。哈爾濱工業大學的馬述軍等人針對單元機組負荷控制的特點,從對受控模型要求不太嚴格的非參數模型一階躍回響出發,運用動態矩陣控制算法,,設計了基於動態矩陣控制原理的機組負荷預測控制系統[22]。

(3)模糊控制。華北電力大學的劉吉療等人為解決火電單元機組協調控制系統的動態非線性和稱合特性,設計了基於T-S模糊模型和動態解稱PID控制器的模糊多模型協調控制系統。

(4)內模控制。東南大學的李益國等人提出一種基於系統T-S模糊模型的模糊內模控制方法,該方法首先利用快速辨識算法獲取系統的T-S模糊模型,然後通過適當變形,把模糊模型求逆問題簡單的轉化為求解線性方程組,並將遺傳算法套用於涉及的多個濾波器參數的尋優華北電力大學的房方等人,根據單元機組的低階非線性模型,推導出一個雙輸入鼠輸出、能夠描述機組動態特性及機爐間相互稱合關係的傳遞函式矩陣。以該矩陣為基礎,採用多變數內模控制的方法對單元機組協調控制系統進行設計。

(5)狀態觀測器控制。韓忠旭等人在單元機組機理性數學模型的基礎上,設計了一種增量式狀態觀測器,提出基於狀態觀測器的狀態反饋與常規PID控制相結合的新型控制方法。同時,基於增量型狀態觀測器的狀態反饋,設計了具有預測功能的預給煤運算控制迴路。有效解決了機爐協調被控對象的非線性、參數慢時變遲滯與大慣性以及強賴合等問題華北電力大學曾德良在其博士論文中也提及這一研究思路。

機爐協調控制系統組成

動力系統的協調控制系統是把鍋爐及汽輪機作為一個單元機組的整體進行綜合控制時所用的控制系統，是整個動力裝置控制系統的一部分,整個控制系統是由負荷控制系統（主控系統），常規控制系統（子控制系統）和負荷控制對象3大部分組成的，如圖所示。

協調控制系統組成框圖

負荷控制系統由符合指令處理部分（負荷管理控制中心）和機爐主控制器3部分組成,從機爐主控制器形成和發出的主控指令，分別去控制鍋爐及汽輪機子控制系統。

機爐協調主控器

該主控器是CCS系統工作協調的指令中心,機爐協調主控器接受並處理外部負荷指令,形成日標負荷控制信一號,控制汽機和鍋爐協調動作,使機組能較快地適應負荷的增減,保持汽壓在允許範圍內變化,根據機組實際運行情況適時切換控制方式。

機爐協調主控器由負荷指令運算器(loaddemandeomputer)、鍋爐主控器(boilermaster)及汽機主控器（turbinemaster)等組成。

1、負荷指令運算器

負荷指令運算器(LDC)LDC包括負荷指令處理迴路、負荷及壓力設定迴路、工作方式切換邏輯等功能模組。負荷指令處理迴路負責處理各種外部負荷指令並根據系統工作方式給出相應的目標負荷控制信號。壓力設定及變壓(sliding)、定壓(eonstant)方式切換由壓力設定迴路來完成。

2、爐主控器

機、爐主控器各由兩個獨立的PID調節器構成,功率調節和壓力調節各一個。功率調節器以發電機功率信號為被調過程量,LDC目標負荷為給定值,工作方式不同目標負荷內容也將不同。壓力調節器以機前壓力為主信號,LDC目標壓力為給定值。切換邏輯使機、爐主控器組成不同的控制方式。

燃燒控制子系統

包括燃料、送風、引風、一次風、二次風箱壓差、空氣預熱器入口溫度調節等。

1)氧量校正

鍋爐煙氣氧量是氧量校正調節器的主信號,給定值則引入了多元補償的概念,由LDC目標負荷、制粉系統啟動偏置以及手動偏置等多個信號組成。LDC目標負荷經過函式處理後具有高負荷低氧量、低負荷高氧量的負特性,有助於鍋爐高負荷時的經濟運行和低負荷時的燃燒穩定;制粉系統啟動偏置分別取自4套制粉系統排粉風機入口擋板執行器閥位電流,是為了兼顧維持安全的二次風壓與相對合適的風煤配比以及補償在啟停過程中對鍋爐燃燒的擾動;手動偏置是為人工調整而設。鍋爐主控器以機前壓力為被調過程量,代表燃燒率的主控器輸出先經超前/滯後處理後,再由氧量校正調節器修正,使其能在不同的負荷下保持經濟燃燒。校正後的鍋爐主控器輸出、總風量、燃料量、蒸汽流量等信號,經過交叉限幅環節產生風量請求和燃料請求輸出指令,分別控制送風和燃料調節系統在增加燃燒強度時先加風后加煤;減少燃燒強度時先減煤後減風,保證鍋爐變工況時入爐煤充分燃燒,以及穩定運行時保持合適的風煤配比。由燃料量、蒸汽流量信號構成內擾抑制環節,增加燃燒調節穩定性。

2)燃料調節

燃料調節器接受氧量校正迴路交叉限幅環節的燃料指令作為給定值,信號進入調節器之前,經過微分環節以減小鍋爐燃燒慣性。20台給粉滑差控制器與冗餘過程控制站直接接口,用軟體實現單操、層操及總操。如何選取燃料率反饋信號一直是燃燒調節中的難題,該系統嘗試以傳統“熱量”信號校正給粉機轉速來代表燃料量,這樣既能利用給粉機轉速反應的快速性,又在一定程度上補償因煤質變化和給粉機下粉不勻對燃燒調節產生的干擾。協調控制與常規控制主要區別在機爐協調主控器,燃燒調節採用了一些新的構想也作了簡要說明,其它常規調節迴路不再詳述。

機爐協調控制系統的特點

系統中有功能較強的控制算法,套用這些算法不但能改善自動調節系統的調節品質,且對自動調節系統的運行也起到安全保護作用。

品質監測和偏差保護

品質監測主要用來監視輸入信號是否正常。對未採取多重設定的重要信號,可以利用QC監測功能增加系統的可靠性。過程輸入與給定值的偏差或調節器輸出與執行機構反饋的偏差超過設定值,說明系統已經出現故障,偏差保護此時會起到安全保護作用。

超馳控制

當系統接到事故報警、偏差越限、設備故障等異常情況時,超馳邏輯將根據事件發生的原因執行自動切手動(MRE)、優先開P(RA)、優先關(PLW)、禁止升(RAI)、禁止降(LWI)等功能,直接控制調節機構或轉換當前工作方式,將系統轉到預先設定好的安全狀態。它是回響系統異常、切換控制方式的保護手段。

大量使用函式算法

大容量機組在不同負荷下,機、爐和各種輔機及設備存在不同特性,利用函式算法可以比較精確地模擬被調對象的變化規律,能有效克服PID算法的局限性,擴展系統調節範圍。在控制迴路中不同的另一重要套用領域是處理非線性輸入信號和用反函式修正各種閥門擋板特性,提高控制精度。

系統結構先進

採用遞階控制結構,在機爐子控制迴路基礎上引入機爐協調級,把鍋爐、汽輪機、發電機組作為一個整體加以控制。能直接接收電網中調指令,為實現電網自動調度和協調控制奠定了基礎。

控制策略合理

機爐主控制器的設計中根據機爐動態特性方面的特點引入前饋、補償及變結構控制等技術,克服系統的稱合和非線性因素,因而可獲得良好的控制品質。

系統功能完善

除正常功能調節外,還具備局部故障處理,各種運行方式切換、選擇等管理功能。由於目前採用先進的分散控制系統實現,完備的畫面顯示功能,報警列印功能以及人機接口等形成先進的自動化系統。

協調控制系統主要任務

(1)接受負荷指令、運行值班人員的負荷指令和電網頻率偏差信號,及時回響指令要求,以滿足中調負荷變化的需要;

(2)機爐之間相互協調運行,當機組功率變化率較大,可以保持機爐間的能量的平衡,且能夠維持機組主汽壓力的穩定;

(3)單元機組協調系統內部燃料系統、給水系統、送風系統、爐腔壓力、汽溫等子系統的平衡;

(4)系統外部負荷指令與主、輔設備實際承受能力的關係;

(5)消除各種情況下擾動的影響,穩定單元機組運行。

機爐協調控制方法分析

機爐協調控制方法從其控制結構出發有2種指導思想：一種是以反饋控制為基礎的，適當加入一些前饋信號作為輔助調節以改善控制品質；另一種則從能量平衡的角度考慮前饋的控制，力爭做到前饋補償後，鍋爐和汽輪機就能協調一致地達到所需要的負荷，反饋作用僅在此基礎上起校正作用。這樣機爐主控制器就有2種分類方法：一種以反饋迴路分類，一種以能量平衡分類。

以反饋迴路分類

1） 以鍋爐跟隨主汽輪機方式為基礎的協調控制系統；

2） 以主汽輪機跟隨鍋爐方式為基礎的協調控制系統

以能量平衡分類可分

1）直接能量平衡控制系統；

2）間接能量平衡控制系統。

機爐機組運行方式分析

動力裝置控制的對象很多，但其主控制對象是鍋爐和汽輪機，包括機組輸出功率是指機組對外提供的能量輸出。當機組負荷變化時，鍋爐和汽輪機的回響速度是不同的，汽輪機主汽閥動作就可使蒸汽流量迅速變化，以適應外界負荷變化的需要，而鍋爐從燃料和水變化到蒸汽量變化必須有一定的過程，機組功率回響較慢。另外，為保證機組安全運行，當負荷變化時，要求主汽壓保持在一定範圍內波動，所以怎樣調節鍋爐和汽輪機以適應負荷變化和保持汽壓就形成了機組的不同運行方式。一般情況採用定壓和滑壓2種運行方式

1）定壓運行方式

鍋爐調壓系統的壓力定值由操作人員設定，一般定在額定值，從中調來的負荷的指令作用在汽輪機調節系統，改變功率定值，進而改變調門開度以改變負荷。然後由鍋爐調壓系統改變燃料量以維持能量平衡。這是一種鍋爐跟隨汽機的運行方式。這種運行方式下，汽機雖然能利用鍋爐蓄能很快改變機組負荷，但這種改變不能持久。由於調壓系統回響較慢，在達到最終穩態之前，機前壓力的動態偏差將較大。

2）滑壓運行方式

滑壓運行就是在汽輪機調節汽門節流很小的情況下，通過改變鍋爐的負荷，使調節汽門前的主蒸汽溫度不變，主蒸汽壓力隨負荷變化的運行方式。為了滿足機組自動滑壓的控制功能，協調控制系統需要在壓力設定值的生成主蒸汽壓力做相應的改進。純滑壓運行時，在汽輪機的整個負荷變化範圍內，汽輪機的所有調節汽門保持全開，完全靠汽輪機進汽壓力的變化來控制機組的出力。在純滑壓運行方式下，由於機組無法利用鍋爐的蓄熱能力，負荷回響慢。