协调控制系统锅炉主控异常分析及优化

1、    协调控制系统锅炉主控异常分析及优化    李军亮摘 要：目前大容量、高参数单元机组负荷控制已普遍采用协调控制系统，协调控制系统快速安全的调节机炉，以提高发电机组的深度调峰能力，并保证电力供应的稳定性。因此对火电厂协调控制系统的稳定性、安全性、快速性的要求越来越高，协调控制系统的稳定运行对于火电厂来说至关重要，是衡量火电厂自动化水平的重要标志。文章针对协调控制系统中一起锅炉指令异常大幅度摆动事件，对锅炉主控进行分析和计算，研究出摆动的原因并提出相关的优化方案。不仅有助于提高协调控制系统的稳定性，保证锅炉安全运行，也对其余模拟量控制系统异常分析和优化

2、具有一定的参考意义。关键词：协调控制系统；锅炉主控；异常摆动；优化：tk229 文献标志码：a ：2095-2945（2017）30-0069-02引言阳城电厂6×350mw机组锅炉采用美国福斯特·惠勒（f&w）公司生产的“w“型火焰燃煤汽包锅炉，配备四台双进双出正压直吹式钢球磨煤机；汽机采用德国siemens公司生产的亚临界，一次再热，单轴，双缸，双排汽，凝汽式汽轮机；热控设备采用siemens公司生产的telepermxp分散控制系统。协调控制系统控制方案由德国siemens公司提供，并在实际投运中结合以往同类型机组的成功经验进行了相应的改进；以提高机组的负荷响

3、应能力。主要设计思想是将锅炉和汽机作为一个整体，完成对机组负荷、锅炉主汽压力的控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。随着火电厂装机容量越来越大、电网对火电厂的要求也越来越高，火电厂人员数量配置有限，因此对火电厂协调控制系统的稳定性，安全性、快速性的要求越来越高。协调控制系统快速安全的调节机炉，以满足电网对火电厂负荷快速调度的要求。因此，协调控制系统的安全稳定运行是衡量火电厂自动化水平的重要标志。下面就一起协调控制系统锅炉主控不稳定运行的案例分析，希望对大家有所帮助。1 背景介绍协调控制系统可分为以下七个部分：（1）单元负荷指令形成回路；（2）runback回路；（3）频率校正回路；（4）压力设定

4、值回路；（5）锅炉主控；（6）汽机控制接口回路；（7）热值修正回路。在本文中，是因锅炉指令引起的锅炉震荡，故此主要分析锅炉主控的相关问题。锅炉主控回路是负荷指令回路与燃烧控制系统之间的接口，即通过该回路将经过修正的机组负荷指令发送到二次风量控制回路及燃料控制回路，以协调锅炉出力与负荷指令之间的匹配关系。此回路既可以工作在自动方式，也可以工作在手动方式，能够完成单元机组在各种工况下的控制功能。锅炉指令的产生：锅炉指令由四部分组成（如图1），分别为负荷设定值前馈pe：在负荷指令发生变化时，第一时间增大或减小锅炉指令，减少不必要的计算环节，快速的指挥锅炉；汽包压力微分前馈：因汽包压力较主汽压力能提前

5、反应锅炉的能量的变化，此部分前馈能减小锅炉在调节系统中的惯性；压力设定值微分前馈：实现在升降负荷过程中过加煤或过减煤；压力偏差的pid，y=kpe（t）+e（t）dt+td：根据主汽压力和压力设定值的偏差来调整锅炉动作，最终使主汽压力等于压力设定值。2 具体现象指令摆动前工况：机组协调运行，增压风机为停运状态，最大允许负荷90%；三台磨煤机自动运行最大允许负荷90%，负荷190mw（54.3%），主汽压力10.8mpa，汽包压力11.5mpa。在启动第四台磨煤机过程中出现锅炉指令摆动情况，摆动范围60%90%之间，摆动幅值达30%，极大地威胁锅炉安全运行。3min后运行人员将锅炉主控切手动运行

6、，机组切“机跟随”方式运行，汽机控制主汽压力，锅炉由运行人员手动控制并维持稳定。具体曲线如图2所示。3 原因分析由图2曲线中可以看到，影响锅炉指令的四部分中，负荷设定值，压力设定值，汽包压力基本保持不变，排除了此三部分作用的影响，基本判断问题出在pid部分。压力偏差pid部分重点分析如图3。图3中所有参数均为百分数，各部分介绍如下：pid的参数设置为：kp=0.7，ti=120s，td=60s锅炉最大允许负荷由机组rb回路完成，辅机全部运行时为120%，当辅机发生跳闸或停运时，锅炉最大允许负荷将发生变化，其中每台磨煤机最大负荷30%，增压风机最大负荷90%，一次风机50%。锅炉摆动时锅炉最大允

7、许负荷为90%，当时增压风机为停运状态。锅炉最小允许负荷，能保证锅炉稳定燃烧的最小負荷，此处为25%，数据由锅炉厂家给出。实际燃料量=在运行的磨煤机负荷平均值+锅炉燃油换算值。如图3所示，主汽压力的偏差首先和锅炉当前的最大出力裕度取小再和当前允许最小出力裕度取大，结果送入pid进行运算。其中锅炉的当前最大出力裕度为锅炉最大允许负荷减去当前燃料量，当前允许最小出力裕度为当前燃料量减去锅炉最小允许负荷。这样设计是因为此pid中的积分不具备防止积分饱和功能。在锅炉指令接近最大允许负荷时，限制pid压力偏差增大，避免积分部分输出持续增大；相反在锅炉指令接近最小允许负荷时，限制pid偏差减小，避免积分部

8、分持续减小，有效避免了积分饱和的影响。出现锅炉指令摆动的原因分析：运行人员启动第四台磨煤机，该磨煤机手动运行，运行人员手动增加燃料。总燃料量因第四台磨煤机燃料的加入而增大，导致总燃料量大于锅炉指令，在燃料主控的作用下将其余三台自动运行的磨煤机燃料减小，维持燃料量等于锅炉指令。由于刚启动的磨煤机出口风粉温度低，大量温度较低的风粉混合物吹入锅炉，不仅不能完全燃烧释放热量，而且降低了炉膛温度。导致在总燃料量基本不变的情况下，炉膛发热减少，主汽压力降低。endprint随着主汽压力的降低，在锅炉主控pid部分的作用下，锅炉指令持续上升，燃料量随锅炉指令持续增大。因当时锅炉最大允许负荷为90%（增压风机

9、处于停运状态），当锅炉最大允许负荷与总燃料量的差小于压力偏差时，图3中小选功能块起作用，压力偏差被限制为锅炉最大允许负荷减去实际燃料量，并随着燃料量的增大，pid的入口偏差逐渐减小；当燃料量=90%时，送入pid的偏差被限制为0。在此过程中，压力偏差pid接收到逐渐缩小的偏差，在pid中比例和微分的作用下锅炉指令快速减小，控制锅炉燃料量减小。随着燃料量的减少，pid入口偏差被缓慢释放出来，pid收到逐渐增大的偏差，控制锅炉指令增大，锅炉指令控制燃料量增大再次将压力偏差限制住。如此周而复始导致锅炉指令不断摆动。考虑当时实际工况，压力设定值ps=10.921 mpa，实际压力p=9.556 mpa

10、，额定压力16.67mpa，死区0.1%。因此pid的输入偏差最大为：（10.921-9.556）/16.67*100%-0.1%=0.72%，最小偏差为燃料量为90%时的0%。因偏差较小，比例造成的影响不大，主要考虑pid中微分部分。微分部分根据公式1计算， dpart=0.7*60*0.72%=30.24%，和实际运行出现锅炉的摆动幅度基本吻合，因此判断此次事件是由运行的操作引起，控制系统参数设置不合理造成的4 解决处理方案（1）启动磨煤机充分暖磨，确保入炉煤能完全燃烧并转换为热能。（2）优化协调控制系统锅炉主控参数，减小锅炉主控pid部分中微分的作用强度，增强比例和积分作用强度。适当增加

11、汽包压力微分部分强度，以替代pid中微分在稳态时的作用。考虑到汽包压力的微分在机组升降负荷时会对锅炉主控起到相反作用，在其强度增大后影响尤其明显，因此在机组升降负荷时将汽包压力的微分部分切除。（3）取消压力偏差和锅炉裕度取大取小的限制；增加锅炉主控指令达到锅炉最大允许负荷且主汽压力仍偏低时，发锅炉主控闭锁增信号，同时切除pid部分积分的作用避免积分饱和。5 结束语微分具有超前作用，对于具有滞后的控制系统，引入微分控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态偏差减小。在微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的微分（即偏差的变化率

12、）成正比关系。自动控制系统在克服偏差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后的被控对象，具有抑制偏差的作用，其变化总是落后于偏差的变化。解决的办法是使抑制偏差作用的变化“超前”，即在偏差接近零时，抑制偏差的作用就应该是零。微分项能预测偏差变化的趋势，从而做到提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，改善了系统在调节过程中的动态特性。然而微分参数的设置不当将造成控制系统的震荡和不稳定。总之，提高熱工自动化水平，可保护主设备的安全，减少跳闸和降负荷次数，提高电厂设备等效可用系数；参数在设计值附近优质运行，可提高热效率，减少厂用电。总的来说，目前我国热工自动化水平不太高，因此努力提高电厂的热工自